田 浩a ，李 玲b ，黃 森a ，春鐵軍a
( 安徽工業(yè)大學(xué) a. 冶金工程學(xué)院; b. 能源與環(huán)境學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032)
摘要: 隨著鐵礦資源的不斷劣化，燒結(jié)返礦率逐漸上升，影響燒結(jié)礦成品率，進(jìn)而增加燒結(jié)工藝的生產(chǎn)成本。過剩燒結(jié)返礦的利用是燒結(jié)行業(yè)面臨的共同難題。本文采用返礦冷固結(jié)壓塊使其達(dá)到入爐要求，為燒結(jié)返礦的利用提供新途徑。本文借助粗糙度因子( CF) 來反映物料中粗顆粒的相對含量，通過計(jì)算設(shè)計(jì) 7 組不同粒度組成的燒結(jié)返礦進(jìn)行冷固結(jié)壓塊試驗(yàn)，檢測生團(tuán)塊的落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度以及成品團(tuán)塊的抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)，研究不同粒度組成對燒結(jié)返礦冷固結(jié)性能的影響。結(jié)果表明，粗糙度因子對冷壓團(tuán)塊質(zhì)量有顯著的影響，當(dāng)粗糙度因子為 40時的燒結(jié)返礦具有最佳冷固結(jié)性能，其生團(tuán)塊落下強(qiáng)度為 28 次/( 0. 5 m) ，抗壓強(qiáng)度為 72 N/P，成品團(tuán)塊抗壓強(qiáng)度為 2 500 N/P。SEM 結(jié)果表明，粗糙度因子為 40 的冷固結(jié)團(tuán)塊具有致密的結(jié)構(gòu)和較低的孔隙率。
關(guān)鍵詞: 燒結(jié)返礦; 冷固結(jié); 粗糙度因子; 落下強(qiáng)度; 抗壓強(qiáng)度
鐵礦燒結(jié)工序碳排放量約占整個鋼鐵流程碳排放總量的 15% ，是鋼鐵生產(chǎn)過程碳排放量的第二大工序( 僅次于高爐) ［1－2］。每生產(chǎn) 1 t 鋼，燒結(jié)工序的二氧化碳排放量約 250 kg。燒結(jié)返礦是經(jīng)過整粒工序篩分后得到的粒度小于 5 mm 的燒結(jié)礦，其一般返回?zé)Y(jié)配料處理，在燒結(jié)工序循環(huán)使用［3－4］。燒結(jié)返礦對混合料的混勻制粒具有重要作用，在混勻過程中充當(dāng)制粒球核的作用，促進(jìn)細(xì)粒級的礦粉黏附，有利于改善燒結(jié)料層的透氣性，合理的燒結(jié)返礦占比為 20% ～ 30%［5］。但隨著鐵礦資源的逐漸惡化，燒結(jié)礦質(zhì)量有所降低，返礦率逐漸提高，目前部分燒結(jié)廠的返礦配比高達(dá) 35% ～ 40% ，其較合理的返礦配比高出 10 ～ 20 個百分點(diǎn)［6］。高返礦率會造成燒結(jié)成品率降低，成本及碳排放量增加，過剩燒結(jié)返礦的有效利用已成為鋼鐵行業(yè)迫切需要解決的關(guān)鍵共性難題［7］。
目前，國內(nèi)大部分鋼鐵企業(yè)對燒結(jié)返礦的處理與利用主要有兩方面: 一是從燒結(jié)工序本身出發(fā)研究如何降低燒結(jié)返礦率; 二是將過剩燒結(jié)返礦應(yīng)用于其它工藝或領(lǐng)域。李紅等［8］研究采用提高燒結(jié)礦 FeO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、強(qiáng)化制粒、調(diào)整燒結(jié)點(diǎn)火溫度等措施降低燒結(jié)返礦率，一系列措施實(shí)施后燒結(jié)返礦率平均下降 5. 9% ，但需要對現(xiàn)有工藝或設(shè)備進(jìn)行改動，運(yùn)行成本有所提高。雷浩洪［9］研究了在高鐵水比冶煉條件下，用燒結(jié)返礦作轉(zhuǎn)爐煉鋼的冷卻劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在每噸廢鋼加 2 t 燒結(jié)返礦，其冷卻效果優(yōu)于石灰石，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)返礦的高效利用。