添加硼泥对球团强度影响

高强健，魏 国，姜 鑫，杜 钢，沈峰满

(东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819)

添加硼泥对球团强度影响

高强健，魏 国，姜 鑫，杜 钢，沈峰满

(东北大学 材料与冶金学院，沈阳 110819)

以辽东地区工业废弃物 (硼泥)作为添加剂生产球团矿，初步探讨了硼泥对氧化球团抗压强度的影响及其应用的可行性.结果显示:随着球团矿中硼泥质量分数由0增加至2.5%时，球团矿抗压强度逐渐上升，增幅最大可达658 N/球，故该硼泥可作为球团添加剂用以提升球团矿强度.镜下观察可知，硼泥质量分数的增加使得球团中Fe3O4氧化再结晶过程增强，晶粒紧密连接且均匀分布，这有利于氧化球团的固结及强度的提升.同时，随着硼泥质量分数由0增加至2.5%时，球团矿孔隙度由18.61%减小至13.05%，这是提升球团矿强度的另一因素.

球团矿;添加剂;硼泥;强度

在现代高炉炼铁中，酸性球团矿因其粒度均匀，造块成本低，还原性好等优势而被广泛应用［1～3］.但是，相比于高碱度烧结矿，酸性球团矿亦有软化熔滴性能差、中温还原膨胀等缺陷［4～5］，因此，球团生产过程中常适量加入添加剂来改善球团矿质量［6］.硼泥是制取硼砂的残余物，主要矿物包括镁橄榄石、蛇纹石、消石灰等.其中，MgO的质量分数较高，且含少量的B2O3，对高炉炼铁有用的矿物，如CaO、MgO、Fe2O3等质量分数之和可达60%以上［7］，而在辽宁东部地区，工业废弃物硼泥存放量较大，且多为露天存放，污染环境和土地，如若能将其冶金资源化加以利用，对改善环境及资源的可持续发展将有重要意义.研究拟应用辽东地区硼泥作为造球添加剂，探讨其应用的可行性;结合球团矿孔隙度的变化和球团矿Fe3O4氧化再结晶情况，对硼泥配比对球团矿冷态抗压强度的影响进行初步研究，探明加入硼泥添加剂后，球团矿强度变化的原因.

1 试验部分

1.1 球团制备

试验原料主要包括:某企业的磁铁精矿，膨润土和辽东地区硼泥，原料主要成分如表1所示.利用MASTERSIZER－2000型激光粒度分析仪对原料的粒度进行分析.其中，该磁铁精矿、磨细后硼泥、膨润土－74 μm粒级水平均大于80%.结果表明:原料粒度满足铁矿球团生产要求.

表1 原料化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of raw materials(mass fraction) %

研究中，添加剂——硼泥的质量分数逐渐增加，分别为0，1.5%，2.0%，2.5%;同时，铁精矿质量分数逐渐减小;保持膨润土质量分数恒定为2.0%.考察硼泥配比对球团矿抗压强度的影响.

造球在直径为Φ1 000 mm圆盘造球机上进行.造球盘倾角:45(°);转速:20 r/min;造球料水分:8.0±0.5%;造球时间:30 min;生球粒度:10～12 mm.生球置于105℃烘箱内干燥3 h后，再在马弗炉内焙烧，当炉温升至900℃后，将经干燥后的生球放入炉内，同时吹入流量为1.2 L/min的空气，40 min后升温至1 250℃，恒温焙烧20 min，随炉冷却至室温.

1.2 物性测试

(1)抗压强度

成品球团抗压强度测试由压力试验机(LJ5000)系统完成.参考GB/T14201－1993标准，每组试验测定14个成品球的抗压强度，然后去除两个最大值和两个最小值，取其余10个成品球团矿抗压强度值的平均值，记为成品球团的抗压强度.

(2)孔隙度和显微结构

成品球团矿的孔隙度分析由AUTOPORE－9500型压汞仪完成;球团矿的显微结构及Fe3O4氧化再结晶情况是由金相反射显微镜完成的.

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度结果

不同质量分数的硼泥添加剂对球团矿抗压强度影响的试验结果如图1所示.由图1可见:随着硼泥质量分数由0增加至2.5%时，球团矿的抗压强度逐渐增大，其中增幅最大可达658 N/球.

