焙燒氣氛對(duì)內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)焙燒行為的影響

1、第40卷第4期中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 V ol.40No.4 2009年8月Journal of Central South University (Science and Technology Aug. 2009焙燒氣氛對(duì)內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)焙燒行為的影響姜濤,何國(guó)強(qiáng),李曉芹,唐兆坤, 李光輝(中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙,410083摘要:模擬氧化球團(tuán)生產(chǎn)工藝,研究焙燒氣氛對(duì)內(nèi)配碳赤鐵礦氧化球團(tuán)強(qiáng)度的影響,并結(jié)合礦相顯微結(jié)構(gòu)和FeO 含量的變化規(guī)律分析,揭示內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)在不同氧含量下的焙燒行為和固結(jié)規(guī)律。研究結(jié)果表明:內(nèi)配碳赤鐵礦氧化球團(tuán)在接近空氣配比(氧含量約20%,體積分

2、數(shù)的氧化性氣氛中焙燒強(qiáng)度最大,氧含量過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響Fe2O3的再結(jié)晶,使球團(tuán)強(qiáng)度降低;在氧化性氣氛中焙燒含碳赤鐵礦球團(tuán)時(shí),原生赤鐵礦先還原為磁鐵礦,磁鐵礦再氧化成活性較高的次生赤鐵礦,提高了赤鐵礦焙燒固結(jié)性能和球團(tuán)強(qiáng)度。關(guān)鍵詞:赤鐵礦;內(nèi)配碳;氧化球團(tuán);焙燒中圖分類號(hào):TF4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):16727207(200904085106Effects of atmosphere on roasting behaviors ofcarbon-burdened hematite pelletsJIANG Tao, HE Guo-qiang, LI Xiao-qin, TANG Zhao

3、-kun, LI Guang-hui(School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, ChinaAbstract: By simulating pelletizing process in lab, the effects of atmosphere on the strength of pellet prepared with hematite concentrate with carbon-burdened were studied, and the r

4、oasting behaviors and induration mechanisms under different oxygen partial pressures were revealed by analyzing mineralogical microstructure and FeO content. The results show that the perfect strength can be obtained under oxygen partial pressure about 20% O2, overhigh or low oxygen partial pressure

5、 is unfavorable for recrystallization of Fe2O3, which causes a decrease of pellet strength. The original hematite will be transformed into magnetite on reduction firstly when carbon-burdened hematite pellet is roasted in oxidizing atmosphere, and then the magnetite will be oxidized to secondary hema

6、tite, which is more active than original hematite, therefore, the induration strength of pellet is able to be enhanced.Key words: hematite; carbon-burdened; oxidized pellet; roasting酸性氧化球團(tuán)礦是優(yōu)質(zhì)的高爐煉鐵爐料。我國(guó)以前生產(chǎn)氧化球團(tuán)的原料主要為磁鐵精礦,但是,隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展,我國(guó)磁鐵礦資源正面臨日益短缺的局面,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了球團(tuán)生產(chǎn)的需求,采用進(jìn)口赤鐵精礦生產(chǎn)球團(tuán)礦將成為一種趨勢(shì)14。進(jìn)口赤鐵礦如巴西赤

7、鐵礦,資源豐富,含鐵品位高,SiO2等脈石含量低,且粒度較低,是生產(chǎn)球團(tuán)礦的好原料。然而,赤鐵礦球團(tuán)固結(jié)溫度較高(1 3001 350 ,焙燒區(qū)間范圍窄,能量消耗高5,解決赤鐵礦球團(tuán)的焙燒問(wèn)題勢(shì)在必行。目前,國(guó)內(nèi)球團(tuán)廠主要通過(guò)配加磁鐵精礦來(lái)解決,并且取得了一定的效果,但并未解決原料緊缺的問(wèn)題68。因此,必須尋求另一種更有效的措施。早在20世紀(jì)70年代,國(guó)外在球團(tuán)混合料中添加固體燃料,發(fā)現(xiàn)球團(tuán)礦原料中添加0.8%0.9%固體燃料,收稿日期:20090115;修回日期:20090409基金項(xiàng)目:國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50725416通信作者:李光輝(1972,男,湖南益陽(yáng)人,博士,副教授,

