一种巴西低铝粉矿在宝钢的试验研究

2020-05-15阎丽娟吴胜利

宝钢技术 2020年2期

阎丽娟 ,吴胜利

(1.宝山钢铁股份有限公司,上海 201900; 2.北京科技大学,北京 100083)

1 概述

近年来,随着对铁矿石需求的持续增加,世界铁矿石的年生产能力也随之有较大幅度增加,2017年为21.6亿t,2017年铁矿石的海运贸易量为15.5亿t。在世界铁矿石市场,澳大利亚和巴西为主的两大出口国不断进行扩产,随着产量的增加,原有矿山高品位资源逐渐减少甚至枯竭,取而代之的新矿山铁矿石质量有所下降。烧结配矿面临的难点是传统粉矿质量劣化,硅、铝、磷等含量升高、铁品位降低。

巴西铁矿资源主要位于南部米纳斯吉拉斯州铁四角矿区和北部巴拉洲卡拉加斯,2018年推出了新的粉矿产品:一种特殊设计的混合矿即低铝粉矿,具有较低的Al2O3和P含量,较高的铁品位;其Al2O3含量控制在0.8%以内,P为0.045%,铁品位为64.5%,SiO2含量控制在5.0%左右,小于0.15 mm为50%左右;产自铁四角地区,由部分球团粉参与混矿。该产品可以作为低铝粉矿的一种选择,因此,对巴西的这种低铝粉矿进行了实验室试验和工业试验。

2 巴西低铝粉矿基础性能及研究方法

2.1 巴西低铝粉矿的理化性能

将该巴西低铝粉矿与目前使用的部分巴西粉矿和加拿大精粉进行了比较,详细情况如表1、2和图1所示。

从主要化学成分来看,该低铝粉矿品位较高,低于巴西卡拉加斯粉矿和加拿大卡罗尔湖精粉,高于图巴朗粉矿;SiO2含量较高,高于巴西卡拉加斯粉矿和加拿大卡罗尔湖精粉,低于图巴朗粉矿,其Al2O3和磷含量较低,均与图巴朗粉矿相近,比卡拉加斯粉矿低,比加拿大卡罗尔湖精粉高。该低铝粉矿粒度组成较细,小于0.25 mm的比例为65.0%左右;比卡拉加斯粉矿和图巴朗粉矿粒度组成细,与加拿大卡罗尔湖精粉相比,中间粒级的比例略低、核颗粒的比例略高。

表1 巴西低铝粉矿与巴西粉矿和加拿大卡罗尔湖精粉主要成分比较

表2 巴西低铝粉矿与巴西粉矿和加拿大卡罗尔湖精粉粒度组成比较

2.2 巴西低铝粉矿的矿物组成

图2为几种矿粉的X射线衍射图谱。从图2(a)可以看出,该巴西低铝粉矿中赤铁矿的衍射峰数量多且峰值高,表明该粉矿的含铁矿物主要是赤铁矿。就脉石矿物而言,主要为石英和高岭石。根据以往的研究得知,卡拉加斯粉矿和图巴朗粉矿中赤铁矿矿物衍射峰多且峰值高,针铁矿矿物衍射峰少且峰值低,说明巴西的卡拉加斯粉矿和图巴朗粉矿的含铁矿物也主要是赤铁矿,并含有少量的针铁矿;就脉石矿物而言,卡拉加斯粉矿和图巴朗粉矿中石英的衍射峰相对于三水铝石的衍射峰,数量相对较多且峰值相对较高,说明这两种矿脉石主要以石英形式赋存,少量以三水铝石形式赋存。卡拉加斯粉矿和图巴朗粉矿的X射线衍射图谱如图2(b)、(c)所示。从图2(d)卡罗尔湖精粉X射线衍射图谱看,其含铁矿物主要为赤铁矿,同时还含有部分磁铁矿。就脉石矿物而言,卡罗尔湖精粉中石英的衍射峰数量相对较多且峰值相对较高,说明其脉石矿物主要是石英。

2.3 巴西低铝粉矿的气孔率

由于铁矿粉的成因不同,反映在气孔上有较大差异,从而对其在烧结过程中的行为和作用产生影响。试验取粉矿中小于0.074 mm的颗粒,采取用气体吸附法测定粉矿高温脱水后的气孔率,试验结果如表3。由于巴西粉矿和加拿大精粉主要为赤铁矿,其烧损均较低,气孔率均较低。该巴西低铝粉矿的气孔率低于卡拉加斯粉矿和图巴朗粉矿、略高于加拿大卡罗尔湖精粉。

2.4 巴西低铝粉矿的烧结基础特性

2.4.1 试验方法

微型烧结法是一种实验室模拟铁矿粉烧结工艺过程的试验研究方法。同化性[1,3-4]是指铁矿粉与CaO反应生成一定液相的能力,试验中将铁矿粉试样小饼与CaO试验小饼在接触面上发生反应开始熔化产生少量液相而不脱落时的温度定为最低同化温度,用以评价铁矿粉的同化性能。铁矿粉的液相流动性[1,5]是指在CaO比例一定的前提下,通过测定不同铁矿粉与熔剂反应生成液相的流动能力。液相流动性的评价指标为液相流动性指数,指试样烧结流动后和烧结前的原始垂直投影面积的增量与试样烧结前的原始垂直投影面积的比值,具体如式(1)所示。

表3 巴西低铝粉矿与巴西粉矿和加拿大卡罗尔湖精粉气孔率比较

(1)

