PMC配加庙沟粉球团氧化焙烧行为研究

田铁磊，蔡爽，刘莲继

(1.华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 063009；2.唐山钢铁集团有限责任公司，河北 唐山 063009)

为了减轻环保及烧结限产压力，高炉炉料结构由高比例烧结矿逐步转变为高比例球团矿[1-3]，然而球团矿在高炉中的使用比例大量增加，势必应扩大球团产能，所以对球团原料结构进行科学、经济、合理的优化配置成为必然趋势。PMC含铁品位高，SiO2含量低于1%，是一种性能优、性价比高的矿种，并已成为球团矿生产的重要原料之一，但由于PMC铁精粉粒度较粗，且含有大量的碱金属、磷、铜等有害元素[4]，无法单独直接用于球团生产。因此，对于粒度粗、有害元素含量高的铁精粉急需一种合理的利用途径。

庙沟粉铁品位高、粒度细、成球性优良，但成本较高，且随着庙沟矿石大量开采，其矿石更加难磨难选[5]，庙沟粉的产量逐渐降低，所以为了弥补庙沟粉不足和保证球团正常生产要求，把PMC粉和庙沟精粉混合用于生产球团，不仅可以改善粒度组成，提高其成球性能，而且能够降本增效和解决庙沟铁精粉紧缺问题。为此，本文在前期研究的基础上，对以一定比例混合的这两种铁精粉进行了预热和焙烧实验，确定了其合理的预热、焙烧制度，为钢铁企业高效利用PMC精粉提供了一种思路。

1 原料特性及实验方法

1.1 原料成分

实验原料化学成分及物理性质分别见表1、2。

表1 原料化学成分及粒度检测结果/%Table 1 Test results of chemical composition and particle size of raw materials

1.2 原料特性

由表2可知，铁精粉中庙沟粉较PMC粉的比表面积大，说明庙沟粉的粒度较细，且在球团焙烧过程更容易氧化和提高抗压强度；庙沟粉的孔容较PMC粉大，但平均孔径小，说明PMC大孔较多，而庙沟小孔较多，且孔分布较密集，即PMC粉配比高后，将会造成生球强度降低。

表2 原料比表面积及孔结构Table 2 Specific surface area and pore structure of raw materials

从表3可知，庙沟铁精粉的成球性较好，PMC粉稍差；但对于成球性而言，成球性过好将会造成母球量增多，导致母球长大速度变慢，尤其是中球长大速度变缓，从而影响生球的合格数量。因此两种粉混合造球能够改善母球的长大速度，利于母球的长大。

表3 铁精粉成球性指数测定结果Table 3 Determination results of pelletization index of Tiejing powder

表4 铁精粉物相分析/%Table 4 Phase analysis of iron essence powder

由4可知，庙沟、PMC两种铁精粉均以磁铁矿为主，分别为63.84%、63.15%，而其他的含铁物相含量较低。

1.3 实验方法及方案

在前期研究的基础上获得了PMC和庙沟的配比为2:3时，生球和球团矿的质量较优[4]。为此在该比例下进一步进行造球实验用于研究生球的预热和焙烧制度。

采用Φ500 mm×150 mm圆盘造球机进行造球，并对生球进行预热及焙烧。预热温度设定为800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃，而对应的焙烧温度为1280℃，然后选取60个10 mm-12.5 mm之间的球团进行抗压强度的检测，确定适宜的预热温度范围，接着固定预热温度和焙烧温度，测定预热时间5 min、10 min、15 min对球团强度的影响；在适宜的预热温度和预热时间下，设定焙烧温度为1240℃、1260℃、1280℃、1300℃、1320℃，并测定球团矿的抗压强度，在确定适宜的焙烧温度后，分析焙烧时间10 min、15 min及20 min对球团强度的影响，从而获得生球的适宜的预热温度、时间及焙烧温度、时间。选取不同预热温度和焙烧温度的球团矿进行微观形貌检测。实验方案见表5、6。

表5 预热温度实验方案Table 5 Preheating temperature test scheme

表6 焙烧温度实验方案Table 6 Roasting temperature test scheme

2 结果及讨论

2.1 预热条件对球团矿抗压强度的影响

由图1可知，随着预热温度的提高，球团的抗压强度先提高后降低，并在950℃时到达了较佳值为3283 N。主要是因为预热温度提高后，生球的氧化反应改善，加快了生球了氧化速率，从而提高了球团的抗压强度；当预热化温度为1000℃时，生球中SiO2和磁铁矿开始反应生成硅酸盐矿相[6]，且在焙烧段直接变成液相，大量的液相降低了球团抗压强度；因此，球团的预热温度应选择950℃。

