從俊強(qiáng)1，溫寶良1，李家新1，張曉萍1,2，楊佳龍1
(1. 安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243032；2. 馬鞍山鋼鐵股份有限公司， 安徽 馬鞍山 243003)
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摘 要
細(xì)粒級鐵精礦球團(tuán)化有助于增加低品位礦藏的開發(fā)及工業(yè)應(yīng)用力度，穩(wěn)定和拓展國內(nèi)鐵礦供應(yīng)來源。使用消石灰作為球團(tuán)的黏結(jié)劑與助熔劑，對球團(tuán)生產(chǎn)提質(zhì)降耗與節(jié)能減排具有重要意義。首次介紹了消石灰配比對細(xì)粒級鐵精礦生球質(zhì)量及干燥特性與預(yù)熱焙燒球強(qiáng)度的影響，試驗結(jié)果表明，消石灰配比的增加會提高細(xì)粒級鐵精礦生球的落下和抗壓強(qiáng)度，在4%配比時生球落下強(qiáng)度為3.55 次/0.5 m，生球的抗壓強(qiáng)度均大于11 N，生球爆裂溫度先升高后降低，最高為360 ℃；不同消石灰配比對細(xì)粒級鐵精礦的干燥特性影響較小，干燥溫度和干燥風(fēng)速則對生球干燥特性有顯著影響，Weibull和Dincer模型擬合的結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，模型較為有效，擬合結(jié)果表明生球的干燥速率受內(nèi)外部水分?jǐn)U散共同控制，干燥溫度和干燥風(fēng)速的增加會導(dǎo)致生球干燥溫度分布趨向不均勻，生球干燥活化能值為9 977.30 J/(mol·K)；隨著消石灰配比增加，細(xì)粒級鐵精礦預(yù)熱球強(qiáng)度始終增加，焙燒球抗壓強(qiáng)度則先增加后降低，在配比為4%時達(dá)到最大值，為3 800 N。細(xì)粒級鐵精礦配加4%～6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))消石灰較為適宜，該配比下可以獲得生球和預(yù)熱焙燒球強(qiáng)度均符合工業(yè)需求的球團(tuán)；消石灰與細(xì)粒級鐵精礦制備球團(tuán)的生球干燥特性研究可為通過干燥設(shè)備選擇和干燥條件優(yōu)化來減輕生球干燥破裂現(xiàn)象提供理論支持。
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關(guān) 鍵 詞
消石灰； 細(xì)粒級鐵精礦； 生球質(zhì)量； 干燥特性； 預(yù)熱焙燒
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引 言
球團(tuán)工藝是鐵精礦粉團(tuán)聚造塊的重要手段，與燒結(jié)工藝相比有著低污染物和碳排放、低能耗等優(yōu)點，無論是用于生產(chǎn)高爐爐料還是直接還原爐料，其都能夠創(chuàng)造出高質(zhì)量、高強(qiáng)度、冶金性能優(yōu)良的產(chǎn)品。
作為球團(tuán)礦主要原料的鐵礦石是有限且不可再生的，然而目前高品位鐵礦石資源日益枯竭，只能通過對低品位鐵礦石進(jìn)行深度細(xì)磨磁選后才能獲得鐵品位合格但是粒度更加細(xì)化的鐵精礦粉。由于細(xì)粒級鐵精礦粉對燒結(jié)床氣體滲透率和生產(chǎn)率有著不可忽視的負(fù)面影響，采用球團(tuán)工藝處理仍是其目前較好的選擇，然而研究中發(fā)現(xiàn)，使用細(xì)粒級鐵精礦粉制備球團(tuán)礦時卻存在球團(tuán)成球能力弱、生球質(zhì)量差、熱穩(wěn)定性低、膨潤土使用量高、焙燒球團(tuán)強(qiáng)度不足等問題。
膨潤土作為添加到球團(tuán)中最主要的黏結(jié)劑，對生球質(zhì)量提升有著積極且顯著的作用。但是添加膨潤土?xí)?dǎo)致球團(tuán)中的SiO2和Al2O3等雜質(zhì)含量增加，從而進(jìn)一步提高煉鐵過程的能耗和成本，近年來，膨潤土價格的上漲和優(yōu)質(zhì)膨潤土資源的短缺也更加限制了膨潤土作為黏結(jié)劑的使用。石灰石和白云石作為最常用的助熔劑材料，由于其溶解度有限，在顆粒中的分散性非常小，通常不用于黏結(jié)，降低膨潤土用量能力有限。范建軍等研究了細(xì)粒級鐵精礦以膨潤土作黏結(jié)劑配加石灰石粉改變球團(tuán)礦堿度對球團(tuán)性能的影響，結(jié)果表明，隨著堿度提高，該方式對生球性能的變化影響不大，僅有助于成品球強(qiáng)度和冶金性能的改善。相比之下，生石灰和消石灰等可溶性助熔劑則可以更容易地改善球團(tuán)生球質(zhì)量，其中生石灰的水合熟化過程會導(dǎo)致局部體積增加而損壞生球結(jié)構(gòu)，消石灰中的Ca2+則會降低膨潤土的吸水速度與黏結(jié)作用，膨潤土和消石灰不宜同時配入球團(tuán)。因此，僅使用消石灰來取代膨潤土對細(xì)粒級鐵精礦球團(tuán)生產(chǎn)的提質(zhì)降耗具有重要意義。
