李曉波 ¹ ，李孟土 ¹ ，易陸杰 ² ，謝云江 ²

( 1． 寶鋼湛江鋼鐵有限公司 制造管理部，廣東 湛江 524072; 2． 寶鋼湛江鋼鐵有限公司 煉鐵廠，廣東 湛江 524072)

摘 要: 湛江球團經(jīng)過長期的探索，逐步掌握了鏈箅機 － 回轉窯工藝生產(chǎn)熔劑性球團礦的典型配礦結構。首先，為了控制石灰石的配入量，防止生球在預熱段被石灰石分解產(chǎn)生的 CO₂ 破壞及避開球團礦產(chǎn)生惡性還原膨脹的堿度區(qū)間，適宜的堿度為 0． 7 ±0． 1。在上述堿度條件下，通過調整配礦結構，控制混合礦中 SiO₂ 的含量為2． 8% ～3． 3%，石灰石的加入量為4． 1% ～4． 8%，可確保球團礦在焙燒過程中產(chǎn)生適宜的液相量，從而在較低的焙燒溫度下獲得抗壓強度大于2 500 N/P 的優(yōu)質球團礦，也可避免焙燒后的球團在環(huán)冷機均熱過程中產(chǎn)生相互粘結，造成環(huán)冷機結塊、堵料而停機。

關鍵詞: 鏈箅機 － 回轉窯；熔劑性球團礦；石灰石；堿度；配礦結構

1 前 言

由于歷史原因，我國高堿度燒結礦生產(chǎn)規(guī)模大，形成了高堿度燒結礦加酸性球團礦的典型爐料結構。在高爐渣系基本固定的情況下，提高球團礦堿度的空間有限，致使我國熔劑性球團生產(chǎn)工藝的發(fā)展明顯落后于其他國家^［1］。熔劑性球團礦是指在配料過程中添加含有 CaO 的礦物生產(chǎn)的球團礦^［2］。熔劑性球團礦一方面可以帶入有利于造渣的 CaO 熔劑，可減少燒結礦用量，減輕鋼鐵廠的環(huán)保壓力; 另一方面熔劑性球團礦鐵品位較高，冶金性能優(yōu)異，可降低高爐冶煉的綜合成本。湛江球團生產(chǎn)線設計為鏈箅機 － 回轉窯氧化球團工藝，具備年產(chǎn) 500 萬 t 熔劑性球團礦的能力，設計采用 100%進口巴西南部硬質赤鐵精礦粉，SiO₂ 含量約為 2. 6%。但由于質量、價格等因素的影響，設計礦種并未長期使用，湛江球團進入 “吃百家礦”的狀態(tài)，球團配礦成為影響生產(chǎn)穩(wěn)定順行的重要因素。經(jīng)過多年的生產(chǎn)實踐，湛江球團現(xiàn)已基本掌握了熔劑性球團礦的生產(chǎn)技術。本文重點分析了湛江熔劑性球團礦生產(chǎn)線中的配礦結構情況，以供同行借鑒與參考。

2 典型熔劑性球團礦生產(chǎn)工藝及其配礦特點

目前，全球范圍內使用鏈箅機 － 回轉窯生產(chǎn)熔劑性球團礦的廠家及配礦特點詳見表 1。

智利Huasco 球團廠始建于1977 年，設計能力為350 萬 t/a，其原料為100%磁鐵礦， －325 目占85%以上，比表面為1 600 ～1 900 cm² /g，鐵品位高達68%，原料條件優(yōu)異，成品球團礦 SiO₂ 含量僅為2.0%，CaO 含量為 2.1%，堿度達 1.05。該廠使用生石灰 +石灰石的方式調節(jié)球團礦堿度^［3］。

巴西米納斯 ～ 吉拉斯州 VSB 鋼鐵廠配套有年產(chǎn)量為136 萬 t 的球團廠，采用鏈箅機 － 回轉窯工藝，原料為全赤鐵礦精粉，生產(chǎn)堿度為0. 7 ～1. 0 的熔劑性球團礦。其主要工藝特點為使用一臺直徑為 5. 5 m，長度為 11 m 的球磨機將含鐵原料、熔劑及內配燃料磨到比表面積為2 100 cm² /g，以確保造球效果，成品球團礦抗壓強度可達 3 000 N/p 以上^［4］。