8、從事鐵礦燒結(jié)球團(tuán)、復(fù)雜礦產(chǎn)資源加工研究;電話:0731-*;E-mail: liguangh中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 第40卷852可以代替燃油34%35%,總?cè)己慕档?1.9%l8.7%,同時(shí),提高球團(tuán)礦的成品率和生產(chǎn)率,改善球團(tuán)礦的質(zhì)量和冶金性能910。我國(guó)在過(guò)去近20年內(nèi),對(duì)含碳球團(tuán)也開展了一些研究,但其主要目的是制備非高爐煉鐵的還原球團(tuán),而對(duì)高爐煉鐵用內(nèi)配碳氧化球團(tuán)研究較少。隨著現(xiàn)代高爐煉鐵的發(fā)展,內(nèi)配碳球團(tuán)礦的生產(chǎn)受到了廣泛重視1119。目前,國(guó)外內(nèi)配碳球團(tuán)礦主要應(yīng)用于帶式焙燒機(jī)工藝,而國(guó)內(nèi)球團(tuán)工業(yè)的發(fā)展均以鏈篦機(jī)回轉(zhuǎn)窯工藝為主。針對(duì)鏈篦機(jī)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝,研究以赤鐵礦為原料,內(nèi)配碳制

9、備氧化球團(tuán)的基礎(chǔ)與技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在此,本文作者通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室模擬鏈篦機(jī)回轉(zhuǎn)窯工藝,以純赤鐵礦為原料配加一定比例無(wú)煙煤生產(chǎn)氧化球團(tuán),研究焙燒氣氛對(duì)內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)焙燒強(qiáng)度的影響,結(jié)合礦相顯微結(jié)構(gòu)和FeO含量的變化規(guī)律,揭示內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)在不同氧含量下的焙燒行為和固結(jié)規(guī)律,以便為解決赤鐵礦球團(tuán)焙燒困難的問(wèn)題提供依據(jù)。1 原料性能及實(shí)驗(yàn)方法1.1 原料性能研究所用的原料有:赤鐵精礦、無(wú)煙煤和膨潤(rùn)土,其各自的化學(xué)成分、粒度組成和主要物化性能見表14?？梢?巴西赤鐵礦精礦鐵品位較高,脈石成分主要為SiO2,雜質(zhì)含量較少;粒度小于0.074 mm的赤鐵精礦含量為92.21%,但比表面積僅為638

10、.1 cm2/g,成球性能較差,不利于造球。因此,對(duì)赤鐵精礦進(jìn)行高壓輥磨預(yù)處理,磨后的比表面積達(dá)1 629.5 cm2/g。無(wú)煙煤采用球磨的方法使其比表面積達(dá)6 599 cm2/g,工業(yè)分析中,固定碳含量為77.6%,揮發(fā)份含量為6.48%。1.2 試驗(yàn)方法1.2.1 造球和干燥根據(jù)選定的配料量準(zhǔn)確稱取,配入1.25%膨潤(rùn)土和1.0%無(wú)煙煤,通過(guò)人工混勻;混合料在圓盤造球機(jī)中造球,造球機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下:直徑為1 m,邊高為200 mm,轉(zhuǎn)速為28 r/min,傾角為45;選取直徑為915 mm的合格生球在溫度為(105±5 的烘箱中干燥2 h制成干球。1.2.2 焙燒試驗(yàn)焙燒試驗(yàn)采

