球团矿回转窑内结圈物的特性研究

聂建华,张子洋,乔 婉,孙吉瑶,陈俊峰,周 潜,梁永和

(武汉科技大学耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地,湖北武汉,430081)

球团矿回转窑内结圈物的特性研究

聂建华,张子洋,乔 婉,孙吉瑶,陈俊峰,周 潜,梁永和

(武汉科技大学耐火材料与高温陶瓷国家重点实验室培育基地,湖北武汉,430081)

采用XRD、SEM和EDS等测试方法研究球团矿回转窑内结圈物的基本特性和显微结构及其对结圈形成的影响。结果表明,结圈物主要以赤铁矿为主,含有部分磁铁矿,其主要成分是铁的氧化物,其他少量成分以A l2O3、SiO2为主,还有极少量的CaO、K2O、Na2O等碱金属氧化物,它们主要以玻璃相的形式分布在晶界和气孔中。回转窑结圈的生长主要依靠铁氧化物的固相烧结反应,杂质形成的液相对固相烧结反应起到一定的促进作用。

球团矿回转窑;结圈;耐火材料;显微结构

回转窑球团工艺具有适应性强、生产能力大、工艺灵活等优点,实现球团工业生产的连续化、大型化,已成为我国球团矿生产的主要工艺[1]。但球团矿回转窑都存在着结圈的问题,结圈所带来的负面效应不仅使工艺制度失常、失控,而且回转窑因结圈严重而导致耐火材料损坏所引起的检修频繁出现,已经成为抑制回转窑顺行的首要因素[2-3]。由于结圈原因和过程十分复杂,目前对结圈物的特性和形成机理的研究还不够充分[4]。为此,本文采用XRD、SEM和EDS等测试方法,研究了球团矿回转窑内结圈物的特性、显微结构和形成机理,以期为工业生产预防结圈提供一定的理论依据。

1 试样和检测

试验所用试样来自武汉钢铁(集团)公司矿业公司鄂州球团厂回转窑,待回转窑停窑冷却后,对窑内不同部位的结圈物进行取样分析。由于窑头和窑尾结圈不严重,各取一个试样作为研究对象;窑中结圈十分严重,故结圈物上部和下部各取一个试样作为研究对象。

按照国家行业标准对各个试样进行化学成分分析;采用X’Pert M PD Pro型X射线衍射仪对各个试样进行物相分析;采用NANO SEM 400 NOVA FEI型场发射扫描电子显微镜对各个试样的显微结构形貌进行表征,采用PHOEN-EDX能谱分析仪对试样特征点进行能谱分析。

2 结果与讨论

2.1 回转窑内结圈的宏观现象

待球团矿回转窑大修停窑后,对完全冷却后的回转窑内进行宏观观察。窑头处结圈物呈瓦片状均匀地铺在窑壁上,每片与耐火砖的大小差不多。这里的结圈物结构比较疏松,表面显暗红色,厚度约为40 mm,主要是粉末烧结成的小块黏结在一起,基本上没有球团黏结的现象。从距下料口7 m左右的位置开始出现熔融状结圈物,形状逐渐不规则,有大片黏结的现象,结圈厚度增厚,表面光滑、发亮,并有少量球团黏结。进入高温烧成带,熔融状结圈物十分明显,结圈物内黏结的球团增多。距下料口10～18 m的区域结圈最为严重,出现1 m多高的大块结圈物。该处结圈物呈金属光泽,表层结构致密,严重烧结,内部有大量球团黏结在一起,球团之间被大量烧结的粉末填充,部分球团与粉状物熔结在一起,区分不开。过了高温带,结圈程度又逐渐降低,熔融状物质减少。窑尾结圈物结构较窑头处的更加疏松,颜色暗红,没有球团黏结的现象。由此可见,回转窑内粉末过多、烧成温度过高是造成窑内结圈的主要原因。

