脉石含量对球团矿性能的影响（张亚平,傅菊英,江涛,杨永斌《烧结球团》2002.4）.pdf

收稿日期 2001- 12- 11 联系人 张亚平 410083 湖南 长沙中南大学矿物系 脉石含量对球团矿性能的影响 张亚平 傅菊英 江 涛 杨永斌 中南大学矿物系 摘 要 应用微型烧结法, 通过添加化学纯 Al2O3、 MgO、 SiO2、 CaO 改变球团中 Al2O3、 MgO、 SiO2、 CaO 的含量, 研究了不同脉石成分对球团矿质量的影响。结果表明, SiO2含量为 65 时, 球团矿抗压强度高; Al2O3、 MgO 含量高对球团强度不利, 应尽量降低他们的含量; 在 低碱度范围内, 提高碱度对改善球团抗压强度有利, 但 FeO 含量将升高。 关键词 脉石成分 球团 抗压强度 FeO 含量 1 前 言 带式烧结机焙烧酸性球团矿是根据我国钢 铁工业的具体情况而开发出的一种生产酸性炉 料的新工艺, 它适合于已建有小型烧结机而又 缺乏酸性炉料的中小型钢铁厂[1]。与普通氧化 球团生产工艺相比, 最大的不同之处是它采用 了固体燃料, 就这一点而言,它又类似于烧结 工艺。本文就这种工艺,对不同脉石成分球团 矿的性能进行研究。 2 原料条件和试验方法 试验采用的含铁原料有国内混合精矿和进 口印度精矿, 其化学成分列于表 1, 粒度组成见 表 2。所使用的粘结剂为繁昌膨润土, 其理化性 能列于表 3 及表 4。从表 1 中可知, 印度精矿为 高铁 低硅 精矿, 铁品 位 达 6676, SiO2为 441, 钙、 镁、 铝含量均较低; 国内精矿也是一 种低硅精矿, SiO2为 388 , 但含镁铝较高, 由 于碳酸盐含量较高, 所以烧损较大, 为 89。 表 1 铁精矿的化学成分 矿 种TFeFeO SiO2 CaOMgO Al2O3 S烧损水分 国内矿63812328388119265222114890890 印度矿66762017441044022070011088730 表 2 铁精矿粒度组成 矿 种 05mm05 018mm018 0076mm0076 0045mm- 0045mm 国内矿2081234350013263732 印度矿00805676210388136 表 3 繁昌膨润土的化学成分 SiO2Al2O3Na2OCaOMgOK2OFe2O3 62341724110222544035123 表 4 膨润土粘结特性参数 蒙脱石 含量/ 胶质价/ 倍 膨胀量/ mLg- 1 吸蓝量/ g 100g - 1 吸水率/ 17258054105256 本次试验采用微型烧结法[3、 4、 5], 它是将铁 粉和一定的添加剂加水混合制成小饼,干燥后 在卧式管炉中通入气体,气体按照烧结时的气 氛配制,模拟烧结过程。本次试验具体操作过 程如下印度矿60,国内混合精矿 40 , 膨 润土 1 作粘结剂,加水 8 混合,在 1 500 N/ cm2的 压 力 下 压 成 高 12 mm,直 径 125mm的小饼,干燥后在卧式管炉中焙烧。 3 试验结果及讨论 31 Al2O3对球团矿性能的影响 Al2O3对球团矿性能的影响见图 1。从图中 可以看出, Al2O3从 15 增加到 45 时,团 块抗压强度从 3800N/ 块下降到 2900N/ 块。从 微观结构可以看出, 当Al2O3为15 时, 球 11 第 27 卷 第 4 期 2002 年 7 月 烧结球团 Sintering and Pelletizing 图 1 Al2O3对球团矿性能的影响 团矿显微结构中铁氧化物连成网状结构,呈圆 形微小气孔,孔隙率小, 液相量大, 硅酸盐中 间圆形气孔较多, 呈中孔薄壁; Al2O3为 25 时, ,Fe2O3多以自形晶、他形晶存在, 紧密嵌 布在磁铁矿周围,铁氧化物与硅酸盐之间普遍 存在空隙, 硅酸盐液相在冷却过程中体积收缩 过大, 造成不规则中小孔, 液相量减少; Al2O3 为35 时,液相量继续减少,气孔率增大, Fe2O3含量增加, 晶体发育良好,多以自形晶、 半自形晶存在,也有少量的他形晶, 铁氧化物 的晶粒变细, 硅酸盐矿物与铁氧化物结合更为 紧密并出现不规则大气孔; Al2O3达到 45 时, 气孔变大且增多,液相量大为减少。可以 认为,由于 Al2O3增加使硅酸盐粘结相粘度降 低,在焙烧过程中显著改变了矿粒间的团聚程 度和晶粒生长方式,从而使粘结相趋于致密。 同时,过多的 Al2O3在球团局部形成大孔薄壁 结构,不利于晶粒的发育生长,大孔周围析出 再生赤铁矿。