MgO对以细磁铁精矿为主的低硅烧结的影响

 黄柱成, 韩志国, 江 源, 姜 涛

(中南大学 资源加工与生物工程学院, 湖南 长沙, 410083)

摘要: 研究了MgO对以细磁铁精矿为主的低硅烧结的影响。 烧结试验结果表明: 当烧结矿中MgO含量从1.4%增加到2.3%时, 烧结速度从22.61 mm/min减慢到19.48 mm/min, 利用系数从2.031 t/(m²·h)降低到1.629 t/(m²·h)。 显微结构分析结果表明: 当烧结矿中MgO含量为1.4%时, 细粒磁铁矿氧化形成的隐晶质—微晶质和圆粒状赤铁矿较多, 熔蚀状的铁酸钙多, 而条状、 针状的铁酸钙较少, 铁酸钙和铁酸镁结晶粒度细小; 当MgO含量为2.3%时, 形成较多的条状铁酸钙和较少的熔蚀状铁酸钙, 烧结矿中的铁酸镁、 镁铁橄榄石等矿物增加, 且块状晶粒粗大。 在烧结过程中MgO矿化速度较慢, 需要较高烧结温度和较长高温保持时间。

关键词: MgO; 磁铁精矿; 低硅烧结; 微型烧结; 显微结构

中图分类号:TF046 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)05-0800-07

Influence of MgO on sinter mainly made from fine magnetite concentrate

HUANG Zhu-cheng, HAN Zhi-guo, JIANG Yuan, JIANG Tao

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

Abstract: The influence of MgO on sinter mainly made from fine magnetite concentrate was studied. The results show that, when the content of MgO increases from 1.4% to 2.3%, the sintering velocity reduces from 22.61 mm/min to 19.48 mm/min, and the utilization factor of sintering machines reduces from 2.031 t/(m²·h) to 1.629 t/(m²·h). When the content of MgO is 1.4%, there are a lot of cryptocrystalline-microcrystalline, round hematite and corroded calcium ferrite in sinter because of the oxidation of fine magnetite concentrate, but only a few banding and needle calcium ferrite. The crystal granularity of calcium ferrite and magnesium ferrite is thin. When the content of MgO is 2.3%, there are a lot of banding calcium ferrite but a few corroded calcium ferrite in sinter. The contents of banding magnesium ferrite and hortonolite increase, and their crystal granularity are coarse. MgO is mineralized slowly in sintering at a high temperature and with a long time.

Key words: MgO; fine magnetite concentrate; low SiO₂ sintering; mini-sintering; microstructure

   目前, 普遍认为高MgO烧结矿对防止烧结矿自然粉化, 降低低温还原粉化率, 提高烧结矿高温还原性以及软化和熔化温度都有明显的效果。 在高炉冶炼生产过程中, 炉渣含有一定量的MgO可以使炉渣具有良好的流动性和脱硫性能^[1-3]。 但是, MgO对烧结矿的作用机理, 特别是对低硅烧结矿的影响还不清楚。 有研究认为^{[4, 5]}随着MgO含量[CM(22] 增加, 烧结矿常温强度提高; 但在碱度较高时, 随着MgO含量增加, 常温强度有下降趋势。 也有研究表明^[6], MgO对烧结矿常温强度的影响随碱度的不同而不同, 并且加入MgO使烧结矿的软熔性能、 抗低温还原粉化性能提高, 还原性变差。 O.A. Mahomed ^[7]在用酸性烧结矿做试验时得到垂直烧结速度和烧结矿产量随料层中白云石的增加而增加的结果, 其结果归因于在烧结过程中除形成铁酸钙外还形成铁酸镁。 但也有研究^[8]证实: 白云石分解吸热过程对MgO矿化不利。 烧结矿样中有不少未发生反应的圆粒状MgO被方镁石周围生成的铁酸镁(MgO·Fe₂O₃)液相所胶结。 说明白云石粒度过粗不利于MgO矿化, 并且影响烧结矿的产品质量。 为此, 本文作者采用微型烧结试验和烧结杯试验相结合的方法对以我国北方地区代表性的磁铁精矿为主配加澳矿的烧结原料进行烧结试验研究, 并运用Labor Lux12 POL型偏反两用显微镜、 JSM-5600LV型扫描电镜对烧结矿进行显微结构分析。

