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鉻鐵精礦球團燒結工藝及固結機理研究

時間:2019-06-19 11:32來源:中南大學資源加工與生物 作者:朱德慶 徐夢杰 點擊:
  • 摘  要  對鉻鐵精礦進行球團燒結法造塊,研究了膨潤土用量和鉻鐵精礦比表面積對其生球性能的影響,以及干燥溫度、焦粉添加量及添加方式、混合料水分、燒結負壓和料層高度對燒結指標的影響,并對成品燒結礦性能進行了檢測。結果表明:球磨預處理鉻鐵精礦到其比表面積達到1700cm2/g后,可獲得落下強度為5次/0.5m、抗壓強度為11N/個、爆裂溫度為480℃的合格生球。在最優工藝下,鉻鐵精礦球團燒結的各項指標為燒結礦轉鼓強度89.33%,成品率95.53%,利用系數3.01 t/m2?h,固體燃耗79.19kg/t;成品燒結礦是由固相固結及液相粘結共同決定的;還原膨脹和還原粉化指標優良,900℃下還原度較低。燒結礦品位為45.89% Cr2O3,?(Cr2O3)/ ?(FeO)為3.61,是生產高鉻鐵合金的優質原料。

    關鍵詞  球團燒結  鉻鐵礦  粒度組成  冶金性能


    Study on pellet sintering process of chromite concentrate and its consolidation mechanism

    ZHU De-qing  XU Meng-jie  PAN Jian  WANG Ying-yu  TIAN Hong-yu

    (School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha, 410083, China)


    Abstract  Pellet sintering of finely ground chromite concentrate was conducted and the product was assessed. The results show that the qualified green balls, which achieve drop number of 5 times/0.5m, compressive strength of 11 N per pellet and thermal shock temperature of 480℃, could be pelletized by finely-ground chromite concentrate owning 1700 cm2/g specific surface area. Under the optimum conditions, tumble index of 89.33%, yield of 95.33%, productivity of 3.01 t/m2?h, and solid fuel consumption of 79.19 kg/t are achieved. The bonding mechanism of products depend on both solid bonding phase and liquid bonding phase. The pellets are in good performance of Reducibility Index (RI) and Reducibility Swelling Index (RSI), but the Reducibility Disintegration Index (RDI) at 900℃ is relatively low. The product of pellet sintering of chromite concentrate, in which the Cr2O3 contents is 45.89% and the ?(Cr2O3)/ ?(FeO) is 3.61, could be used to produce high-chromium ferroalloy.

    Key words  pellet sintering; chromite concentrate; size distribution; metallurgical properties

    鉻鐵合金主要作為合金添加劑用于生產不銹鋼,隨著我國不銹鋼產量的持續、高速增長,其主要冶煉原料鉻鐵礦的需求量逐年攀升,然而我國鉻資源儲量低,對外依存度高,鉻鐵礦進口量大[1-3]。目前世界范圍內,鉻鐵礦塊礦供應不足,而粉礦供應量相對充足,且品位高、價格低廉。但是,冶煉過程中粉礦過多會導致爐料透氣性變差,從而惡化爐況[4]。將鉻鐵礦粉造塊后用于冶煉,是降低鉻鐵合金生產成本、提高我國不銹鋼產業競爭力的有效手段。

    目前,鉻鐵礦粉造塊方法主要有壓團法、球團法和燒結法[5-6]。壓團法設備簡單,生產成本低,對原料適應性強,但是團塊強度低、技術指標差[7];球團法造塊產品強度高,但是對鉻鐵礦粉粒度要求較為嚴格,比表面積要求高于1700cm2/g,磨礦耗能高,設備投資大[8-9];與其它造塊方法相比,燒結法具有產品強度高、透氣性好、還原性能優良等優點,能夠有效降低冶煉電耗,但是其燃耗較高,而且鉻鐵精礦粒度很細,用于燒結時制粒效果差,燒結過程透氣性差[10-12]。在鉻鐵礦造塊時,若能將球團法與燒結法結合起來,充分利用球團粒度均勻、透氣性優良的優點,將大幅度提高鉻鐵礦燒結礦產量和降低能耗,而且能充分利用我國現有設備,為鉻鐵礦造塊提供一種新工藝,為電爐冶煉提供優質爐料[13-14]。

