以赤铁矿为主配加磁铁矿制备的氧化球团矿显微结构.pdf

第 34 卷第 6 期 2003 年 12 月 中南工业大学学报 自然科学版 J . CENT . SOUTH UNIV . TECHNOL . Vol .34 No .6 Dec . 2003 以 赤 铁 矿 为 主 配 加 磁 铁 矿 制 备 的 氧 化 球 团 矿 显 微 结 构 黄柱成, 张元波, 陈耀铭, 庄剑鸣 中南大学 资源加工与生物工程学院, 湖南 长沙, 410083 摘要 在链篦机  回转窑模拟装置中制备氧化球团矿, 采用显微镜和扫描电镜研究单一赤铁矿及以赤铁矿为主配加 磁铁矿制备的氧化球团矿显微结构 .研究结果表明 当单一赤铁矿球团在焙烧温度为 1 320 ℃ 、 焙烧时间为 20 min 时, 球团矿抗压强度达 2 439 N/ 个, 其显微结构较松散, 并存在少量细小裂纹; 当赤铁矿球团中添加 20 质量分 数, 下同 的秘鲁磁铁矿, 在焙烧温度为 1 300 ℃ 、 焙烧时间为 20 min 时, 球团矿抗压强度达 3 045 N/ 个, 其显微结构 致密, Fe2O3晶体互连性较好 .这表明在制备氧化球团矿时, 添加磁铁矿降低了球团焙烧温度, 改善了球团矿的显 微结构, 提高了抗压强度 . 关键词 赤铁矿;磁铁矿;氧化球团;显微结构;链篦机  回转窑 中图分类号 TF046文献标识码 A文章编号 1005  9792 2003 06  0606  05 生产球团矿的主要原料是磁铁矿和赤铁矿 .由 于磁铁矿和赤铁矿本身物化性质存在差异, 在预热 和焙烧过程中, 两者的氧化固结机理和工艺操作参 数有很大不同 [ 1 , 2 ] .对于较纯的赤铁矿球团, 一般认 为其固结机理主要为 Fe2O3晶粒长大和高温时再 结晶, 赤铁矿球团预热温度为 950～ 1 050 ℃ , 焙烧 温度为1 300～ 1 350 ℃ .由于温度较高, 因而对设备 材质和装备水平的要求更高 .对于高品位磁铁矿球 团, 预热温度一般为 850～ 900 ℃ , 焙烧温度为 1 250 ～ 1 300 ℃ .球团矿在预热和焙烧过程中, Fe3O4氧 化为 Fe2O3, 以 Fe2O3晶体发生再结晶作为球团形 成固结相的主要机理 . 目前, 我国大多数球团厂采用竖炉生产, 其主要 原料为磁铁矿 [3 , 4 ] .近年来, 由于链篦机  回转窑工艺 对原料的适应性强, 磁铁矿和赤铁矿都可以应用, 解 决了原料供应紧张的问题, 因而该工艺在国内外得 到快速发展 .研究结果表明, 采用链篦机  回转窑工艺 制备氧化球团矿, 当赤铁矿配加部分磁铁矿时, 可显 著降低预热温度和焙烧温度, 降低生产成本 . 1 实 验 1 .1 原 料 实验所用赤铁矿为巴西矿, 磁铁矿为秘鲁矿和 广东矿, 其化学成分和粒度组成如表 1 和表 2 所示 . 可见 巴西矿和秘鲁矿铁品位较高, 杂质含量少, 粒 度 细, 粒径小于0 .075mm的粒子的质量分数分别 表 1 铁精矿化学组成w/ 矿种TFeFeOSiO2Al2O3CaOMgOMnOK2ONa2OCuPS烧损量 巴西矿67 .600 .721 .551 .160 .150 .170 .0380 .0990 .0090 .0030 .0580 .0110 .68 秘鲁矿69 .3127 .881 .321 .020 .230 .550 .0580 .0250 .0860 .007 50 .0470 .120 .45 广东矿63 .6321 .052 .261 .780 .492 .062 .670 .0130 .0100 .004 20 .0390 .0121 .05 注 TFe 为球团矿中 Fe 的总 含量 . 