1 原料及实验方法

铁原料的化学成分、 配比和粒度组成以及烧结矿化学成分计算值如表1~4所示。 其中弓浮精矿、 齐大山精矿、 弓三精矿为细粒磁铁精矿, 3种精矿中粒径小于0.074 mm的粒子比例大于73%, 弓浮精矿达到85.70%。 3种磁铁精矿在铁原料的配比中占64%。 试验中通过增加或减少白云石的用量来调节烧结矿中MgO含量, 分别为1.4%, 1.7%, 2.0%和2.3%。

烧结杯试验在直径为150 mm的烧结杯中进行, 烧结工艺参数如下: 混合料制粒时间为3 min, 料层高为600 mm, 点火温度为(1100±50) ℃, 点火时间为1 min, 点火负压为5kPa, 烧结负压为10 kPa。

表 1   铁原料的化学成分及配比

Table 1   Chemical compositions and mixture ratios of iron raw material ω/%  

表 2   磁铁精矿的粒度组成

Table 2   Distribution of granularity of magnetite concentrate ω/%   

表 3   澳矿及铁皮的粒度组成

Table 3   Distribution of granularity of Australia ore and algam ω/%  

表 4   不同MgO含量烧结配料比及其烧结矿化学成分的计算值

Table 4   Calculation data of chemical composition of sinter with different contents of MgO

2 结果与讨论

2.1 MgO对烧结矿产品质量的影响

对烧结矿MgO含量进行烧结杯试验研究, 结果如表5和图1所示。

表 5   MgO对烧结矿产品质量的影响  

Table 5   Influence of MgO on yield and quality of sinter

从表5可以看出, 随着烧结矿MgO含量从1.4%增加到2.3%, 垂直烧结速度和利用系数明显降低, 垂直烧结速度从22.61 mm/min降低到19.48 mm/min, 利用系数从2.031 t/(m²·h)降低到1.629 t/(m²·h); 而随着MgO含量的增加, 转鼓强度有所提高, 但影响不明显。

2.2 MgO在烧结过程中的矿化机理

采用微型烧结方法^[9-11]研究MgO对烧结矿化过程的影响。 将烧结杯试验的各种原料分别破碎至粒径小于0.2 mm, 并按各原料配比配制成细粒混合料。 为了研究白云石颗粒与周围烧结混合料之间的反应特性, 在上述混合料中配入50%、 粒径为3~1 mm的白云石, 混匀后, 在1.2 kN/cm²的压强下将混合料压成10 mm×8 mm的团块, 然后分5段模拟烧结温度制度进行焙烧, 焙烧制度为:

a. 干燥(200 ℃)5 min;

b. 预热(800 ℃)2 min;

c. 焙烧(1220℃~1310 ℃)2~5 min;

d. 冷却(800 ℃)2 min;

e. 在200 ℃停留5 min。

焙烧温度和焙烧时间对白云石团块高温矿化反应的影响如图1和图2所示。

从图1可以看出: 白云石团块经过高温焙烧[CM(22] 后, 团块没有强度, 明显有白云石焙烧后形成的

图 1   在不同温度下焙烧的白云石团块的照片(焙烧时间为2 min)

Fig. 1   Photos of dolomite brick minerals

图 2   焙烧不同时间后白云石团块的照片(焙烧温度为1280 ℃)