王皎月等［10］分析了燒結(jié)返礦作為煉鋼的主要原料替代廢鋼加入轉(zhuǎn)爐的優(yōu)越性，包括燒結(jié)返礦的熱效應(yīng)和組分能夠滿足熱量平衡的基本功能，但由于燒結(jié)礦鐵品位較低，同時 SiO2 和CaO 等成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，導(dǎo)致煉鋼過程渣量增加，同時燒結(jié)礦中 S 和 P 等有害元素也會影響鋼水質(zhì)量［11 － 12］。燒結(jié)返礦與成品燒結(jié)礦相比，其化學(xué)成分一致，但其粒徑過小不能直接作為高爐入爐料，如果將其冷壓造塊使其粒徑和強(qiáng)度滿足高爐入爐爐料的要求，則可以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)返礦的有效利用［13］。彭亮等［14］對鉛鋅礦充填料的粒度組成進(jìn)行分析，結(jié)果表明: 為保證合理級配， ＜ 1 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于 35% ，10 ～ 20 mm 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過 10% ，可以達(dá)到較好的膠結(jié)充填。甘德清等［15］研究尾砂粒度組成對充填體強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明: 利用水泥包裹使適量的細(xì)粒級尾砂填充大顆粒之間的空隙，可以促進(jìn)顆粒間膠結(jié)，提高試塊強(qiáng)度。
燒結(jié)返礦粒度組成對冷固結(jié)團(tuán)塊性能有明顯的影響，本文主要采用不同粒級的燒結(jié)返礦相互搭配，開展冷固結(jié)試驗(yàn)，研究不同粒度組成對燒結(jié)返礦冷固結(jié)性能的影響規(guī)律，為燒結(jié)返礦的利用提供技術(shù)支撐。
1 試驗(yàn)原料與方法
1. 1 試驗(yàn)原料
試驗(yàn)所用原料主要包括燒結(jié)返礦和復(fù)合黏結(jié)劑。復(fù)合黏結(jié)劑主要由 40% 的膨潤土、30% 的聚乙烯醇( PVA) 和 30% 的標(biāo)準(zhǔn) 325 水泥組成。試驗(yàn)所用原料燒結(jié)返礦、膨潤土和水泥的化學(xué)成分如表 1 所示。由表 1 可知，燒結(jié)返礦化學(xué)成分與成品燒結(jié)礦一致; 325 水泥中堿金屬含量較高，且SO3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2. 6% 。燒結(jié)返礦的粒度組成中，＜ 1 mm 粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 15%，［1，3) mm 粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 35%，［3，5) mm 粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 50% 。
1. 2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)包括燒結(jié)返礦冷固結(jié)團(tuán)塊制備及強(qiáng)度檢測和顯微形貌分析。返礦冷壓團(tuán)塊制備的主要工藝流程如圖 1 所示，主要包括配料、混勻、加水?dāng)嚢?、冷壓成塊和干燥等步驟。每 組 實(shí) 驗(yàn) 采 用LP—C30002型電子天平稱取 2 kg 燒結(jié)返礦，另配加 4% ( 80 g) 復(fù)合黏結(jié)劑經(jīng) SYH—15 型混料機(jī)混合均勻，再加入 100 g( 控制水分 5% ) 水經(jīng) B10 型攪拌機(jī)攪拌 5 min，采用 TDXM—360 型對輥壓球機(jī)在輥壓 20 MPa、主軸轉(zhuǎn)速 8 r/min 的條件下壓制成尺寸為 18 mm × 22 mm × 32 mm 的橢球形團(tuán)塊。得到的生團(tuán)塊在 101—2AB 型電熱鼓風(fēng)干燥箱中于 105 ℃下干燥 12 h 至恒重，得到成品團(tuán)塊。