2.2 试验结果分析

基于以上结果，对添加硼泥后球团矿孔隙度及球团矿的Fe3O4氧化再结晶程度进行分析，探明抗压强度变化的原因.

(1)球团矿的孔隙度变化

图1 硼泥质量分数对球团抗压强度的影响Fig.1 Effect of boron sludge mass fraction on compressive strength for the pellets

球团矿孔隙度的大小对球团矿强度、还原性等冶金性能均有影响.研究应用压汞仪对加入硼泥后球团矿孔隙度的变化情况进行分析.选取硼泥质量分数分别为0、1.5%、2.5%的三组氧化球团矿进行分析，结果如图2所示.由图2可见，随着硼泥配比由0%增加到2.5%时，球团矿孔隙度逐渐减小，由18.61%减小至13.05%.由格林菲斯提出的微裂纹理论，临界断应力(σ)与弹性模量(E)的关系式如式(1)所示［8～9］:

图2 硼泥质量分数对球团矿孔隙度的影响Fig.2 Effect of mass fraction of boron sludge on the porosity of the pellet

式中:σ为临界断应力，MPa;E为弹性模量，GPa; Y为相关因子(与试样尺寸和裂纹形状相关);C为裂纹的半长，m;γ为物质表面能，J/m2.

弹性模量E是固体在弹性变形阶段，正应力和对应的正应变的比值，多以其表征材料抗形变的能力，是材料的一种宏观性能.而弹性模量(E)与孔隙度(ε)的经验关系公式［10］如式(2)所示:

其中:E0为无孔隙时，材料的弹性模量，GPa;K1、K2为常数(其值取决于孔隙的取向和形状等).

式(2)表明:当孔隙度较小时，式中K2ε2项可以忽略不计，即弹性模量(E)与孔隙度(ε)近似成线性关系.结合式(1)(2)可知，当孔隙度减小时，球团矿临界断应力σ不断上升，即球团矿强度逐渐增大;另外，孔隙一般多存于晶界处，特别是晶粒交界处，导致应力集中，而在外力作用下较易形成裂纹，使式(1)中裂纹的半长(C)增大，从而使球团矿临界断应力(σ)减小，球团强度降低.综上可知:随着硼泥质量分数的增大，球团矿孔隙度逐渐减小，球团矿强度增大.

(2)Fe3O4的氧化再结晶

现代球团矿固结方式主要为Fe3O4氧化成Fe2O3后再结晶［11］，该种固结方式的球团矿强度相对较好，是现代氧化球团的主要固结方式.

将硼泥质量分数分别为0、1.5%、2.5%三组球团矿试样抛光制片，在显微镜下观察，各组球团矿显微结构如图3(a)、(b)、(c)所示，其中A相(浅白色)为Fe2O3，B相(棕灰色)为Fe3O4.

图3 不同硼泥质量分数球团矿的显微结构Fig.3 Microstructures of the pellets with different mass fraction of boron sludge(a)—0;(b)—1.5%;(c)—2.5%

由图3(a)可见:球团矿中不加入硼泥时，球团矿中Fe2O3再结晶晶粒(A相)互连较松散，且分布不均匀，夹杂着Fe3O4(B相);图3(b)、(c)表明:硼泥质量分数增加后，球团矿中Fe2O3再结晶晶粒连接明显加强，且互成整体，该连晶形式结构力强，这是导致球团强度提升的又一原因.

3 结论

(1)以辽东地区工业废弃物——硼泥作为球团用添加剂时，随该硼泥质量分数由0增加到2.5%时，球团矿抗压强度逐渐增大，最大增幅达658 N/球.故该硼泥可作为球团矿添加剂用以提高成品球团矿抗压强度

(2)该硼泥质量分数的增加使得成品球团矿孔隙度逐渐减小;当球团矿中含硼泥质量分数由0增至 2.5% 时，孔隙度由 18.61% 减小至13.05%;孔隙度减小导致球团矿强度上升.

(3)随着该硼泥质量分数的增加，球团矿中Fe3O4氧化再结晶作用增强，晶粒连晶完全，且均匀分布，这有利于氧化球团矿的固结和和强度的提高.

［1］范晓慧，王祎，甘敏，等.提高有机粘结剂氧化球团矿强度的措施［J］.钢铁研究学报，2008，20(5):5－8.