表 2 铁精矿粒度组成 铁精矿 w / 0 .115 mm0 .115～ 0 .075 mm0 .075～ 0 .037 5 mm0 .0375 mm 比表面积 / cm2g - 1 真 密度 / gcm- 3 巴西矿4 .658 .8516 .3570 .152 1005 .097 0 秘鲁矿2 .233 .7015 .3578 .721 9604 .650 5 广东矿26 .9515 .7518 .1539 .158104 .683 5 收 稿日 期 2003 - 01 - 16 基 金项 目 国家教育部高等学校优 秀骨干 教师基 金资 助项目 160132 作 者简 介 黄柱成 1964 - , 男, 湖 南宁乡 人, 中南大学教授, 从事 钢铁冶 金和 矿产资 源综合 利用等研究 . 为 86 .50和 94 .07; 而广东矿 SiO2, Al2O3, MgO 和 MnO 等杂质含量较多, 比表面积小, 且粒度较粗, 粒径小于 0 .075 mm 的粒子质量分数为57 .30 . 实验所用膨润土粒径小于 0 .075 mm 的粒子质 量分数占 85 .50, 其化学成分如表 3 所示 . 表 3 膨润土化学成分w / SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO 59 .0518 .726 .260 .681 .73 MnOTiO2K2ONa2O烧 损量 0 .0390 .531 .491 .459 .05 1 .2 方 法 混合料润 磨 采用 直 径 长度 为 1 000 mm 500 mm的润磨机, 生球制备采用的圆盘造球机直径 为1 000 mm, 转速为 18 r/ min, 倾角为 45～ 47 .预 热和焙烧小型实验在直径为 50 mm 的卧式管炉中 进行 .扩大实验在中南大学烧结球团所链篦机  回转 窑模拟装置上进行 .每次实验包括预热、 焙烧、 均热 以及冷却等环节 .采用 Labor Lux 12 POL 型偏反两 用显微镜和 JSM  5600LV 型扫描电镜对成品球团矿 进行矿相和显微结构分析 [ 5 , 6 ] . 2 结果与讨论 2 .1 单一赤铁矿氧化球团矿成分和显微结构 采用显微镜和扫描电镜, 分析扩大实验制备的 单一巴西赤铁矿氧化球团矿的矿物成分, 结果见表 4 .可以看出 单一巴西矿制备的氧化球团矿主要组 成为赤铁矿, 其次为玻璃质, 同时含有少量的磁铁 矿、 游离二氧化硅、 铁酸镁和钙铁橄榄石等 . 氧化球团矿的显微结构见图 1 和图 2 .从图 1 可 以看出, 球团矿以 Fe2O3再结晶作为固结机理, 但再 结晶效果不理想, 颗粒棱角较分明 .因此, 球团矿抗 压强度较低 2 439 N /个.从图 2 可以看出, 当焙烧 温度为 1 340 ℃、 窑内氧气 压力分数, 下同 为4 .0 ～ 6 .0 时, 由于球团矿内赤铁矿部分分解为磁铁 矿, 球团矿内 Fe2O3晶形变得松散, 连接相遭到破 坏, 球 团 内 部 产 出 裂 纹, 因 而 抗 压 强 度 降 低 到 1 650 N / 个 . 2 .2 配加部分磁铁矿的氧化球团矿成分和显微结构 2 .2 .1 配矿方案对球团矿组成和显微结构的影响 采用链篦机  回转窑扩大模拟实验装置, 当预热 温度 为 900 ℃、 预 热 时间 为 10 min、 焙 烧 时 间为 20 min时, 研究赤铁矿配加部分磁铁矿在不同焙烧 条件下制备的氧化球团矿矿物成分, 其结果如表 5 所示 . Ⅰ Fe2O3;Ⅱ 孔洞 图 1 1 320 ℃ 时单一巴西矿氧化球团矿显微结构 ⅠFe2O3;Ⅱ裂 纹;Ⅲ孔洞 图 2 1 340 ℃ 时单一巴西矿氧化球团矿显微结构 从表 5 可知 采用 配矿方案 1, 当焙 烧温度 为 1 280～ 1 300 ℃ 、 焙烧时间为 20 min、 窑内氧气分压 为6 .0～ 8 .0 时, 扩大实验所获球团矿抗压强度 达 3 045 N / 个, 球团矿内赤铁矿含量为 87 .24, 残 存未被氧化的磁铁矿含量为 3 .31 . 对采用方案 1 制备的成品球团进行显微结构和 扫描电镜分析, 结果分别如图 3 和图 4 所示 .