日本神戶球團廠，始建于 1966 年，采用鏈箅機 －回轉窯工藝，生產(chǎn)堿度為 1. 0 左右的自熔性球團。其屬于臨海型球團廠，原料條件多變，從100%磁鐵礦到 100% 赤鐵礦均可適應。神戶球團廠還開發(fā)了褐鐵礦球團生產(chǎn)技術，代表了鏈箅機 － 回轉窯工藝生產(chǎn)熔劑性球團礦的頂尖水平。神戶球團廠已實現(xiàn)技術輸出，在全世界建立了十多條鏈箅機 －回轉窯球團生產(chǎn)線，包括智利的 Huasco 球團廠最初也是由神戶設計和建造的^［5］。

3 湛江球團生產(chǎn)線工藝特點

湛江球團采用鏈箅機 － 回轉窯工藝，工藝流程如圖 1 所示。其主要特點如下:

( 1) 原料預處理手段齊全，可確保生球質量穩(wěn)定。其主要采取的措施有: ①具有磨礦處理系統(tǒng)，配置四臺5 030 mm ×11 000 mm 溢流型球磨機，可對粗粒礦石進行預處理; ②配備精礦干燥系統(tǒng)，可保證原料水分穩(wěn)定; ③具有高壓輥磨機，可增加礦石顆粒的比表面積，從而改善其成球性; ④配置有強力混合機，可將粘結劑、熔劑等小比例的添加劑與鐵精粉充分混勻; ⑤使用圓盤造球機，生球粒度均勻，抗壓強度高。

( 2) 氧化焙燒調節(jié)方式多，可確保成品球團礦質量達標。其主要采取的措施有: ①鏈篦機預熱段設有側燒嘴補熱，可增加預熱球強度，減少入窯粉末量; ②回轉窯長度達 52 m，可保證預熱球團在回轉窯內的停留時間達 25 ～ 35min; ③環(huán)冷機有效冷卻面積達 248 m 2 ，總設計冷卻時間為 38 min，可確保焙燒球團在環(huán)冷機內有足夠的均熱時間，有利于促進晶鍵連接的發(fā)育和液相緩慢結晶，從而增加球團礦強度。

4 湛江熔劑性球團礦配礦探索

4. 1 礦種類型的選擇

湛江球團設計使用的礦種類型為巴西南部硬質赤鐵礦，通過內配無煙煤，作為球團預熱過程中的熱量補充，以確保預熱球強度，進行全赤鐵礦氧化球團生產(chǎn)。但由于質量、市場供應等因素的影響，設計礦種并未長期使用，因此探索適宜配礦結構已成為湛江球團的燃眉之急。

4. 1. 1 赤鐵礦與磁鐵礦的比例

赤鐵礦與磁鐵礦搭配是較為典型的配礦方案。表 2 為湛江球團主要使用的鐵精粉化學成分，表 3 為湛江鋼鐵在長期的生產(chǎn)過程中使用過的磁鐵礦比例由低到高的配礦方案 ( 生產(chǎn)期間鏈篦機溫度梯度及負壓基本不變，回轉窯焙燒溫度穩(wěn)定在 1 240 ～1 260 ℃，均未內配碳) 。由表 3 可知: ①隨著磁鐵礦比例的增加，球團礦全鐵品位也逐漸升高，這主要是因為湛江球團所用的磁鐵礦，鐵品位高達 68% ～ 69%，雜質含量低，提高其比例，有助于球團礦鐵品位提升; ②隨著磁鐵礦比例提高，球團礦還原膨脹指數(shù)由 22%升高至 35%，這主要是由于磁鐵礦中堿金屬 ( K₂O + Na₂O) 含量較高，在高溫作用下，K⁺、Na⁺以置換或填隙的形式進入鐵氧化物的晶格，引起晶格畸變，導致球團礦膨脹指數(shù)增加; ③前三個配礦方案的抗壓強度均大于 2 500 N/P 的標準，而第四個方案抗壓強度為 2 300 N/P，其原因可能是磁鐵礦配入比例較高，氧化不充分，球團礦內部產(chǎn)生同心裂紋，導致球團礦強度降低。