2.2 结圈物的化学、矿物组成

窑头、窑中上部和下部、窑尾处结圈物的化学成分分析如表1所示。由表1可看出,结圈物的主要成分是铁的氧化物,其他化合物的总量在10%左右。其中,SiO2、A l2O3的含量相对较高,这是因为除了球团原料中含有少量的 SiO2、A l2O3外,主要是由于作为燃料的煤在完全燃烧后煤灰的主要成分也是SiO2、A l2O3。同时,完全燃烧后的煤灰中含有少量CaO、K2O、Na2O等碱金属氧化物也会产生聚集,为低熔点化合物的形成提供了条件。

表1 结圈试样的化学成分(wB/%)Table 1 Chem ical compositions of the ring samples

图1 结圈试样的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of the ring sam ples

对上述4组结圈试样进行X射线衍射分析,分析结果如图1所示。由图1可看出,窑头结圈物和窑中结圈物(下部)以赤铁矿为主,窑中结圈物(上部)含有部分磁铁矿和赤铁矿,窑尾结圈物以磁铁矿为主。XRD分析结果表明,铁精矿在窑头低温区主要以Fe2O3形式存在;在窑中高温下Fe2O3发生分解形成 Fe2O3和 Fe3O4的混合物;在窑尾处由于 Fe2O3分解反应完全,最终形成Fe3O4,所以回转窑中结圈物的主要物相是Fe的各种氧化物。由此可知,残留在回转窑中的铁精矿是结圈物的主要组成部分,无论铁精矿中的Fe元素以哪种价态存在都会形成结圈。

采用高温物性测试仪(量程为1 450℃)对不同区域的结圈物进行熔点测试,在1 450℃均未出现软熔迹象,即其始熔温度为1 450℃以上。窑中高温带烧成温度一般在1 350℃左右,即使局部温度过高,也不足以形成大量液相,因此,结圈的生长主要是由固相反应而烧结造成的。

2.3 结圈物的显微结构

图2为回转窑中部高温带结圈物试样低倍放大的显微结构照片。由图2可看出,结圈物结构很不均匀,有些区域含有大量的气孔和裂纹,并且呈无规则分布,有些区域结晶比较完整,烧结致密。从整体结构来看,结圈物的矿相组成十分简单,以烧结的氧化铁为主。

图2 低倍观察结圈试样的显微结构照片Fig.2 The low-power field photos of them icrostructure of the ring sample

对不同微区进行放大观察,图3为结圈试样的高倍观察显微结构照片。由图3可看出,氧化铁晶粒(图3中点A和C)紧密连接,晶形粗大,呈块状,部分晶粒出现了异常生长,粒度一般在100 μm以上。在部分氧化铁晶粒晶界和气孔中可看到少量的玻璃相(图3中点B和D)。对图3中的A、B、C、D四点进行电子探针能谱分析,其结果如图4所示。由图4(a)、图4(b)可看出,不同区域的氧化铁结晶相中,均只固溶了少量的A l元素,没有其他元素存在。由图4(c)、图4(d)可看出,富集在晶界和气孔中的玻璃相是由Si、A l、Ca、K等杂质元素构成的,这些杂质元素主要是由煤灰和作为铁精矿球团黏结剂的膨润土带入的,另外铁精矿中的杂质在高温下会随着氧化铁晶粒的发育而向晶界偏析[5]。这些杂质元素在窑中高温区下可以形成高黏度液相,少量液相的存在一方面促进了铁精矿球团的烧结,另一方面高黏度液相具有较大的黏结性能,导致固体球团物料之间形成一定程度的黏结[6],从而促进了结圈的生长。然而,在电镜下没有观察到铁的氧化物与这些杂质元素形成结晶相,仅发现玻璃相中溶解了少量Fe。这表明,尽管杂质形成的低熔液相起到了加速结圈生长的作用,但铁氧化物的固相烧结才是结圈生长的主要机制。

图3 高倍观察结圈试样的显微结构照片Fig.3 The high-power f ield photos of them icrostructure of the ring sample

