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(tuán)經(jīng)過長期的探索，逐步掌握了鏈箅機(jī) － 回轉(zhuǎn)窯工藝生產(chǎn)熔劑性球團(tuán)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(yù)熱段被石灰石分解產(chǎn)生的 CO₂ 破壞及避開球團(tuán)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(tuán)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(qiáng)度大于2 500 N/P 的優(yōu)質(zhì)球團(tuán)礦，也可避免焙燒后的球團(tuán)在環(huán)冷機(jī)均熱過程中產(chǎn)生相互粘結(jié)，造成環(huán)冷機(jī)結(jié)塊、堵料而停機(jī)。

關(guān)鍵詞: 鏈箅機(jī) － 回轉(zhuǎn)窯；熔劑性球團(tuán)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(tuán)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(tuán)礦堿度的空間有限，致使我國熔劑性球團(tuán)生產(chǎn)工藝的發(fā)展明顯落后于其他國家^［1］。熔劑性球團(tuán)礦是指在配料過程中添加含有 CaO 的礦物生產(chǎn)的球團(tuán)礦^［2］。熔劑性球團(tuán)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(tuán)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(tuán)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)為鏈箅機(jī) － 回轉(zhuǎn)窯氧化球團(tuán)工藝，具備年產(chǎn) 500 萬 t 熔劑性球團(tuán)礦的能力，設(shè)計(jì)采用 100%進(jìn)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(jià)格等因素的影響，設(shè)計(jì)礦種并未長期使用，湛江球團(tuán)進(jìn)入 “吃百家礦”的狀態(tài)，球團(tuán)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(shí)踐，湛江球團(tuán)現(xiàn)已基本掌握了熔劑性球團(tuán)礦的生產(chǎn)技術(shù)。本文重點(diǎn)分析了湛江熔劑性球團(tuán)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(tuán)礦生產(chǎn)工藝及其配礦特點(diǎn)

目前，全球范圍內(nèi)使用鏈箅機(jī) － 回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)熔劑性球團(tuán)礦的廠家及配礦特點(diǎn)詳見表 1。

智利Huasco 球團(tuán)廠始建于1977 年，設(shè)計(jì)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(dá)68%，原料條件優(yōu)異，成品球團(tuán)礦 SiO₂ 含量僅為2.0%，CaO 含量為 2.1%，堿度達(dá) 1.05。該廠使用生石灰 +石灰石的方式調(diào)節(jié)球團(tuán)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(tuán)廠，采用鏈箅機(jī) － 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(tuán)礦。其主要工藝特點(diǎn)為使用一臺(tái)直徑為 5. 5 m，長度為 11 m 的球磨機(jī)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(tuán)礦抗壓強(qiáng)度可達(dá) 3 000 N/p 以上^［4］。

日本神戶球團(tuán)廠，始建于 1966 年，采用鏈箅機(jī) －回轉(zhuǎn)窯工藝，生產(chǎn)堿度為 1. 0 左右的自熔性球團(tuán)。其屬于臨海型球團(tuán)廠，原料條件多變，從100%磁鐵礦到 100% 赤鐵礦均可適應(yīng)。神戶球團(tuán)廠還開發(fā)了褐鐵礦球團(tuán)生產(chǎn)技術(shù)，代表了鏈箅機(jī) － 回轉(zhuǎn)窯工藝生產(chǎn)熔劑性球團(tuán)礦的頂尖水平。神戶球團(tuán)廠已實(shí)現(xiàn)技術(shù)輸出，在全世界建立了十多條鏈箅機(jī) －回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)線，包括智利的 Huasco 球團(tuán)廠最初也是由神戶設(shè)計(jì)和建造的^［5］。

3 湛江球團(tuán)生產(chǎn)線工藝特點(diǎn)

湛江球團(tuán)采用鏈箅機(jī) － 回轉(zhuǎn)窯工藝，工藝流程如圖 1 所示。其主要特點(diǎn)如下:

( 1) 原料預(yù)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(tái)5 030 mm ×11 000 mm 溢流型球磨機(jī)，可對(duì)粗粒礦石進(jìn)行預(yù)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(jī)，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(qiáng)力混合機(jī)，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(jī)，生球粒度均勻，抗壓強(qiáng)度高。

( 2) 氧化焙燒調(diào)節(jié)方式多，可確保成品球團(tuán)礦質(zhì)量達(dá)標(biāo)。其主要采取的措施有: ①鏈篦機(jī)預(yù)熱段設(shè)有側(cè)燒嘴補(bǔ)熱，可增加預(yù)熱球強(qiáng)度，減少入窯粉末量; ②回轉(zhuǎn)窯長度達(dá) 52 m，可保證預(yù)熱球團(tuán)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的停留時(shí)間達(dá) 25 ～ 35min; ③環(huán)冷機(jī)有效冷卻面積達(dá) 248 m 2 ，總設(shè)計(jì)冷卻時(shí)間為 38 min，可確保焙燒球團(tuán)在環(huán)冷機(jī)內(nèi)有足夠的均熱時(shí)間，有利于促進(jìn)晶鍵連接的發(fā)育和液相緩慢結(jié)晶，從而增加球團(tuán)礦強(qiáng)度。

