1、第40卷第4期中南大學學報(自然科學版 V ol.40No.4 2009年8月Journal of Central South University (Science and Technology Aug. 2009焙燒氣氛對內配碳赤鐵礦球團焙燒行為的影響姜濤,何國強,李曉芹,唐兆坤, 李光輝(中南大學資源加工與生物工程學院,湖南長沙,410083摘要:模擬氧化球團生產工藝,研究焙燒氣氛對內配碳赤鐵礦氧化球團強度的影響,并結合礦相顯微結構和FeO 含量的變化規律分析,揭示內配碳赤鐵礦球團在不同氧含量下的焙燒行為和固結規律。研究結果表明:內配碳赤鐵礦氧化球團在接近空氣配比(氧含量約20%,體積分

2、數的氧化性氣氛中焙燒強度最大,氧含量過高或過低都會影響Fe2O3的再結晶,使球團強度降低;在氧化性氣氛中焙燒含碳赤鐵礦球團時,原生赤鐵礦先還原為磁鐵礦,磁鐵礦再氧化成活性較高的次生赤鐵礦,提高了赤鐵礦焙燒固結性能和球團強度。關鍵詞:赤鐵礦;內配碳;氧化球團;焙燒中圖分類號:TF4 文獻標識碼:A 文章編號:16727207(200904085106Effects of atmosphere on roasting behaviors ofcarbon-burdened hematite pelletsJIANG Tao, HE Guo-qiang, LI Xiao-qin, TANG Zhao

3、-kun, LI Guang-hui(School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, ChinaAbstract: By simulating pelletizing process in lab, the effects of atmosphere on the strength of pellet prepared with hematite concentrate with carbon-burdened were studied, and the r

4、oasting behaviors and induration mechanisms under different oxygen partial pressures were revealed by analyzing mineralogical microstructure and FeO content. The results show that the perfect strength can be obtained under oxygen partial pressure about 20% O2, overhigh or low oxygen partial pressure

5、 is unfavorable for recrystallization of Fe2O3, which causes a decrease of pellet strength. The original hematite will be transformed into magnetite on reduction firstly when carbon-burdened hematite pellet is roasted in oxidizing atmosphere, and then the magnetite will be oxidized to secondary hema

6、tite, which is more active than original hematite, therefore, the induration strength of pellet is able to be enhanced.Key words: hematite; carbon-burdened; oxidized pellet; roasting酸性氧化球團礦是優質的高爐煉鐵爐料。我國以前生產氧化球團的原料主要為磁鐵精礦,但是,隨著鋼鐵工業的快速發展,我國磁鐵礦資源正面臨日益短缺的局面,遠遠滿足不了球團生產的需求,采用進口赤鐵精礦生產球團礦將成為一種趨勢14。進口赤鐵礦如巴西赤

7、鐵礦,資源豐富,含鐵品位高,SiO2等脈石含量低,且粒度較低,是生產球團礦的好原料。然而,赤鐵礦球團固結溫度較高(1 3001 350 ,焙燒區間范圍窄,能量消耗高5,解決赤鐵礦球團的焙燒問題勢在必行。目前,國內球團廠主要通過配加磁鐵精礦來解決,并且取得了一定的效果,但并未解決原料緊缺的問題68。因此,必須尋求另一種更有效的措施。早在20世紀70年代,國外在球團混合料中添加固體燃料,發現球團礦原料中添加0.8%0.9%固體燃料,收稿日期:20090115;修回日期:20090409基金項目:國家杰出青年科學基金資助項目(50725416通信作者:李光輝(1972,男,湖南益陽人,博士,副教授,

8、從事鐵礦燒結球團、復雜礦產資源加工研究;電話:0731-*;E-mail: liguangh中南大學學報(自然科學版 第40卷852可以代替燃油34%35%,總燃耗降低11.9%l8.7%,同時,提高球團礦的成品率和生產率,改善球團礦的質量和冶金性能910。我國在過去近20年內,對含碳球團也開展了一些研究,但其主要目的是制備非高爐煉鐵的還原球團,而對高爐煉鐵用內配碳氧化球團研究較少。隨著現代高爐煉鐵的發展,內配碳球團礦的生產受到了廣泛重視1119。目前,國外內配碳球團礦主要應用于帶式焙燒機工藝,而國內球團工業的發展均以鏈篦機回轉窯工藝為主。針對鏈篦機回轉窯生產工藝,研究以赤鐵礦為原料,內配碳制

