氧化球團(tuán)礦具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和冶金性能，已成為高爐煉鐵不可或缺的優(yōu)質(zhì)爐料。然而，國(guó)內(nèi)磁鐵精礦供應(yīng)不足，使得許多國(guó)內(nèi)鋼鐵廠開始使用進(jìn)口赤鐵礦生產(chǎn)氧化球團(tuán)。與磁鐵礦球團(tuán)相比，赤鐵礦球團(tuán)焙燒溫度高且區(qū)間窄(1300℃~1350℃)，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度低，另外，酸性赤鐵礦球團(tuán)冶金性能也較差。其中鏡鐵礦屬于一種重要的赤鐵礦，球團(tuán)焙燒性能及冶金性能比普通赤鐵礦球團(tuán)更差。
研究者對(duì)如何使用赤鐵礦生產(chǎn)高強(qiáng)度氧化球團(tuán)進(jìn)行了大量研究。研究表明，赤鐵礦配加磁鐵礦制備氧化球團(tuán)，可以有效降低預(yù)熱焙燒溫度，提高預(yù)熱焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度；配加熔劑生產(chǎn)熔劑性赤鐵礦球團(tuán)也是一條解決途徑。國(guó)內(nèi)球團(tuán)廠一般用赤鐵礦配加磁鐵礦生產(chǎn)高強(qiáng)度球團(tuán)，但隨著赤鐵礦配比的提高，配加磁鐵礦所起到的效果被大大削弱。添加CaO熔劑生產(chǎn)熔劑性球團(tuán)在較低溫度下即可獲得較高機(jī)械強(qiáng)度且還原性較好，但高溫軟熔性能較差，還原膨脹嚴(yán)重。而早期研究表明，球團(tuán)中添加MgO可以降低還原膨脹率，改善高溫軟熔性能。目前，較為系統(tǒng)的研究堿度及MgO含量對(duì)鏡鐵礦球團(tuán)強(qiáng)度及冶金性能的影響，尤其是堿度與MgO共同作用對(duì)球團(tuán)冶金性能的影響方面的研究還鮮有報(bào)道，因此，本文研究堿度和MgO含量對(duì)鏡鐵礦球團(tuán)強(qiáng)度及冶金性能的影響規(guī)律，對(duì)改善球團(tuán)焙燒及強(qiáng)化高爐煉鐵具有較為重要的理論價(jià)值。
原料性能及研究方法
本試驗(yàn)所用原料有巴西鏡鐵礦、膨潤(rùn)土、石灰石和菱鎂礦。由于巴西鏡鐵礦、石灰石和菱鎂礦粒度較粗，在實(shí)驗(yàn)室分別用球磨機(jī)磨到球團(tuán)生產(chǎn)所需粒度及比表面積。鏡鐵礦鐵品位高，脈石礦物及其他有害雜質(zhì)少，為優(yōu)質(zhì)球團(tuán)原料。石灰石和菱鎂礦SiO2含量低，其他有害雜質(zhì)含量很少，為優(yōu)質(zhì)鈣鎂熔劑。試驗(yàn)所用黏結(jié)劑為優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤(rùn)土，各項(xiàng)指標(biāo)如下：蒙脫石含量為92.76%，膨脹容為20mL/g，2h吸水率為342%，-0.074mm含量達(dá)到100%。
試驗(yàn)研究包括配料、混勻、生球制備、生球干燥、干球預(yù)熱焙燒及焙燒球團(tuán)性能檢測(cè)等過(guò)程，成品球團(tuán)礦SiO2含量通過(guò)添加細(xì)磨石英砂控制在3.0%～3.1%，通過(guò)配加石灰石及菱鎂礦調(diào)節(jié)成品球團(tuán)礦堿度和MgO含量，考察堿度和MgO含量變化對(duì)焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度、還原度、還原膨脹、低溫還原粉化和高溫軟熔特性的影響。
試驗(yàn)結(jié)果及影響分析
堿度和MgO含量對(duì)抗壓強(qiáng)度和孔隙率的影響。球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度是反映球團(tuán)在轉(zhuǎn)運(yùn)儲(chǔ)存過(guò)程及其在還原爐中所能承受壓力大小的重要指標(biāo)，大型高爐要求球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度在2500牛/個(gè)以上。自然MgO含量下，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度先隨堿度的提高而增加，堿度增至0.2時(shí)，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度就從自然堿度的2400牛/個(gè)增至3500牛/個(gè)；當(dāng)堿度達(dá)到0.4以后，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度不再增加。這是由于堿度提高CaO與Fe2O3和SiO2的鐵酸鈣和硅酸鈣等黏結(jié)相，適當(dāng)液相有利于赤鐵礦再結(jié)晶，但過(guò)多液相不利于球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的提高。