4 湛江熔劑性球團(tuán)礦配礦探索

4. 1 礦種類型的選擇

湛江球團(tuán)設(shè)計(jì)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(tuán)預(yù)熱過程中的熱量補(bǔ)充，以確保預(yù)熱球強(qiáng)度，進(jìn)行全赤鐵礦氧化球團(tuán)生產(chǎn)。但由于質(zhì)量、市場供應(yīng)等因素的影響，設(shè)計(jì)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(tuán)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(tuán)主要使用的鐵精粉化學(xué)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(jī)溫度梯度及負(fù)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(tuán)礦全鐵品位也逐漸升高，這主要是因?yàn)檎拷驁F(tuán)所用的磁鐵礦，鐵品位高達(dá) 68% ～ 69%，雜質(zhì)含量低，提高其比例，有助于球團(tuán)礦鐵品位提升; ②隨著磁鐵礦比例提高，球團(tuán)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(jìn)入鐵氧化物的晶格，引起晶格畸變，導(dǎo)致球團(tuán)礦膨脹指數(shù)增加; ③前三個(gè)配礦方案的抗壓強(qiáng)度均大于 2 500 N/P 的標(biāo)準(zhǔn)，而第四個(gè)方案抗壓強(qiáng)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(tuán)礦內(nèi)部產(chǎn)生同心裂紋，導(dǎo)致球團(tuán)礦強(qiáng)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(tuán)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(yáng)長避短，同時(shí)滿足良好的過濾性能和造球性能的要求。湛江球團(tuán)的生產(chǎn)實(shí)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(xué)成分設(shè)計(jì)

4. 2. 1 堿度范圍

湛江球團(tuán)可生產(chǎn) R = 0. 0 ～ 0. 7 堿度的球團(tuán)礦。主要生產(chǎn)實(shí)績?nèi)绫?5 所示?？梢姡拷驁F(tuán)雖然設(shè)計(jì)為熔劑性球團(tuán)礦生產(chǎn)線，但同樣可以生產(chǎn)堿度小于 0. 1 的酸性球團(tuán)礦，且質(zhì)量指標(biāo)優(yōu)異。R = 0. 4 ～ 0. 6 的球團(tuán)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(diǎn)約 1 117 ℃，脈石的機(jī)械 強(qiáng) 度 處 于 最 小 值，膨 脹 指 數(shù) 臨 界 值20% ^［2］，對(duì)高爐生產(chǎn)順行造成巨大隱患，因此生產(chǎn)過程中應(yīng)該避免生產(chǎn)該堿度范圍的球團(tuán)礦。

此外，Al₂O₃ 在焙燒過程中通過固態(tài)反應(yīng)可形成CaO·Al₂O₃ ·Fe₂O₃ 、4 CaO·Al₂O₃ ·Fe₂O₃ 等化合物，但其速率非常低，一般對(duì)于球團(tuán)礦膨脹指數(shù)及抗壓強(qiáng)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(dòng)對(duì)于球團(tuán)礦質(zhì)量的影響。綜上所述，R = 0. 7 ± 0. 1 是目前湛江球團(tuán)長期生產(chǎn)的堿度范圍。

4. 2. 2 CaO 含量

湛江球團(tuán)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(dāng)球團(tuán)礦中的SiO₂ 含量為 2. 8% ～3. 3% 時(shí)，為保證堿度達(dá)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(jī)的預(yù)熱一段到預(yù)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(tuán)內(nèi)部釋放至球團(tuán)表面的過程中，造成預(yù)熱球的強(qiáng)度降低，進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯后在窯尾低溫區(qū)預(yù)熱球相互摩擦易產(chǎn)生粉末，增加環(huán)冷機(jī)板結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)風(fēng)流系統(tǒng)中的粉末量增加，加劇了回?zé)犸L(fēng)機(jī)的磨損。因此，熔劑性球團(tuán)礦生產(chǎn)過程中需嚴(yán)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(dāng)確定球團(tuán)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(tuán)配礦中SiO₂ 含量需控制在 2. 8% ～3. 3%。從目前球團(tuán)精粉的市場供應(yīng)來看，低硅精粉缺乏，一般鐵精礦混合后 SiO₂ 約為 3. 0%，則球團(tuán)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(diǎn)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(tuán)固結(jié)，提高成品球團(tuán)強(qiáng)度。另外，可形成低熔點(diǎn)物質(zhì)的還有 FeO·SiO 2 和鈣鐵橄欖石體系 ( CaO_x·FeO₂ － x·SiO₂ ) ，但成品球團(tuán)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(dāng)焙燒溫度超過 1 250 ℃時(shí)，鐵酸鹽發(fā)生分解反應(yīng): CaO·Fe₂O₃ + SiO₂ → CaSiO₃ + Fe₂O₃ ，反應(yīng)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(tuán)礦在焙燒過程中產(chǎn)生的液相量為 10%左右。因此，環(huán)冷機(jī)板結(jié)的主要原因是落入環(huán)冷機(jī)的成品球團(tuán)中粉末量過多，填充在被燒球團(tuán)之間的縫隙，降低了料層透氣性，導(dǎo)致冷卻速度減慢，均熱時(shí)間延長，粉末顆粒之間產(chǎn)生重結(jié)晶。同時(shí)，CaO 熔劑的加入，易形成低熔點(diǎn)物質(zhì)，從而產(chǎn)生液相，加劇了環(huán)冷機(jī)的板結(jié)。

綜上所述，熔劑性球團(tuán)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(tuán)礦總液相量、石灰石在預(yù)熱過程中分解對(duì)于預(yù)熱球團(tuán)強(qiáng)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(tuán)以鏈箅機(jī) － 回轉(zhuǎn)窯工藝生產(chǎn)熔劑性球團(tuán)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(shí)滿足良好的過濾性能和造球性能的要求。

( 3) 熔劑性球團(tuán)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%。

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