球团矿的热态性能试验及改进措施

吴文斌

( 新兴铸管新疆有限公司)

0 前言

与普通球团矿相比，含镁球团具有粒度均匀、强度高、能够有效改善高炉料柱透气性等明显优势，因而在现代冶金工业中，将其作为实现高炉高产、优质、低耗的一种优质炉料得到了迅速普及和应用［1］。由于球团矿性能对于高炉冶炼指标和冶炼过程具有重要影响，强度作为球团矿性能评价的关键指标也越来越受到企业的关注。相对球团矿技术较为成熟的北美国家来说，我国球团矿技术发展尚还有较大差距，究其原因主要是成品球团矿的热态性能不稳定，对高炉炼铁产生一定负面影响，基于此，对于球团矿热态参数的研究也越来越重要。

1 试验

1．1 试验原料

本试验选取了新兴铸管新疆公司2012年9月、2012年12月、2013年3月份生产的三批次球团矿作为样品，编码依次为1#、2#、3#，球团矿检验指标见表1。

表1 球团矿检验指标

1．2 实验设备

实验的主要设备为X 射线衍射分析仪、扫描电子显微镜、能谱仪，采用了TPT － 3 型铁矿石配矿特性试验装置，其中涵盖了红外线快速高温试验炉、温度程序控制显示仪、冷却水控制器和相关的控制系统［2］。

1．3 实验方法

按球团矿在高炉内不同高度的温度、气氛和停留时间等条件，在实验室动态模拟球团矿在高炉内的升温还原变化过程。用水银浸入法对球团矿体积进行测定，用游标卡尺对球团矿平均直径进行测定。

1)900 ℃恒温还原实验，采用国标GB/T13240－91 进行测定。

2) 不同温度条件下的恒温还原膨胀试验。将事先准备好的反应管一次升温到800 ℃、900 ℃、1000 ℃、1100 ℃，恒温30 min，再通还原气体恒温1 h，之后将反应管提出炉外，然后通入氮气冷却至100 ℃以下。

3) 热模拟高炉内不同高度条件的还原膨胀试验。该实验模拟球团矿在高炉内的升温速度以及气氛条件，试样在氮气( 流量15 L/min) 保护条件下进行升温，当温度达到100 ℃时，通还原气体CO( 流量15 L/min) ，待温度达到预定温度后，立刻改通氮气冷却至100 ℃以下［3］。炉料升温速度结合高炉冶炼周期、高炉内型数据以及不同高度的温度场分布等情况进行精确的计算确定。

2 实验结果及分析

2．1 还原膨胀

1)900 ℃恒温还原膨胀试验分析。三批球团矿900 ℃恒温还原后的具体检测情况见表2。

表2 球团矿900 ℃恒温还原后指标

由表2 可以看出，1#球团矿的还原膨胀属于正常范围，2#球团相对较高，还原膨胀率平均达到了16．6%。3#球团和1#球团相近，还原膨胀率较低，其还原后球团抗压强度最高。三批球团样品中，1#、3#样品900 ℃恒温还原后指标较好。

通常球团矿膨胀的主要原因是Fe2O3还原成Fe3O4后发生晶格转变造成的。α － Fe2O3→γ －Fe2O3→Fe3O4的转变过程中，其体积增加7．8% 左右，同时伴随物理热膨胀3% ，包括内外部膨胀区域形成的膨胀差异导致的新的膨胀，综合起来不高于20%。3#球团从原来的浮氏体逐渐向金属铁还原时，这一环节主要是铁离子扩散起作用，金属铁主要以一种较为致密的层状形态析出，即使还原度最高，也未造成体积增大，反而呈现出收缩的状态，其还原后抗压强度最高。

假如这一还原过程受到化学反应的影响，金属铁将通过一种纤维状、针状铁晶须形态进行析出和长大，从而造成球团矿异常膨胀，一旦其膨胀率高于20%，将对高炉顺行造成不利影响。通过对还原后的球团矿进行观察，其表面大裂纹较少，仅有少数球存在，大部分球表面有0．2 mm 左右的微裂纹，分析认为球团矿处于900 ℃恒温还原时，膨胀是因晶格的转变所致，这一过程受铁离子扩散的控制。

2) 不同温度条件下恒温还原膨胀试验［4］。实验在不同温度条件下对2#球团进行恒温还原1 h，当温度处于800 ℃～1100 ℃这一范围时，随着温度的逐渐提高，其体积膨胀开始的是增大的，之后逐渐降低，在900 ℃时达到峰值11．11% ，同时观察表面发现明显的裂纹和变形。随着温度继续升高到1000 ℃以上时，发现球团矿的还原膨胀率开始呈现出缓慢降低的趋势。究其原因，主要是随着温度的不断升高，所生成的金属铁核量也开始逐渐升高，与此同时扩散能力也越来越强，导致各个方向上金属铁核成长为较为致密的金属铁层。

3) 模拟高炉不同高度条件下球团矿的还原膨胀。仍选取2#球团进行高炉内的升温速度以及气氛条件的模拟实验，其升温还原试验结果如图1 和图2 所示。

图1 球团矿体膨胀率和还原度的关系

图2 球团矿和还原度、还原速率以及温度的关系

由图1、图2 可以看出，球团矿如果在非等温条件下进行还原，它的膨胀率与处于等温条件下相比，呈现出显著减小的趋势。

由图中还可以看出，不同温度下球团矿的膨胀率与还原度、温度呈现出一种凸形曲线关系，与最大膨胀率相对应的温度在550 ℃～650 ℃区间，大约600 ℃，还原度的值在20% ～40%之间，大约30%，此时的还原速率最大，而与最大膨胀率相对应的抗压强度却最低。

