熔剂性球团氧化焙烧及冶金行为研究

【摘要】：随着我国大气污染问题的日益突出,环保部门针对钢铁企业制定了更为严格的污染物排放标准。烧结生产一直是钢铁制造流程的主要污染源之一,由于受到排放标准的制约,烧结矿产量的增长速率出现逐年降低的趋势。作为高炉冶炼的主要入炉原料,烧结矿产量的降低必将促使炉料结构发生相应的转变。与烧结生产相比,球团在能耗及污染物排放方面具有显著优势,因此,提高球团矿入炉比例,应对由于污染物排放及能耗高带来的烧结矿限产问题已成为现阶段我国高炉冶炼的重要发展方向之一。球团矿比例提高后,为保障含铁原料冶金性能、平衡炉渣碱度并改善炉渣流动性,球团矿也将作为碱性及镁质熔剂的载体,传统的酸性氧化球团将向碱性球团、镁橄榄石球团及镁质熔剂性球团进行转变。然而,我国熔剂性球团的研究和应用仍处于较低水平,熔剂对球团的氧化焙烧、高温还原及软熔行为影响缺乏系统的研究。本文以镁质球团矿及镁质熔剂性球团矿为研究对象,对熔剂在矿粉氧化过程的作用机理、不同类型球团矿还原膨胀行为及熔剂性球团初渣软熔性能进行了系统性研究,研究结果为熔剂性球团的优化生产及合理应用提供理论依据及实践指导。基于国产精矿普遍二氧化硅含量较高的现状,以高硅铁精粉作为实验原料,通过粒度分级,采用热重研究了粒度对铁精粉氧化行为的影响。结果表明,铁精粉粒度细化,可极大降低SiO2等脉石相含量,从而提高铁品位。为促进铁精粉充分氧化,细粒级铁精粉宜采用较低升温速率,而粗粒级铁精粉则适用较高升温速率。以纯试剂模拟磁铁矿成分,采用“未反应核模型”结合物相分析研究了 MgO、三元碱度等对高硅磁铁矿球团氧化过程的影响。研究表明,高硅磁铁矿氧化过程符合“未反应核模型”;相比低硅磁铁矿球团而言,MgO对高硅磁铁矿球团的氧化具有较强的抑制作用。MgO含量的提高不仅会增加MF相{(Fex·Mg1-x)O·Fe2O3}的含量,而且还会促使FeSiO3相的形成,进而稳定磁铁矿晶格,抑制其被充分氧化。保持SiO2含量不变,在较低三元碱度下,磁铁矿球团氧化较为充分,物相反应中CaO为主要反应物。而随着三元碱度的提高,Mg2+替换Fe2+的能力优于Ca2+,MgO成为物相反应的主要反应物。与此同时,在上述替换反应过程中,CaO可充当活化剂的作用,使得磁铁矿球团的氧化更为困难。因此,三元碱度的提高对高硅磁铁矿球团氧化的抑制作用更加显著,高于单一 MgO的作用。还原膨胀率是球团矿最为重要的性能指标之一,现有球团矿的还原膨胀率是以还原前后冷态球团矿的体积差异来进行表征的,未能反映高温还原状态下球团矿真实的膨胀变化过程。本文采用可视化高温实验及图像处理方法,研究了酸性球团、镁质球团及镁质熔剂性球团的热态还原膨胀行为。结果表明,采用国标方法测试的球团矿还原膨胀率均低于图像分析方法测试的还原膨胀率;三类球团矿中,镁质球团矿的还原膨胀率最小,且两种测试方法测试结果的差值最小。因此,国标检测方法更适用于还原膨胀率较低的球团矿。此外,在高温还原过程中,酸性球团矿还原膨胀率在达到最大值后趋于稳定;镁质球团矿和镁质熔剂性球团矿的还原膨胀率均以先升高后降低的趋势变化。其中,镁质球团矿的降幅较大,而镁质熔剂性球团矿在降低到一定值后保持相对稳定。通过研究不同还原气氛下三类球团矿在高温状态下的还原膨胀率变化发现,在低还原气氛下,无论何种球团矿,其还原膨胀率均呈稳步上升趋势;而在较强还原气氛下,除酸性球团矿外,镁质及镁质熔剂性球团矿的还原膨胀率在达到最大值后均以逐步降低趋势变化。因此,MgO熔剂对球团矿还原膨胀率的抑制作用更为突出,其国标检测的还原膨胀率更贴近于实际高温还原状态。含镁熔剂的添加会促进渣相中FeO含量的升高。因此,本论文针对镁质酸性球团矿的MgO-SiO2-FeO体系,研究了 MgO/SiO2及FeO对其软熔行为的影响。研究结果表明,随着MgO/SiO2的增高,渣相的软化温度及熔融温度均呈逐步升高趋势;而FeO含量的升高可促使渣相的软化温度及熔融温度降低。进一步研究了 Al2O3对Al2O3-MgO-SiO2-FeO渣系软熔行为的影响。结果表明,Al2O3对渣相的软熔性能影响较小,但会小幅度提高软化温度。基于镁质熔剂性球团矿的应用背景,研究了四元碱度及反应气氛对初渣软熔行为的影响。研究结果表明,在较低CaO含量情况下,CaO对渣相软熔特征温度的影响较小。随着CaO提高至30%以上,其软化、熔融及渗透温度均有所升高,改善了渣相的软熔性能。四元碱度的提高可促进渣相软化及熔融温度的提高。将气氛中CO/CO2比例从3/7提高至7/3时,软化及熔融温度的变化较小。但由于FeO的还原更为充分,固相铁含量大幅度增加,致使渗透温度相应升高。因此在较高还原气氛下,四元碱度的提高更易于改善渣相的软熔性能。