李曉波 1 ，李孟土 1 ，易陸杰 2 ，謝云江 2
( 1． 寶鋼湛江鋼鐵有限公司 制造管理部，廣東 湛江 524072; 2． 寶鋼湛江鋼鐵有限公司 煉鐵廠，廣東 湛江 524072)
摘 要: 湛江球團經(jīng)過長期的探索，逐步掌握了鏈箅機 － 回轉(zhuǎn)窯工藝生產(chǎn)熔劑性球團礦的典型配礦結(jié)構(gòu)。首先，為了控制石灰石的配入量，防止生球在預熱段被石灰石分解產(chǎn)生的 CO2 破壞及避開球團礦產(chǎn)生惡性還原膨脹的堿度區(qū)間，適宜的堿度為 0． 7 ±0． 1。在上述堿度條件下，通過調(diào)整配礦結(jié)構(gòu)，控制混合礦中 SiO2 的含量為2． 8% ～3． 3%，石灰石的加入量為4． 1% ～4． 8%，可確保球團礦在焙燒過程中產(chǎn)生適宜的液相量，從而在較低的焙燒溫度下獲得抗壓強度大于2 500 N/P 的優(yōu)質(zhì)球團礦，也可避免焙燒后的球團在環(huán)冷機均熱過程中產(chǎn)生相互粘結(jié)，造成環(huán)冷機結(jié)塊、堵料而停機。
關(guān)鍵詞: 鏈箅機 － 回轉(zhuǎn)窯；熔劑性球團礦；石灰石；堿度；配礦結(jié)構(gòu)
1 前 言
由于歷史原因，我國高堿度燒結(jié)礦生產(chǎn)規(guī)模大，形成了高堿度燒結(jié)礦加酸性球團礦的典型爐料結(jié)構(gòu)。在高爐渣系基本固定的情況下，提高球團礦堿度的空間有限，致使我國熔劑性球團生產(chǎn)工藝的發(fā)展明顯落后于其他國家［1］。熔劑性球團礦是指在配料過程中添加含有 CaO 的礦物生產(chǎn)的球團礦［2］。熔劑性球團礦一方面可以帶入有利于造渣的 CaO 熔劑，可減少燒結(jié)礦用量，減輕鋼鐵廠的環(huán)保壓力; 另一方面熔劑性球團礦鐵品位較高，冶金性能優(yōu)異，可降低高爐冶煉的綜合成本。湛江球團生產(chǎn)線設(shè)計為鏈箅機 － 回轉(zhuǎn)窯氧化球團工藝，具備年產(chǎn) 500 萬 t 熔劑性球團礦的能力，設(shè)計采用 100%進口巴西南部硬質(zhì)赤鐵精礦粉，SiO2 含量約為 2. 6%。但由于質(zhì)量、價格等因素的影響，設(shè)計礦種并未長期使用，湛江球團進入 “吃百家礦”的狀態(tài)，球團配礦成為影響生產(chǎn)穩(wěn)定順行的重要因素。經(jīng)過多年的生產(chǎn)實踐，湛江球團現(xiàn)已基本掌握了熔劑性球團礦的生產(chǎn)技術(shù)。本文重點分析了湛江熔劑性球團礦生產(chǎn)線中的配礦結(jié)構(gòu)情況，以供同行借鑒與參考。
2 典型熔劑性球團礦生產(chǎn)工藝及其配礦特點
目前，全球范圍內(nèi)使用鏈箅機 － 回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)熔劑性球團礦的廠家及配礦特點詳見表 1。
智利Huasco 球團廠始建于1977 年，設(shè)計能力為350 萬 t/a，其原料為100%磁鐵礦， －325 目占85%以上，比表面為1 600 ～1 900 cm2 /g，鐵品位高達68%，原料條件優(yōu)異，成品球團礦 SiO2 含量僅為2.0%，CaO 含量為 2.1%，堿度達 1.05。該廠使用生石灰 +石灰石的方式調(diào)節(jié)球團礦堿度［3］。
巴西米納斯 ～ 吉拉斯州 VSB 鋼鐵廠配套有年產(chǎn)量為136 萬 t 的球團廠，采用鏈箅機 － 回轉(zhuǎn)窯工藝，原料為全赤鐵礦精粉，生產(chǎn)堿度為0. 7 ～1. 0 的熔劑性球團礦。其主要工藝特點為使用一臺直徑為 5. 5 m，長度為 11 m 的球磨機將含鐵原料、熔劑及內(nèi)配燃料磨到比表面積為2 100 cm2 /g，以確保造球效果，成品球團礦抗壓強度可達 3 000 N/p 以上［4］。
