一種巴西低鋁粉礦在寶鋼的試驗研究

閻麗娟 ,吳勝利

(1.寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201900; 2.北京科技大學,北京 100083)

1 概述

近年來,隨著對鐵礦石需求的持續增加,世界鐵礦石的年生產能力也隨之有較大幅度增加,2017年為21.6億t,2017年鐵礦石的海運貿易量為15.5億t。在世界鐵礦石市場,澳大利亞和巴西為主的兩大出口國不斷進行擴產,隨著產量的增加,原有礦山高品位資源逐漸減少甚至枯竭,取而代之的新礦山鐵礦石質量有所下降。燒結配礦面臨的難點是傳統粉礦質量劣化,硅、鋁、磷等含量升高、鐵品位降低。

巴西鐵礦資源主要位于南部米納斯吉拉斯州鐵四角礦區和北部巴拉洲卡拉加斯,2018年推出了新的粉礦產品:一種特殊設計的混合礦即低鋁粉礦,具有較低的Al2O3和P含量,較高的鐵品位;其Al2O3含量控制在0.8%以內,P為0.045%,鐵品位為64.5%,SiO2含量控制在5.0%左右,小于0.15 mm為50%左右;產自鐵四角地區,由部分球團粉參與混礦。該產品可以作為低鋁粉礦的一種選擇,因此,對巴西的這種低鋁粉礦進行了實驗室試驗和工業試驗。

2 巴西低鋁粉礦基礎性能及研究方法

2.1 巴西低鋁粉礦的理化性能

將該巴西低鋁粉礦與目前使用的部分巴西粉礦和加拿大精粉進行了比較,詳細情況如表1、2和圖1所示。

從主要化學成分來看,該低鋁粉礦品位較高,低于巴西卡拉加斯粉礦和加拿大卡羅爾湖精粉,高于圖巴朗粉礦;SiO2含量較高,高于巴西卡拉加斯粉礦和加拿大卡羅爾湖精粉,低于圖巴朗粉礦,其Al2O3和磷含量較低,均與圖巴朗粉礦相近,比卡拉加斯粉礦低,比加拿大卡羅爾湖精粉高。該低鋁粉礦粒度組成較細,小于0.25 mm的比例為65.0%左右;比卡拉加斯粉礦和圖巴朗粉礦粒度組成細,與加拿大卡羅爾湖精粉相比,中間粒級的比例略低、核顆粒的比例略高。

表1 巴西低鋁粉礦與巴西粉礦和加拿大卡羅爾湖精粉主要成分比較

表2 巴西低鋁粉礦與巴西粉礦和加拿大卡羅爾湖精粉粒度組成比較

2.2 巴西低鋁粉礦的礦物組成

圖2為幾種礦粉的X射線衍射圖譜。從圖2(a)可以看出,該巴西低鋁粉礦中赤鐵礦的衍射峰數量多且峰值高,表明該粉礦的含鐵礦物主要是赤鐵礦。就脈石礦物而言,主要為石英和高嶺石。根據以往的研究得知,卡拉加斯粉礦和圖巴朗粉礦中赤鐵礦礦物衍射峰多且峰值高,針鐵礦礦物衍射峰少且峰值低,說明巴西的卡拉加斯粉礦和圖巴朗粉礦的含鐵礦物也主要是赤鐵礦,并含有少量的針鐵礦;就脈石礦物而言,卡拉加斯粉礦和圖巴朗粉礦中石英的衍射峰相對于三水鋁石的衍射峰,數量相對較多且峰值相對較高,說明這兩種礦脈石主要以石英形式賦存,少量以三水鋁石形式賦存?？ɡ铀狗鄣V和圖巴朗粉礦的X射線衍射圖譜如圖2(b)、(c)所示。從圖2(d)卡羅爾湖精粉X射線衍射圖譜看,其含鐵礦物主要為赤鐵礦,同時還含有部分磁鐵礦。就脈石礦物而言,卡羅爾湖精粉中石英的衍射峰數量相對較多且峰值相對較高,說明其脈石礦物主要是石英。