11、用實(shí)驗(yàn)室豎式管爐進(jìn)行,由豎爐底部通入按N2/O2混合的一定流量(46 L/min的氣體,通過(guò)控制氧含量(體積分?jǐn)?shù)來(lái)調(diào)節(jié)焙燒氣氛。為模擬鏈篦機(jī)回轉(zhuǎn)窯工藝,實(shí)驗(yàn)時(shí)將810個(gè)粒度均勻的干球裝入耐高溫反應(yīng)罐中,待豎爐升至設(shè)定溫度時(shí),將反應(yīng)罐放置于爐口并開始計(jì)時(shí),每隔1 min分5步均勻向下移動(dòng)至高溫區(qū),在高溫區(qū)的停留時(shí)間為焙燒時(shí)間,焙燒結(jié)束后再分5步均勻向上移出作為均熱段和冷卻段。在空氣中自然冷卻后,測(cè)抗壓強(qiáng)度。1.2.3 FeO檢測(cè)為分析內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)焙燒過(guò)程中鐵氧化物的反應(yīng)規(guī)律,對(duì)FeO含量進(jìn)行測(cè)定。1.2.4 礦相顯微結(jié)構(gòu)分析利用Leica DMRXE自動(dòng)圖像分析儀(德國(guó)制造對(duì)球團(tuán)礦進(jìn)行顯微結(jié)

12、構(gòu)分析,研究球團(tuán)礦的礦物成分、結(jié)晶形態(tài)及微觀結(jié)構(gòu)等。表1原料的化學(xué)成分Table 1Chemical composition of materials w/%原料TFe FeO SiO2 CaO MgO Al2O3 LOI 鐵精礦67.22 0.55 2.17 0.01 0.05 0.55 0.59 膨潤(rùn)土7.07 60.61 0.94 2.2 17.98 10.41 無(wú)煙煤 1.48 6.86 1.51 0.24 5.88 84.08表2赤鐵精礦和無(wú)煙煤的粒度組成Table 2Size distribution of hematite concentrate and anthracite粒度

13、組成/%原料>0.074 mm 0.0740.045 mm <0.045 mm比表面積/(cm2·g1 磨后比表面積/(cm2·g1鐵礦7.79 28.99 63.22 638.1 1629.5 無(wú)煙煤89.18 6599第4期姜濤,等:焙燒氣氛對(duì)內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)焙燒行為的影響853表3膨潤(rùn)土的物理性能Table 3 Physical properties of bentonite膠質(zhì)價(jià)含量/% 膨脹容/(mL·g1 吸水率/% 蒙脫石含量/% <0.074 mm顆粒含量/% 堆密度/(g·cm3 100 10.3 447.5 95.0

14、 95.03 0.732 結(jié)果及分析2.1 氧含量對(duì)內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)焙燒強(qiáng)度的影響在氣體流量為4 L/min, 焙燒溫度為1 280 ,焙燒時(shí)間為20 min的熱工制度下進(jìn)行焙燒試驗(yàn),研究氧含量變化對(duì)內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)強(qiáng)度的影響,試驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1可知,氧含量對(duì)內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)強(qiáng)度的影響非常顯著;隨氧含量升高,焙燒球團(tuán)礦強(qiáng)度呈先升后降的趨勢(shì)。惰性氣氛中的焙燒球強(qiáng)度略高于氧含量為10%的球團(tuán)強(qiáng)度,接近空氣配比(氧含量為20%時(shí)球團(tuán)強(qiáng)度最大,繼續(xù)升高氧含量,球團(tuán)強(qiáng)度不斷降低。因此,內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)必須在適宜的氣氛下焙燒,氧含量過(guò)高或過(guò)低均使球團(tuán)強(qiáng)度降低。2.2氧含量對(duì)球團(tuán)礦顯微結(jié)構(gòu)的影響不同氧含

