基于三元碱度优化高硅氧化球团冶金性能试验研究

张元波，林 坤，刘 硕，苏子键，陈 方，吴南勇

（1.中南大学资源加工与生物工程学院,湖南 长沙 410083；2.扬州泰富特种材料有限公司，江苏 扬州 225002）

引 言

2020年国内粗钢产量10.53亿吨，占全球总产量的56.5%。同时，我国钢铁行业污染物排放量也居世界前列[1-2]。其中，烧结工艺排放的污染物为球团工艺的3～7倍[3-5]。2019年我国中钢协会单位炉料平均比例球团矿仅占17.01%[6]，在全面实施绿色发展的新时代背景下，提高球团矿的入炉比例是降低钢铁行业污染物排放的重要途径。

我国的铁矿资源较为丰富，但品位低，成分复杂。目前国内80%的铁矿资源依赖进口，澳大利亚和巴西是我国铁矿资源的主要来源。铁矿资源对外依存度过高及进口国过于集中对我国钢铁行业的安全稳定发展带来了极大隐患[7-8]。为满足国内钢铁生产需要，使用储量丰富、价格低廉的高硅铁精矿作为钢铁生产的铁源具有极其重要的战略意义。

现有工艺高硅铁精矿主要用于制备酸性氧化球团，由于硅含量高，还原时硅、铁氧化物反应形成橄榄石等难还原物质，导致球团冶金性能较差[9]。研究发现，在球团中添加MgO可以促进铁酸镁的生成，提高液相熔点，优化球团冶金性能[10-12]。但未完全反应的MgO会抑制赤铁矿晶体生长，使高硅氧化球团抗压强度显著降低[13-14]。有研究者提出，提高碱度能增强球团的抗压强度。石灰石的加入促进了铁酸钙低熔点液相的生成，使得各晶粒之间连接紧密[15-20]。

本文主要通过调节石灰石和氧化镁粉的添加量，研究二元碱度R2（CaO/SiO2），MgO含量和三元碱度R3（CaO+MgO/SiO2）对高硅氧化球团抗压强度、还原度和还原膨胀性能的影响，为现场生产提供技术指导。

1 试验原料与方法

1．1 试验原料

试验所用铁精矿、膨润土及石灰石均取自江苏某特种材料公司，其主要化学成分如表1所示。该铁精矿属于磁铁精矿类型，TFe品位为67.25%，SiO2的含量较高，达5.60%。氧化镁粉为分析纯试剂，由上海麦克林生化科技有限公司生产。试验所用铁精矿、膨润土及氧化镁粉粒度-200目比例大于98%，石灰石粒度-200目比例大于93%。

表1 原料主要化学成分/%

1．2 试验方法

以高硅铁精矿为原料，选用膨润土作为粘结剂，配加石灰石和氧化镁粉造球，控制膨润土添加量为1%，生球水分8.5%～9.0%，生球粒度10～12 mm，造球时间12 min。选用管炉对球团进行预热焙烧，控制预热温度900℃，预热时间10 min，焙烧温度1300℃，焙烧时间10 min。球团冷却后，抗压强度由智能球团抗压强度试验机测定，还原度和还原膨胀性能用30% CO和70% N2组成的还原气体，在900℃的温度下对成品球进行等温还原测定。

主要对比试验的配矿方案为：

（1）自然MgO含量（0.25%）条件下，添加石灰石，研究不同二元碱度R2（自然，0.029，0.3，0.6，0.8，1.0，1.2）的影响；

（2）自然碱度R2（0.029）条件下，添加氧化镁粉，研究不同MgO含量（自然，0.25%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%）的影响；

（3）同时添加石灰石和氧化镁粉，研究不同三元碱度R3（0.07、0.28、0.45、0.87、1.07、1.25、1.09、1.27、1.45、1.28、1.47、1.66，对应二元碱度（自然，0.8，1.0，1.2）和MgO含量（自然，1.5%，2.5%）交互作用）的影响。