    1  原料性能及研究方法

    1.1  原料性能

        試驗所用原料為鉻鐵礦、膨潤土和焦粉各一種。

    1.1.1  鉻鐵礦

    試驗所用鉻鐵礦為某進口鉻鐵精礦,其主要化學成分見表1。由表可見,該鉻鐵精礦Cr2O3含量較高,為47.10%,MgO/Al2O3質量比僅為0.69,雜質元素P、S含量較低。

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    鉻鐵精礦粒度組成見表2。由表可見,鉻鐵精礦粒度較粗,比表面積僅為390cm2/g,-200目(-0.074mm)粒級僅占22.28%,不能直接用于造球。因此,需要對其進行細磨處理,提高其比表面積,以使其能夠用于造球。細磨后,鉻鐵精礦比表面積達到1700 cm2/g,-200目(-0.074mm)粒級質量分數為96.77%。

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    1.1.2  膨潤土

    膨潤土是國內外球團礦生產常用粘結劑。試驗所用膨潤土的化學成分及物理性能分別見表3和表4。由表可見,膨潤土雜質含量少,物化性能優良,是一種優良的粘結劑。

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    1.1.3  焦粉

    試驗用焦粉的工業分析及其灰分的化學成分見表5。由表可見,焦粉固定碳質量分數較低,僅占76.0%,而灰分含量較高,為19.7%,灰分中S、P含量較低。

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    1.2  研究方法

    球團燒結工藝試驗流程圖見圖1。試驗流程包括原料預處理、配料、混合、造球、外滾焦粉、布料、干燥、點火、燒結、冷卻、落下、篩分及成品檢測。

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    對鉻鐵精礦采用濕式球磨機預處理,以提高其比表面積及成球性。球磨機規格為Φ460 mm×620 mm,鋼球質量及粒度組成可調,填充率為15%~18%(體積分數)。濕式球磨礦漿質量分數為75%,每批次磨礦裝入45 kg鉻鐵精礦。

    造球試驗:在圓盤造球機中進行造球,造球機參數為直徑1000mm、邊高150mm、傾角47°、轉速28r/min,測定生球水分、落下強度、抗壓強度以及爆裂溫度。

    球團燒結試驗:將生球置于轉速為15/min的圓筒混合機內滾動1.5min,使其外裹焦粉。在直徑為165mm的燒結杯中放入1kg粒度為15~25mm的鋪底料,然后采用人工布料方式將外裹焦粉的生球裝入燒結杯中。布料后進行干燥、點火和燒結,達到燒結終點后冷卻5min后卸料,燒結礦經單輥破碎機破碎后進行落下、分級,對成品燒結礦取樣后進行物理性能和其它指標的檢測。

    2  結果與討論

    2.1  造球試驗

    2.1.1  膨潤土用量對生球質量的影響

    膨潤土添加量對未細磨鉻鐵精礦生球性能的影響見圖2。隨膨潤土用量增加,生球落下強度稍有提高,生球抗壓強度幾乎沒有變化。雖然生球爆裂溫度指標優良,均高于600℃,但生球抗壓強度只有4N/個左右,遠遠達不到工業生產相關要求,主要原因在于鉻鐵精礦沒有經過細磨預處理,其粒度很粗,比表面積僅為390cm2/g。