15、量下內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)的礦相顯微結(jié)構(gòu)見圖2。在惰性氣氛中,焙燒結(jié)束時(shí),可以觀察到大 圖1氧含量對(duì)內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)強(qiáng)度的影響Fig.1Effect of oxygen content on strength ofcarbon-burdened hematite pellet量磁鐵礦(如圖2(a中位置3,且大部分已經(jīng)再結(jié)晶互連(圖2(a中位置1,但仍有以單獨(dú)顆粒存在的原生赤鐵礦(圖2(a中位置2。其球團(tuán)強(qiáng)度主要靠磁鐵礦再 (a N2; (b 10% O2; (c 20% O2; (d 30% O21次生赤鐵礦; 2原生赤鐵礦; 3磁鐵礦圖2不同氧含量下內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)Fig.2 Micros

16、tructures of carbon-burdened hematite pellets under different oxygen contents中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 第40卷854結(jié)晶,與Fe2O3再結(jié)晶相比,球團(tuán)強(qiáng)度降低。而在氧化性氣氛中,無(wú)論氧含量多大,焙燒結(jié)束時(shí)鏡下都未見磁鐵礦存在。然而,在不同氧含量下,球團(tuán)的再結(jié)晶情況不盡相同。當(dāng)氧含量為10%時(shí),顆粒間的間隙較大,晶體連接不緊密,較為疏松,再結(jié)晶情況沒(méi)有Fe3O4再結(jié)晶的好;在氧含量為20%時(shí),大部分顆粒已經(jīng)發(fā)生晶體連接(圖2(c中位置1,仔細(xì)觀察雖有少量原生赤鐵礦(圖2(c中位置2,但整體結(jié)晶狀況較好。當(dāng)氧含量升至30

17、%時(shí),鏡下以單獨(dú)顆粒存在的原生赤鐵礦較多(圖2(d中位置2,只有少部分顆粒發(fā)生了晶體連接(圖2(d中位置1,整體結(jié)晶狀況變差,球團(tuán)強(qiáng)度降低。2.3 氧含量對(duì)內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)FeO含量的影響為了解氧含量對(duì)配碳赤鐵礦球團(tuán)焙燒反應(yīng)行為的影響,恒定氣體流量(6 L/min和焙燒溫度(1 280 ,改變氧含量進(jìn)行分段焙燒,即將整個(gè)焙燒過(guò)程按時(shí)間分段,在每個(gè)時(shí)間段焙燒結(jié)束后立即水冷,以保證不被進(jìn)一步氧化,檢測(cè)不同氧含量下FeO隨焙燒時(shí)間的變化規(guī)律,結(jié)果如圖3所示。 1N2; 25% O2; 310% O2; 420% O2; 530% O2;640% O2; 750% O2圖3不同氧含量下內(nèi)配碳球團(tuán)中Fe

18、O含量隨焙燒時(shí)間的變化Fig.3 FeO contents of carbon-burdened pellet under different oxygen contents for different periods由圖3可知,在惰性氣氛中,FeO含量隨焙燒時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,而在氧化性氣氛下則呈先升后降的趨勢(shì)。隨氧含量增大,最大FeO含量逐漸減少,且達(dá)到最大FeO含量的時(shí)間不斷縮短。因此,在氧化性氣氛中,內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)存在先還原后氧化的變化過(guò)程,而在惰性氣氛下,內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)內(nèi)反應(yīng)一直為還原過(guò)程。2.4 焙燒過(guò)程分析由于鐵氧化物分解溫度與氧含量相關(guān),即鐵氧化物的分解溫度隨氧含量減小而降低

19、。內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)中的FeO含量除來(lái)源于鐵氧化物還原外,是否存在赤鐵礦分解所得的FeO,有待進(jìn)一步分析驗(yàn)證。根據(jù)赤鐵礦分解反應(yīng)方程式:6Fe2O3=4Fe3O4+O2,G=140 38081.38T,可得,氧含量與分解溫度間的關(guān)系為:2Oln P=70 649.22/T+40.96。理論上,實(shí)驗(yàn)所用氮?dú)庵?2OP=0.1%Fe2O3分解溫度為1 203 。對(duì)比1 280 時(shí)未配碳球團(tuán)和配碳球團(tuán)在N2中焙燒的FeO含量發(fā)現(xiàn),水冷后兩者的FeO含量分別為6.57%和21.65% (即生成的磁鐵礦含量分別為21.17%和69.76%,焙燒后內(nèi)配碳球團(tuán)較未配碳球團(tuán)中FeO 含量明顯要高,說(shuō)明在這2種條