目前已經(jīng)有幾個工廠將消石灰用作生產(chǎn)熔劑性球團(tuán)的黏結(jié)劑與助熔劑，如智利的Algorabo和首鋼京唐，試驗研究中使用消石灰也能獲得高強(qiáng)度和冶金性能優(yōu)良的熔劑球團(tuán)，朱德慶等研究發(fā)現(xiàn)高堿度消石灰熔劑性球團(tuán)在焙燒固結(jié)過程中可生成大量結(jié)合相和還原性較好的相，從而能改善球團(tuán)的冶金性能。Eisele T C和Kawatra S K研究表明，以消石灰作為黏結(jié)劑會使生球團(tuán)抗壓和落下強(qiáng)度獲得很大提高，且有助于降低球團(tuán)工藝總能耗。然而，采用消石灰制成的生球卻有著干燥過程易開裂的缺陷，這直接限制了該工藝的推廣，在當(dāng)前研究中對該類生球干燥特性的認(rèn)識也不夠全面。
鐵礦球團(tuán)干燥過程的研究重點一直是干燥模型，通過建立干燥模型來預(yù)測生球干燥過程中的水分變化對干燥過程調(diào)控和干燥工藝優(yōu)化有著重要意義。目前主要描述干燥的模型有Lewis、Henderson-Pabi、Page、Wang-Singh、收縮核等。但是這些模型的參數(shù)是由水分比和干燥時間進(jìn)行回歸計算得出，涉及的參數(shù)物理意義往往不夠明確，不能準(zhǔn)確地描述干燥過程傳熱與傳質(zhì)進(jìn)程和現(xiàn)象，與不同干燥方法和工藝結(jié)合效果不理想。相比之下，Weibull模型和Dincer模型的參數(shù)更有意義，已經(jīng)在材料學(xué)、藥物學(xué)、農(nóng)學(xué)有了許多成功分析的案例，如對菊芋、葡萄、木瓜的干燥過程分析，然而基于此模型對鐵精礦所制備生球的干燥過程模擬還未見報道。
因此，本文研究了消石灰配比對細(xì)粒級鐵精礦生球質(zhì)量及干燥特性與預(yù)熱焙燒球強(qiáng)度的影響，以期為消石灰同時作細(xì)粒級鐵精礦球團(tuán)的黏結(jié)劑與助熔劑來生產(chǎn)堿性球團(tuán)這一工藝過程提供理論支持。
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精 選 圖 表
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結(jié) 論
(1)消石灰配比的增加會提高細(xì)粒級鐵精礦生球的落下和抗壓強(qiáng)度，在4%配比時生球落下強(qiáng)度為3.55 次/(0.5 m)，生球抗壓強(qiáng)度則均大于11 N，生球爆裂溫度先升高后降低，最高為360 ℃。
(2)不同消石灰配比對細(xì)粒級鐵精礦的干燥特性影響較小，干燥溫度和干燥風(fēng)速則對生球干燥特性有顯著影響。基于Weibull和Dincer模型擬合結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，模型較為有效，擬合結(jié)果表明生球的干燥速率受內(nèi)外部水分?jǐn)U散共同控制，干燥溫度和干燥風(fēng)速增加會導(dǎo)致生球干燥溫度分布趨向不均勻，生球干燥活化能值為9 977.30 J/(mol·K)。根據(jù)上述試驗結(jié)果，建議干燥系統(tǒng)在最初的干燥階段采用提高干燥風(fēng)速的策略，以減少生球爆裂現(xiàn)象的發(fā)生；在后續(xù)的干燥過程中，應(yīng)逐漸提高干燥風(fēng)溫，以加速水分的揮發(fā)速度。
(3)隨消石灰配比的增加，細(xì)粒級鐵精礦預(yù)熱球強(qiáng)度始終增加，焙燒球抗壓強(qiáng)度先增加后下降，在配比為4%(R=1.01)時達(dá)到最大值，為3 800 N，消石灰預(yù)熱分解產(chǎn)生的水蒸氣可以促進(jìn)孔隙形成，有利于預(yù)熱球團(tuán)的氧化，氧化鈣則會與赤鐵礦和二氧化硅在接觸表面反應(yīng)形成鐵酸鈣，少量液相會改善赤鐵礦的再結(jié)晶，液相過量則會破壞球團(tuán)結(jié)構(gòu)。
(4)細(xì)粒級鐵精礦配加4%～6%消石灰較為適宜，該配比下可以獲得生球和預(yù)熱焙燒球強(qiáng)度均符合工業(yè)需求的球團(tuán)，對消石灰與細(xì)粒級鐵精礦制備球團(tuán)的生球干燥特性研究可為通過干燥設(shè)備選擇和干燥條件優(yōu)化來減輕生球干燥破裂現(xiàn)象提供理論支持。