生團(tuán)塊落下強(qiáng)度的檢測方法是將生團(tuán)塊 在0. 5 m高度處自由落下到厚度為 6 mm 的鋼板上，記錄破碎時的落下次數(shù)。每組測量 10 個團(tuán)塊取其平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，生團(tuán)塊落下強(qiáng)度單位為次/( 0. 5 m) 。生團(tuán)塊抗壓強(qiáng)度的檢測方法是將生團(tuán)塊在 YHKC-2A 型顆粒強(qiáng)度測定儀上測量，記錄其破裂時的抗壓強(qiáng)度值，每組取 10 個團(tuán)塊進(jìn)行測量，取其平均值作為最終結(jié)果，生團(tuán)塊抗壓強(qiáng)度單位為 N/P。成品團(tuán)塊抗壓強(qiáng)度的檢測方法參照《鐵礦球團(tuán)抗壓強(qiáng)度測定方法》( GB /T 14201— 93) 在 WDW—QT—10 全自動鐵礦球團(tuán)抗壓機(jī)上測量其抗壓強(qiáng)度，成品團(tuán)塊抗壓強(qiáng)度單位為 N/P。
采用 JSM—6510 型電子顯微鏡對成品團(tuán)塊樣品進(jìn)行觀察，分析其顯微形貌。粗糙度因子( coarseness factor，CF) 反映了物料中粗顆粒的相對含量，其計(jì)算式如下。
式中: ρCF為粗糙度因子; Q 為骨料在 3 mm 篩上的累計(jì)篩余百分比，% ; Ｒ 為骨料在 1 mm 篩上的累計(jì)篩余百分比，% 。
一般 ρCF 的取值范圍為 0 ～ 100，當(dāng)其為 100時，燒結(jié)返礦的級配缺少［1，3) mm 的顆粒，整體粒 徑 偏 粗; 當(dāng) ρCF 為 0 時，燒結(jié)返礦中沒有［1，3) mm的顆粒，整體粒徑偏細(xì)。
試驗(yàn)中，采用電子天平分別稱取各粒級的燒結(jié)返礦進(jìn)行混勻，依據(jù)各粒級返礦所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同，分為 7 組實(shí)驗(yàn)，依據(jù)式( 1) 計(jì)算得出各組實(shí)驗(yàn)的粗糙度因子，ρCF值分別為 0、30、40、50、60、80 和 100，對應(yīng)關(guān)系如表 2 所示。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2. 1 單一粒度對燒結(jié)返礦團(tuán)塊強(qiáng)度的影響
為研究不同單一粒度返礦對冷固結(jié)團(tuán)塊強(qiáng)度的影響，對三種不同粒度組成［＜ 1 mm，［1，3) mm和 ［3，5) mm］的燒結(jié)返礦分別進(jìn)行冷固結(jié)試驗(yàn)，結(jié)果如表 3 所示。
由表 3 可知，隨著燒結(jié)返礦的粒度提高，生團(tuán)塊和成品團(tuán)塊的性能逐漸降低。采用 ＜ 1 mm 燒結(jié)返礦進(jìn)行冷固結(jié)試驗(yàn)可得到較好的強(qiáng)度，其生團(tuán)塊落下強(qiáng)度達(dá) 30 次/( 0. 5 m) 、生團(tuán)塊抗壓強(qiáng)度達(dá) 78 N/P、成品團(tuán)塊抗壓強(qiáng)度達(dá) 1 800 N/P，這表明［1，3) mm 燒結(jié)返礦對于冷固結(jié)團(tuán)塊強(qiáng)度起著重要作用。當(dāng)采用［1，3) mm 和［3，5) mm 燒結(jié)返礦進(jìn)行冷固結(jié)試驗(yàn)時，生團(tuán)塊強(qiáng)度明顯下降，生團(tuán)塊落下強(qiáng)度分別為 8 次/( 0. 5 m) 和 5 次/( 0. 5 m) ; 抗壓強(qiáng)度分別為 22 N/P 和 18 N/P，成品團(tuán)塊強(qiáng)度呈平緩下降趨勢，抗壓強(qiáng)度分別為 1 400 N/P 和1 200 N/P，主要是因?yàn)槔涔探Y(jié)試驗(yàn)中細(xì)粒級物料可保證冷固結(jié)團(tuán)塊具有更致密的結(jié)構(gòu)和較小的孔隙率，因而隨著物料粒度的增大，強(qiáng)度逐漸下降。
由于燒結(jié)返礦粒級范圍主要集中在［3，5) mm，因此需要調(diào)整燒結(jié)返礦的粒度組成，研究不同粒度匹配對冷固結(jié)團(tuán)塊性能的影響。
2. 2 不同粒度組成對燒結(jié)返礦團(tuán)塊強(qiáng)度的影響