日本神戶球團廠，始建于 1966 年，采用鏈箅機 －回轉(zhuǎn)窯工藝，生產(chǎn)堿度為 1. 0 左右的自熔性球團。其屬于臨海型球團廠，原料條件多變，從100%磁鐵礦到 100% 赤鐵礦均可適應。神戶球團廠還開發(fā)了褐鐵礦球團生產(chǎn)技術(shù)，代表了鏈箅機 － 回轉(zhuǎn)窯工藝生產(chǎn)熔劑性球團礦的頂尖水平。神戶球團廠已實現(xiàn)技術(shù)輸出，在全世界建立了十多條鏈箅機 －回轉(zhuǎn)窯球團生產(chǎn)線，包括智利的 Huasco 球團廠最初也是由神戶設(shè)計和建造的［5］。
3 湛江球團生產(chǎn)線工藝特點
湛江球團采用鏈箅機 － 回轉(zhuǎn)窯工藝，工藝流程如圖 1 所示。其主要特點如下:
( 1) 原料預處理手段齊全，可確保生球質(zhì)量穩(wěn)定。其主要采取的措施有: ①具有磨礦處理系統(tǒng)，配置四臺5 030 mm ×11 000 mm 溢流型球磨機，可對粗粒礦石進行預處理; ②配備精礦干燥系統(tǒng)，可保證原料水分穩(wěn)定; ③具有高壓輥磨機，可增加礦石顆粒的比表面積，從而改善其成球性; ④配置有強力混合機，可將粘結(jié)劑、熔劑等小比例的添加劑與鐵精粉充分混勻; ⑤使用圓盤造球機，生球粒度均勻，抗壓強度高。
( 2) 氧化焙燒調(diào)節(jié)方式多，可確保成品球團礦質(zhì)量達標。其主要采取的措施有: ①鏈篦機預熱段設(shè)有側(cè)燒嘴補熱，可增加預熱球強度，減少入窯粉末量; ②回轉(zhuǎn)窯長度達 52 m，可保證預熱球團在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的停留時間達 25 ～ 35min; ③環(huán)冷機有效冷卻面積達 248 m 2 ，總設(shè)計冷卻時間為 38 min，可確保焙燒球團在環(huán)冷機內(nèi)有足夠的均熱時間，有利于促進晶鍵連接的發(fā)育和液相緩慢結(jié)晶，從而增加球團礦強度。
4 湛江熔劑性球團礦配礦探索
4. 1 礦種類型的選擇
湛江球團設(shè)計使用的礦種類型為巴西南部硬質(zhì)赤鐵礦，通過內(nèi)配無煙煤，作為球團預熱過程中的熱量補充，以確保預熱球強度，進行全赤鐵礦氧化球團生產(chǎn)。但由于質(zhì)量、市場供應等因素的影響，設(shè)計礦種并未長期使用，因此探索適宜配礦結(jié)構(gòu)已成為湛江球團的燃眉之急。
4. 1. 1 赤鐵礦與磁鐵礦的比例
赤鐵礦與磁鐵礦搭配是較為典型的配礦方案。表 2 為湛江球團主要使用的鐵精粉化學成分，表 3 為湛江鋼鐵在長期的生產(chǎn)過程中使用過的磁鐵礦比例由低到高的配礦方案 ( 生產(chǎn)期間鏈篦機溫度梯度及負壓基本不變，回轉(zhuǎn)窯焙燒溫度穩(wěn)定在 1 240 ～1 260 ℃，均未內(nèi)配碳) 。由表 3 可知: ①隨著磁鐵礦比例的增加，球團礦全鐵品位也逐漸升高，這主要是因為湛江球團所用的磁鐵礦，鐵品位高達 68% ～ 69%，雜質(zhì)含量低，提高其比例，有助于球團礦鐵品位提升; ②隨著磁鐵礦比例提高，球團礦還原膨脹指數(shù)由 22%升高至 35%，這主要是由于磁鐵礦中堿金屬 ( K2O + Na2O) 含量較高，在高溫作用下，K+、Na+以置換或填隙的形式進入鐵氧化物的晶格，引起晶格畸變，導致球團礦膨脹指數(shù)增加; ③前三個配礦方案的抗壓強度均大于 2 500 N/P 的標準，而第四個方案抗壓強度為 2 300 N/P，其原因可能是磁鐵礦配入比例較高，氧化不充分，球團礦內(nèi)部產(chǎn)生同心裂紋，導致球團礦強度降低。