9、備氧化球團的基礎與技術具有重要的現實意義。在此,本文作者通過在實驗室模擬鏈篦機回轉窯工藝,以純赤鐵礦為原料配加一定比例無煙煤生產氧化球團,研究焙燒氣氛對內配碳赤鐵礦球團焙燒強度的影響,結合礦相顯微結構和FeO含量的變化規律,揭示內配碳赤鐵礦球團在不同氧含量下的焙燒行為和固結規律,以便為解決赤鐵礦球團焙燒困難的問題提供依據。1 原料性能及實驗方法1.1 原料性能研究所用的原料有:赤鐵精礦、無煙煤和膨潤土,其各自的化學成分、粒度組成和主要物化性能見表14。可見,巴西赤鐵礦精礦鐵品位較高,脈石成分主要為SiO2,雜質含量較少;粒度小于0.074 mm的赤鐵精礦含量為92.21%,但比表面積僅為638

10、.1 cm2/g,成球性能較差,不利于造球。因此,對赤鐵精礦進行高壓輥磨預處理,磨后的比表面積達1 629.5 cm2/g。無煙煤采用球磨的方法使其比表面積達6 599 cm2/g,工業分析中,固定碳含量為77.6%,揮發份含量為6.48%。1.2 試驗方法1.2.1 造球和干燥根據選定的配料量準確稱取,配入1.25%膨潤土和1.0%無煙煤,通過人工混勻;混合料在圓盤造球機中造球,造球機主要技術參數如下:直徑為1 m,邊高為200 mm,轉速為28 r/min,傾角為45;選取直徑為915 mm的合格生球在溫度為(105±5 的烘箱中干燥2 h制成干球。1.2.2 焙燒試驗焙燒試驗采

11、用實驗室豎式管爐進行,由豎爐底部通入按N2/O2混合的一定流量(46 L/min的氣體,通過控制氧含量(體積分數來調節焙燒氣氛。為模擬鏈篦機回轉窯工藝,實驗時將810個粒度均勻的干球裝入耐高溫反應罐中,待豎爐升至設定溫度時,將反應罐放置于爐口并開始計時,每隔1 min分5步均勻向下移動至高溫區,在高溫區的停留時間為焙燒時間,焙燒結束后再分5步均勻向上移出作為均熱段和冷卻段。在空氣中自然冷卻后,測抗壓強度。1.2.3 FeO檢測為分析內配碳赤鐵礦球團焙燒過程中鐵氧化物的反應規律,對FeO含量進行測定。1.2.4 礦相顯微結構分析利用Leica DMRXE自動圖像分析儀(德國制造對球團礦進行顯微結

12、構分析,研究球團礦的礦物成分、結晶形態及微觀結構等。表1原料的化學成分Table 1Chemical composition of materials w/%原料TFe FeO SiO2 CaO MgO Al2O3 LOI 鐵精礦67.22 0.55 2.17 0.01 0.05 0.55 0.59 膨潤土7.07 60.61 0.94 2.2 17.98 10.41 無煙煤 1.48 6.86 1.51 0.24 5.88 84.08表2赤鐵精礦和無煙煤的粒度組成Table 2Size distribution of hematite concentrate and anthracite粒度

13、組成/%原料>0.074 mm 0.0740.045 mm <0.045 mm比表面積/(cm2·g1 磨后比表面積/(cm2·g1鐵礦7.79 28.99 63.22 638.1 1629.5 無煙煤89.18 6599第4期姜濤,等:焙燒氣氛對內配碳赤鐵礦球團焙燒行為的影響853表3膨潤土的物理性能Table 3 Physical properties of bentonite膠質價含量/% 膨脹容/(mL·g1 吸水率/% 蒙脫石含量/% <0.074 mm顆粒含量/% 堆密度/(g·cm3 100 10.3 447.5 95.0

14、 95.03 0.732 結果及分析2.1 氧含量對內配碳赤鐵礦球團焙燒強度的影響在氣體流量為4 L/min, 焙燒溫度為1 280 ,焙燒時間為20 min的熱工制度下進行焙燒試驗,研究氧含量變化對內配碳赤鐵礦球團強度的影響,試驗結果見圖1。由圖1可知,氧含量對內配碳赤鐵礦球團強度的影響非常顯著;隨氧含量升高,焙燒球團礦強度呈先升后降的趨勢。惰性氣氛中的焙燒球強度略高于氧含量為10%的球團強度,接近空氣配比(氧含量為20%時球團強度最大,繼續升高氧含量,球團強度不斷降低。因此,內配碳赤鐵礦球團必須在適宜的氣氛下焙燒,氧含量過高或過低均使球團強度降低。2.2氧含量對球團礦顯微結構的影響不同氧含