从图 3 可以看出 球团内 Fe2O3晶体互相连接, 整体结构较 完整 见图 3 a .由于球团内部存在少量未被完全 氧化的磁铁矿, 其中 FeO, SiO2和 CaO 形成少量的 钙铁橄榄石 见图 3 b 和图 4 , 并与铁矿物紧密连 接 .秘鲁磁铁矿粒度小、 比表面积大, 经过润磨预处 理后均匀分布在球团内, 在预热、 焙烧过程中磁铁矿 氧化成 Fe2O3并形成颗粒之间的粘结相 .与单一赤铁 矿球团相比, 磁铁矿氧化生成的 Fe2O3晶粒表面原子 具有较强的迁移能力, 可在较低温度时促进相邻颗粒 之间形成结晶, 因而形成的球团整体结构较致密 . 706第 6 期 黄柱成 , 等以赤铁矿为主配加磁铁矿 制备氧 化球 团矿的 显微 结构 表 4 单一巴西赤铁矿制备的氧化球团矿矿物成分 焙 烧条 件 焙 烧温 度 / ℃焙烧 时间 / minw O2 / w / 赤铁矿磁 铁矿铁酸镁钙铁 橄榄石游离 SiO2玻璃质 球团抗压强度 / N 个- 1 1 320206 .0～ 8 .088 .210 .340 .9202 .308 .232 439 1 340204 .0～ 6 .083 .064 .320 .870 .202 .329 .231 650 表 5 配加部分磁铁矿的氧化球团矿物成分 配矿方案 焙 烧条 件 温 度 / ℃w O2/ 球团矿抗压强度 / N个- 1 w / 赤铁 矿磁 铁矿铁酸镁钙铁 橄榄 石游离 SiO2玻璃质 备 注 方案 1 1 280约 214 46792 .100 .420 .710 .562 .014 .20小型实 验 1 280～ 1 3006 .0～ 8 .0304587 .243 .311 .121 .032 .145 .16扩大实 验 1 320～ 1 3404 .0～ 6 .0183078 .597 .521 .151 .762 .019 .37扩大实 验 方案 21 280～ 1 3006 .0～ 8 .0276081 .025 .172 .101 .252 .138 .33扩大实 验 注 方 案 1 为 巴西矿配加 20秘 鲁矿; 方 案 2 为 巴西矿 配加 20 广 东矿 . Ⅰ Fe2O3;Ⅱ 孔洞;Ⅲ 钙铁橄榄石 a 球团内 Fe2O3晶体互 连显微 结构 ; b 球团内钙铁橄榄石显微 结构 图 3 配加 20秘鲁矿氧化球团矿的显微结构 图 4 钙铁橄榄石扫描电镜能谱图 表 5 还表明 采用配矿 方案 2, 当 焙烧 温度为 1 280～ 1 300 ℃ 、 焙烧时间为 20 min、 窑内氧气压力 分数为6 .0～ 8 .0 时, 扩大实验得到的球团矿内 赤铁矿 质量 分 数 为 81 .02、 磁 铁 矿 质 量分 数 为 5 .17 .球团内大部分 Fe3O4已被氧化为 Fe2O3, 但 大颗粒磁铁矿未充分氧化, 且晶粒大小不匀, 从反光 200 倍显微 镜下可以 观测到 大颗粒 的表 观尺寸 为 0 .325 mm 0 .160 mm, 小 颗 粒 的 表 观 尺 寸 为 0 .015 mm 0 .011 mm, 如图 5 所示 .由于广东矿粒 度较大, 球团内部大颗粒磁铁矿与相邻赤铁矿颗粒 之间接触面积小, 而且接触不紧密, 在氧化过程中形 成孔洞, 使球团矿晶形不完整 .尤其是球团矿中心大 颗粒磁铁矿, 由于氧气扩散困难, 氧化不完全, 在高 温焙烧过程中发生再结晶, 与玻璃质硅酸盐等形成 钙铁橄榄石 .与氧化充分的球团矿相比, 其抗压强度 较低 为 2 760 N /个. 2 .2 .2 焙烧条件对球团矿组成和显微结构的影响 焙烧温度和窑内气氛是影响球团矿组成和显微结 构的 2 个重要因素, 若焙烧温度过高、 回转窑内氧气分 压较小, 球团矿中 Fe2O3晶体发生如下分解反应 [ 7] 6Fe2O3 4Fe3O4 O2, Δ G 0 140 380 - 81 .38T, ln p O2 - 70 649 .22 / T 40 .96 . 