B2O3對釩鈦燒結礦液相量影響研究

汪小虎，李星志

(1.成渝釩鈦科技有限公司，四川 內江 641000；2.廣西柳州鋼鐵(集團)公司，廣西 柳州 545002)

我國釩鈦磁鐵礦資源儲量豐富，由于其鐵含量相對較低，且鈦、釩含量均不突出，工業生產中分別采用高爐—轉爐工藝提取鐵和釩、電爐工藝提取鈦。釩鈦燒結礦為高爐工藝爐料主要含鐵載體，由于其礦物成分和結構的特殊性，在釩鈦燒結生產過程中仍舊面臨著諸多難題。隨著釩鈦磁鐵礦精粉在燒結過程中加入比例的提升，燒結礦成礦過程中不但產生的液相量減少，液相粘結力也會變差，造成含釩鈦燒結礦成品率和強度均較低，小粒級增多，釩鈦燒結礦的低溫還原粉化率RDI-3.15也明顯高于普通燒結礦[1-2]。

近年來隨著含B2O3的廢棄物如硼泥、硼鐵礦選礦后的尾渣、硼酸廢液等所帶來的環境問題日益突出，將這些含硼廢棄物應用于釩鈦燒結再次成為研究熱點。儲滿生等人研究了硼鐵礦對燒結礦冶金性能和燒結生產技術指標的影響，結果表明，燒結礦的低溫還原粉化性能以及燒結杯利用系數、轉鼓指數、成品率、垂直燒結速度等指標隨硼鐵礦質量配比的增加呈先升高后降低的趨勢[3]。郝德勝研究發現，在燒結礦中配加氯化鈣和硼酸會導致轉鼓強度和低溫還原性有所增加，而軟融區間、軟化溫度和高溫還原性基本不發生變化[4]。趙慶杰等人的研究結果表明，配加適量的硼鐵精礦可以有效改善釩鈦燒結礦的冶金性能，這是由于硼鐵精礦中的B2O3可以促進燒結礦中鐵精粉晶粒長大，同時使得液相量增加，固結強度有所提高[5]。

以上研究者均發現，在燒結礦中添加硼鐵精礦、硼酸和硼泥是降低粉化率，提高燒結礦強度的有效手段，能夠改善燒結礦冶金性能，提高高爐的冶煉強度，增加產量。可見有效成分B2O3，可以改善釩鈦爐料冶金性能，也可以為含硼固體廢棄物中B2O3循環利用尋找一條新的途徑。

在本文中，在中國西南某企業實際生產配料結構下，用釩鈦磁鐵礦精粉和澳大利亞赤鐵礦粉按照一定配比混合為基礎鐵礦粉，運用FactSage熱力學軟件計算化學成分變化對燒結過程液相量的影響，在實驗室條件下以化學分析純試劑B2O3、生石灰、焦粉為原料，用燒結杯試驗裝置實驗研究了B2O3的含量對釩鈦磁鐵礦粉燒結成礦過程工藝參數的影響，進一步明確了不同B2O3含量對釩鈦燒結礦燒結成礦過程影響規律。

1 化學成分對釩鈦燒結礦液相的影響

1.1 熱力學計算基礎

采用FactSage軟件中的Equilib模塊和Reaction模塊開展熱力學計算。基于礦石化學成分、混料中氧化亞鐵(FeO)和全鐵(TFe)的含量，計算得到Fe2O3的含量，堿度固定為2.0，配碳量為3.5。釩鈦鐵精粉成分來源于西南某企業的釩鈦鐵精礦粉和澳大利亞赤鐵礦礦粉以8:2比例混合而成。鐵礦粉、釩鈦燒結礦的化學成分如表1、表2所示。

表1 鐵礦粉化學成分/wt%

表2 釩鈦燒結礦化學成分/wt%

1.2 MgO和Al2O3對釩鈦燒結礦液相量的影響計算

以表2的燒結礦原料化學成分表為基礎，外加MgO和Al2O3配比分別為0～5%，得到計算所需的不同MgO和Al2O3配比的原料數據，利用FactSage軟件計算出不同MgO和Al2O3配比的燒結礦原料隨溫度變化生成液相的含量。

圖1 MgO和Al2O3含量對釩鈦燒結礦液相量影響

從圖1可知隨著MgO含量的升高其釩鈦燒結礦在燒結過程中的液相量是隨之降低的。由于燒結礦中的MgO會與CaO和SiO2反應生成鈣鎂橄欖石，此類鈣鎂橄欖石的熔點均很高，其中CaO·MgO·2SiO2、2CaO·MgO·2SiO2、3CaO·MgO·2SiO2的熔點分別為1350 ℃、1405 ℃、1595 ℃，熔點都較高，在1200 ℃的燒結溫度下這些鈣鎂橄欖石礦物不會熔化進入到液相中。而CaO相對含量減少，使得CaO與Fe2O3反應生成鐵酸鈣的數量降低。所以隨著MgO含量的升高，生成的鈣鎂橄欖石越多，鐵酸鈣數量相對減少。燒結礦計算液相量在1100 ℃之前沒有液相生成，在1100-1150 ℃時，液相量隨溫度的升高增長較為平緩，在1150-1350 ℃時，液相量增長很快，且在1350 ℃時液相量接近100%。在燒結溫度1200 ℃條件下，當Al2O3含量從0%增加至5%時，燒結礦液相量分別為21.43%、19.32%、30.98%、42.27%、53.73%、54.85%。整體上液相量是呈現出增加的趨勢，則隨著Al2O3含量的升高其釩鈦燒結礦在燒結過程中的液相量是隨之增加的。