(Fan Xiao－hui，Wang Wei，Gan Min，et al.Strength enhancement of oxide pellet with prganic blinder［J］Iron and Steel Research，2008，20(5):5－8.)

［2］周传典.高炉炼铁生产技术手册［M］.北京:冶金工业出版社，2002:50－60.

(Zhou C D.Technical manuals of blast furnace ironmaking production［M］.Beijing:Metallurgical IndustryPress，2002:50－60.)

［3］姜鑫，吴刚生，李光森，等.改善含MgO铁矿石软熔性能的研究［J］.东北大学学报(自然科学版)，2007，28(3):365－368. (Jiang Xin，Wu Gang－sheng，Li Guang－sen，et al.Study on improving the softening－melting properties of MgO－bearing iron ores［J］.Journal of Northeastern University (Natural Science)，2007，28(3):365－368.)

［4］李圣辉，陈铁军，张一敏，等.含镁添加剂用于铁矿球团的试验研究［J］.烧结球团，2011，36(1):33－37.

(Li Sheng－hui，Chen Tie－jun，Zhang Yi－min，et al.Experimental study on application of Mg－bearing additives in iron ore pellet［J］.sintering and pelletizing，2011，36 (1):33－37.)

［5］方觉，龚瑞娟，赵立树，等.球团矿氧化焙烧及还原过程中的强度变化［J］.钢铁，2007，42(2):11－15.

(Fang Jun，Gong Rui－juan，Zhao li－shu，et al.Change of high temperature strength of pellets during of roasting and reduction［J］.Iron and Steel，2007，42(2):11－15.)

［6］Shen F M，Jiang X，WU G S，et al.Proper MgO addition in blast furnace operation［J］.ISIJ International，2006，46 (1):65－70.

［7］张玉柱.硼镁在铁矿粉造块中行为和作用规律［D］.秦皇岛:燕山大学，2002.

(ZhangYu－zhu.Behaviorand role ofboron and magnesium in agglomeration offine iron ore［D］.Qinhuangdao:Yanshan University，2002.)

［8］Khaki J，Kashiwa Y，Ishii K.High temperature behavior of self fluxed pelletsduring heating up reduction［J］.Ironmaking and Steelmaking，1994，21(1):56－63.

［9］Suresh S.Fatigue of Materials［M］.New York:Cambridge University Press，1998:70－75.

［10］Bao Yi－wang，Jin Zong－zhe，Size.Effects and a meanstrength criterion for ceramics［J］.Fatingue Fract Engng Mater Struct，1998，16(8):55－61.

［11］陈耀明，李建.氧化球团中Fe2O3的结晶规律［J］.中南大学学报(自然科学版)，2007，38(1):70－73.

(Chen Yao－ming，Li Jian.Crystal rule of Fe2O3in oxidized pellet［J］.Journal of central South University (Science and Technology)，2007，38(1):70－73.)

Effect of boron sludge on strength of pellet

Gao Qiangjian，Wei Guo，Jiang Xin，Du Gang，Shen Fengman

(School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

The industrial waste(boron sludge)in Eastern Liaoning province was applied as an additive to produce pellet.The effects of boron sludge on compressive strength of the pellet and application feasibility of boron sludge were investigated preliminarily.It was found that:with addition of boron sludge from 0 to 2.5%in pellet，the compressive strength of the pellet increases gradually，the maximum amount is up to 658 N/pellet，therefore，the boron sludge can be used as an additive to produce pellets for enhancing strength.It can be seen from metallographic microscope that the boron sludge is beneficial to oxidize and recrystallize for Fe3O4.It makes the crystallite connect compactly and gives a well－distribution，so that it causes the enhancement of strength of the pellets.At the same time，with addition of the boron sludge from 0 to 2.5%the porosity of the pellets decreases from 18.61%to 13.05%.This is an another reason to increase the strength.

pellet;additive;boron sludge;strength

TF 521

A

1671-6620(2013)01-0001-03

2012-12-27.

国家自然科学基金资助项目 (51074040)、(51074206).

高强健 (1987—)，男，东北大学博士研究生，E－mail:gaoqiangjian@163.com;沈峰满 (1958—)，男，东北大学教授，博士生导师.