B2O3对钒钛烧结矿液相量影响研究

2020-11-22汪小虎李星志

四川冶金 2020年5期

汪小虎，李星志

(1.成渝钒钛科技有限公司，四川内江 641000；2.广西柳州钢铁(集团)公司，广西柳州 545002)

我国钒钛磁铁矿资源储量丰富，由于其铁含量相对较低，且钛、钒含量均不突出，工业生产中分别采用高炉—转炉工艺提取铁和钒、电炉工艺提取钛。钒钛烧结矿为高炉工艺炉料主要含铁载体，由于其矿物成分和结构的特殊性，在钒钛烧结生产过程中仍旧面临着诸多难题。随着钒钛磁铁矿精粉在烧结过程中加入比例的提升，烧结矿成矿过程中不但产生的液相量减少，液相粘结力也会变差，造成含钒钛烧结矿成品率和强度均较低，小粒级增多，钒钛烧结矿的低温还原粉化率RDI-3.15也明显高于普通烧结矿[1-2]。

近年来随着含B2O3的废弃物如硼泥、硼铁矿选矿后的尾渣、硼酸废液等所带来的环境问题日益突出，将这些含硼废弃物应用于钒钛烧结再次成为研究热点。储满生等人研究了硼铁矿对烧结矿冶金性能和烧结生产技术指标的影响，结果表明，烧结矿的低温还原粉化性能以及烧结杯利用系数、转鼓指数、成品率、垂直烧结速度等指标随硼铁矿质量配比的增加呈先升高后降低的趋势[3]。郝德胜研究发现，在烧结矿中配加氯化钙和硼酸会导致转鼓强度和低温还原性有所增加，而软融区间、软化温度和高温还原性基本不发生变化[4]。赵庆杰等人的研究结果表明，配加适量的硼铁精矿可以有效改善钒钛烧结矿的冶金性能，这是由于硼铁精矿中的B2O3可以促进烧结矿中铁精粉晶粒长大，同时使得液相量增加，固结强度有所提高[5]。

以上研究者均发现，在烧结矿中添加硼铁精矿、硼酸和硼泥是降低粉化率，提高烧结矿强度的有效手段，能够改善烧结矿冶金性能，提高高炉的冶炼强度，增加产量。可见有效成分B2O3，可以改善钒钛炉料冶金性能，也可以为含硼固体废弃物中B2O3循环利用寻找一条新的途径。

在本文中，在中国西南某企业实际生产配料结构下，用钒钛磁铁矿精粉和澳大利亚赤铁矿粉按照一定配比混合为基础铁矿粉，运用FactSage热力学软件计算化学成分变化对烧结过程液相量的影响，在实验室条件下以化学分析纯试剂B2O3、生石灰、焦粉为原料，用烧结杯试验装置实验研究了B2O3的含量对钒钛磁铁矿粉烧结成矿过程工艺参数的影响，进一步明确了不同B2O3含量对钒钛烧结矿烧结成矿过程影响规律。

1 化学成分对钒钛烧结矿液相的影响

1.1 热力学计算基础

采用FactSage软件中的Equilib模块和Reaction模块开展热力学计算。基于矿石化学成分、混料中氧化亚铁(FeO)和全铁(TFe)的含量，计算得到Fe2O3的含量，碱度固定为2.0，配碳量为3.5。钒钛铁精粉成分来源于西南某企业的钒钛铁精矿粉和澳大利亚赤铁矿矿粉以8:2比例混合而成。铁矿粉、钒钛烧结矿的化学成分如表1、表2所示。

表1 铁矿粉化学成分/wt%

表2 钒钛烧结矿化学成分/wt%

1.2 MgO和Al2O3对钒钛烧结矿液相量的影响计算

以表2的烧结矿原料化学成分表为基础，外加MgO和Al2O3配比分别为0～5%，得到计算所需的不同MgO和Al2O3配比的原料数据，利用FactSage软件计算出不同MgO和Al2O3配比的烧结矿原料随温度变化生成液相的含量。