4. 1. 2 赤鐵礦中硬質赤鐵礦與軟質赤鐵礦的搭配

在適宜的磁鐵礦配比條件下，單一的赤鐵礦品種亦難以滿足湛江球團的使用需求。在此，引入 “硬質赤鐵礦”與 “軟質赤鐵礦”的定義。在生產(chǎn)中，一般把結構致密，較為難磨的鏡鐵礦視為硬質赤鐵礦，其 Al₂O₃ 含量較低，過濾性能好，但靜態(tài)成球性指數(shù)較差; 軟質赤鐵礦為易磨礦物，其 Al₂O₃ 含量較高，靜態(tài)成球性能優(yōu)異 ( 兩類赤鐵礦的理化性能、微觀形貌分別見表 4 與圖 2) 。因此，硬質與軟質赤鐵礦的搭配使用，可揚長避短，同時滿足良好的過濾性能和造球性能的要求。湛江球團的生產(chǎn)實踐中，硬質赤鐵礦與軟質赤鐵礦的比例一般保持在 1∶1。

4. 2 化學成分設計

4. 2. 1 堿度范圍

湛江球團可生產(chǎn) R = 0. 0 ～ 0. 7 堿度的球團礦。主要生產(chǎn)實績如表 5 所示。可見，湛江球團雖然設計為熔劑性球團礦生產(chǎn)線，但同樣可以生產(chǎn)堿度小于 0. 1 的酸性球團礦，且質量指標優(yōu)異。R = 0. 4 ～ 0. 6 的球團處于異常膨脹的區(qū)間，在此堿度范圍下，SiO₂ 、CaO、Fe₂O₃ 生產(chǎn)玻璃質渣相，還原過程中，產(chǎn)生鈣橄欖石及鐵橄欖石混合晶體，其熔點約 1 117 ℃，脈石的機械 強 度 處 于 最 小 值，膨 脹 指 數(shù) 臨 界 值20% ^［2］，對高爐生產(chǎn)順行造成巨大隱患，因此生產(chǎn)過程中應該避免生產(chǎn)該堿度范圍的球團礦。

此外，Al₂O₃ 在焙燒過程中通過固態(tài)反應可形成CaO·Al₂O₃ ·Fe₂O₃ 、4 CaO·Al₂O₃ ·Fe₂O₃ 等化合物，但其速率非常低，一般對于球團礦膨脹指數(shù)及抗壓強度沒有影響^［6，7］。本研究中，Al₂O₃ 的變化范圍在 0. 7% ～ 1. 3% 之間，幅度較小，可不考慮其含量波動對于球團礦質量的影響。綜上所述，R = 0. 7 ± 0. 1 是目前湛江球團長期生產(chǎn)的堿度范圍。

4. 2. 2 CaO 含量

湛江球團工藝中鈣源來自石灰石，隨著堿度的提高，石灰石配入量同步增加，按照石灰石的 CaO 含量為 54. 5% 測算，當球團礦中的SiO₂ 含量為 2. 8% ～3. 3% 時，為保證堿度達到0. 7，需加入 4. 1% ～4. 8%的石灰石。在常壓條件下，CaCO₃ 的開始分解溫度為 530 ℃，分解溫度為 898 ℃ ^［8］。因此，在鏈篦機的預熱一段到預熱二段及回轉窯中均可能存在石灰石的分解，分解過程中產(chǎn)生的 CO₂ 氣體在從球團內部釋放至球團表面的過程中，造成預熱球的強度降低，進入回轉窯后在窯尾低溫區(qū)預熱球相互摩擦易產(chǎn)生粉末，增加環(huán)冷機板結的風險，同時風流系統(tǒng)中的粉末量增加，加劇了回熱風機的磨損。因此，熔劑性球團礦生產(chǎn)過程中需嚴格控 制 石 灰 石 熔 劑 的 加 入 量，一 般 不 超過 4. 8%。