20、件下,FeO在不同的原理下產(chǎn)生。根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果,在1 280 于N2中焙燒赤鐵礦球團(tuán)Fe2O3會(huì)發(fā)生分解。因而,對(duì)于未配碳赤鐵礦球團(tuán),FeO全部來(lái)源于赤鐵礦分解。在配加無(wú)煙煤條件下,碳的可燃性必然會(huì)消耗存在于氮?dú)庵械奈⒘垦鯕?使氧含量降至更低,因而,在相同焙燒條件下,內(nèi)配碳球團(tuán)中Fe2O3分解溫度更低。根據(jù)Fe-O二元狀態(tài)圖,在有還原劑時(shí),Fe2O3極易被還原成Fe3O4。在內(nèi)配無(wú)煙煤球團(tuán)焙燒過(guò)程中,赤鐵礦中Fe2O3被固體碳還原生成Fe3O4:6Fe2O3+C=4Fe3O4+CO2。同時(shí),Fe2O3高溫分解生成的O2與碳結(jié)合形成的CO,也會(huì)進(jìn)一步還原Fe2O3生成Fe3O4:2C+O2=

21、2CO,3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2。若只考慮碳的還原作用,即無(wú)煙煤全部用于還原赤鐵礦,可計(jì)算1.0%無(wú)煙煤還原Fe2O3生成Fe3O4的最大含量為59.55%,若考慮揮發(fā)份揮發(fā)導(dǎo)致C損失的情況,1.0%無(wú)煙煤所能還原的實(shí)際磁鐵礦含量應(yīng)小于59.55%,而試驗(yàn)所得磁鐵礦含量為69.76%,遠(yuǎn)大于理第4期姜濤,等:焙燒氣氛對(duì)內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)焙燒行為的影響855論含量,由此說(shuō)明磁鐵礦并非僅由碳的還原所致。當(dāng)然,這從另一方面證明了焙燒過(guò)程中有赤鐵礦分解的事實(shí)。因此,內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)在惰性氣氛中于1 280 焙燒產(chǎn)生的FeO來(lái)源于2個(gè)方面:a. 赤鐵礦分解。赤鐵礦中Fe2O3分解轉(zhuǎn)變成Fe

22、3O4。b.赤鐵礦還原。赤鐵礦中Fe2O3被無(wú)煙煤中的C 還原生成Fe3O4,也包括Fe2O3高溫分解生成的O2與碳結(jié)合形成的CO還原赤鐵礦生成的Fe3O4。隨氧含量增大,Fe2O3開始分解的溫度逐漸升高,赤鐵礦中Fe2O3向Fe3O4的轉(zhuǎn)變難度逐漸加大(空氣中的理論分解溫度為1 388 ,更高的氧含量將不會(huì)導(dǎo)致赤鐵礦在生產(chǎn)焙燒溫度下發(fā)生分解。此時(shí),球團(tuán)中的FeO基本來(lái)源于赤鐵礦的還原。當(dāng)然,在赤鐵礦還原過(guò)程中,氧含量低,還原氣氛起主導(dǎo)作用,生成較多FeO;氧含量增大,氧化氣氛增強(qiáng),還原氣氛減弱, Fe3O4氧化成Fe2O3的趨勢(shì)增大,FeO含量減少,僅在某一氧含量下,即一定的氧化氣氛下,Fe