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    2.1.2  鉻鐵精礦比表面積對生球質量的影響

    鉻鐵精礦比表面積對生球性能的影響見圖3。通過濕式球磨提高鉻鐵精礦比表面積,隨著鉻鐵礦比表面積增加,生球落下強度增加,抗壓強度顯著提高,而爆裂溫度有所下降。細磨預處理不僅改善了鉻鐵精礦的粒度組成(見表2)和比表面積,同時改善了鉻鐵精礦顆粒微觀形貌(如圖4所示)。細磨前鉻鐵精礦顆粒表面光滑,細磨后其表面較為粗糙,且大顆粒上粘附有較多小顆粒,顆粒間相互作用得到增強,從而提高了生球強度。比表面積為1700 cm2/g時,生球的抗壓強度達到11N/個,生球落下強度也達到5次/0.5m,爆裂溫度為480℃,能夠滿足工業生產需求,因此,需要將鉻鐵精礦細磨預處理到比表面積1700 cm2/g以上。

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    2.2  球團燒結工藝參數優化

    2.2.1  干燥溫度對球團燒結指標的影響

    燒結點火溫度一般為1100±50℃,遠高于生球爆裂溫度,因此,相對于常規燒結過程,球團燒結工藝通常需要設置干燥工序,以防止點火時點火溫度高造成生球大量破裂,影響燒結料層透氣性,降低燒結礦產質量[15]。

    干燥溫度對細磨鉻鐵精礦球團燒結工藝指標的影響如表6所示。由表可見,隨著干燥溫度升高,燒結礦成品率和轉鼓強度在低于300℃時上升,高于350℃時明顯下降。這是由于低溫干燥或不干燥時,表層生球干燥效果不好,在點火時導致表層生球爆裂,使燒結料層透氣下降,故垂直燒結速度較慢,最終影響燒結礦產量和強度;干燥溫度太高時,有一部分球團干燥時爆裂,同樣也影響燒結礦產量和強度。干燥溫度為300-350℃時,燒結的產質量指標比較高,因此干燥溫度應控制在此區間內。

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    *工藝條件:焦粉用量7%(內配比例30%),燒結混合料水分質量分數9.5%,干燥負壓4kPa,干燥時間3min,點火溫度1100℃,點火負壓5 kPa,點火時間1.5min,燒結負壓8 kPa,料層高度600mm。

    2.2.2  焦粉添加量及添加方式對球團燒結指標的影響

    焦粉用量對燒結指標的影響見表7。由表可見,隨著焦粉配比的升高,燒結礦成品率和強度隨之升高,但焦粉配比高于7%時,燒結礦強度和產量反而下降。這是由于焦粉低于7%時,料層未能得到足夠的熱量,導致燒結礦強度降低;焦粉較高(>7%)時,一方面燃燒帶寬度加大,最高溫度下降,另一方面燒結速度過快,保溫時間太短,因此燒結礦產量及強度下降。適宜的焦粉配比為7%時,燒結礦產量2.42t/m2?h,轉鼓強度85.24%,固體能耗為79.98 kg/t。

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    *工藝條件:內配焦粉比例30%,燒結混合料水分質量分數9.5%,干燥溫度300℃,干燥負壓4kPa,干燥時間3min,點火溫度1100℃,點火負壓5 kPa,點火時間1.5min,燒結負壓8 kPa,料層高度600mm。

    在球團燒結過程中,配加的焦粉有造球時加入球團原料內(即內配)和造球后外裹在生球表面兩種方式,其添加方式對鉻鐵精礦球團燒結性能的影響如表8所示。焦粉添加方式對其燃燒效率會產生較大影響,當焦粉全部外配時,焦粉與空氣充分接觸,焦粉在短時間內燃燒充分,燃燒前沿速度過快,料層中高溫保持時間短,影響燒結礦產質量。焦粉內配過多時,焦粉與氧氣不能充分接觸,燃燒前沿速度緩慢,導致高溫帶變寬,最高溫度下降,同樣影響燒結礦產質量。只有內外分加比例適合,傳熱前沿與燃燒前沿速度匹配,才能使燒結礦的產質量都比較高。由表8可見,適宜的焦粉添加方式為內配30%-45%,對應的燒結礦強度和產量最高,燒結礦產量2.42-3.56t/m2?h,轉鼓強度82.55-85.24%,固體燃耗為78.73-79.98 kg/t。綜合表7和表8結果,適宜的焦粉添加量為7%,內外配加之比為3:7。