式中:L为液相流动性指数;S1为试样原始面积;S2为试样流动后面积。

铁矿粉的黏结相自身强度[1-2],是指在CaO比例一定的前提下,通过测定不同铁矿粉与CaO反应后生成黏结相的自身强度,来评价黏结相自身强度特性,黏结相自身强度特性的评价指标为抗压强度。通过微型烧结法对巴西低铝粉矿的烧结基础特性进行试验研究。

2.4.2 巴西低铝粉矿的同化性

如表4,巴西低铝粉矿的最低同化温度与图巴朗粉矿相近,略高于巴西卡拉加斯粉矿,略低于加拿大卡罗尔湖精粉。这与铁矿粉脱水后气孔率的高低正相关,随着脱水后气孔率的增加,铁矿粉最低同化温度呈现降低趋势。这是因为气孔率增加,扩大了铁矿粉与CaO的接触面积,改善了反应动力学条件,降低了同化反应的温度。另外,试验发现含有Fe3O4的加拿大卡罗尔湖精粉的最低同化温度最高,这可能是因为Fe3O4几乎不与CaO发生固相反应,这就大大地减弱了两种矿粉生成液相的能力,进而大大地抬高了同化温度,如图3所示。

表4 巴西低铝粉矿最低同化温度

2.4.3 巴西低铝粉矿的液相流动性

在1 300 ℃、CaO比例一定的前提下,分别测定了该巴西低铝粉矿和巴西粉矿、加拿大精粉矿其他三种铁矿粉的液相流动性指数。从表5的试验结果看出,低硅低铝含量的卡拉加斯粉矿液相流动性指数最高,显著高于该巴西低铝粉矿和图巴朗粉矿。该低铝粉矿的液相流动性指数较高,略高于图巴朗粉矿,这是因为其有着较低的Al2O3含量和较低的SiO2含量,该低铝粉矿的液相流动性指数低于巴西卡拉加斯粉矿。由于卡罗尔湖精粉含有Fe3O4,液相流动性指数最低,该低铝粉矿的液相流动性指数高于加拿大卡罗尔湖精粉。

表5 巴西低铝粉矿液相流动性指数

图4为铁矿粉SiO2含量对其液相流动性的影响。从图4中可以看出,随着铁矿粉SiO2含量的增加,其液相流动性呈现下降趋势。这是因为SiO2含量越高,黏附粉的偏析碱度越低,越不利于低熔点矿物铁酸钙生成,液相流动性越低。

2.4.4 巴西低铝粉矿的黏结相强度

在1 300 ℃、CaO比例一定的前提下测定了该巴西低铝粉矿和部分巴西粉矿和加拿大精粉的黏结相自身强度。从表6可以看出,该低铝粉矿介于巴西卡拉加斯粉矿和图巴朗粉矿之间,加拿大卡罗尔湖精粉的黏结相强度高于巴西图巴朗粉矿、巴西低铝粉矿和卡拉加斯粉矿。

表6 巴西低铝粉矿黏结相强度

除含有磁铁矿的加拿大卡罗尔湖精粉外,随着SiO2含量的升高,铁矿粉黏结相自身强度呈现升高的趋势,见图5。这可能是因为SiO2含量上升对硅酸钙的生成是有利的,硅酸钙是高强度的矿物,这样就提高了黏结相自身的强度。加拿大卡罗尔湖精粉则因为Fe3O4的氧化放热而产生更高强度的黏结相。

铁矿粉Al2O3含量对其黏结相自身强度有影响。随着Al2O3含量的升高,黏结相自身强度呈现降低的趋势,见图6。这可能是因为Al2O3会在烧结过程中形成高铝脆性矿物,增大了烧结矿的脆性,降低了黏结相强度。

随着铁矿粉脱水后气孔率的增加,黏结相自身强度呈现下降的趋势,见图7。这可能是由于气孔率增加,破坏了黏结相的整体抗压强度。

3 巴西低铝粉矿烧结杯试验研究

为了解该巴西低铝粉矿的烧结性能,分别以该低铝粉矿5%、10%、15%、20%代替巴西图巴朗粉矿进行烧结杯试验。试验在φ300 mm的烧结杯进行,烧结锅烧结工艺参数如下:点火时间120 s,点火负压8.83 kPa,烧结负压14.71 kPa,冷却负压7.84 kPa,料层高度800 mm,铺底料2.0 kg。试验结果如表7所示。

表7 巴西低铝粉矿烧结杯试验结果

从表7可以看出,随着该巴西低铝粉矿替代图巴朗粉矿比例的增加,由于其粒度细,垂直烧结速度下降,但由于装料量增加,烧结生产率基本稳定;烧结成品率及烧结矿强度略有提高,燃料单耗稍有下降。

4 巴西低铝粉矿工业试验研究

根据以上烧结杯试验的结果,2017年10月,在四烧结开展工业性试验。在四烧结试验期间用该低铝粉矿4%的比例替代巴西图巴朗粉矿,澳洲粉矿等结构保持稳定。从四烧结的试验情况看,该低铝粉矿替代图巴朗粉矿后,在机速保持稳定情况下,由于粒度组成细,负压略有升高,通过提高生石灰粉使用比例、降低层厚等措施后负压可以保持。烧结生产率和成品率保持稳定,烧结矿的强度TI和RDI保持稳定,燃料消耗略有升高,具体见表8、9。