新型煉鋼添加劑成型過程中的影響因素研究及其工業化制備

何 凱，田苗苗，周江峰，陳 強，楊雙平，周新文，卜春陽，安 耿

(1.金堆城鉬業股份有限公司，陜西 西安 710077) (2.陜西省建筑職工大學，陜西 西安 710068) (3.陜西盛華冶化有限公司技術中心，陜西 漢中 723300) (4.西安建筑科技大學，陜西 西安 710055)

0 引 言

金屬鉬廣泛應用于宇航及火箭的耐高溫部件[1]、核工業的抗沖蝕包殼材料、電子行業的電極和柵極、石油化工行業的催化劑[2-4]、顏料及粘結劑、機械減摩領域中的固體潤滑劑以及應用于藍寶石行業中的鉬坩堝等，而其大量應用卻是在鋼鐵冶煉行業，約占80%[5]。復合氧化鉬塊作為鋼鐵冶煉行業中一種新型的添加劑，其大規模化應用前景廣闊[6]。

現行的復合氧化鉬塊成型加工是在機械式壓塊機、液壓式壓塊機或對輥壓球機上完成的。機械式壓塊機的成型工藝是在制備復合氧化鉬塊成型工藝中，由于凸模是瞬時沖擊物料，模具型腔內的物料成型塊沒有保壓時間，成型復合氧化鉬塊的內應力較大，容易開裂，降低了成型復合氧化鉬塊的成品率。液壓式壓塊機在制備復合氧化鉬塊成型工藝中，由于凸模速度可控，消除了物料壓制過程中粉料的噴濺，減少了物料浪費，控制系統可對壓制成型的物料塊設置保壓時間，提高了壓塊的成型率。對輥壓球機的成型原理是將攪拌混合好的氧化鉬粉料擠壓入一對相對旋轉的輥輪中間，依靠兩個輥輪表面模具相接觸的線壓力作用下成型，輥輪繼續滾動，成型氧化鉬塊在自身重力作用下掉入輸送帶，完成卸料。對輥壓球機壓球成型效率高，速度快，適合于工業化大規模生產。

1 物料基本性質

三氧化鉬為白色或蒼黃色、透明斜方晶體，密度4.692 g/cm3，熔點795 ℃，沸點1 155 ℃(升華)，加熱時變黃色，冷時即復原，即使在低于熔點情況下，600 ℃也有明顯的升華現象，不溶于水，能溶于氨水和強堿[7]。而氧化鈣為白色或帶灰色塊狀或顆粒，相對密度3.32～3.35 g/cm3，熔點2 572 ℃，沸點2 850 ℃，易從空氣中吸收二氧化碳及水分，與水反應生成氫氧化鈣(Ca(OH)2)并產生大量熱，有腐蝕性，溶于酸類、甘油和蔗糖溶液。

復合氧化鉬塊成型試驗所用MoO3、CaO均為粉末狀，MoO3為多膛爐生產的高純三氧化鉬，批號為2015-703B，CaO為AR級分析純，各原料的粒度和純度如表1所示，各原料的化學成分如表2、表3所示。

表1 試驗所用物料的粒度和純度

表2 原料三氧化鉬化學成分

表3 輔料氧化鈣化學成分

2 成型工藝試驗研究

2.1 試驗設備

試驗所用設備包括混料設備、壓塊設備及烘干設備。混料設備為SWH-10型三維運動混合機。該混合機由機座、調速電機、運動軸、回轉連桿及筒體組成，裝料的筒體在主動軸的帶動下做平移及搖滾等復合運動，促使物料沿著筒體作環向、徑向和軸向的三向復合運動，從而實現混合物料的相互流動擴散，以達到高均勻度混合的目的，具有混合時間短、效率高的優點。該設備料筒容積為10 L，最大裝料質量為7 kg，主軸轉速0～22 r/min，電機功率0.18 kW。所選用的壓塊設備為YJ32-160B型液壓裝置，其具有獨立的動力機構和控制系統，改造后的控制系統可實現手動、半自動及自動3種操作方式，公稱壓力為1 600 kN，橫梁行程為560 mm，電機功率為15 kW。圖1為其改造后的控制系統面板。烘干設備為101-2型電熱鼓風干燥箱。

圖1 壓塊機控制系統面板

2.2 試驗方法

將原料MoO3粉末、輔料CaO以及粘結劑H2O按不同組分和比例混合均勻，經混料工藝、壓制成型工藝及烘干工藝，來探索復合氧化鉬塊產品技術指標是否滿足煉鋼用氧化鉬塊產品標準要求。

首先將原料MoO3及輔料CaO按比例置于SWH-10型三維運動混合機裝料筒體內，旋轉主軸轉速調節至20 r/min，混料8 h，再將混合好的物料放入攪拌盆中，一邊噴入粘結劑水一邊攪拌，直至混合物料和水分混合均勻。不同組分的混合物料和粘結劑配比及試驗參數見表4。