4. 2. 3 SiO₂ 含量

當確定球團礦的堿度為 0. 7 ± 0. 1，最大石灰石配入量不超過 4. 8% 以后，球團配礦中SiO₂ 含量需控制在 2. 8% ～3. 3%。從目前球團精粉的市場供應來看，低硅精粉缺乏，一般鐵精礦混合后 SiO₂ 約為 3. 0%，則球團中 CaO 含量為 2. 4%。在此配礦體系下，產(chǎn)生的液相主要為 鐵 酸 鈣 體 系，如 CaO · Fe₂O₃ 、CaO ·2Fe₂O₃ 及 CaO·Fe₂O₃ - CaO·2Fe₂O₃ 共混物，他們的熔點均較低，分別為 1 216 ℃、1 226 ℃和 1 205 ℃ ^［2］。在焙燒過程中產(chǎn)生的液相，有利于球團固結，提高成品球團強度。另外，可形成低熔點物質的還有 FeO·SiO 2 和鈣鐵橄欖石體系 ( CaO_x·FeO₂ － x·SiO₂ ) ，但成品球團礦中 FeO 含量通常小于 0. 5%，說明焙燒過程中產(chǎn)生的該種液相數(shù)量較少。此外，當焙燒溫度超過 1 250 ℃時，鐵酸鹽發(fā)生分解反應: CaO·Fe₂O₃ + SiO₂ → CaSiO₃ + Fe₂O₃ ，反應中 Fe₂O₃再結晶析出，鐵酸鹽消失，出現(xiàn)玻璃體硅酸鹽。

成品球團礦在焙燒過程中產(chǎn)生的液相量為 10%左右。因此，環(huán)冷機板結的主要原因是落入環(huán)冷機的成品球團中粉末量過多，填充在被燒球團之間的縫隙，降低了料層透氣性，導致冷卻速度減慢，均熱時間延長，粉末顆粒之間產(chǎn)生重結晶。同時，CaO 熔劑的加入，易形成低熔點物質，從而產(chǎn)生液相，加劇了環(huán)冷機的板結。

綜上所述，熔劑性球團配礦結構中堿度、石灰石熔劑的添加量、鐵礦石的 SiO₂ 含量三者之間相互影響: 石灰石熔劑的添加量，受制于球團礦總液相量、石灰石在預熱過程中分解對于預熱球團強度的破壞情況，最高配入量為 4. 8%。因此，需要控制鐵精礦粉的 SiO₂ 含量為2. 8% ～3. 3%。

5 結 論

( 1) 湛江球團以鏈箅機 － 回轉窯工藝生產(chǎn)熔劑性球團礦，配礦結構中適宜的磁鐵礦比例為 20% ～25%。

( 2) 軟質赤鐵礦與硬質赤鐵礦搭配使用，可使混合鐵精礦同時滿足良好的過濾性能和造球性能的要求。

( 3) 熔劑性球團礦的堿度、石灰石熔劑的添加量、鐵礦石的 SiO₂ 含量三者之間相互影響。適宜的堿度范圍為 0. 7 ± 0. 1，石灰石配比為 4. 1% ～4. 8%，鐵精礦粉的 SiO₂ 含量需控制在 2. 8% ～3. 3%。

參考文獻

［1］ 姜濤． 燒結球團生產(chǎn)技術手冊［M］． 北京: 冶金工業(yè)出版社，2014．

［2］ 傅菊英，朱德慶． 鐵礦氧化球團基本原理、工藝及設備［M］． 長沙: 中南大學出版社，2005．

［3］ 黃鈕． 智利太平洋礦業(yè)公司的鐵礦石生產(chǎn)概況［J］． 國外選礦快報，1995( 19) : 6 －8．

［4］ 張衛(wèi)華． 巴西某公司鏈箅機 － 回轉窯全赤鐵礦熔劑性球團礦技術研究與應用［J］． 燒結球團． 2015，40( 1) : 23－26．

［5］ Yamaguchi S． ，F(xiàn)ujii T． ，YamamotoN． ，et al． Kobelco pelletizing process，Kobelco Technology Review［J］． 2010，( 20) : 68 －79．

［6］ 王振陽，刑相棟，張建良，等． 氧化鋁對球團礦抗壓強度的影響及其機理分析［C］/ /第九屆中國鋼鐵年會論文集，北京: 中國金屬學會，2013: 6 －11．

［7］ 鄒明金． 添加劑對球團礦膨脹行為的影響［J］． 武鋼技術，1996，34( 4) : 3 －8．

［8］ 黃希祜． 鋼鐵冶金原理［M］． 北京: 冶金工業(yè)出版社，2002．