15、量下內配碳赤鐵礦球團的礦相顯微結構見圖2。在惰性氣氛中,焙燒結束時,可以觀察到大 圖1氧含量對內配碳赤鐵礦球團強度的影響Fig.1Effect of oxygen content on strength ofcarbon-burdened hematite pellet量磁鐵礦(如圖2(a中位置3,且大部分已經再結晶互連(圖2(a中位置1,但仍有以單獨顆粒存在的原生赤鐵礦(圖2(a中位置2。其球團強度主要靠磁鐵礦再 (a N2; (b 10% O2; (c 20% O2; (d 30% O21次生赤鐵礦; 2原生赤鐵礦; 3磁鐵礦圖2不同氧含量下內配碳赤鐵礦球團顯微結構Fig.2 Micros

16、tructures of carbon-burdened hematite pellets under different oxygen contents中南大學學報(自然科學版 第40卷854結晶,與Fe2O3再結晶相比,球團強度降低。而在氧化性氣氛中,無論氧含量多大,焙燒結束時鏡下都未見磁鐵礦存在。然而,在不同氧含量下,球團的再結晶情況不盡相同。當氧含量為10%時,顆粒間的間隙較大,晶體連接不緊密,較為疏松,再結晶情況沒有Fe3O4再結晶的好;在氧含量為20%時,大部分顆粒已經發生晶體連接(圖2(c中位置1,仔細觀察雖有少量原生赤鐵礦(圖2(c中位置2,但整體結晶狀況較好。當氧含量升至30

17、%時,鏡下以單獨顆粒存在的原生赤鐵礦較多(圖2(d中位置2,只有少部分顆粒發生了晶體連接(圖2(d中位置1,整體結晶狀況變差,球團強度降低。2.3 氧含量對內配碳赤鐵礦球團FeO含量的影響為了解氧含量對配碳赤鐵礦球團焙燒反應行為的影響,恒定氣體流量(6 L/min和焙燒溫度(1 280 ,改變氧含量進行分段焙燒,即將整個焙燒過程按時間分段,在每個時間段焙燒結束后立即水冷,以保證不被進一步氧化,檢測不同氧含量下FeO隨焙燒時間的變化規律,結果如圖3所示。 1N2; 25% O2; 310% O2; 420% O2; 530% O2;640% O2; 750% O2圖3不同氧含量下內配碳球團中Fe

18、O含量隨焙燒時間的變化Fig.3 FeO contents of carbon-burdened pellet under different oxygen contents for different periods由圖3可知,在惰性氣氛中,FeO含量隨焙燒時間的延長而增加,而在氧化性氣氛下則呈先升后降的趨勢。隨氧含量增大,最大FeO含量逐漸減少,且達到最大FeO含量的時間不斷縮短。因此,在氧化性氣氛中,內配碳赤鐵礦球團存在先還原后氧化的變化過程,而在惰性氣氛下,內配碳赤鐵礦球團內反應一直為還原過程。2.4 焙燒過程分析由于鐵氧化物分解溫度與氧含量相關,即鐵氧化物的分解溫度隨氧含量減小而降低

19、。內配碳赤鐵礦球團中的FeO含量除來源于鐵氧化物還原外,是否存在赤鐵礦分解所得的FeO,有待進一步分析驗證。根據赤鐵礦分解反應方程式:6Fe2O3=4Fe3O4+O2,G=140 38081.38T,可得,氧含量與分解溫度間的關系為:2Oln P=70 649.22/T+40.96。理論上,實驗所用氮氣中(2OP=0.1%Fe2O3分解溫度為1 203 。對比1 280 時未配碳球團和配碳球團在N2中焙燒的FeO含量發現,水冷后兩者的FeO含量分別為6.57%和21.65% (即生成的磁鐵礦含量分別為21.17%和69.76%,焙燒后內配碳球團較未配碳球團中FeO 含量明顯要高,說明在這2種條

20、件下,FeO在不同的原理下產生。根據熱力學計算結果,在1 280 于N2中焙燒赤鐵礦球團Fe2O3會發生分解。因而,對于未配碳赤鐵礦球團,FeO全部來源于赤鐵礦分解。在配加無煙煤條件下,碳的可燃性必然會消耗存在于氮氣中的微量氧氣,使氧含量降至更低,因而,在相同焙燒條件下,內配碳球團中Fe2O3分解溫度更低。根據Fe-O二元狀態圖,在有還原劑時,Fe2O3極易被還原成Fe3O4。在內配無煙煤球團焙燒過程中,赤鐵礦中Fe2O3被固體碳還原生成Fe3O4:6Fe2O3+C=4Fe3O4+CO2。同時,Fe2O3高溫分解生成的O2與碳結合形成的CO,也會進一步還原Fe2O3生成Fe3O4:2C+O2=