不同粒度組成對應(yīng)不同粗糙度因子( 表 2) ，粗糙度因子對燒結(jié)返礦冷固結(jié)團(tuán)塊性能的影響如圖 2所示。由圖 2( a) 可知，粗糙度因子為 0 ～ 40 時，生團(tuán)塊和成品團(tuán)塊的強(qiáng)度隨著粗糙度因子的增加而逐漸提高，當(dāng)粗糙度因子超過 40 時，生團(tuán)塊和成品團(tuán)塊的強(qiáng)度隨粗糙度因子的增加而逐漸降低。由圖2( b) 可知，當(dāng)粗糙度因子從 0 增加至 40 時，生團(tuán)塊的落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別由8 次/( 0. 5 m) 和21 N/P升至 28 次/( 0. 5 m) 和72 N/P，成品團(tuán)塊的抗壓強(qiáng)度由 1 400 N/P 升至2 500 N/P，此階段冷固結(jié)團(tuán)塊各項(xiàng)性能的升高趨勢顯著，這說明適量增加物料中粗顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，有利于提高冷固結(jié)團(tuán)塊的各項(xiàng)性能。當(dāng)粗糙度因子從 40 增加至 60時，生團(tuán)塊的落下強(qiáng)度和抗壓 強(qiáng)度分別由28 次/( 0. 5 m) 和 72 N/P 降 至 7 次/( 0. 5 m) 和31 N/P，成品團(tuán)塊抗壓強(qiáng)度由 2 500 N/P 降 至1 562 N/P，此階段冷固結(jié)團(tuán)塊的各項(xiàng)性能呈顯著下降趨勢，這表明冷固結(jié)試驗(yàn)中存在粗糙度因子臨界值，當(dāng)超過該臨界值時，冷固結(jié)團(tuán)塊的各項(xiàng)性能會惡化。分析原因認(rèn)為，隨著粗糙度因子的增大，其孔隙率逐漸增大，內(nèi)部黏結(jié)劑的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞。當(dāng)粗糙度因子從 60 增加至 100 時，生團(tuán)塊的落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別從 7 次/( 0. 5 m) 和 31 N/P 降至 5 次/( 0. 5 m) 和 21 N/P，成品團(tuán)塊抗壓強(qiáng)度由 1 562 N/P 降至1 248 N/P，此階段冷固結(jié)團(tuán)塊各項(xiàng)性能呈平緩下降趨勢。
由以上分析可知，隨著粗糙度因子的增加，生團(tuán)塊和成品團(tuán)塊的強(qiáng)度變化趨勢一致，且在粗糙度因子為 40 時，各項(xiàng)性能均達(dá)最佳。當(dāng)粗糙度因子由 0 增加至 40 時，物料中的粗顆粒起到骨架支撐和黏附細(xì)顆粒的作用，使冷固結(jié)團(tuán)塊內(nèi)部緊密接觸，故此階段強(qiáng)度逐漸升高。當(dāng)粗糙度因子由 40 增加至 60 時，物料中粗顆粒含量繼續(xù)升高，導(dǎo)致冷固結(jié)團(tuán)塊內(nèi)部孔隙率增大，結(jié)構(gòu)松散，此階段強(qiáng)度急劇惡化。當(dāng)粗糙度因子由 60 繼續(xù)增加 至 100，冷固結(jié)團(tuán)塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化不明顯，此階段強(qiáng)度下降趨勢平緩。綜上，試驗(yàn)中控制物料的粗糙度因子為 40 以保證較好的冷固結(jié)性能。
參照建筑行業(yè)對混凝土進(jìn)行骨料的級配優(yōu)化可知，合理的骨料級配可得到較小的孔隙率和穩(wěn)定的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，從而最大限度發(fā)揮骨料的骨架與穩(wěn)定作用［16］。同理，合理的返礦級配可提高其冷固結(jié)團(tuán)塊的性能。最大密度曲線理論作為常用的級配理論，被應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其核心是以不同粒度組成混合達(dá)到最大密度的效果。最大密度曲線是以大量實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)提出的一種理論曲線，經(jīng)大量學(xué)者研究和改進(jìn)［17］，得到級配曲線如圖 3 所示，表達(dá)式如式( 2) 所示。
式中: Pi 為各粒級的通過率，% ; di 為各顆粒粒徑，mm; D 為最大顆粒粒徑，mm，一般取 5 mm。