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    *工藝條件:焦粉用量7%,燒結混合料水分質量分數9.5%,干燥溫度300℃,干燥負壓4kPa,干燥時間3min,點火溫度1100℃,點火負壓5 kPa,點火時間1.5min,燒結負壓8 kPa,料層高度600mm。

    2.2.3  混合料水分對球團燒結指標的影響

    混合料水分對燒結指標的影響見表9。當混合料中水分含量在9%~9.5%時,隨著水分的增加,燒結礦成品率和轉鼓強度均呈上升趨勢。主要原因是水分較低時,制粒效果差,透氣性差,導致傳熱速度慢,高溫帶變寬,最高溫度降低。隨著燒結混合料水分增加,制粒效果改善,燒結速度加快,燒結礦利用系數增加,轉鼓強度升高,固體能耗下降。但當水分過高(>9.5%)時,燒結礦成品率和轉鼓強度都降低。

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    *工藝條件:焦粉用量7%(內配比例30%),干燥溫度300℃,干燥負壓4kPa,干燥時間3min,點火溫度1100℃,點火負壓5 kPa,點火時間1.5min,燒結負壓8 kPa,料層高度600mm。

    在綜合比較各項指標的基礎上,確定混合料水分為9.5%,此時燒結礦的轉鼓強度最高,為85.24%,成品率為94.76%,利用系數為2.42 t/m2?h。

    2.2.4  燒結負壓對球團燒結指標的影響

    燒結負壓對鉻鐵精礦球團燒結性能的影響如表10所示。隨著燒結負壓增大,通過料層的風量加大,垂直燒結速度變快,在適宜范圍內,增加負壓能提高燒結礦產量。但當負壓過高時,高溫保持時間短,表層冷卻快,此外料層中細粒焦粉在高負壓下向下遷移,導致料層熱量分布更加不合理,從而惡化燒結礦質量。由表可見,適宜的燒結負壓為8kPa,有較高的利用系數和燒結礦強度,固體燃耗較低。

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    *工藝條件:焦粉用量7%(內配比例30%),燒結混合料水分質量分數9.5%,干燥溫度300℃,干燥負壓4kPa,干燥時間3min,點火溫度1100℃,點火負壓5 kPa,點火時間1.5min,料層高度600mm。

    2.2.5  料層高度對球團燒結指標的影響

    燒結料層高度對燒結指標的影響見表11。一般而言,料層高度增加,由于蓄熱作用,燒結礦的產量和質量都會得到改善,固體燃耗降低。但料層過高,料層下部過濕加劇,熱態透氣性變差,表現在垂直燒結速度下降,燃料燃燒不充分,燒結料層中溫度下降,從而導致產量和強度下降。由表可見,適宜的料層高度為650mm,燒結礦產量3.01t/m2?h,轉鼓強度89.33%,固體燃耗為79.19 kg/t。

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    *工藝條件:焦粉用量7%(內配比例30%),燒結混合料水分質量分數9.5%,干燥溫度300℃,干燥負壓4kPa,干燥時間3min,點火溫度1100℃,點火負壓5 kPa,點火時間1.5min,燒結負壓8 kPa。

    綜上所述,適宜的鉻鐵精礦球團燒結工藝參數為:焦粉用量7%(內配30%)、膨潤土1.5%,返礦外配5.5 %,燒結混合料水分9.5%,干燥溫度300-350℃、干燥負壓4kPa、干燥時間3min,點火溫度1100±50℃、點火負壓5 kPa、點火時間1.5min、燒結負壓8 kPa,料層高度650mm。

    2.3  成品燒結礦性能評價

    2.3.1  化學成分與粒度組成

    成品燒結礦化學成分和粒度組成分別見表12和表13。由表12可見,成品燒結礦品位為48.59% Cr2O3,?(Cr2O3)/ ?(FeO)為3.61,可用于生產高鉻鐵合金。由表13所見,成品球團燒結礦中10mm—16mm占總重85.81%,5mm—10mm占總重10.48%,說明其成品主要以單個球團形式存在,少量球團產生了破損。