图1 MgO和Al2O3含量对钒钛烧结矿液相量影响

从图1可知随着MgO含量的升高其钒钛烧结矿在烧结过程中的液相量是随之降低的。由于烧结矿中的MgO会与CaO和SiO2反应生成钙镁橄榄石，此类钙镁橄榄石的熔点均很高，其中CaO·MgO·2SiO2、2CaO·MgO·2SiO2、3CaO·MgO·2SiO2的熔点分别为1350 ℃、1405 ℃、1595 ℃，熔点都较高，在1200 ℃的烧结温度下这些钙镁橄榄石矿物不会熔化进入到液相中。而CaO相对含量减少，使得CaO与Fe2O3反应生成铁酸钙的数量降低。所以随着MgO含量的升高，生成的钙镁橄榄石越多，铁酸钙数量相对减少。烧结矿计算液相量在1100 ℃之前没有液相生成，在1100-1150 ℃时，液相量随温度的升高增长较为平缓，在1150-1350 ℃时，液相量增长很快，且在1350 ℃时液相量接近100%。在烧结温度1200 ℃条件下，当Al2O3含量从0%增加至5%时，烧结矿液相量分别为21.43%、19.32%、30.98%、42.27%、53.73%、54.85%。整体上液相量是呈现出增加的趋势，则随着Al2O3含量的升高其钒钛烧结矿在烧结过程中的液相量是随之增加的。

1.3 B2O3钒钛烧结矿液相量的影响计算

利用FactSage软件计算当温度变化时，B2O3含量在0%、1%、2%、3%、4%、5%时钒钛烧结矿生成液相的含量变化情况。压力设定为一个标准大气压，温度区间设定为850-1250 ℃，温度间隔50 ℃，结果见图2。

图2 含硼钒钛烧结矿液相量随温度的变化情况

如图2所示，在烧结过程中，随着温度的升高和B2O3配比的增加，液相量均呈增加趋势。究其原因，配加B2O3后，烧结矿中的Al2O3、MgO、SiO2、MgO、CaO等与其发生反应，生成物的熔点较低，且低熔点生成物随着B2O3含量的增多而增多。此外，由于B2O3熔点低(450 ℃)，进入液相的时间最早，导致液相粘度减小，从而加速液相的生成，有助于烧结过程反应的顺利进行。与此同时，SiO2、CaO和B2O3反应的可以生成低熔点物质2CaO·B2O3·SiO2(901 ℃)，该反应能够有效抑制正硅酸钙(2CaO·SiO2)的生成。

2 含B2O3钒钛烧结试验研究

2.1 烧结杯实验参数

本研究所采用的烧结杯装置主要包括以下几部分：烧结杯、混匀装置、点火助燃风机、主抽风机、破碎装置、转鼓试验测试和振动筛分装置。实验装置参数见表3。

表3 烧结试验工艺参数

2.2 不同B2O3含量烧结杯实验指标

在钒钛磁铁矿中配加B2O3后，烧结技术指标变化明显。图3表明，烧结矿试样的转鼓强度随B2O3添加比例的提升，呈先增大后减小的趋势。B2O3的添加比例为3.00%时，转股强度达到最大值58.00%。同样地，烧结矿试样的垂直烧结速度和成品率均随B2O3添加比例的提升呈先增大后减小的趋势，并在B2O3添加比例为3.00%时达到峰值。

图3 不同B2O3含量的H-VTM烧结杯指标

在钒钛磁铁矿中配加B2O3后，烧结杯实验的样品粒度分布变化明显，平均粒径随着B2O3添加比例的提升呈先增大后减小的趋势。配加B2O3后，大块烧结矿比例上升，整体粒径增大。大于40mm粒级的烧结矿由2.74%大幅增加至23.92%，而小于5.00mm粒级的烧结矿由38.65%减少至28.55%，降幅明显。

当钒钛烧结矿温度降至725 ℃时，其内部的晶型发生转变，由α'-2CaO-SiO2

转变为γ-2CaO·SiO2，体积也随之变化，增大约12.00%；继续冷却，当钒钛烧结矿温度降至525 ℃时，其内部晶型再次发生转变，晶格重排，由β-2CaO·SiO2转变为γ-2CaO·SiO2，密度变化导致体积增大了约10.00%。冷却过程中，烧结矿的体积增大导致其内部应力增大，严重时甚至会造成烧结矿粉化。烧结矿中存在多种具有不同结晶能力、热膨胀系数和熔点的矿物，导致其在冷却降温过程中产生裂纹和较大的内应力，使得强度降低。

B2O3熔点低，可以促进烧结矿液相晶核的产生；硼离子半径小(0.02nm)，易扩散，进入正硅酸钙的晶格后，可以起到稳定晶型的作用，使得自然粉化率降低，烧结矿粒径和强度也随之增加。烧结矿的液相量随着B2O3配加比例的提升而增大，在上部抽风冷却过程中，烧结矿液相收缩产生结晶。由于表面张力的减小，过熔的烧结液相会产生泡沫，出现大孔薄壁结构，最终导致烧结矿整体强度的下降。