自然堿度下，球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度隨MgO含量的增加而降低，這是因?yàn)榱怄V礦在球團(tuán)預(yù)熱焙燒時(shí)分解，增加了球團(tuán)孔隙率。堿度和MgO共同作用時(shí)，相同MgO含量下，堿度對(duì)焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律與自然MgO含量下堿度對(duì)球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律基本一致，即球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度先隨堿度的提高而增加，堿度達(dá)到一定值后球團(tuán)抗壓強(qiáng)度不再有明顯增加；相同堿度下，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度隨MgO含量的增加而降低，這是由于MgO含量增加，球團(tuán)孔隙率隨之增加，同時(shí)MgO進(jìn)入渣相提高了脈石礦物的熔點(diǎn)，對(duì)液相的生成有一定阻礙作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)堿度在0.2以上時(shí)，不同堿度和MgO含量的鏡鐵礦球團(tuán)抗壓強(qiáng)度均可達(dá)到2500牛/個(gè)以上。
隨著熔劑用量的增加，熔劑在預(yù)熱焙燒時(shí)分解所留下的孔隙也隨之增多，配加熔劑不僅對(duì)球團(tuán)礦化學(xué)成分以及礦物組成產(chǎn)生影響，同時(shí)也對(duì)球團(tuán)結(jié)構(gòu)及孔隙率產(chǎn)生影響，從而對(duì)球團(tuán)抗壓強(qiáng)度及冶金性能產(chǎn)生一定影響。
堿度和MgO含量對(duì)還原度的影響。還原度（RI）是評(píng)估鐵礦在高爐還原區(qū)溫度氣氛條件下，氧從鐵礦石脫除的趨勢(shì)及難易程度的重要指標(biāo)。影響鐵礦還原度的因素有粒度、孔隙率、礦物組成及結(jié)構(gòu)、脈石礦物成分等。自然堿度、自然MgO含量的酸性球團(tuán)還原度較低，只有62.22%，隨著MgO含量的提高，還原度提高，當(dāng)MgO含量為3.0%時(shí)，球團(tuán)還原度可以達(dá)到68%；在自然MgO含量下，提高堿度，鏡鐵礦球團(tuán)還原度有較大提高，堿度提高至1.2時(shí)，球團(tuán)還原度升至72.82%。這是由于石灰石的加入增加了球團(tuán)的孔隙率，同時(shí)，CaO與Fe2O3反應(yīng)生成易于還原的鐵酸鈣。堿度和MgO共同作用時(shí)，相同堿度下，鏡鐵礦球團(tuán)還原度隨MgO含量的增加而提高；相同MgO含量下，還原度隨堿度的提高而升高。當(dāng)堿度達(dá)到1.2、MgO含量增加到3.0%時(shí)，球團(tuán)還原度高達(dá)76.94%。這是因?yàn)榱怄V礦在球團(tuán)預(yù)熱焙燒時(shí)同樣使球團(tuán)孔隙率增加，而且MgO可以提高渣相及浮氏體熔點(diǎn)，使其在還原過(guò)程中不易發(fā)生熔化，使球團(tuán)孔隙不被熔融物充填而保持較高孔隙率，這有利于氣體擴(kuò)散。
堿度和MgO含量對(duì)還原膨脹的影響。自然MgO含量下，鏡鐵礦球團(tuán)還原膨脹率先增大后減小，堿度在0.4～0.6達(dá)到最大值，其最大值高達(dá)32%。這是由于配加到球團(tuán)中的CaO除少部分與Fe2O3反應(yīng)生產(chǎn)鐵酸鈣，絕大部分進(jìn)入渣相，未還原時(shí)，渣相以CaO-SiO2二元體系為主。而堿度在0.4～0.6時(shí)，即SiO2在渣相中的含量在62.5%～70%，正是偏硅酸鈣(CaOSiO2)與SiO2的二元共晶點(diǎn)組成所在區(qū)間，其低溫共熔點(diǎn)為1436℃，但是在還原條件下，此渣相由于FeO的加入則成為CaO-SiO2-FeO三元渣系，在此渣系中CaO和SiO2比例保持不變，渣相熔點(diǎn)隨著FeO含量增多急劇下降，在純?nèi)抵凶畹涂山档?093℃，而低熔點(diǎn)渣相恰恰會(huì)惡化球團(tuán)還原膨脹。自然堿度下，球團(tuán)還原膨脹率隨MgO含量的增加略有降低，但不明顯。這是由于自然堿度和自然MgO的球團(tuán)渣相中SiO2含量在90%時(shí)熔點(diǎn)高達(dá)1700℃，而MgO的加入，渣相以MgO-SiO2二元體系為主，但其低溫共熔點(diǎn)溫度也有1543℃。在堿度和MgO共同作用時(shí)，相同MgO含量下，堿度對(duì)球團(tuán)還原膨脹率的影響規(guī)律基本與自然MgO含量一致。而MgO加入時(shí)，由于MgO溶入浮氏體中從而提高浮氏體熔點(diǎn)，同時(shí)，MgO在渣相中同樣提高渣相熔點(diǎn)。因此，在相同堿度下，增加MgO含量可以降低還原膨脹。