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    2.3.2  微觀結構

    通過光學顯微鏡和掃描電鏡測定成品燒結礦礦物組成,詳見表14。燒結礦主要礦物組成有鐵鉻尖晶石為主的鉻尖晶石(FeCr2O4),三氧化二鉻(Cr2O3),硅酸鹽多成分液相,鈦鐵礦(FeTiO3),鎂鐵尖晶(Mg,Fe)(AlFe)O4及玻璃質等。其中液相量(硅酸鹽液相與玻璃質)占28.81%,含量較高,有利于提高燒結礦強度。由此可見,鉻鐵精礦球團燒結工藝所得產品是由固相固結與液相固結共同決定的,是介于燒結礦與球團礦之間的一種產品。

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    在燒結料層的中上部,燒結礦大多數為單顆粒的球團,但在燒結料層中下部,有一些球團相互粘結在一起形成葡萄狀。對葡萄狀燒結礦顯微鏡下觀察,其中鐵鉻尖晶石結晶良好,晶粒粗大互連成整體(見圖5)。對這些晶粒進行點掃描時發現大部分晶粒中都夾雜著少量的Mg、Al元素(見圖6)。在鐵鉻尖晶石的間隙中充填著大量的硅酸鹽液相,將鐵鉻尖晶石緊緊膠結在一起(見圖7),維持這種球團燒結礦的機械強度。該液相化學成分示于圖8。

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    在球團燒結料層中上部,由于燒結溫度低,燒結礦大多數呈單顆粒球團狀,球團中液相量比下部葡萄狀燒結礦少得多,主要以固相固結為主,淺白色的三氧化鉻結晶明顯(見圖9),呈線條狀或細粒狀,分布在孔洞周圍較多[16]。燒結礦細小孔洞較多,一般孔徑為0.11~0.13mm,配碳量越多,孔隙率越大,對還原性有利,但對強度不利。

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    2.3.3  冶金性能

    鉻鐵精礦球團燒結成品礦的冶金性能如表15所示,冶金性能檢測方法參考鐵礦石球團冶金性能國家標準。由表可見,成品球團的還原度僅為35.40%,表明球團礦中只有部分鐵氧化物發生了還原,而含鉻氧化物在900℃的低溫還原條件下很難還原[17-18]。球團還原膨脹和還原粉化指標優良,還原膨脹率僅為5.17%,還原粉化率RDI+3.15為94.90%,還原過程具有較好的強度。

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    3  結論

    (1)鉻鐵精礦粒度粗,比表面積僅為390cm2/g,不能直接用于造球,必須進行細磨預處理,使其比表面積達到1700 cm2/g。細磨后的鉻鐵精礦在膨潤土配比1.5%、生球水分9.0%、造球時間12min條件下,所的生球落下強度為5次/0.5m,抗壓強度為11N/個,爆裂溫度為480℃。

    (2)在焦粉用量7%(內配30%)、膨潤土1.5%,返礦外配5.5 %,燒結混合料水分9.5%,干燥溫度300-350℃、干燥負壓4kPa、干燥時間3min,點火溫度1100±50℃、點火負壓5 kPa、點火時間1.5min、燒結負壓8 kPa,料層高度650mm的條件下對鉻鐵精礦進行球團燒結,獲得燒結礦轉鼓強度89.33%、成品率95.53%、利用系數3.01 t/m2?h、固體燃耗79.19kg/t的優良指標。

    (3)鉻鐵精礦球團燒結法產品品位為45.89% Cr2O3,?(Cr2O3)/ ?(FeO)為3.61,可用于生產高鉻鐵合金。900℃溫度時還原度為35.40%,還原膨脹率僅為5.17%,還原粉化率RDI+3.15mm高達94.90%,因此,鉻鐵精礦的球團燒結礦是一種生產高鉻鐵合金的優質爐料。

    4  參考文獻

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