然后設定YJ32-160B型液壓式壓塊機壓制參數，將混合均勻的復合氧化鉬原料通過漏斗進料裝置加入到多孔粉末擠壓成型模具的料槽中，保持混合物料與料槽上平面平齊，凸模在上壓力的作用下向下運動，當凸模上的壓制柱體下表面與混合物料剛接觸時，開始復合氧化鉬塊的成型加工，設計好壓制柱體的下行高度，其中下行高度由混合原料的松裝密度、復合氧化鉬塊的壓實密度及料槽尺寸綜合確定，當壓制柱體壓縮混合物料的下行距離達到設計好的下行高度時，保壓1～30 s后泄壓，然后再從凹模的退料槽中抽出滑動墊塊，壓制柱體繼續向下移動，直到復合氧化鉬塊從料槽中完全推出，垂直掉入退料槽內，然后凸模在上升力的作用下從料槽中退出，恢復到模具原點，取出加工成型的復合氧化鉬塊。

最后將壓制成型的復合氧化鉬塊產品，置于北京科偉永興儀器有限公司生產的101-2型電熱鼓風干燥箱內，設定升溫速率10 ℃/min，干燥溫度為220 ℃，保溫時間2 h，完成氧化鉬塊產品的烘干。

2.3 試驗結果及分析

對經混料、壓制成型及烘干制備出的復合氧化鉬塊產品分別進行密度測試、強度測試及水分檢測，結果如表5所示。

表4 不同組分混合物料配比及試驗參數

表5 不同組分復合氧化鉬塊產品技術指標

由表5可知，采用液壓式壓塊機制備出的復合氧化鉬塊產品，其單塊質量在30～100 g之間，產品密度均大于2.6 g/ cm3，產品抗壓強度均大于3.3 Mp，距離硬質地面1 m自由落體掉落地面不破碎，產品水分含量均不高于0.5%，按照現有的氧化鉬塊產品標準YB/T5129-2012的要求，產品比重需大于2.5 g/ cm3，水分含量不高于0.5%，產品各項技術指標滿足煉鋼用氧化鉬塊標準要求。

2.3.1 壓制力、密度與強度

選取1#復合氧化鉬粉末作為研究對象，分別在100 kN、400 kN以及700 kN壓制力作用下，按照上述的壓塊成型及烘干工藝制備壓塊產品，其壓制力、密度和強度的參數如圖2、圖3所示。由圖可知，復合氧化鉬塊產品的密度隨壓制力的增大而呈曲線形式上升并逐漸趨于緩和，其強度隨壓制力的增加先呈緩慢上升趨勢后急速下降，強度上升的原因是由于壓制力的增加提高了粉末之間粘合力，從而提高了壓塊的破碎強度，而強度下降的原因是由于壓制力過大，導致壓塊內部內應力增加，從而出現開裂現象，降低自身強度。

圖2 壓制力與密度關系圖

圖3 壓制力與強度關系圖

2.3.2 保壓時間、密度與強度

選取1#復合氧化鉬粉末作為研究對象，分別在1 s和30 s的保壓時間下，在壓制力為100 kN的恒力下，按照液壓壓塊成型及烘干工藝制備壓塊產品，其保壓時間、密度和強度的參數如圖4、圖5所示。由圖可知，復合氧化鉬塊在壓制成型制備過程中，其保壓時間對單塊的密度影響不大。從圖4中可知，在復合氧化鉬塊制備工藝條件相同的情況下， 1 s保壓時間和30 s保壓時間制備出的單塊平均密度只相差0.03 g/cm3，不同保壓時間下，單塊保壓密度在同一數值范圍內波動；其保壓時間對單塊的強度有影響。從圖5可知，在復合氧化鉬塊制備工藝條件相同的情況下，1 s保壓時間和30 s保壓時間制備出的單塊平均強度相差接近2 Mp，而單塊保壓強度曲線30 s的數值在1 s的數值之上，也可以說保壓時間長的強度大于保壓時間短的強度，保壓時間越長越有助于復合氧化鉬塊的成型。

2.4 試驗結論

液壓式壓塊機制備復合氧化鉬塊產品，其單塊質量在30～100 g之間，產品密度大于2.6 g/cm3，產品抗壓強度大于3.3 Mp，距離硬質地面2 m自由落體掉落地面不破碎，產品水分含量低于0.24%，完全滿足氧化鉬塊產品標準YB/T5129-2102要求，符合鋼廠煉鋼添加劑產品規范。制備復合氧化鉬塊產品，壓制力在100 kN時，壓塊各項指標可以滿足標準YB/T5129-2012要求，隨著壓制力的增加，壓塊密度變大，壓塊強度先增加后降低，保壓時間和壓塊密度關系不大，但隨著保壓時間的延長，壓塊強度明顯增加。