4. 1. 2 赤鐵礦中硬質(zhì)赤鐵礦與軟質(zhì)赤鐵礦的搭配
在適宜的磁鐵礦配比條件下，單一的赤鐵礦品種亦難以滿足湛江球團的使用需求。在此，引入 “硬質(zhì)赤鐵礦”與 “軟質(zhì)赤鐵礦”的定義。在生產(chǎn)中，一般把結(jié)構(gòu)致密，較為難磨的鏡鐵礦視為硬質(zhì)赤鐵礦，其 Al2O3 含量較低，過濾性能好，但靜態(tài)成球性指數(shù)較差; 軟質(zhì)赤鐵礦為易磨礦物，其 Al2O3 含量較高，靜態(tài)成球性能優(yōu)異 ( 兩類赤鐵礦的理化性能、微觀形貌分別見表 4 與圖 2) 。因此，硬質(zhì)與軟質(zhì)赤鐵礦的搭配使用，可揚長避短，同時滿足良好的過濾性能和造球性能的要求。湛江球團的生產(chǎn)實踐中，硬質(zhì)赤鐵礦與軟質(zhì)赤鐵礦的比例一般保持在 1∶1。
4. 2 化學成分設(shè)計
4. 2. 1 堿度范圍
湛江球團可生產(chǎn) R = 0. 0 ～ 0. 7 堿度的球團礦。主要生產(chǎn)實績?nèi)绫?5 所示?？梢?，湛江球團雖然設(shè)計為熔劑性球團礦生產(chǎn)線，但同樣可以生產(chǎn)堿度小于 0. 1 的酸性球團礦，且質(zhì)量指標優(yōu)異。R = 0. 4 ～ 0. 6 的球團處于異常膨脹的區(qū)間，在此堿度范圍下，SiO2 、CaO、Fe2O3 生產(chǎn)玻璃質(zhì)渣相，還原過程中，產(chǎn)生鈣橄欖石及鐵橄欖石混合晶體，其熔點約 1 117 ℃，脈石的機械 強 度 處 于 最 小 值，膨 脹 指 數(shù) 臨 界 值20% ［2］，對高爐生產(chǎn)順行造成巨大隱患，因此生產(chǎn)過程中應該避免生產(chǎn)該堿度范圍的球團礦。
此外，Al2O3 在焙燒過程中通過固態(tài)反應可形成CaO·Al2O3 ·Fe2O3 、4 CaO·Al2O3 ·Fe2O3 等化合物，但其速率非常低，一般對于球團礦膨脹指數(shù)及抗壓強度沒有影響［6，7］。本研究中，Al2O3 的變化范圍在 0. 7% ～ 1. 3% 之間，幅度較小，可不考慮其含量波動對于球團礦質(zhì)量的影響。綜上所述，R = 0. 7 ± 0. 1 是目前湛江球團長期生產(chǎn)的堿度范圍。
4. 2. 2 CaO 含量
湛江球團工藝中鈣源來自石灰石，隨著堿度的提高，石灰石配入量同步增加，按照石灰石的 CaO 含量為 54. 5% 測算，當球團礦中的SiO2 含量為 2. 8% ～3. 3% 時，為保證堿度達到0. 7，需加入 4. 1% ～4. 8%的石灰石。在常壓條件下，CaCO3 的開始分解溫度為 530 ℃，分解溫度為 898 ℃ ［8］。因此，在鏈篦機的預熱一段到預熱二段及回轉(zhuǎn)窯中均可能存在石灰石的分解，分解過程中產(chǎn)生的 CO2 氣體在從球團內(nèi)部釋放至球團表面的過程中，造成預熱球的強度降低，進入回轉(zhuǎn)窯后在窯尾低溫區(qū)預熱球相互摩擦易產(chǎn)生粉末，增加環(huán)冷機板結(jié)的風險，同時風流系統(tǒng)中的粉末量增加，加劇了回熱風機的磨損。因此，熔劑性球團礦生產(chǎn)過程中需嚴格控 制 石 灰 石 熔 劑 的 加 入 量，一 般 不 超過 4. 8%。
4. 2. 3 SiO2 含量