依據(jù)級配曲線表達(dá)式，將燒結(jié)返礦各顆粒粒徑，即 1 mm 和 3 mm 代入級配曲線表達(dá)式，計(jì)算得到返礦最佳級配 ＜1 mm 粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 48. 5%、［1，3) mm 粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 31%、［3，5) mm 粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 20. 5% ，代入式( 1) 計(jì)算該級配的粗糙度因子為 40。綜上所述，由試驗(yàn)結(jié)果和最大密度曲線理論解釋發(fā)現(xiàn)，采用燒結(jié)返礦進(jìn)行冷固結(jié)造球試驗(yàn)時，其最佳粒度組成 ＜ 1 mm 為 48. 5% 、 ［1，3) mm 為 31%、［3，5) mm 為 20. 5% ，其對應(yīng)的粗糙度因子為 40。
2. 3 燒結(jié)返礦冷固結(jié)團(tuán)塊的顯微形貌分析
選取最具有代表性的試樣進(jìn)行掃描電鏡( SEM) 分析，觀察冷固結(jié)團(tuán)塊內(nèi)部的顯微形貌，結(jié)果如圖 4 所示。
由圖 4 ( a) 可知，冷固結(jié)團(tuán)塊內(nèi)部顆粒間隙小，有利于黏結(jié)劑填充，使顆粒間連接致密，孔隙率降低。但該條件下冷固結(jié)團(tuán)塊強(qiáng)度主要依靠黏結(jié)劑的黏結(jié)力保證，顆粒之間無法互相填充和鑲嵌，當(dāng)黏結(jié)劑不足或失效時，會導(dǎo)致其強(qiáng)度性能急劇下降。由圖 4( b) 可知，冷固結(jié)團(tuán)塊內(nèi)部顆粒間隙增大，出現(xiàn)少量孔洞，黏結(jié)劑無法完全填充其內(nèi)部間隙，導(dǎo)致孔隙率增大，影響冷固結(jié)團(tuán)塊性能。由圖 4( c) 可知，冷固結(jié)團(tuán)塊內(nèi)部黏結(jié)劑分布不均勻、顆粒間隙繼續(xù)增大，且有部分大顆粒被 壓 碎，在其內(nèi)部產(chǎn)生新的裂縫和孔洞。由圖 4( d) 可知，冷固結(jié)團(tuán)塊內(nèi)部出現(xiàn)少量大顆粒與小顆粒相互鑲嵌的結(jié)構(gòu)，但整體以大顆粒居多，且部分大顆粒被壓潰產(chǎn)生新的裂縫和孔洞，導(dǎo)致小顆粒和黏結(jié)劑無法填充這些裂縫和孔洞，故該組返礦級配不能保證冷固結(jié)團(tuán)塊具有最佳性能。由圖 4( e) 可知，冷固結(jié)團(tuán)塊內(nèi)部整體呈大顆粒與小顆粒相互填充和鑲嵌的結(jié)構(gòu)，大顆粒在內(nèi)部起到骨架支撐作用，小顆粒和黏結(jié)劑填充在大顆粒之間，使冷固結(jié)團(tuán)塊結(jié)構(gòu)致密，孔隙率降低，從而該組返礦級配可保證其具有最佳性能。
( d) ＜ 1 mm、［1，3) mm、［3，5) mm 粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 15% 、35% 、50% ; ( e) ＜ 1 mm、［1，3) mm、［3，5) mm 粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 48. 5% 、31% 、20. 5%
3 結(jié) 論
( 1) 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著返礦粒度逐漸增大，冷固結(jié)團(tuán)塊的內(nèi)部間隙增大，團(tuán)塊各項(xiàng)性能惡化。
( 2) 采用不同粒度組成( 粗糙度因子) 返礦冷固結(jié)造球試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著粗糙度因子的增大，團(tuán)塊大顆粒含量逐漸提高，間隙增大。團(tuán)塊內(nèi)部細(xì)粒級顆粒依靠黏結(jié)劑填充在大顆粒間隙中，以此保證團(tuán)塊強(qiáng)度。當(dāng)粗糙度因子為 40 時，冷固結(jié)團(tuán)塊具有最佳性能。
( 3) 由試驗(yàn)結(jié)果和最大密度曲線理論可知，燒結(jié)返礦冷固結(jié)最佳粗糙度因子為 40，SEM 結(jié)果表明，冷固結(jié)團(tuán)塊內(nèi)部的裂縫和孔洞越少，顆粒間互相鑲嵌、互相填充，結(jié)構(gòu)致密。
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