氧化球團(tuán)中赤鐵礦還原向磁鐵礦及浮氏體轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)產(chǎn)生體積膨脹，這種膨脹主要是赤鐵礦還原成磁鐵礦時(shí)晶體結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致。球團(tuán)還原膨脹率大小與脈石成分及渣相承受赤鐵礦顆粒還原時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力的能力有關(guān)。高熔點(diǎn)渣相在還原過(guò)程中，不易發(fā)生熔化，保持較高強(qiáng)度可以有效限制球團(tuán)的還原膨脹率，而低熔點(diǎn)渣相會(huì)惡化球團(tuán)還原膨脹。
球團(tuán)還原膨脹率在20%以下屬于正常膨脹范圍，鏡鐵礦球團(tuán)堿度需控制在小于0.2或大于等于1.0的范圍內(nèi)。然而，通常工業(yè)生產(chǎn)中球團(tuán)還原膨脹率要求控制在15%以下。對(duì)含3.0%~3.1%SiO2的自然堿度鏡鐵礦球團(tuán)，其還原膨脹率低于15%，且還原度僅為62.2%，通過(guò)提高堿度的方式改善其還原度時(shí)，需要將堿度提高至1.0和MgO含量提高到3.0%，或?qū)A度提高至1.2和MgO含量≥1.0%時(shí)，才能使其還原膨脹率低于15%。
堿度和MgO含量對(duì)低溫還原粉化的影響。低溫還原粉化（RDI）反映球團(tuán)在高爐或直接還原豎爐上部400℃～600℃溫度區(qū)間還原時(shí)產(chǎn)生粉末的趨勢(shì)。低溫還原粉化產(chǎn)生的主要原因是赤鐵礦還原成磁鐵礦時(shí)晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的體積膨脹及晶格畸變。球團(tuán)預(yù)熱焙燒時(shí)形成的黏結(jié)方式主要有3種：鐵氧化物再結(jié)晶、硅酸鹽黏結(jié)和鐵酸鹽黏結(jié)。其中，赤鐵礦再結(jié)晶黏結(jié)最為普遍也是強(qiáng)度最高的，但是赤鐵礦在還原條件下卻是極不穩(wěn)定的，而硅酸鹽黏結(jié)相在赤鐵礦還原成磁鐵礦時(shí)卻可以保持不變。因此，可以通過(guò)添加熔劑的方式增加這種分布均勻且在低溫還原條件下保持穩(wěn)定的黏結(jié)相，以降低鏡鐵礦球團(tuán)低溫還原粉化。
自然堿度和自然MgO含量的球團(tuán)由于其主要為赤鐵礦固相擴(kuò)散固結(jié)，硅酸鹽黏結(jié)相較少，因此，在低溫還原時(shí)產(chǎn)生較多粉末，其RDI-3.15mm值高達(dá)12.75%。自然MgO含量下，堿度提高至0.2，球團(tuán)低溫還原粉化率RDI-3.15mm值迅速降低至0.52%；堿度繼續(xù)提高，RDI-3.15mm值基本維持在0.5%左右。這是由于CaO的加入，使得球團(tuán)在預(yù)熱焙燒時(shí)可以形成較多的低溫還原時(shí)穩(wěn)定存在的硅酸鹽液相，從而達(dá)到降低球團(tuán)低溫還原粉化的目的。自然堿度下，增加MgO含量，球團(tuán)低溫還原粉化率RDI-3.15mm值均降至3.0%以下。當(dāng)堿度和MgO共同作用時(shí)，球團(tuán)低溫還原粉化RDI-3.15mm值均較低，RDI-3.15mm隨堿度的提高而降低，隨MgO含量的提高略有升高，這是由于MgO有阻礙液相硅酸鹽形成的作用。
堿度和MgO含量對(duì)軟熔特性的影響。球團(tuán)的熔融特性可以反映球團(tuán)在高爐下部軟化熔融區(qū)的形成及其在軟熔區(qū)的性能，爐料軟熔特性對(duì)高爐操作有較大影響。球團(tuán)軟化溫度低，軟熔區(qū)間寬，高爐下部軟熔區(qū)透氣性就會(huì)變差，這不利于還原氣體與爐料對(duì)流，嚴(yán)重影響還原過(guò)程的進(jìn)行。自然堿度、自然MgO含量的酸性球團(tuán)在1009℃即開始軟化，滴落溫度為1272℃。自然MgO含量下，堿度提高至1.2，球團(tuán)軟化溫度提高至1034℃，軟化區(qū)間及軟化區(qū)間都變窄一些，滴落溫度也提高至1299℃。堿度1.2時(shí)，提高M(jìn)gO含量可以提高軟化開始溫度和滴落溫度，MgO含量1.0%時(shí)，球團(tuán)軟化溫度升至1072℃，滴落溫度達(dá)到1319℃，MgO含量繼續(xù)增加，球團(tuán)軟化溫度不再增加，滴落溫度有所提高。球團(tuán)軟熔特性主要受還原時(shí)產(chǎn)生的浮氏體及渣相等低熔點(diǎn)液相影響。酸性球團(tuán)所表現(xiàn)出的較差的高溫軟熔特性，主要原因在于還原過(guò)程中富含F(xiàn)eO的橄欖石渣相熔點(diǎn)較低，而加入MgO可以提高渣相熔點(diǎn)，還原過(guò)程中MgO與浮氏體形成高熔點(diǎn)的固溶體也會(huì)起到改善球團(tuán)高溫軟熔特性的作用。