由此计算得到不同 氧气分压时对 应的分解 温 度, 结果如表 6 所示 . 806中南工 业大 学学报 自 然科 学版 第 34 卷 表 6 不同氧气分压时对应的分解温度 氧气 压力分 数 / 12345 温度 / K1 2781 3021 3161 3261 334 氧气 摩尔分 数 / 6781021 温度 / K1 3411 3461 3521 3601 389 从表 6 可以看出 氧气分压越大, 对应的 Fe2O3 晶体分解温度越高, 表明 Fe2O3在氧化气氛越强时 越难分解 . 对于配矿方案 1, 在焙烧温度为 1280～ 1300 ℃ 、 窑内氧气分压为 6 .0～ 8 .0 时, 扩大实验得到的 球团矿显微结构较致密 见图 3 和图 4 , 再结晶形成 的赤铁矿晶体未发生分解反应, 因而球团矿抗压强 度较 高 3 045 N /个.当 焙 烧 温 度 升 至 1 320 ～ 1 340 ℃ 时, 由于提高温度所需热量是靠燃烧柴油提 供的, 窑内氧气压力分数降至 4 .0～ 6 .0, 球团矿 中部分赤铁矿晶体发生了分解反应, 如图 6 所示 .从 图 6 可以看出, 球团矿中部分 Fe2O3晶体发生了分 解, 磁铁矿明显增多 见图 6 a , Ⅱ , 球团内形成部 分钙铁橄榄石 见图 6 b .球团矿晶形结构较松散, 连接力变弱, 球团矿强度降低至 1 830 N /个 . 焙烧气氛对球团矿的氧化、 再结晶和固结是很 重要的, 由表 5 可知 对于配矿方案 1 制备的球团, 采用实验室小型管炉进行预热、 焙烧, 当焙烧温度为 1 280 ℃ 、 焙烧时间为 20 min 时, 球团矿抗压强度高 达 4 467 N / 个 .分析球团矿显微结构可知 球团内赤 铁矿质 量 分 数为 92 .10, 仅 含 有 微 量 的 磁 铁 矿 0 .42 , 如图 7 所示 .球团矿内磁铁矿得到了充分 氧化, Fe2O3再结晶良好, Fe2O3晶体互连成片, 球团 内颗粒连接成一个较致密、 均匀的整体 .因为空气中 氧气分压约21, 球团矿在强氧化气氛管炉中焙 烧, 保证了球团内磁铁矿颗粒被充分氧化为 Fe2O3晶 体, 并产生再结晶 .在这种焙烧条件下, 赤铁矿晶体不 发生分解, 所得球团矿整体结构致密, 抗压强度很高 . Ⅰ Fe2O3;Ⅱ Fe3O4;Ⅲ孔洞;Ⅳ钙铁橄榄石 a 球团内 Fe2O3晶体互 连显微 结构 ; b 球团内钙铁橄榄石显微 结构 图 5 配加 20广东矿焙烧氧化球团矿的显微结构 Ⅰ Fe2O3;Ⅱ Fe3O4;Ⅲ孔洞;Ⅳ钙铁橄榄石 a 球团内 Fe2O3晶体互 连显微 结构 ; b 球团内钙铁橄榄石显微 结构 图 6 配加 20秘鲁矿的球团在 1 320 ℃ ～ 1 340 ℃ 焙烧时的显微结构 906第 6 期 黄柱成 , 等以赤铁矿为主配加磁铁矿 制备氧 化球 团矿的 显微 结构 Ⅰ Fe2O3;Ⅱ 孔 洞 图 7 1 280 ℃时管炉焙烧球团矿显微结构 3 结 论 a . 当焙烧温度为 1 320 ℃ 、 焙烧时间为 20 min 时, 单一巴西赤铁矿球团抗压强度为 2 439 N / 个, 其 显微结构较差, 晶形松散; 赤铁矿添加 20 的秘鲁 磁铁矿球团在 1 300 ℃ 时焙烧 20 min, 其抗压强度 可达 3 045 N / 个, 球团矿显微结构较致密 . b . 配矿方案对球团矿矿物组成和显微结构有 明显的影响, 当配入赤铁矿中的磁铁矿粒度增大时, 球团内部大颗粒磁铁矿与相邻赤铁矿颗粒之间接触 面积小, 而且接触不紧密, 在氧化过程中形成孔洞, 使球团矿晶形不够完整 .尤其是球团矿中心大颗粒 磁铁矿, 由于氧气扩散较困难, 氧化不完全, 导致球 团矿抗压强度较低 . c . 焙烧温度和焙烧气氛是影响球团矿矿物组 成和显微结构的 2 个重要工艺条件, 且有一定的相 关性 .