23、2O3的還原和Fe3O4的氧化達(dá)到平衡時(shí),FeO含量才不再發(fā)生改變。理論上,不同的配碳量也會(huì)影響達(dá)到上一平衡所需的時(shí)間。結(jié)合球團(tuán)礦生產(chǎn)的實(shí)際過(guò)程,在氧化氣氛下,赤鐵礦的還原主要發(fā)生在焙燒初期,此時(shí),還原速率大于氧化速率,FeO含量不斷升高;隨固定碳不斷消耗,還原氣氛逐漸減弱,還原速率減小,而氧化速率不斷增大,當(dāng)氧化速率和還原速率一致時(shí)FeO含量達(dá)最大;在焙燒后期,碳幾乎消耗完全,氧化速率大于還原速率,主要發(fā)生磁鐵礦的再氧化和次生赤鐵礦的再結(jié)晶。因此,在內(nèi)配碳赤鐵礦球團(tuán)焙燒過(guò)程中,存在赤鐵礦先還原再氧化的過(guò)程。碳的還原作用會(huì)改變Fe2O3的再結(jié)晶規(guī)律,使部分原生赤鐵礦先還原為磁鐵礦,繼續(xù)在氧化性

24、氣氛中焙燒,可以再氧化為活性較高的次生赤鐵礦,在較低焙燒溫度下即可發(fā)生再結(jié)晶,降低了赤鐵礦球團(tuán)的焙燒溫度,改善了赤鐵礦的焙燒性能,起到節(jié)能降耗的作用。3 結(jié)論a. 內(nèi)配赤鐵礦球團(tuán)焙燒時(shí),氧含量過(guò)高或過(guò)低均會(huì)使球團(tuán)強(qiáng)度降低,在空氣條件下,球團(tuán)礦固結(jié)強(qiáng)度最高。b. 在惰性氣氛中焙燒含碳赤鐵礦球團(tuán),其FeO 含量既來(lái)源于赤鐵礦分解,又來(lái)源于鐵氧化物還原,其固結(jié)主要為Fe3O4再結(jié)晶,球團(tuán)強(qiáng)度低。c. 在氧化性氣氛中焙燒含碳赤鐵礦球團(tuán),碳的主要作用有2個(gè)方面:燃燒和還原。碳的燃燒提供部分赤鐵礦焙燒所需的熱量;碳的還原使焙燒時(shí)存在Fe2O3先還原成Fe3O4,而后Fe3O4再氧化生成Fe2O3的轉(zhuǎn)變過(guò)程

25、,即由原生赤鐵礦轉(zhuǎn)變生成次生赤鐵礦的過(guò)程。由于次生赤鐵礦活性高于原生赤鐵礦活性,所需固結(jié)溫度較低,次生赤鐵礦的生成改變了赤鐵礦球團(tuán)的固結(jié)過(guò)程,改善了Fe2O3的再結(jié)晶性能,提高了球團(tuán)礦強(qiáng)度。參考文獻(xiàn):1 閻為群. 國(guó)內(nèi)球團(tuán)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展J. 江蘇冶金, 2007, 35(3:2124.YAN Wei-qun. Development of production technology for pellets in domesticJ. Jiangsu Metallurgy, 2007, 35(3: 2124.2 李蒙, 任偉, 陳三鳳. 國(guó)內(nèi)外球團(tuán)礦生產(chǎn)現(xiàn)狀及展望J.球團(tuán)技術(shù), 2005(2:

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31、學(xué)數(shù)模的研究J. 燒結(jié) 9 阿普爾比 J E. 用于球團(tuán)生產(chǎn)的含碳添加劑C/第四屆國(guó)際 造塊會(huì)議論文選. 鞍山: 冶金工業(yè)部鞍山黑色冶金礦山設(shè)計(jì) 研究院，1986. APbill J E. Carbonaceous additives for pelletizing 球團(tuán), 1992(1: 16. KANG Si-qi. Study on mathematical model of isothermal reduction kinetics for hematite pellet containing solid fuelJ. Sinter and Pelletizing, 1992(1: 1

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