1.3 B2O3釩鈦燒結礦液相量的影響計算

利用FactSage軟件計算當溫度變化時，B2O3含量在0%、1%、2%、3%、4%、5%時釩鈦燒結礦生成液相的含量變化情況。壓力設定為一個標準大氣壓，溫度區間設定為850-1250 ℃，溫度間隔50 ℃，結果見圖2。

圖2 含硼釩鈦燒結礦液相量隨溫度的變化情況

如圖2所示，在燒結過程中，隨著溫度的升高和B2O3配比的增加，液相量均呈增加趨勢。究其原因，配加B2O3后，燒結礦中的Al2O3、MgO、SiO2、MgO、CaO等與其發生反應，生成物的熔點較低，且低熔點生成物隨著B2O3含量的增多而增多。此外，由于B2O3熔點低(450 ℃)，進入液相的時間最早，導致液相粘度減小，從而加速液相的生成，有助于燒結過程反應的順利進行。與此同時，SiO2、CaO和B2O3反應的可以生成低熔點物質2CaO·B2O3·SiO2(901 ℃)，該反應能夠有效抑制正硅酸鈣(2CaO·SiO2)的生成。

2 含B2O3釩鈦燒結試驗研究

2.1 燒結杯實驗參數

本研究所采用的燒結杯裝置主要包括以下幾部分：燒結杯、混勻裝置、點火助燃風機、主抽風機、破碎裝置、轉鼓試驗測試和振動篩分裝置。實驗裝置參數見表3。

表3 燒結試驗工藝參數

2.2 不同B2O3含量燒結杯實驗指標

在釩鈦磁鐵礦中配加B2O3后，燒結技術指標變化明顯。圖3表明，燒結礦試樣的轉鼓強度隨B2O3添加比例的提升，呈先增大后減小的趨勢。B2O3的添加比例為3.00%時，轉股強度達到最大值58.00%。同樣地，燒結礦試樣的垂直燒結速度和成品率均隨B2O3添加比例的提升呈先增大后減小的趨勢，并在B2O3添加比例為3.00%時達到峰值。

圖3 不同B2O3含量的H-VTM燒結杯指標

在釩鈦磁鐵礦中配加B2O3后，燒結杯實驗的樣品粒度分布變化明顯，平均粒徑隨著B2O3添加比例的提升呈先增大后減小的趨勢。配加B2O3后，大塊燒結礦比例上升，整體粒徑增大。大于40mm粒級的燒結礦由2.74%大幅增加至23.92%，而小于5.00mm粒級的燒結礦由38.65%減少至28.55%，降幅明顯。

當釩鈦燒結礦溫度降至725 ℃時，其內部的晶型發生轉變，由α'-2CaO-SiO2

轉變為γ-2CaO·SiO2，體積也隨之變化，增大約12.00%；繼續冷卻，當釩鈦燒結礦溫度降至525 ℃時，其內部晶型再次發生轉變，晶格重排，由β-2CaO·SiO2轉變為γ-2CaO·SiO2，密度變化導致體積增大了約10.00%。冷卻過程中，燒結礦的體積增大導致其內部應力增大，嚴重時甚至會造成燒結礦粉化。燒結礦中存在多種具有不同結晶能力、熱膨脹系數和熔點的礦物，導致其在冷卻降溫過程中產生裂紋和較大的內應力，使得強度降低。

B2O3熔點低，可以促進燒結礦液相晶核的產生；硼離子半徑小(0.02nm)，易擴散，進入正硅酸鈣的晶格后，可以起到穩定晶型的作用，使得自然粉化率降低，燒結礦粒徑和強度也隨之增加。燒結礦的液相量隨著B2O3配加比例的提升而增大，在上部抽風冷卻過程中，燒結礦液相收縮產生結晶。由于表面張力的減小，過熔的燒結液相會產生泡沫，出現大孔薄壁結構，最終導致燒結礦整體強度的下降。

3 結論

通過以釩鈦磁鐵礦為主的混合礦粉成分的FactSage計算和燒結杯試驗分析研究可以得到如下結論：

(1)在本文計算條件下，隨著B2O3和Al2O3含量的升高，釩鈦燒結礦在燒結過程中的液相量呈增大趨勢。

(2)燒結杯實驗結果表明隨著B2O3添加比例的提升，燒結礦轉鼓強度呈先增大后降低的趨勢，成品率、垂直燒結速度等燒結指標趨勢也相同。燒結液相量持續增大，但是過多液相收縮結晶，造成大孔薄壁結構引起燒結礦整體強度的下降。