2.3 巴西低鋁粉礦的氣孔率

由于鐵礦粉的成因不同,反映在氣孔上有較大差異,從而對其在燒結過程中的行為和作用產生影響。試驗取粉礦中小于0.074 mm的顆粒,采取用氣體吸附法測定粉礦高溫脫水后的氣孔率,試驗結果如表3。由于巴西粉礦和加拿大精粉主要為赤鐵礦,其燒損均較低,氣孔率均較低。該巴西低鋁粉礦的氣孔率低于卡拉加斯粉礦和圖巴朗粉礦、略高于加拿大卡羅爾湖精粉。

2.4 巴西低鋁粉礦的燒結基礎特性

2.4.1 試驗方法

微型燒結法是一種實驗室模擬鐵礦粉燒結工藝過程的試驗研究方法。同化性[1,3-4]是指鐵礦粉與CaO反應生成一定液相的能力,試驗中將鐵礦粉試樣小餅與CaO試驗小餅在接觸面上發生反應開始熔化產生少量液相而不脫落時的溫度定為最低同化溫度,用以評價鐵礦粉的同化性能。鐵礦粉的液相流動性[1,5]是指在CaO比例一定的前提下,通過測定不同鐵礦粉與熔劑反應生成液相的流動能力。液相流動性的評價指標為液相流動性指數,指試樣燒結流動后和燒結前的原始垂直投影面積的增量與試樣燒結前的原始垂直投影面積的比值,具體如式(1)所示。

表3 巴西低鋁粉礦與巴西粉礦和加拿大卡羅爾湖精粉氣孔率比較

(1)

式中:L為液相流動性指數;S1為試樣原始面積;S2為試樣流動后面積。

鐵礦粉的黏結相自身強度[1-2],是指在CaO比例一定的前提下,通過測定不同鐵礦粉與CaO反應后生成黏結相的自身強度,來評價黏結相自身強度特性,黏結相自身強度特性的評價指標為抗壓強度。通過微型燒結法對巴西低鋁粉礦的燒結基礎特性進行試驗研究。

2.4.2 巴西低鋁粉礦的同化性

如表4,巴西低鋁粉礦的最低同化溫度與圖巴朗粉礦相近,略高于巴西卡拉加斯粉礦,略低于加拿大卡羅爾湖精粉。這與鐵礦粉脫水后氣孔率的高低正相關,隨著脫水后氣孔率的增加,鐵礦粉最低同化溫度呈現降低趨勢。這是因為氣孔率增加,擴大了鐵礦粉與CaO的接觸面積,改善了反應動力學條件,降低了同化反應的溫度。另外,試驗發現含有Fe3O4的加拿大卡羅爾湖精粉的最低同化溫度最高,這可能是因為Fe3O4幾乎不與CaO發生固相反應,這就大大地減弱了兩種礦粉生成液相的能力,進而大大地抬高了同化溫度,如圖3所示。

表4 巴西低鋁粉礦最低同化溫度

2.4.3 巴西低鋁粉礦的液相流動性

在1 300 ℃、CaO比例一定的前提下,分別測定了該巴西低鋁粉礦和巴西粉礦、加拿大精粉礦其他三種鐵礦粉的液相流動性指數。從表5的試驗結果看出,低硅低鋁含量的卡拉加斯粉礦液相流動性指數最高,顯著高于該巴西低鋁粉礦和圖巴朗粉礦。該低鋁粉礦的液相流動性指數較高,略高于圖巴朗粉礦,這是因為其有著較低的Al2O3含量和較低的SiO2含量,該低鋁粉礦的液相流動性指數低于巴西卡拉加斯粉礦。由于卡羅爾湖精粉含有Fe3O4,液相流動性指數最低,該低鋁粉礦的液相流動性指數高于加拿大卡羅爾湖精粉。

表5 巴西低鋁粉礦液相流動性指數

圖4為鐵礦粉SiO2含量對其液相流動性的影響。從圖4中可以看出,隨著鐵礦粉SiO2含量的增加,其液相流動性呈現下降趨勢。這是因為SiO2含量越高,黏附粉的偏析堿度越低,越不利于低熔點礦物鐵酸鈣生成,液相流動性越低。

2.4.4 巴西低鋁粉礦的黏結相強度

在1 300 ℃、CaO比例一定的前提下測定了該巴西低鋁粉礦和部分巴西粉礦和加拿大精粉的黏結相自身強度。從表6可以看出,該低鋁粉礦介于巴西卡拉加斯粉礦和圖巴朗粉礦之間,加拿大卡羅爾湖精粉的黏結相強度高于巴西圖巴朗粉礦、巴西低鋁粉礦和卡拉加斯粉礦。