而由于 Fe2O3和 Al2O3的晶格相 近, 所以这 种再生赤 铁矿中 的主要 杂质为 Al2O3。Al2O3可以降低硅酸盐液相的熔点,促进 氧离子扩散, 有利于球团氧化, 促进 Fe2O3生成 和降低FeO 含量, 另外Al2O3和FeO还将形成固 溶体, 促使再生的自由 Fe2O3晶体生成, 所以球 团矿的强度降低。 32 MgO 对球团矿性能的影响 MgO 对球团矿性能的影响见图 2。由图可 以看出, 随着 MgO 从 13 增加到 53, 抗压 强度从 3300N/ 块下降到 2400N/ 块。从显微结 构看, MgO 为 23 时, Fe2O3多以他形晶存在, 呈细丝状, 连晶较好, Fe3O4多以板块状存在, 大 量硅酸盐矿物填充在孔隙中, 气孔之间有游丝 状 Fe2O3和少量硅酸盐, 液相量占 1/ 3; MgO 为 53时, Fe2O3多以板块状存在, 中央有许多不 规则气孔, 孔隙率增加, 液相量减少到 1/ 4, 团块 中央大多数为 Fe3O4和硅酸盐, 有超大气孔存 在。总的来说, 随 MgO 增加, 液相量减少, 液相 粘度增大, 孔隙率增大, 体积收缩变差, 加上有 大气孔存在, 气孔形状不规则, 应力集中, 所以 抗压强度下降。通过化学分析, FeO 随着 MgO 的增加而降低, MgO 从 1818增加到 5296 时, FeO 从 725降低到 390。这是因为 铁 - 铁尖晶石 天然铁氧体 FeOFe2O3 的晶体 结构为反尖晶石结构,即有一半的 Fe3填充在 四面体空隙中, Fe2和另一半 Fe3离子则填充 在八面体空隙中。在 MgO FeO 系统中,MgO 和FeO 都具有 NaCl 型结构,属于立方晶系, 面心立方点阵。由于二者晶胞参数非常相近 MgO 为 4203, FeO 为 4332 ,离子大小相 近,电价相同,所以金属阳离子极易发生置 换。高温焙烧过程中, Mg2离子将 Fe2置换出 来。此时, Fe2具有更高的活性。另一方面, 由 于孔隙率提高使氧离子到达磁铁矿表面的阻力 减小, 所以 Fe2更容易氧化, 致使 Fe2O3增多, FeO 减少。通过采用电子能谱分析法对强化马 鞍山酸性球团的氧化作用机理进行研究, 姜昌 伟[ 6]等人发现, 加入 MgO 的球团氧化时, 磁铁 矿中 MgO 含量增高, 而 FeO 减少, 从而表明 Fe2被 MgO 置换出来, 球团氧化反应速度和反 应物层扩散速度加快, 促进了球团氧化。 12 烧结球团 第 27 卷 第 4 期 图 2 MgO 对球团矿性能的影响 33 SiO2对球团矿性能的影响 球团矿中 SiO2越低越好,但在现实生产 中, 有些矿 如海南矿 则是高硅低铁矿,所 以研究 SiO2的影响是有意义的。SiO2对球团 矿性能的影响见图 3。当 SiO2从 5 增加到 64 时,抗 压 强 度 从 3700 N/ 块 上 升 到 4500 N/ 块,随着 SiO2进一步增加, 抗压强度 下降。从显微结构上看,SiO2为 5时, Fe2O3 和Fe3O4多以自形晶、半自形晶存在,硅酸盐 呈现大块板状,中间有较少的圆形气孔并有细 长的裂纹存在;SiO2为 64 时,Fe2O3多以 半自形晶存在,有少量细丝状微晶粒,再结晶 较好,气孔形状和分布不规则,有大孔、大裂 纹存在,Fe3O4增多,气孔率上升,硅酸盐中 有较多的中等孔隙,中孔薄壁,裂缝较长; SiO2为 78 时,Fe2O3、Fe3O4多以细丝状微 晶存在,硅酸盐以絮状存在,与铁氧化物交错 分布, 液相量在 40 以上,圆形中等孔隙,微 气孔较多, 气孔分布均匀,Fe3O4有增多趋势, 液相量过大, Fe3O4晶面上有极其严重的黑圆 点状游离 SiO2, 硅酸盐之间有较多孔隙;SiO2 从 5到 65 这个阶段,随着 SiO2增大,液 相量增加,粘结作用加强,在 SiO2为 65 时, 铁氧化物形成交织结构,液相填充孔隙, 主要形成闭气孔,结构致密,此时的视密度最 大,抗压强度也最大;SiO2继续增加,气孔形 状变得不规则, 并且游离 SiO2增多, 气孔率升 高,硅酸盐矿物以絮状存在,硅酸盐之间有很 多裂纹,铁氧化物之间连晶较少,抗压强度下 降。由 于 气 孔率 升 高,氧气 更 容 易 扩 散, Fe3O4容易被氧化, FeO 含量降低。 34 CaO 对球团矿性能的影响 图 3 SiO2对球团矿性能的影响 本次试验中,CaO 的变化是用碱度的变化 来表示的,因此,图 4 中横座标用来碱度来表 示。