2 结果与讨论

2.1 碱度、MgO含量对高硅氧化球团抗压强度的影响

2.1.1 二元碱度对高硅氧化球团抗压强度的影响

添加石灰石，考查不同二元碱度R2（CaO/SiO2）条件对高硅氧化球团预热和焙烧行为的影响，试验结果如图1所示。从图中数据可知，自然碱度R2（0.029）下，预热球抗压强度为407 N/P，焙烧球抗压强度为3052 N/P。随着石灰石添加量的提高，预热球强度有所降低，而焙烧球强度明显增加。二元碱度R2为1.2时，焙烧球抗压强度增加至3346 N/P。这主要是由于CaO含量的提高，球团在焙烧过程生成了适量铁酸钙低熔点液相，液相填充球团矿颗粒之间的空隙，使得球团致密性提高，抗压强度增大。

2.1.2 MgO含量对高硅氧化球团抗压强度的影响

添加氧化镁粉，考查不同MgO含量条件对高硅氧化球团预热、焙烧行为的影响。试验结果如图2所示。从图2可知，自然MgO含量（0.25%）时，预热球抗压强度为407 N/P，焙烧球抗压强度为3052 N/P。随着氧化镁粉用量的增加，预热球抗压强度逐渐降低，而焙烧球强度会因氧化镁粉用量的增加呈现先增加后下降的变化趋势，当MgO含量为1.5%时，达到最大为3238 N/P。氧化镁粉粒度细，具有较大的比表面积，少量添加有利于成球，进一步增加氧化镁粉用量，部分Mg2+进入磁铁矿晶格替换了Fe2+，阻碍了磁铁矿的氧化，从而抑制Fe2O3微晶连接，球团抗压强度降低。

2.1.3 三元碱度对高硅氧化球团抗压强度的影响

配加石灰石和氧化镁粉调节球团中CaO和MgO含量，考查不同三元碱度R3（CaO+MgO/SiO2）对高硅氧化球团抗压强度的影响，试验结果如图3，图4所示。从图中可知，在相同MgO含量下，随着氧化球团三元碱度R3的提高，预热球强度有所下降，焙烧球强度逐渐增加。三元碱度R3为1.47（对应二元碱度R2为1.2，MgO含量为1.5%）时，焙烧球强度达到最大为3561 N/P。CaO含量的提高有利于MgO进入液相中，镁铁尖晶石含量逐渐减少，减弱了其对赤铁矿晶粒连接的不利影响，并且液相均匀地分布在赤铁矿晶粒中有利于液相固结，适当提高球团三元碱度有利于提高球团矿抗压强度。

2.2 碱度、MgO含量对高硅氧化球团还原度的影响

2.2.1 二元碱度对高硅氧化球团还原度的影响

不同二元碱度R2（CaO/SiO2）对高硅氧化球团还原度的影响试验结果如图5所示。从图中可以看出，提高二元碱度R2，成品球团还原度有较大提高，二元碱度R2从自然碱度0.029提高至1.2时，球团还原度从63.56%升至81.43%。这是由于随着二元碱度R2的增加，成品球中产生了适量的液相，能够促进Fe3+的迁移，赤铁矿结晶较完整，并且石灰石的分解能够使球团孔隙率提高，相较于酸性球团，还原气体向球团内部的扩散更容易，成品球内外都可以得到较好的还原，因此，提高二元碱度R2能够提高球团的还原度。

2.2.2 MgO含量对高硅氧化球团还原度的影响

不同MgO含量对高硅氧化球团还原度及孔隙率的影响试验结果如图6所示。从图中可知，提高MgO含量，球团还原度也得到较大提高，球团中MgO含量从0.5%提高至2.5%时，球团还原度从63.56%升至75.12%，呈现逐渐上升的趋势。随着MgO含量的增加，成品球的孔隙率逐渐增加，并且MgO可以进入渣相和浮氏体中，提高渣相和浮氏体的熔点，使其在还原过程中不易发生熔化，球团孔隙不被熔融物充填而在还原过程中保持较高孔隙率，这有利于还原气体向球团内部扩散，因此，提高MgO含量能够提高球团的还原度。

2.2.3 三元碱度对高硅氧化球团还原度的影响

不同三元碱度R3对高硅氧化球团还原度的影响试验结果如图7所示。从图中可知，自然三元碱度R3（0.07）时球团的还原度较低，仅有63.56%，相同MgO含量时，随着三元碱度R3的提高，球团还原度逐渐提高。CaO及MgO共同作用时具有协同作用，共同作用时成品球团的还原度比单独作用时的高，三元碱度为1.66（对应二元碱度R2为1.2，MgO含量为2.5%）时，球团强度达到82.25%。但当三元碱度R3达到1.27（对应二元碱度R2为1.0，MgO含量为1.5%）以后，球团还原度增长幅度不大。

