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，國內(nèi)磁鐵精礦供應(yīng)不足，使得許多國內(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共同作用對球團(tuán)冶金性能的影響方面的研究還鮮有報道，因此，本文研究堿度和MgO含量對鏡鐵礦球團(tuán)強(qiáng)度及冶金性能的影響規(guī)律，對改善球團(tuán)焙燒及強(qiáng)化高爐煉鐵具有較為重要的理論價值。
原料性能及研究方法
本試驗所用原料有巴西鏡鐵礦、膨潤土、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。試驗所用黏結(jié)劑為優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土，各項指標(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)性能檢測等過程，成品球團(tuán)礦SiO2含量通過添加細(xì)磨石英砂控制在3.0%～3.1%，通過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。
試驗結(jié)果及影響分析
堿度和MgO含量對抗壓強(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)儲存過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，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度就從自然堿度的2400牛/個增至3500牛/個；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，這是因為菱鎂礦在球團(tuán)預(yù)熱焙燒時分解，增加了球團(tuán)孔隙率。堿度和MgO共同作用時，相同MgO含量下，堿度對焙燒球團(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MgO進(jìn)入渣相提高了脈石礦物的熔點(diǎn)，對液相的生成有一定阻礙作用。試驗結(jié)果表明，當(dāng)堿度在0.2以上時，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/個以上。
隨著熔劑用量的增加，熔劑在預(yù)熱焙燒時分解所留下的孔隙也隨之增多，配加熔劑不僅對球團(tuán)礦化學(xué)成分以及礦物組成產(chǎn)生影響，同時也對球團(tuán)結(jié)構(gòu)及孔隙率產(chǎn)生影響，從而對球團(tuán)抗壓強(qiáng)度及冶金性能產(chǎn)生一定影響。
堿度和MgO含量對還原度的影響。還原度（RI）是評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，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，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，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，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，球團(tuán)還原度高達(dá)76.94%。這是因為菱鎂礦在球團(tuán)預(yù)熱焙燒時同樣使球團(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，渣相以CaO-SiO2二元體系為主。而堿度在0.4～0.6時，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，相同MgO含量下，堿度對球團(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，由于MgO溶入浮氏體中從而提高浮氏體熔點(diǎn)，同時，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)變時會產(chǎn)生體積膨脹，這種膨脹主要是赤鐵礦還原成磁鐵礦時晶體結(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產(chǎn)生應(yīng)力的能力有關(guān)。高熔點(diǎn)渣相在還原過程中，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%，通過提高堿度的方式改善其還原度時，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，才能使其還原膨脹率低于15%。
堿度和MgO含量對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)間還原時產(chǎn)生粉末的趨勢。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卻可以保持不變。因此，可以通過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)熱焙燒時可以形成較多的低溫還原時穩(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，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)透氣性就會變差，這不利于還原氣體與爐料對流，嚴(yán)重影響還原過程的進(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，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，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)，還原過程中MgO與浮氏體形成高熔點(diǎn)的固溶體也會起到改善球團(tuán)高溫軟熔特性的作用。