Fig. 2   Photos of dolomite brick minerals for different time

“白点”。 从团块外观来看, 当焙烧温度高于1280 ℃时, 白云石的分解反应更剧烈, 团块甚至变成碎块; 在1280 ℃和1310 ℃时焙烧后, 白云石“白点”有所减少。 温度越高, “白点”越少, 表明MgO与周围混合料进行了矿化反应, MgO快速反应的温度较高。 当烧结混合料中加入白云石时, 烧结矿中将生成一些含镁高熔点矿物^[1], 如: 镁橄榄石(熔点为1890 ℃)、 钙镁橄榄石(熔点为1454 ℃)、 镁蔷薇辉石(熔点为1570 ℃)、 镁黄长石(熔点为1454 ℃)等。 从图2可以看出, 在1280 ℃时焙烧随着焙烧时间的延长, 团块能保持良好的形状, 并且有一定的强度, 团块中“白点”减少, 表明MgO矿化需要较长的高温保持时间。 这表明, 当烧结矿中MgO含量较高时, 可以采取高料层降低烧结速度的方法来提高烧结矿强度。

有研究^[12]证实, 随着MgO的增加, 烧结速度减慢, 燃耗增加。 另外, 白云石中CaO成分在这一过程中与MgO分离, 并与Fe₂O₃在一定条件下生成低熔点物^[13]。 选取MgO含量为1.4%和2.3%的烧结杯试验的烧结矿样进行光学显微镜和扫描电镜能谱分析, 对烧结矿显微结构和矿物组成进行鉴定, 其矿物组成如表6所示。

表 6   烧结矿矿物组成

Table 6   Mineral composition of sinter ω/% 

从烧结矿的矿物组成来看(见表6), MgO含量的增加对烧结矿的矿物组成影响不大, 仅对磁铁矿、 赤铁矿、 铁酸钙、 铁酸镁和镁铁橄榄石的含量稍有影响。 结合表5可以看出: 当MgO含量为1.4%时, 烧结速度快, 达到22.61 mm/min, 利用系数为2.031 t/(m²·h)。 而当MgO含量为2.3%时, 烧结速度变慢, 为19.48 mm/min, 降低了13.84%, 利用系数为1.629 t/(m²·h), 降低了19.79%。 表明加入白云石, 对混合料的制粒效果和烧结过程有明显的影响, 白云石在烧结过程中首先进行分解:

这一反应过程是吸热过程, 需要消耗部分热量, 因此, 对MgO的矿化不利。 在碳量相同的条件下, 由于提高了白云石的配比而导致分解吸热量增加, 对烧结温度和高温保持时间都有影响。 晶粒细小的铁酸镁形貌如图3所示。

2.3 低MgO烧结矿与高MgO烧结矿的显微结构的比较

当MgO含量为1.4%时, 由于磁铁矿粒度较小, 反应活性较高, 磁铁矿普遍被熔蚀, 在烧结过程中磁铁矿发生氧化反应^[14], 因此, 隐晶质—微晶质和圆粒状赤铁矿占赤铁矿总量的30%~35%。 熔蚀状的铁酸钙增多, 条状、 针状铁酸钙减少, 铁酸钙结晶粒度变细小, 但分布均匀, 且很少构成大的集合体(见图4)。 烧结矿中铁酸镁含量少, 晶粒细, 一般呈圆颗粒状, 直径为0.05 mm, 嵌布在铁矿物中, 与其他矿物结合良好(见图3)。

图 3   晶粒细小的铁酸镁

Fig. 3   Thin crystal grain of magnesium ferrite

图 4   熔蚀状的铁酸钙

Fig. 4   Corroded calcium ferrite

在很多微区中, Fe₂O₃和Fe₃O₄再结晶交织在一起, 晶粒紧密互连, 从晶形和颜色上难以辨认。 这2种固相交织在一起增强了烧结矿的微观结构强度(见图5)。 图4和 图5也说明此烧结矿在烧结过程中烧结温度较高, 这与白云石用量的较少有关。 白云石的减少降低了局部热量的消耗, 促进了局部温度升高, 使铁酸钙和Fe₃O₄较好地熔蚀, 提高了烧结矿的强度。

