铁矿粉粒度组成对球团矿性能影响的研究进展

2022-02-18于洪军王兴锋张建良刘征建王耀祖徐晨阳

冶金能源 2022年1期

于洪军路明王兴锋张建良刘征建王耀祖徐晨阳

(1.鞍山钢铁集团大孤山球团厂，2.北京科技大学冶金与生态工程学院，3.北京科技大学人工智能研究院)

随着现代高炉炼铁工艺对入炉原料性能要求的日益提高，以及清洁生产炼铁技术的发展，氧化球团已成为一种不可或缺的重要冶金原料[1- 2]。球团矿是将铁精粉和一定比例粘结剂混合后在圆盘造球机中制备成直径为9～12 mm的生球，然后经过干燥、预热和焙烧制备成具有合理强度和冶金性能的成品球[3]。在球团矿整个制备过程中，矿石原料的基础物性如粒度组成、矿物组成和孔隙结构等都将成为影响球团矿性能的重要因素[4]。其中，细粒铁矿物性对生球形成的影响较为显著。通过控制和优化各种影响因素，可以改善球团矿的质量[5]。关于铁矿粉的粒度组成对球团矿性能的影响，众多学者已经做了大量的研究工作，且对生产工艺做出不断的改良，已取得了显著的发展和成效[6]。文章总结了国内外有关于铁矿粉粒度组成对氧化球团性能影响规律和机理的研究进展，对合理调控铁矿粉粒度组成给出参考依据。

1 球团用铁矿粉的预处理方法

在球团矿的生产中通常要求原料的粒度组成中要有一定比例的-0.044 mm或-0.074 mm粒级的铁精矿含量[7]。国外要求球团用铁精矿粒度组成满足-0.044 mm粒级含量大于60%，或-0.074 mm粒级含量大于90%[8]。我国球团工艺通常要求铁精矿粒度组成满足-0.074 mm粒级含量大于80%[9]。此外，铁精矿的比表面积也成为原料预处理时关注的重要参数。研究表明，铁精矿的比表面积在1 500～1 900 cm2/g时，其成球性能较好[10]。

1.1 球磨

球磨的原理是在离心力和摩擦力的作用下，筒体内的磨矿介质与原料随着筒壁上升然后自由脱落或抛落，受到冲击力和磨剥作用而粉碎[11]。球磨法通过球磨机的转动使硬球对原料进行强烈撞击、研磨和搅拌，能够细化晶粒、增强原料活性，提高其烧结能力。影响球磨效果的主要参数包括原料粒度、磨矿浓度、磨矿介质形状和大小、磨矿介质填充率等[12]。球磨工艺的优点是生产操作稳定，对生产控制系统要求不高等；缺点是设备占地面积大、单机处理能力小、不易维修。

1.2 润磨

球团生产对原料的水分、粒度及粒度组成有相应的要求。当进厂原料粒度较粗时，需进行干磨或湿磨。近年来，润磨工艺在球团厂也得到重视。润磨工艺不同于传统的干磨和湿磨工艺。由于湿磨无法获得含水量较低的原料，且需要干燥设备，使得工艺成本增加。因此，润磨是较为理想的控制球团原料粒度的预处理工艺。对球团用铁精矿混合料润磨工艺的研究[13]总结出，润磨在球团制备过程中的作用包括：提高原料的塑性，增大生球的落下强度；改善原料的粒度及粒度组成；提高粘结剂在原料中的分散程度，减少粘结剂的添加比例。

在磨矿的同时，润磨机还具有一定的研磨和揉搓作用，从而提高原料的塑性。通常润磨机的工作转速低于球磨机，工作转速一般为临界转速的0.65～0.7倍。介质填充率对润磨效果影响较大，当介质填充率低，原料填充率过大时，会减弱磨矿作用，造成介质包裹原料及粘料现象。国内外产量为50 t/h的润磨机(Φ3 200～3 300 mm)，介质填充率一般为17%～18%。排料开孔率也是影响润磨效果的重要工艺参数。提高开孔率，排料能力增加，润磨产量提高，但原料的停留时间缩短，会降低润磨效果；降低开孔率，原料填充率随之增加，介质与原料之比降低，润磨效果变差。开孔率与润磨介质填充率和磨矿细度、原料水分等均有关系。

1.3 高压辊磨

高压辊磨的工作原理是给动辊施加高压，让边界受到约束的原料被两个相向的转动辊挤碎，从而获得较细粒级的原料[14]，如图1所示。用来磨矿的高压辊磨机的工作辊面安装了栓钉，原料嵌布在栓钉间，从而形成了抵抗磨损的保护层[15]。高压辊磨与传统磨矿工艺有本质区别：高压辊磨是准静压粉碎，相对于冲击粉碎可节约能耗30%；高压辊磨是原料间的相互粉碎，可大大减少辊面的磨损[16]。