图1 预热温度对球团抗压强度的影响Fig.1 Effect of preheating temperature on the compressive strength of pellets

由图2可知，在相同的预热温度条件下，随着预热时间的增加，球团的抗压强度逐渐提高，且在预热时间10 ～ 15 min范围内，抗压强度变化较缓。主要是因为预热时间越长，生球氧化程度越彻底，赤铁矿晶体连接越紧密，从而使球团抗压强度越高；但预热时间进一步延长，球团抗压强度变化较缓，主要是因为赤铁矿晶体的逐渐加厚，造成氧气向球核中扩散速率降低，导致球团的氧化度升幅逐渐减缓，所以继续延长预热时间，球团抗压强度变化也不大，反而增加球团能耗及降低球团产量。因此，球团的预热时间应选择10 min。

图2 预热时间对球团抗压强度的影响Fig.2 Effect of preheating time on the compressive strength of pellets

由图3可知，在850℃时，球团中的赤铁矿已经连接，但大部分晶体连接多以细小的赤铁矿晶键连接为主，局部显微结构疏松；在950℃时，球团中赤铁矿晶体已充分发育，且赤铁矿晶体之间互连紧密成一片，显微结构比较致密；在1050℃时，球团的显微结构孔洞较多、较大，主要是因为生成的液相冷却收缩造成的，且生成的玻璃质进一步使球团强度降低。所以该球团适宜的预热温度为950℃，时间为10 min。

图3 预热温度对球团显微结构的影响Fig.3 Effect of preheating temperature on microstructure of pellets

2.2 焙烧条件对球团矿抗压强度的影响

由图4可知，随焙烧温度的提高，球团矿抗压强度先增加后降低，并在焙烧温度为1280℃时，球团矿抗压强度达到了较佳值为3283 N。主要是因为焙烧温度越高，球团中的赤铁矿晶体发育越完全，显微结构越致密，且大部分赤铁矿已经互连，所以球团抗压强度升高；但焙烧温度超过1300℃时，赤铁矿开始分解成磁铁矿，影响球团中赤铁矿晶键的连接；同时由于庙沟中SiO2含量高，引起Fe3O4与SiO2反应生成了低熔点液相，进一步恶化了球团强度。因此，球团的焙烧温度不能超过1300℃。

图4 焙烧温度对球团抗压强度的影响Fig.4 Effect of calcination temperature on the compressive strength of pellet

由图5可知，焙烧时间对球团抗压强度的影响较显著，在焙烧时间为10 ～ 15 min时，球团的抗压强度变化较陡，增长较快；而在15 ～2 0 min时，抗压强度变化较缓。主要是因为球团中赤铁矿的结晶和再结晶需要一定的时间，时间越长，晶体氧化越充分、连接越完全，球团抗压强度越高；当再结晶达到一定程度，球团形成一个致密的整体以后，球团矿强度提高的幅度将会逐渐减小。因此，球团的焙烧时间应不低于15 min。

图5 焙烧时间对球团抗压强度的影响Fig.5 Effect of roasting time on the compressive strength of pellets

由图6可知，在1240℃时，球团的矿相结构疏松且均匀，赤铁矿间晶相连接少；在1280℃时，球团矿相结构致密且均匀，磁铁矿氧化再结晶充分，且赤铁矿晶体之间互连紧密成整体；在1320℃时，球团中Fe2O3开始由互连晶向粒状晶发展，赤铁矿晶体间的连接断开，说明F赤铁矿开始分解磁铁矿，并与SiO2生成硅酸盐矿相，造成球团强度降低。所以该球团适宜的焙烧温度为1280℃，时间为15min。

图6 焙烧温度对球团显微形貌的影响Fig.6 Effect of calcination temperature on the micromorphology of pellets

3 结 论

（1）PMC粉和庙沟粉的比表面积分别为0.684 m2/g、1.240 m2/g，两者搭配造球有利于改善粒度组成；PMC粉孔容小，平均孔径大，说明PMC粉大孔较多，即PMC粉配比高后，将会造成生球强度降低；PMC粉和庙沟粉的成球性指数分别为0.67、0.97，两者搭配造球能够改善母球的长大速度，利于母球的长大；PMC粉和庙沟粉的铁物相主要以磁铁矿为主，分别为63.15%、63.84%。

（2）在预热温度950℃、预热时间10 mim、焙烧温度1280℃及焙烧时间15 mim条件下球团矿抗压强度达到了3283 N，能够满足球团生产要求，且该球团矿相结构致密、均匀，赤铁矿晶体已充分发育并互连紧密成整体。