图6~9所示为MgO含量为2.3%的烧结矿样[CM(22] 的显微结构。 MgO增加, Fe₂O₃氧化再结晶减

图 5   Fe₂O₃和Fe₃O₄紧密交织

Fig. 5   Interlaced closely Fe₂O₃ and Fe₃O₄

图 6   铁酸钙的微观结构

Fig. 6   Microstructure of calcium ferrite

图 7   镁铁橄榄石与铁矿物胶结

Fig. 7   Agglutination of hortonolite and iron mineral

图 8   块状的Fe₂O₃和Fe₃O₄

Fig. 8   Massive Fe₂O₃ and Fe₃O₄

图 9   块状的铁酸镁

Fig. 9   Massive magnesium ferrite

少^[15], Fe₂O₃和Fe₃O₄常呈粒状, 并掺和在一起, 部分有晶桥互连。 大颗粒的Fe₂O₃的尺寸一般为0.151 mm×0.173 mm, 小颗粒的尺寸一般为0.045 mm×0.067 mm(见图8)。 烧结矿中铁、 钙反应良好, 形成大量的铁酸钙, 达25%左右, 大部分为条状铁酸钙(见图6)。 这种铁酸钙具有高强度和优良的还原性。 其次还有部分熔蚀状的铁酸钙, 与Fe₃O₄紧密胶结, 相互熔蚀, 强度高。 铁酸盐将周围矿物胶结在一起, 形成烧结矿良好的整体骨架。 烧结矿中镁与铁的反应较好, 形成了大块彩色的铁酸镁, 与其他矿物胶结良好(见图9和图10), 一般晶粒尺寸为0.55 mm×0.12 mm。 MgO含量越多, 铁酸镁晶粒越粗大。 烧结矿中形成较多的橄榄石矿物, 以钙铁橄榄石为主, 其次有少量的铁橄榄石及镁铁橄榄石(见图10和图11), 多为块状晶体, 与其他矿物紧密胶结, 增强了烧结矿整体结构强度。 含镁矿物电子探针分析结果见表7。

表 7   含镁矿物电子探针分析结果

Table 7   Result of analysis of magnesian mineral by electron probe

图 10   铁酸镁扫描电镜能谱图

Fig. 10   Energy spectrum of magnesium ferrite by stereoscan photograph

图 11   镁铁橄榄石扫描电镜能谱图

Fig. 11   Energy spectrum of hortonolite by stereoscan photograph

3 结 论

a. MgO对以细磁铁精矿为主的低硅烧结的产品质量有明显影响, 尤其是对烧结速度和利用系数的影响更加明显。 当烧结矿中MgO含量从1.4%增加到2.3%时, 烧结速度从22.61 mm/min降低到19.48 mm/min, 利用系数从2.031 t/(m²·h)降低到1.629 t/(m²·h)。

b. 当烧结混合料中加入白云石时, 烧结矿中将生成一些高熔点矿物, MgO快速矿化反应的温度升高。 由于白云石配比提高而导致分解吸热量增加, MgO矿化需要较高的烧结温度和较长的高温保持时间。

c. 当烧结矿中MgO含量为1.4%时, 细粒磁铁矿氧化形成了隐晶质—微晶质和圆粒状赤铁矿, 同时熔蚀状的铁酸钙多, 而条状、 针状铁酸钙较少, 铁酸钙和铁酸镁结晶粒度细小。 当MgO含量为2.3%时, 形成较多的条状铁酸钙和部分熔蚀状的铁酸钙, 与Fe₃O₄紧密胶结, 相互熔蚀, 烧结矿中的铁酸镁、 镁铁橄榄石等矿物增加, 且晶粒粗大, 多为块状晶体, 与其他矿物紧密胶结, 增强了烧结矿整体结构强度。

参考文献:

[1]傅菊英, 姜涛, 朱德庆. 烧结球团学[M]. 长沙: 中南工业大学出版社, 1996.

FU Ju-ying, JIANG Tao, ZHU De-qing. Sintering and Pelletizing[M]. Changsha: Central South University of Technology Press, 1996.

[2]中南矿冶学院团矿教研室. 铁矿粉造块[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1978.

Agglomerating Staff Room of Central South Institute of Mining and Metallurgy. Agglomeration of Iron Ore [M]. Beijing: Metallurgy Industry Press, 1978.