图1 高压辊磨机工作原理

将高压辊磨用于造球原料的再磨工序，可以提高铁精矿的细度，增加其比表面积，大大改善铁精矿的成球性能，降低粘结剂的添加量。参考国内外球团厂采用高压辊磨机的效果，高压辊磨可以将铁矿原料的比表面积提高约500 cm2/g，生球成品率提高5%，生球水分减少0.5%，生球落下强度提高3次/球，生球抗压强度提高1.5～2 N/球[17]。此外，高压辊磨可以达到“选择性”破碎的效果，使得裂纹沿着矿石内的晶界面先产生扩展[18]。高压辊磨工艺分为开路和闭路两种，根据原料的原始粒度和最终粒级要求进行选择。高压辊磨与润磨相比具有单台设备生产能力大、电耗低的优势[19-20]。

2 球团用铁精矿粉的基本物性

矿物的粒度是指单个矿物颗粒的大小，而粒度组成是各个粒度级别的质量百分比。球团用铁矿粉原料是由大量不同粒度的矿物颗粒以及颗粒间的空隙所构成的集合体。粒度反映的是单个颗粒的尺寸大小，实际生产过程中的物料是由无数不同粒度颗粒组成的颗粒群，粒度跨度范围很大。如果将粒度范围宽的颗粒群分成若干个粒度范围窄的级别，这些窄级别称为粒级。各个粒级在整个粒群中的质量组成情况就是粒度组成[21- 22]。

矿物颗粒的比表面积随其尺寸和形状、矿物的内部结构和物相组成的变化而变化。随着颗粒尺寸的减小，其比表面积增大。等效直径相同的扁平状或片状颗粒比圆球状颗粒具有更大的比表面积。即使表面形态相似的矿物，因晶格构造的特征差异，其表面积也有较大差别[23]。如具有膨胀晶格的矿物除了外表面还具有很大的内表面，而层间稳定连接的矿物几乎没有内表面。

对于多相分散的矿物体系，表面积值主要受制于体系中不同相的分布状态。此外，矿物是单片颗粒之间互相连接和聚合，并以微聚体和团聚体的形式存在。因此，各种矿物单元间的结合方式、单元体间的孔隙形态、分布特征和数量共同决定了矿物的表面积值[24]。

由热力学表面能的概念可知，增加表面积的过程，就是增加内能、焓、自由能或自由焓的过程，所以不会自动进行，需要外力对体系做功。影响固体比表面能的因素很多，除了物料自身的晶体结构和原子之间的键合类型之外，还有空气中的湿度、蒸汽压、表面吸附水、表面污染、表面吸附物等诸多因素。所以固体比表面能不如液体的表面张力那样容易测定。通过几种标准矿物比表面能的比较可知，越是坚固和难粉的矿物比表面能越大。固体颗粒表面将原子结合在一起的键合力与内部是不相同的[25]。因此，固体物料粉碎时，系统晶格键能也将发生变化。

由铁矿粉的基础物性可知，即使比表面积能够反映物粒度形状、大小和结晶程度，也不是严格的线性关系。比表面积是将原料处于静态分散的条件下测得的，故而不能准确的表征矿物在实际造球时的分布和接触形式[26- 27]。综上，矿物颗粒堆积形式和接触面积、矿物的粒度组成以及微细颗粒含量、精矿的晶格缺陷程度等因素都将对球团矿固结行为产生一定影响[28- 29]。

3 铁矿粉粒度组成对球团矿性能影响研究现状

3.1 铁矿粉粒度组成对生球性能的影响

生球制备是球团矿生产过程中重要的工序之一，生球性能将直接影响后续干燥、预热和焙烧工序的调控，进而最终影响成品球团矿的质量。而生球的性能主要包括水分、粒度组成、抗压强度、落下强度、爆裂温度。图2所示为铁精矿粒度对生球落下强度和爆裂温度的影响[30- 31]。研究结果表明：随着铁精矿-0.074 mm 粒级含量增加，生球的落下强度先升高后降低，爆裂温度降低后略有升高，且在-0.074 mm 粒级含量为75%时，生球落下强度达到最大，爆裂温度达到最低。这说明并不是铁精矿粒度越细球团强度就会越好，而应该有一个合适的粒度组成。

图2 铁精矿粒度对生球落下强度和爆裂温度的影响

超细粒铁精矿成球性能通常较差，优化配矿技术配加不同比例的粗粒级铁精矿是改善其造球性能的有效途径之一。研究结果表明：混合后铁精矿的成球性能明显高于超细磁铁精矿单矿。超细磁铁精矿单矿生球的落下强度仅为3.2次/(0.5 m)、爆裂温度为470 ℃，配加质量分数为20%国产磁铁精矿或10%巴西赤铁精矿时落下强度超过4次/(0.5 m)、爆裂温度高于500 ℃。这是由于超细粉磁精矿(-0.025 mm粒级约96.79%)的比表面积为2 254 cm2/g，亲水性能变差，静态成球性指数较低仅为0.24。当配加粗粒级的赤铁矿或磁精矿时，改善了原料的粒级组成，提高了原料的亲水性，改善了成球性能[32]。此外，粒度较粗、成球性能较差的铁精矿，通过配加一定比例的不同粒级磁铁精矿，同样可以达到改善生球性能的效果[33]。