圖4 保壓時間與密度關系

圖5 保壓時間與強度關系

3 工業化成型試驗

3.1 工業化成型方法

圖6為復合氧化鉬壓塊產品工業化生產示意圖。其工藝過程為分別將原料氧化鉬粉末和輔助物料氧化鈣抑制劑從不同的進料倉加入到高速混料器中，原料和輔料的加料量可通過星型卸料器控制，同時噴入霧狀粘結劑，待物料和粘結劑完全混合均勻后，通過輸料管道進入旋壓進料倉，在螺旋進料裝置的擠壓作用下混合物料經過高壓對輥壓球機的壓制成型和振動篩分機的過濾，將成型的復合氧化鉬塊送入網帶式加熱爐中烘干以去除水分，碎小的物料顆粒再次加入到旋壓進料倉內二次擠壓成型，以提高金屬鉬的回收率，完成復合氧化鉬壓塊產品的生產。

按照復合氧化鉬塊工業化生產工藝流程，確定其工藝技術路線如下。(1)混料工藝：原料氧化鉬粉末和輔料消石灰粉末、碳化硅粉、碳粉、硅鐵粉等采用固-固混合，在三維運動混料機、V型混料機或者臥式自動化強力混料機等設備上實施。(2)壓球成型工藝：根據不同混合物料的特點，加入2%～8%的粘結劑，攪拌均勻。將混合好的物料置于15～30 Mp的高壓對輥壓球機進行壓制。(3)脫水烘干工藝：烘干溫度設定在150～200 ℃，烘干時間根據復合氧化鉬塊的大小和厚度設定，烘干裝置選擇網帶式加熱爐或熱風干燥爐以脫除壓球中的水分。

圖6 復合氧化鉬壓塊產品工業化生產示意圖

3.2 工業化成型設備

3.2.1 工業化混料

復合氧化鉬塊在規模化生產過程中，混料工藝階段選擇的設備是洛陽中原礦山機械制造有限公司研發加工出的臥式強力混合機，該設備由電機、減速裝置、進料孔、出料孔、筒體、旋轉支架及混料刀具組成，其工作原理是電機帶動旋轉支架上的雙螺旋混料刀具旋轉，將混合物料在筒體范圍內進行翻動，內螺旋刀具將物料由中間推向兩側，外螺旋刀具將物料由兩側推向中心，來回翻混的物料又在雙螺旋刀具的轉動下，沿徑向移動變化，從而形成了對流混合，因此物料在很短時間內就能混合均勻。

3.2.2 工業化壓塊成型

復合氧化鉬塊規模化壓塊成型工藝階段選擇的設備是洛陽中原礦山機械制造有限公司研發的高壓對輥壓球機。該設備由電機、傳動減速裝置、旋壓進料裝置、輥坯模具、圓柱擠壓輥及液壓系統組成，其工作原理是電機帶動兩個相向且同步轉動的擠壓輥，一個為固定輥，一個為轉動輥，混合物料由上方的預壓螺旋進料裝置壓入，再被壓輥連續地代入輥間模具型槽，受高壓作用后，混合物料自粘結成密實的橢球形從機下輸送帶排出。

3.2.3 工業化烘干除水

復合氧化鉬塊規模化烘干除水工藝階段選擇的設備是網帶式烘干爐。該設備由電機、傳動減速裝置、網帶送料機構、加熱爐體、抽風系統組成，其工作原理是將欲烘干物料塊放置在網帶進料口上，在送料機構運動下，使得物料塊傳送至加熱爐體內，物料中的水分在高溫下蒸發出來，由抽風系統帶走，當水分干燥后，網帶恰好將物料從入口輸送到出口，落入物料回收區。

復合氧化鉬塊工業化烘干除水工藝過程：將經高壓壓球機壓制成型的1#復合氧化鉬塊，放入網帶式烘干爐的入口，待加熱區溫度穩定在180 ℃時，設定網帶移動速度20 mm/min，啟動電機，1#氧化鉬壓塊經過加熱區域的干燥去水處理，落入物料回收區，其烘干后產品技術參數如表9所示，滿足煉鋼用復合氧化鉬塊產品標準要求。

表6 混合機技術參數

表7 壓球機技術參數

表8 烘干爐技術參數

表9 工業化生產復合氧化鉬塊技術指標

4 結 論

(1)通過對液壓式壓塊機制備小批量復合氧化鉬塊產品的工藝探索，驗證了該種產品按照原料混合、壓制成型及脫水烘干生產工藝制備的可行性，經過對產品各項指標檢測，制備出了此生產工藝下滿足標準YB/T5129-2012的復合氧化鉬塊產品。

(2)在混合物料粒度、粘結劑等條件不變的情況下，對復合氧化鉬塊產品的強度和密度指標分別與成型過程中壓制力、保壓時間進行詳細的研究和分析可知，壓塊密度隨壓制力的增加而提高，強度隨壓制力的增加呈先升后降的趨勢，壓塊強度隨保壓時間的延長而增加，而對密度影響不大，同時給工業化生產提供了準確的技術參數。

(3)借鑒小批量化生產的工藝和技術參數，對復合氧化鉬塊產品進行了工業化生產試驗，能夠制備出每小時在噸位級以上的產量，并對工業化生產的產品作了抽樣檢測，得出產品的密度不小于2.6 g/cm3，冷壓破碎強度不小于493 N，水分含量不高于0.16%，壓塊產品從2 m高度自由落體掉在硬質地面不破碎，滿足氧化鉬塊產品標準要求。