[3]黄柱成, 傅守澄, 蔡汝卓. 高碱度高氧化镁烧结矿成矿机理探讨[J]. 矿冶工程, 1992, 12(S): 87-91.

HUANG Zhu-cheng, FU Shou-cheng, CAI Ru-zhuo. Research of metallogenic mechanics of high basicity and high magnesia sinter[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 1992, 12(S): 87-91.

[4]王叔.邢钢烧结矿MgO含量的选择[J].烧结球团, 1996, 21(2): 29-32.

WANG Shu. Choice of content of MgO in sintering plant of Xingtai Iron and Steel Co.[J]. Sintering and Pelletizing, 1996, 21(2): 29-32.

[5]谭金琨, 尹海生, 李振国. 碱度、 MgO含量和白云石粒度对烧结矿常温强度的影响[J]. 烧结球团, 1990, 15(2): 19-23.

TAN Jin-kun, YIN Hai-sheng, LI Zhen-guo. Influence of basicity, the content of MgO and the granularity of dolomite on intensity of sinter[J]. Sintering and Pelletizing, 1990, 15(2): 19-23.

[6]郎建峰, 李振国, 张玉柱. MgO对烧结矿质量的影响及MgO与B₂O₃的交互作用[J]. 矿产综合利用, 2000(1): 22-25.

LANG Jian-feng, LI Zhen-guo, ZHANG Yu-zhu. Effect of MgO on sinter quality and interaction of MgO and B₂O₃[J]. Multipurpose Utilization of Mineral Resources, 2000(1): 22-25.

[7]Mahomed O A. The effect of dolomite on iron ore sinter properties[J]. Iron and Steel International, 1980, 53(6): 341-348.

[8]陈耀明, 王黎光. 配加澳矿烧结矿矿物组成及显微结构的研究[J]. 烧结球团, 2000, 25(4): 4-7.

CHEN Yao-ming, WANG Li-guang. Mineral composition and microstructure of australia iron sinter[J]. Sintering and Pelletizing, 2000, 25(4): 4-7.

[9]段东平, 王树同, 孔令坛. 微型烧结法分析[J]. 北京科技大学学报, 2000, 22(5): 422-426.

DUAN Dong-ping, WANG Shu-tong, KONG Ling-tan. Analysis on mini-sintering test[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2000, 22(5): 422-425.

[10]段东平. 富矿粉烧结中配加蛇纹石与白云石的对比研究[J]. 钢铁, 2000, 35(3): 1-5.

DUAN Dong-ping. Effect of serpentine and dolomite on properties of high grade ore sinter[J]. Iron and Steel, 2000, 35(3): 1-5.

[11]Tetsuzo H, Shunji K, Takuma K, et al. Evaluation of melting characteristics of fine iron ores by the tablet sintering test[J]. ISIJ International, 1996, 82(12): 981-986.

[12]Yadav U S, Pandey B D, Das B K, et al. Influence of magnesia on sintering characteristics of iron ore[J]. Ironmaking and Steelmaking, 2002, 29(2): 91-95.

[13]Eiki K, Yorito S, Takazo K, et al. Influence of properties of fluxing materials on the flow of melt formed in the sintering process [J]. ISIJ International, 2000, 40(9): 857-862.

[14]杨李香, E.麦休斯. 磁铁矿在不同气氛下的烧结行为[J].钢铁, 1997, 32(9): 1-6.

YANG Li-xiang, Matthews E. Sintering of magnetite ore in various atmospheres[J]. Iron and Steel, 1997, 32(9): 1-6.

[15]Hsieh L H, Whiteman J A. Effect of raw material composition on the mineral phases in lime-fluxed iron ore sinter[J]. ISIJ International, 1993, 33(4): 462-473.

收稿日期:2005-05-31

基金项目: 国家教育部高等学校优秀骨干教师基金资助项目(160132)

作者简介:黄柱成(1964-), 男, 湖南宁乡人, 教授, 博士生导师, 从事钢铁冶金等研究

论文联系人: 黄柱成, 男, 教授; 电话: 0731-8830542; E-mail: zchuang@mail.csu.edu.cn