表6 巴西低鋁粉礦黏結相強度

除含有磁鐵礦的加拿大卡羅爾湖精粉外,隨著SiO2含量的升高,鐵礦粉黏結相自身強度呈現升高的趨勢,見圖5。這可能是因為SiO2含量上升對硅酸鈣的生成是有利的,硅酸鈣是高強度的礦物,這樣就提高了黏結相自身的強度。加拿大卡羅爾湖精粉則因為Fe3O4的氧化放熱而產生更高強度的黏結相。

鐵礦粉Al2O3含量對其黏結相自身強度有影響。隨著Al2O3含量的升高,黏結相自身強度呈現降低的趨勢,見圖6。這可能是因為Al2O3會在燒結過程中形成高鋁脆性礦物,增大了燒結礦的脆性,降低了黏結相強度。

隨著鐵礦粉脫水后氣孔率的增加,黏結相自身強度呈現下降的趨勢,見圖7。這可能是由于氣孔率增加,破壞了黏結相的整體抗壓強度。

3 巴西低鋁粉礦燒結杯試驗研究

為了解該巴西低鋁粉礦的燒結性能,分別以該低鋁粉礦5%、10%、15%、20%代替巴西圖巴朗粉礦進行燒結杯試驗。試驗在φ300 mm的燒結杯進行,燒結鍋燒結工藝參數如下:點火時間120 s,點火負壓8.83 kPa,燒結負壓14.71 kPa,冷卻負壓7.84 kPa,料層高度800 mm,鋪底料2.0 kg。試驗結果如表7所示。

表7 巴西低鋁粉礦燒結杯試驗結果

從表7可以看出,隨著該巴西低鋁粉礦替代圖巴朗粉礦比例的增加,由于其粒度細,垂直燒結速度下降,但由于裝料量增加,燒結生產率基本穩定;燒結成品率及燒結礦強度略有提高,燃料單耗稍有下降。

4 巴西低鋁粉礦工業試驗研究

根據以上燒結杯試驗的結果,2017年10月,在四燒結開展工業性試驗。在四燒結試驗期間用該低鋁粉礦4%的比例替代巴西圖巴朗粉礦,澳洲粉礦等結構保持穩定。從四燒結的試驗情況看,該低鋁粉礦替代圖巴朗粉礦后,在機速保持穩定情況下,由于粒度組成細,負壓略有升高,通過提高生石灰粉使用比例、降低層厚等措施后負壓可以保持。燒結生產率和成品率保持穩定,燒結礦的強度TI和RDI保持穩定,燃料消耗略有升高,具體見表8、9。

表8 巴西低鋁粉礦工業試驗期間燒結礦質量

表9 巴西低鋁粉礦工業試驗期間燒結操作參數

5 結論

(1) 從主要化學成分來看,該低鋁粉礦鐵品位較高,為64.5%左右,與巴西卡拉加斯粉礦相近;SiO2為5%左右,其Al2O3和磷均較低。該低鋁粉礦粒度組成細,小于0.25 mm的比例為65%以上。其燒損較低,氣孔率較低。

(2) 巴西低鋁粉礦含鐵礦物主要為赤鐵礦,其脈石礦物主要是石英和少量的高嶺石。

(3) 燒結基礎特性試驗結果表明:該低鋁粉礦的同化溫度與圖巴朗粉礦相近,略高于巴西卡拉加斯粉礦,略低于加拿大卡羅爾湖精粉;該低鋁粉礦的液相流動性指數較高,略高于圖巴朗粉礦和加拿大卡羅爾湖精粉,低于卡拉加斯粉礦;該低鋁粉礦黏結相強度介于巴西卡拉加斯粉礦和圖巴朗粉礦之間。

(4) 分別以該低鋁粉礦5%、10%、15%、20%代替巴西圖巴朗粉礦的燒結杯試驗結果表明,燒結生產率基本穩定,燒結成品率及燒結礦強度略有提高,燃料單耗稍有下降。

(5) 四燒結工業試驗結果表明,該低鋁粉礦4%比例替代巴西圖巴朗粉礦。通過提高生石灰粉使用比例、降低層厚等措施,燒結生產率和成品率保持穩定,燒結礦的強度TI和RDI保持穩定,燃料消耗略有升高。