(內蒙古科技大學材料與冶金學院， 內蒙古 包頭 014010)
高比例球團礦冶煉是高爐煉鐵發(fā)展的趨勢。由于化學成分、礦物組成和結構的差異，不同企業(yè)生產或所用的球團礦還原膨脹的原因各不相同且相對復雜。面向保障礦產資源安全供給的國家重大戰(zhàn)略需求，選擇白云鄂博鐵精礦球團礦作為研究對象，根據球團礦鐵氧化物還原理論，從熱力學方面深入研究堿度對球團礦還原膨脹性能的影響機理，并結合XRD結果來探究鈣結合相在球團礦生產中的變化規(guī)律以及對球團礦還原膨脹的影響，找到滿足高爐冶煉對球團礦還原膨脹率要求的合理堿度，從而提高白云鄂博鐵精礦球團礦在包鋼冶煉生產中的比例。完善特殊礦球團礦還原膨脹理論，為復雜共生礦高效冶煉提供理論支撐。研究結果表明，隨著堿度的提高，球團礦的膨脹率呈現出先升高后降低的規(guī)律，堿度為0.8時，其膨脹率最大，達到75.743%，其外形如同花瓣開花，無法維持原來的球型。綜合不同堿度球團礦含鐵品位的高低和還原膨脹的大小，得到制備球團礦的最優(yōu)堿度為1.4。隨著堿度的提高，成品球的液相生成量先降低后升高，堿度為0.8時液相生成量最少。球團礦膨脹率先增加是因為球團礦的結晶度提高，晶粒粗大，晶體結構逐漸趨向有序，為鐵晶須的生長奠定了基礎；膨脹率后減小是因為生成了鐵酸鈣，鐵酸鈣的黏結相性能優(yōu)良且還原性好，使得球團礦的強度提高，抗膨脹應力的能力增強，并促進了球團礦的均勻膨脹，降低了Fe2O3→Fe3O4階段晶型轉變引起的體積膨脹。
開發(fā)高比例球團礦高爐冶煉技術是鋼鐵生產流程低碳化綠色化、實現“雙碳”目標的重要手段之一，有利于緩解鐵礦石資源緊張現狀，提高復雜共伴生礦產資源利用率。白云鄂博礦產資源開發(fā)長期堅持“以鐵為主、綜合利用”的方針，隨著選礦技術的不斷提高，白云鄂博鐵精礦具有品位高、粒度細、SiO2含量低的優(yōu)勢，滿足球團礦的生產條件。此外，包鋼鋼鐵集團(以下稱包鋼)擁有3條大型球團礦生產線，穩(wěn)定的球團礦供應使得包鋼具備高比例球團礦冶煉的現實條件。目前白云鄂博鐵精礦的鐵品位達到65%以上，但是還是存在K、Na、F等有害元素，使得其高比例應用于球團生產制備得到的球團礦還原膨脹率高，因此在實際球團生產中，白云鄂博鐵精礦配加比例不宜超過40%。不同企業(yè)生產的球團礦，由于化學成分、礦物組成和結構的差異，使得球團礦還原膨脹的真實原因各不相同且相對復雜。目前能解釋球團礦還原膨脹現象的理論有多種，其中包括氣體壓力論、碳沉積膨脹理論、鐵氧化物的晶體變化和赤鐵礦還原過程的各向異性行為、鐵晶須論、揮發(fā)分析出論等。眾多學者對球團礦的還原膨脹問題進行了深度的研究。ZHAO Zhi-long等研究發(fā)現，鐵晶須的析出行為主要取決于還原速率，而Ca2+的數量可以有效控制還原速率，進而控制鐵晶須的生長。GUO Yu-feng等在研究中指出，結合相成分的不同導致不同堿度的球團礦膨脹率不同。堿度小于1.0的球團礦中的主要結合相為硅酸鐵鈣，堿度大于1.0的球團礦中的主要結合相為復合鐵酸鈣。ZHANG Guo-cheng等在試驗中發(fā)現，當球團礦的堿度從0.3增加到0.8時，還原膨脹率不斷增加。當堿度從0.8增加到1.2時，過量的CaO熔化到渣中，生成了高熔點且具有難還原性的尖晶石相，使得膨脹率降低。Umadevi T等研究發(fā)現，堿性為0～0.1的球團礦表現出較低的膨脹指數，堿度為0.3～0.7的球團礦有較高的膨脹指數，而堿性為0.9～1.1時球團礦的膨脹指數又大大下降。Wang H T等研究表明，SiO2的增加只改變了成核點的分布，沒有改變鐵晶須的數量，不能降低膨脹率。CaO的增加會使得成核點的數量增加，導致鐵晶須數量多但是體積小，從而降低膨脹率。在上述研究中發(fā)現，球團礦的還原膨脹率隨著堿度的提高呈現出先升高后降低的規(guī)律，這說明了堿度對球團礦的還原膨脹具有調控作用。本文選擇白云鄂博鐵精礦球團礦作為研究對象，根據球團礦鐵氧化物還原理論，從熱力學方面深入研究堿度對球團礦還原膨脹性能的影響機理，并結合XRD分析結果來探究鈣結合相在球團礦中的變化規(guī)律以及對球團礦還原膨脹的影響，最終找到滿足高爐煉鐵對球團礦還原膨脹率要求的合理堿度，提高白云鄂博鐵精礦球團礦在包鋼冶煉生產中的比例。研究結果有利于完善球團礦還原膨脹理論，為特殊礦冶煉提供更豐富的理論支撐。
(1)隨著堿度增加，白云鄂博鐵精礦球團礦還原膨脹率先增大后減小，其中堿度為0.8時還原膨脹率最大，達到75.743%?？紤]不同堿度球團礦含鐵品位的高低和還原膨脹率的大小，白云鄂博鐵精礦球團礦制備熔劑性球團礦的合理堿度為1.4。
(2)隨著堿度增加，球團礦焙燒過程液相生成量先減小后增加，與球團礦還原膨脹率變化規(guī)律相反。堿度為0.8時，液相生成量最低，其對應的還原膨脹率最大。隨著堿度進一步升高，渣相中開始有鐵酸鈣生成。
(3)球團礦還原膨脹率“先增大”的原因是結晶度提高，晶粒粗大，晶體結構逐漸趨向有序，為還原第Ⅲ階段鐵晶須的迅速生長奠定了基礎?！昂鬁p小”的原因是生成了黏結相性能優(yōu)良的鐵酸鈣，促進了還原過程球團礦體積的均勻膨脹，減少了球團礦的還原內應力和粗大鐵晶須的生成，降低了Fe2O3→Fe3O4階段晶型轉變引起的體積膨脹。