21、2CO,3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2。若只考慮碳的還原作用,即無煙煤全部用于還原赤鐵礦,可計算1.0%無煙煤還原Fe2O3生成Fe3O4的最大含量為59.55%,若考慮揮發份揮發導致C損失的情況,1.0%無煙煤所能還原的實際磁鐵礦含量應小于59.55%,而試驗所得磁鐵礦含量為69.76%,遠大于理第4期姜濤,等:焙燒氣氛對內配碳赤鐵礦球團焙燒行為的影響855論含量,由此說明磁鐵礦并非僅由碳的還原所致。當然,這從另一方面證明了焙燒過程中有赤鐵礦分解的事實。因此,內配碳赤鐵礦球團在惰性氣氛中于1 280 焙燒產生的FeO來源于2個方面:a. 赤鐵礦分解。赤鐵礦中Fe2O3分解轉變成Fe

22、3O4。b.赤鐵礦還原。赤鐵礦中Fe2O3被無煙煤中的C 還原生成Fe3O4,也包括Fe2O3高溫分解生成的O2與碳結合形成的CO還原赤鐵礦生成的Fe3O4。隨氧含量增大,Fe2O3開始分解的溫度逐漸升高,赤鐵礦中Fe2O3向Fe3O4的轉變難度逐漸加大(空氣中的理論分解溫度為1 388 ,更高的氧含量將不會導致赤鐵礦在生產焙燒溫度下發生分解。此時,球團中的FeO基本來源于赤鐵礦的還原。當然,在赤鐵礦還原過程中,氧含量低,還原氣氛起主導作用,生成較多FeO;氧含量增大,氧化氣氛增強,還原氣氛減弱, Fe3O4氧化成Fe2O3的趨勢增大,FeO含量減少,僅在某一氧含量下,即一定的氧化氣氛下,Fe

23、2O3的還原和Fe3O4的氧化達到平衡時,FeO含量才不再發生改變。理論上,不同的配碳量也會影響達到上一平衡所需的時間。結合球團礦生產的實際過程,在氧化氣氛下,赤鐵礦的還原主要發生在焙燒初期,此時,還原速率大于氧化速率,FeO含量不斷升高;隨固定碳不斷消耗,還原氣氛逐漸減弱,還原速率減小,而氧化速率不斷增大,當氧化速率和還原速率一致時FeO含量達最大;在焙燒后期,碳幾乎消耗完全,氧化速率大于還原速率,主要發生磁鐵礦的再氧化和次生赤鐵礦的再結晶。因此,在內配碳赤鐵礦球團焙燒過程中,存在赤鐵礦先還原再氧化的過程。碳的還原作用會改變Fe2O3的再結晶規律,使部分原生赤鐵礦先還原為磁鐵礦,繼續在氧化性

24、氣氛中焙燒,可以再氧化為活性較高的次生赤鐵礦,在較低焙燒溫度下即可發生再結晶,降低了赤鐵礦球團的焙燒溫度,改善了赤鐵礦的焙燒性能,起到節能降耗的作用。3 結論a. 內配赤鐵礦球團焙燒時,氧含量過高或過低均會使球團強度降低,在空氣條件下,球團礦固結強度最高。b. 在惰性氣氛中焙燒含碳赤鐵礦球團,其FeO 含量既來源于赤鐵礦分解,又來源于鐵氧化物還原,其固結主要為Fe3O4再結晶,球團強度低。c. 在氧化性氣氛中焙燒含碳赤鐵礦球團,碳的主要作用有2個方面:燃燒和還原。碳的燃燒提供部分赤鐵礦焙燒所需的熱量;碳的還原使焙燒時存在Fe2O3先還原成Fe3O4,而后Fe3O4再氧化生成Fe2O3的轉變過程

25、,即由原生赤鐵礦轉變生成次生赤鐵礦的過程。由于次生赤鐵礦活性高于原生赤鐵礦活性,所需固結溫度較低,次生赤鐵礦的生成改變了赤鐵礦球團的固結過程,改善了Fe2O3的再結晶性能,提高了球團礦強度。參考文獻:1 閻為群. 國內球團生產技術的發展J. 江蘇冶金, 2007, 35(3:2124.YAN Wei-qun. Development of production technology for pellets in domesticJ. Jiangsu Metallurgy, 2007, 35(3: 2124.2 李蒙, 任偉, 陳三鳳. 國內外球團礦生產現狀及展望J.球團技術, 2005(2:

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