CaO和MgO共同作用时成品球团的还原度比CaO或MgO单独作用时的都要高，球团同时具有单独提高CaO及MgO含量的优良特性，CaO使Fe2O3晶体尺寸变小，使其更易被还原，CaO和MgO都能使球团保持较高孔隙率有利于气体扩散，并且MgO可以进入渣相和浮氏体中，提高渣相和浮氏体的熔点，使其在还原过程中不易发生熔化，球团孔隙不被熔融物充填而在还原过程中保持较高孔隙率，这有利于还原气体向球团内部扩散。因此，同时提高CaO和MgO含量能够显著提高成品球团的还原度。

2.3 碱度、MgO含量对高硅氧化球团还原膨胀性能的影响

2.3.1 二元碱度对高硅氧化球团还原膨胀性能的影响

不同二元碱度R2（CaO/SiO2）对高硅氧化球团还原膨胀性能的影响试验结果如图8所示。从图中可以看出，自然碱度R2的球团还原膨胀率最高，达到21.29%。二元碱度在0.3到1.2之间时，球团还原膨胀率呈现先升高后降低的趋势，在二元碱度0.6时达到12.04%，之后随着二元碱度的增加继续降低至2.12%。这是因为当二元碱度为0.6时，球团中出现了流动性和可塑性较好的低熔点液相，会恶化还原膨胀性能，当二元碱度继续升高时，球团中会出现高熔点液相，产生足够的连接强度防止还原膨胀。

2.3.2 MgO含量对高硅氧化球团还原膨胀性能的影响

不同MgO含量对高硅氧化球团还原膨胀性能的影响试验结果如图9所示。由图中可知，随着MgO含量的增加，还原膨胀率逐渐降低，当MgO含量达到2.5%时，还原膨胀率降低至8.17%，说明提高MgO含量有利于降低还原膨胀率。添加到球团矿中的MgO绝大多数分布于铁相中，减少了Fe2O3还原引起的晶形转变时的体积变化，并且MgO可提高液相熔点，高熔点液相在还原过程中，不易发生熔化，能产生足够的连接强度防止膨胀，提高还原膨胀性能。因此，提高MgO含量有利于降低还原膨胀率。

2.3.3 三元碱度对高硅氧化球团还原膨胀性能的影响

不同三元碱度R3对高硅氧化球团还原膨胀性能的影响试验结果如图10所示。从图中可以看出，自然碱度R3时球团的还原膨胀率高，达到21.29%，相同MgO含量下，随着三元碱度R3的提高，球团还原膨胀率逐渐降低。CaO及MgO共同作用时具有协同作用，共同作用时成品球团的还原膨胀率比单独作用时的低，当三元碱度R3达到1.66（对应二元碱度R2为1.2，MgO含量为2.5%）时，球团还原膨胀率降低到0.72%，但当三元碱度R3达到1.07（对应二元碱度R2为0.8，MgO含量为1.5%）以后，球团还原膨胀率变化幅度不大。

CaO和MgO共同作用时，球团同时具有单独提高CaO及MgO含量的优良特性，MgO可以减少了Fe2O3还原引起的晶形转变时的体积变化，并且MgO和CaO可提高液相熔点，产生足够的连接强度防止膨胀。因此，同时添加CaO和MgO有利于降低还原膨胀率。

3 结 论

（1）MgO含量增加不利于高硅氧化球团的抗压强度，加入CaO后，焙烧球强度增大。主要原因是镁质熔剂易生成镁橄榄石等高熔点物相，不利于结晶，而钙质熔剂的加入可降低体系液相生成温度，从而降低焙烧温度。

（2）三元碱度R3为 1.47（对应二元碱度R2为1.2，MgO含量为1.5%）时，高硅氧化球团还原度提高至83.23%，CaO及MgO交互作用时球团的还原度比单独作用时的高。

（3）提高MgO含量有利于降低还原膨胀率，提高二元碱度还原膨胀率先增加后降低，二元碱度R2为0.6时还原膨胀达到最大值。同时添加CaO和MgO还原膨胀率显著降低，但三元碱度R3达到1.07（对应二元碱度R2为0.8，MgO含量为1.5%）以后，球团还原膨胀率变化幅度不大。