當確定球團礦的堿度為 0. 7 ± 0. 1，最大石灰石配入量不超過 4. 8% 以后，球團配礦中SiO2 含量需控制在 2. 8% ～3. 3%。從目前球團精粉的市場供應來看，低硅精粉缺乏，一般鐵精礦混合后 SiO2 約為 3. 0%，則球團中 CaO 含量為 2. 4%。在此配礦體系下，產(chǎn)生的液相主要為 鐵 酸 鈣 體 系，如 CaO · Fe2O3 、CaO ·2Fe2O3 及 CaO·Fe2O3 - CaO·2Fe2O3 共混物，他們的熔點均較低，分別為 1 216 ℃、1 226 ℃和 1 205 ℃ ［2］。在焙燒過程中產(chǎn)生的液相，有利于球團固結(jié)，提高成品球團強度。另外，可形成低熔點物質(zhì)的還有 FeO·SiO 2 和鈣鐵橄欖石體系 ( CaOx·FeO2 － x·SiO2 ) ，但成品球團礦中 FeO 含量通常小于 0. 5%，說明焙燒過程中產(chǎn)生的該種液相數(shù)量較少。此外，當焙燒溫度超過 1 250 ℃時，鐵酸鹽發(fā)生分解反應: CaO·Fe2O3 + SiO2 → CaSiO3 + Fe2O3 ，反應中 Fe2O3再結(jié)晶析出，鐵酸鹽消失，出現(xiàn)玻璃體硅酸鹽。
成品球團礦在焙燒過程中產(chǎn)生的液相量為 10%左右。因此，環(huán)冷機板結(jié)的主要原因是落入環(huán)冷機的成品球團中粉末量過多，填充在被燒球團之間的縫隙，降低了料層透氣性，導致冷卻速度減慢，均熱時間延長，粉末顆粒之間產(chǎn)生重結(jié)晶。同時，CaO 熔劑的加入，易形成低熔點物質(zhì)，從而產(chǎn)生液相，加劇了環(huán)冷機的板結(jié)。
綜上所述，熔劑性球團配礦結(jié)構(gòu)中堿度、石灰石熔劑的添加量、鐵礦石的 SiO2 含量三者之間相互影響: 石灰石熔劑的添加量，受制于球團礦總液相量、石灰石在預熱過程中分解對于預熱球團強度的破壞情況，最高配入量為 4. 8%。因此，需要控制鐵精礦粉的 SiO2 含量為2. 8% ～3. 3%。
5 結(jié) 論
( 1) 湛江球團以鏈箅機 － 回轉(zhuǎn)窯工藝生產(chǎn)熔劑性球團礦，配礦結(jié)構(gòu)中適宜的磁鐵礦比例為 20% ～25%。
( 2) 軟質(zhì)赤鐵礦與硬質(zhì)赤鐵礦搭配使用，可使混合鐵精礦同時滿足良好的過濾性能和造球性能的要求。
( 3) 熔劑性球團礦的堿度、石灰石熔劑的添加量、鐵礦石的 SiO2 含量三者之間相互影響。適宜的堿度范圍為 0. 7 ± 0. 1，石灰石配比為 4. 1% ～4. 8%，鐵精礦粉的 SiO2 含量需控制在 2. 8% ～3. 3%。
參考文獻
［1］ 姜濤． 燒結(jié)球團生產(chǎn)技術(shù)手冊［M］． 北京: 冶金工業(yè)出版社，2014．
［2］ 傅菊英，朱德慶． 鐵礦氧化球團基本原理、工藝及設(shè)備［M］． 長沙: 中南大學出版社，2005．
［3］ 黃鈕． 智利太平洋礦業(yè)公司的鐵礦石生產(chǎn)概況［J］． 國外選礦快報，1995( 19) : 6 －8．
［4］ 張衛(wèi)華． 巴西某公司鏈箅機 － 回轉(zhuǎn)窯全赤鐵礦熔劑性球團礦技術(shù)研究與應用［J］． 燒結(jié)球團． 2015，40( 1) : 23－26．
［5］ Yamaguchi S． ，F(xiàn)ujii T． ，YamamotoN． ，et al． Kobelco pelletizing process，Kobelco Technology Review［J］． 2010，( 20) : 68 －79．
［6］ 王振陽，刑相棟，張建良，等． 氧化鋁對球團礦抗壓強度的影響及其機理分析［C］/ /第九屆中國鋼鐵年會論文集，北京: 中國金屬學會，2013: 6 －11．
［7］ 鄒明金． 添加劑對球團礦膨脹行為的影響［J］． 武鋼技術(shù)，1996，34( 4) : 3 －8．
［8］ 黃希祜． 鋼鐵冶金原理［M］． 北京: 冶金工業(yè)出版社，2002．