3.2 铁矿粉粒度组成对球团矿氧化性能的影响

在氧化预热过程中球团矿处于运动状态，需要其承受不同程度的机械作用力，因此预热强度用于评价球团矿的预热效果。球团矿的预热强度主要用抗压强度和AC转鼓指数两个指标来衡量。日本要求预热球抗压强度不小于150 N/球；美国侧重要求AC转鼓指数不超过5%；我国要求预热球抗压强度不小于400 N/球，AC转鼓指数不超过5%。对配加不同粒级铁精矿制备的预热球进行检测，随着铁精矿-0.074 mm粒级含量的增加, 预热球团矿的抗压强度有所提高。因为预热过程中磁铁矿快速氧化形成Fe2O3相，矿物颗粒间产生粘结相。此外，磁铁精矿氧化形成Fe2O3晶粒的表面原子具有较高的迁移能力, 使得相邻颗粒间形成了稳定的晶键。因此，粒度组成越细，形成的晶键越多，预热球团矿的抗压强度越高[34]。

为了提高预热球团的抗压强度，可以通过高压辊磨预处理改善粗粒级铁精矿的粒级分布。粗粒级的铁精矿经过高压辊磨后，粒度组成改善且呈正态分布。铁矿颗粒间的堆积形式发生变化，颗粒间的接触面积变大，易于晶桥形成[35]。经过高压辊磨后，矿物颗粒的表面变得粗糙不平，增加了棱边和尖角等活性点的数量，颗粒质子晶桥的形成和扩散迁移能力得到改善[36]。研究结果表明，磁铁精矿经过高压辊磨预处理后，微细颗粒(-0.010 mm)的占比提高。在850～1 000 ℃的氧化温度区间，磁铁矿球团的氧化反应的限制环节为氧气在固相产物层中的内扩散行为。高压辊磨处理提高了磁铁矿球团的氧化反应表观活化能，而氧化反应速率和氧化程度降低，从而导致焙烧球团矿外部产生致密层[37- 38]。

对-0.044 mm粒级含量为94%以上的超细粒度磁铁精矿粉进行球团矿的预热焙烧性能试验，结果表明，预热焙烧温度太高或高温下预热焙烧时间过长，不利于超细粒度球团矿强度的提高[39]。这是由于预热焙烧温度过高以及高温下预热焙烧时间过长，球团矿外层形成的致密层阻碍其继续氧化，降低了球团矿的抗压强度[40]。矿相分析结果表明，预热焙烧球团矿的外部、中层和核心的氧化程度是存在差异的。球团矿外部氧化速度最快，氧化程度较高。球团矿中层和核心的氧化程度逐渐降低，预热焙烧温度高或高温预热焙烧时间长是球团矿外层易形成硬壳的主要原因[41]。因此，对于超细粒度磁铁矿粉球团矿，应合理调控预热焙烧温度和时间，以达到所需的抗压强度和氧化程度[42]。

3.3 铁矿粉粒度组成对球团矿连晶性能的影响

球团矿的固结方式主要是赤铁矿的固相固结，即通过赤铁矿的再结晶互相连接，使球团具有一定的强度[40]。高温下球团矿中矿物颗粒间的连晶是氧化焙烧球团矿固结的基础。由于不同铁矿粉存在自身特性方面的差异，故表现出各不相同的连晶特性。因此，铁矿粉粒度组成是影响高温焙烧过程中的连晶行为的重要因素之一。赤铁矿预热焙烧球团显微结构分析表明，高压辊磨处理优化了赤铁矿微晶键的形成和再结晶过程，有利于提高预热和焙烧球团矿的抗压强度[43]。图3是铁精矿-0.074 mm粒级含量对成品球抗压强度的影响。结果表明，随着铁精矿-0.074 mm粒级含量的增加, 球团矿的抗压强度逐渐升高[44]。

图3 铁精矿的粒度对焙烧球抗压强度的影响

对于-0.044 mm粒级含量在89%以上超细磁铁精矿粉球团矿焙烧性能试验结果表明，铁精矿粉粒度越细，球团矿在最佳焙烧制度下获得的抗压强度越高，但适宜的预热温度也越低，而所需预热及焙烧时间也越长。在对生球孔隙率测试研究的基础上发现，精矿粒度越细，生球孔隙率越小，氧化变得越困难，需要的预热时间越长。而预热温度太高，表层易形成致密层，导致球团矿强度下降。在对适宜的焙烧制度下氧化球团矿的FeO含量测定结果表明，矿粉粒度越细，其FeO含量越高，则氧化条件越差，所需的焙烧时间越长[30]。