从图中可以看出,随着碱度从 02 升高到 10,抗 压 强 度 从 3 000N/ 块 增 加 到 4700 N/ 块,而后则随碱度升高呈下降趋势。 这是因为随着 CaO 的加入,硅酸盐渣相减少, 铁酸钙出现,液相的粘度降低,流动性变好, 填充了气孔,使气孔率降低, 结构致密,从而 强度上升。在碱度为 10 时,结构最为致密, 强度最高。进一步提高碱度,则由于液相量过 13 2002 年第 4 期张亚平等 脉石含量对球团矿性能的影响 多, 造成气孔较多,气孔与气孔之间互相连 通, 形成大孔薄壁结构, 造成强度下降。对于 FeO 来说, 由于 CaO 使硅酸盐矿物的熔点降 低, 硅酸盐液相量增大, 且液相的粘度降低, 因此粘结铁氧化物的能力增强,在高温过程 中,Ca2向晶格内扩散,而 Fe2则反方向朝液 相中扩散,FeO 与 SiO2易于结合形成铁橄榄石 等硅酸盐矿 物,含钙磁铁矿的出现 不利于 Fe3O4的氧化,FeO 增加。随着碱度进一步升 高,球团矿中局部形成大孔薄壁结构, 表现为 球团矿的孔隙率升高,氧离子的扩散阻力减 小,促进 Fe3O4氧化, FeO 降低。 图 4 CaO 对球团矿性能的影响 4 结 论 随着 Al2O3的升高,球团矿的抗压强度下 降, 孔隙率上升, FeO 降低;MgO 增加, 球团 矿的抗压强度降低,孔隙率增加,FeO 降低; SiO2在 64 时,球团矿的 抗压强度最 大, SiO2进一步增大,球团矿抗压强度降低,在整 个过程中, 孔隙率升高, FeO 降低;随 CaO 增 加,在碱度 10 时,球团矿抗压强度最好,孔 隙率最低, FeO 最高, 当 CaO 进一步增加,球 团矿抗压强度降低,孔隙率上升,FeO 降低。 参考文献 1 朱德庆, 姜 涛等 酸性球团矿烧结机焙烧工艺 烧结球 团, 2000, 25 1 11 13 2 Yasuo NIWA,Nobora SAKAMOT O et alCommercial Pro duction of Iron Ore Agglomeration Using Sinter Feeds Contain ing a Large Amount of Fine OresISIJ International, Vol33, 1993, 4 454 461 3 王黎光 烧结机焙烧酸性球团固结机理研究[ 学位论文] 长沙 中南大学矿物系 , 9 12 4 W Kowalski, K Kersting,P Winter T he Influence of Sinter Composition on Sintering Rate and Physical Quality of Sinter, 1997 Ironmaking Conference Proceedings 415 425 5 梁德兰, 孔令坛 烧结矿固结机理的微型烧结实验室研究 矿冶工程, 1996, 增刊 2 74 75 6 姜昌伟 凹磁铁精矿球团氧化机理与工艺制度的研究 [ 学位论文] 长沙 中南工 业大学矿物系, 34 44 THE INFLUENCE OF GANGUE CONTENTSON PROPERTIES OF PELLET Zhang Yaping et al Abstract In this paper, the effect of oxides of silica, alumina, magnesia on pellet quality was studied by compact sinter ing The results show that with 65 silica, the compression strength of pellets was appreciable, Higher alumina and magnesia was harmful to compression strength, so the contents of alumina and magnesia should be reducedFor the pellets in acidic range, increasing basicity will be beneficial to compression strength, but the ferros content will be increasing too Key words gangue content, pellets, compression strength, FeO content 14 烧结球团 第 27 卷 第 4 期