当温度低于600 ℃时，球团矿就会随着温度的逐步升高，在膨胀率上呈现出增大的趋势，当温度超过600 ℃时，随着温度的逐步升高，其膨胀率将呈现出逐渐降低的趋势。这一阶段的还原过程通常呈α－Fe2O3→γ － Fe2O3→Fe3O4→Fe 转变这一趋势。当温度超过900 ℃时，球团矿体积呈现逐渐收缩态势，随着温度的逐渐升高，收缩率也随之不断升高，到1100 ℃时，球团矿的抗压强度将达到700 N/球。这一还原过程α－Fe2O3→γ －Fe2O3→Fe3O4→FexO→Fe 转变。随着温度的逐渐升高，球团矿还原度将呈现出继续升高的趋势，同时FexO 还原成金属铁的量也会逐渐增多，体积随之减少，膨胀率越来越低，而强度就会越来越高。

所以说，铁球团矿膨胀的最主要原因是从六方晶格的赤铁矿开始向立方晶格的磁铁矿发生相变。从实践看，酸性氧化球团因晶形转变而带来的膨胀是不可避免的。

当球团矿在非等温条件下，其还原膨胀率之所以逐渐减小是因为初始的还原温度较低，形成Fe2+时温度也比较低，由于Fe2+处在浮氏体内扩散非常缓慢，从而造成气固相界面还原之后Fe2+出现大幅度增加，直到浓度过饱和而催生出新相，进一步形成大量的金属Fe 核，可有效消除少数点生成的铁晶须进行。与此同时，由于还原时间较长，为磁铁矿、浮氏体的均匀发展创造了有利条件。研究表明，当升温速度越慢时，其初始的温度就会越低，相应的还原膨胀率也会较低［5］。

2．2 熔滴性能

在实验室中制备了不同碱度的烧结矿，将其分别与球团矿按一定比例配合成综合炉料，设定综合炉料的碱度为1．10，其方案见表3。不同比例的2#球团矿与烧结矿综合炉料熔滴性能见表4。

表3 综合炉料的熔滴实验方案

表4 不同比例球团矿炉料熔滴性能

由表3、表4 可以看出，在综合炉料碱度一定的条件下，球团矿配比在5% ～30%范围内，随球团配比增加，综合炉料的熔滴性能呈现出变差的趋势。

为了改善综合炉料的熔滴性能，对普通球团与含镁球团、含钙球团进行了试验比较。实验中选取了含镁、含钙球团矿与球团矿在熔滴性能上进行了分析比较，具体情况见表5。

表5 球团矿熔滴性能

由表5 可以看出，普通球团矿熔滴性能较差，会出现明显的变形温度，变形在10% ～50% 之间温度都较低。当添加一定量的镁或者部分钙后，其熔滴性获有一定的改善。软化变形温度以及开始滴落温度都在不同程度上提高。另外，实验还表明添加镁的球团软化区间增宽，如果添加钙，软化区间也会增宽。

3 改善球团矿性能对策

3．1 做好温度控制，改善球团矿膨胀率

球团矿在800 ℃～1100 ℃的范围内进行等温还原时，随着温度的不断上升，其体积膨胀率在初始的时候增大，之后又呈现出下降的趋势，其中在900 ℃时膨胀率达到最大。通过模拟球团矿在高炉内的升温速度以及相应还原气氛条件下的反应，发现球团矿膨胀率比在等温条件下会出现较为明显的减小。

3．2 添加氧化镁或者氧化钙熔剂，改善球团矿熔滴性

球团矿在刚开始出现软化时温度较低，收缩率4%时对应温度大约在970 ℃～1035 ℃的范围内，此时熔滴性能较差。有效的改善办法是向球团中添加部分氧化镁，添加氧化钙熔剂也是一种有效的方法，都能够不同程度的改善球团矿熔滴性。

3．3 生产以含镁为主的球团矿，降低还原膨胀率

在生产球团矿时，可以考虑以含镁球团矿为主。该种球团矿能够有效降低还原膨胀率，同时也可以提高软化温度，从而为进一步提高球团矿在高炉中的使用比例创造有利条件。

4 结束语

综上所述，炉料的结构优劣对于高炉炼铁多项技术经济指标都具有重要影响，对于大型钢铁企业来说，需要借助自产的球团矿，通过优化炉料结构来实现自身竞争水平的提高，因而球团矿质量就成为企业赢得竞争的关键之一。在实际生产中，企业需要从控制膨胀率、提高软化温度等各个方面着手，不断改善球团矿热态冶金性能，更好的满足高炉生产的需要。

［1］方觉，龚瑞娟，赵立树，孟辉．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 －13．

［2］李彩虹，方觉，时国松．宣钢竖炉球团矿强度变化规律［J］．河北理工大学学报( 自然科学版) ．2010(3) :29 －32．

［3］ZHANG Han －quan． Optim ization on Tech nical Fact ors of Pel let s Shaf t Roast ing in Daye［J］Researchon Iron and St eel，2002(4) :1 －4．

［4］赵威，王翠轻． 邯邢磁铁矿精粉用作球团矿原料的试验研究［J］．烧结球团，2008，33(6) :11 －13．

［5］张玉柱，曹朝真，刘鹏君，李振国，尹海生．球团用膨润土高温焙烧活化改性试验［J］． 河北理工学院学报．2006，28( 2) : 11 －13，22．