图4 图3中A～D四点的能谱图Fig.4 EDS patterns of points A～D in Fig.3

对不同区域的结圈物进行综合分析后发现,球团矿回转窑结圈的生长主要依靠铁氧化物的固相烧结。由于窑中部煅烧高温带温度相对较高,铁精矿球团和燃煤烧尽后煤灰中杂质元素可以形成较多的液相量,一方面促进了铁精矿球团的固相烧结,另一方面加速了烧结球团之间形成剧烈的黏结,从而导致窑中形成最为严重的结圈。

3 结论

(1)回转窑内燃煤烧尽后的煤灰过多、烧成温度过高是造成窑内结圈的主要原因。

(2)结圈物主要物相以赤铁矿为主,含有部分磁铁矿。结圈物的显微结构不均匀,氧化铁晶粒长大形成大晶粒;杂质成分则以玻璃相的形式分布在氧化铁晶粒晶界和气孔中。

(3)球团矿回转窑结圈的生长主要依靠铁氧化物的固相烧结反应,杂质形成的液相对结圈的形成起到了促进作用。

[1] 刘文权.对我国球团矿生产发展的认识和思考[J].炼铁,2006,25(3):10-13.

[2] 张汉泉.链篦机-回转窑氧化球团结圈结块原因及预防[J].金属矿山,2005(7):59-61.

[3] 李军,张化明.邯郸氧化球团回转窑结圈原因分析与预防[J].烧结球团,2007,32(3):55-58.

[4] 张子洋,梁永和,余为,等.球团矿回转窑耐火材料的蚀损及其对结圈的影响[J].硅酸盐通报, 2009,28(增刊):100-103.

[5] 高振昕,平增福,张战营,等.耐火材料显微结构[M].北京:冶金工业出版社,2002:66-67.

[6] 袁礼顺.煤气供热氧化球团回转窑结圈机理及预防措施的研究[D].长沙:中南大学,2006.

Characteristics of the pellet rotary kiln ring

N ie Jianhua,Zhang Ziyang,Qiao W an,Sun Jiyao,Chen Junfeng,Zhou Qian,L iang Yonghe
(The State Key Labo ratory Breeding Base of Refracto ries and Ceramics, Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

The basic characteristics and microstructure of the pellet rotary kiln ring and its effects on ring forming were investigated by XRD,SEM and EDS.The results show:themain mineral phase of the ring is hematite;the impurities in the ring are very limited and they congregates in grain boundaries and pores as glass phase,w hich ismainly composed of A l2O3and SiO2and fewer alkalimetal oxides such as CaO,K2O,and Na2O.The ring’s grow th mainly depends on ferrum oxide’s solid phase sintering reaction p rocess.The liquid phase formed from impuritiesp romotes the solid phase sintering reaction p rocess to a certain extent.

pellet rotary kiln;ring forming;refractory;microstructure

TQ175

A

1674-3644(2010)05-0527-05

作者介绍:聂建华,男,1974年出生,1997年毕业于武汉科技大学无机非金属材料专业,获工学学士学位,2004年毕业于华中科技大学微电子学与固体电子学专业,获工学博士学位。武汉科技大学副教授、硕士研究生导师。近年来发表论文20余篇,其中SCI检索5篇,EI检索8篇,ISTP检索4篇。近年来作为项目负责人完成武汉市科技局青年科技晨光计划项目,参与了国家自然科学基金、湖北省科技厅纵向课题研究,主持和参与企业横向合作课题多项。2010年荣获武汉科技大学“十佳青年教师”。主要研究方向为无机新材料合成与制备、冶炼新技术用耐火材料、高技术陶瓷与耐火材料、非氧化物结合复合耐火材料和高性能磁性铁氧体材料等。

[责任编辑 徐前进]

2010-06-21

武汉市青年科技晨光计划资助项目(20065004116-37).

聂建华(1974-),男,武汉科技大学副教授,博士.E-mail:niejhlp@163.com