氧化气氛越弱, 则赤铁矿晶体的分解温度越 低, 因而随着焙烧温度的升高, 球团矿内部分赤铁矿 分解为磁铁矿, 导致球团整体结构被破坏 .氧化气氛 越强, Fe2O3晶体的分解温度越高 .因此, 在链篦机  回转窑工艺生产氧化球团时, 提高预热、 焙烧过程中 氧化性气氛是改善氧化球团矿质量的重要措施 . 参考文献 [ 1] 傅菊英, 姜 涛, 朱德 庆 .烧结球 团学[ M].长沙 中 南工 业大学 出版社, 1996 286  296 . [ 2] 肖 琪 .球 团理 论与 实 践[M]. 长 沙 中南 工业 大 学出 版 社, 1991 93  110 . [ 3] 叶匡吾 .三种球团焙烧工艺的评述[ J].烧结球团, 2002, 27 1 1  7 . 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Microstructure of oxidized pellet mainly made from hematite with magnetite H UANG Zhu  cheng, ZHANG Yuan  bo, CHEN Yao  ming, ZHUANG Jian  ming College of Resources Processing and Bioengineering,Central South University,Changsha 410083,China Abstract By the optical microscope and scanning electron microscope,the composition and microstructure of the oxidized pellets made from the only hematite and the hematite with magnetite were studied .The re  sults show that the only hematite oxidized pellets roasted at 1 320 ℃ for 20 min in the grate  kiln have bad microstructure and loose crystal ,and there are a few microscopic cracks in the pellets which have the low compression strength of 2 439 N .But the oxidized pellets made from hematite with 20 Peru magne  tite have a great compression strength of 3 045 N and perfect microstructure after roasting at 1 300℃ for 20 min in the grate  kiln;the whole structure of the pellets is fine and close,and the interconnection between the crystals is stronger than that of the only hematite pellets .The addition of magnetite not only makes the preheating and roasting temperature down but also improves the microstructure and the compression strength of the pellets . Key words hematite;magnetite;oxidized pellet;microstructure;grate  kiln 016中南工 业大 学学报 自 然科 学版 第 34 卷