氧化球团还原过程中强度的变化规律及机理研究

2019-12-28 10:56:48 作者:huangj 来源: 浏览次数:0 网友评论 0

铁矿氧化球团作为重要的炼铁炉料,在还原过程中强度下降引起球团的破裂、粉化,从而对生产造成严重影响。
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黄柱成,易凌云,梁之
  1 前言
  球团矿是重要的竖炉冶炼原料,具有粒度均匀、强度高、炉内透气性好、适应性广泛等特点,竖炉冶炼中适当提高球团矿的比例,可改善料柱的透气性,提高冶炼强度[1,2]。但是由于氧化球团矿在还原过程中强度下降,引起球团粉化,从而对生产造成严重影响。
  球团的强度与球团内部结构的变化密切相关,在高温还原过程中,引起球团强度变化的原因主要来源于两个方面[3~8]:一是铁氧化物还原产生的相变应力,认为含铁矿物相变将引起体积的膨胀或收缩,从而在球团内部产生应力;二是由于高温产生的热应力,球团受热后,表层温度高于中心温度,表层向外膨胀,在球团内部产生拉应力,当产生的拉应力大于球团抗拉强度时,球团内部将出现裂纹。研究结果表明[2,3,8],赤铁矿在还原过程中,在任何情况下都会膨胀,其膨胀过程将持续到浮氏体的生成,测得立方体纯赤铁矿还原过程体积变化为Fe2O3(100%)→Fe3O4(124%)→FexO(131%)→Fe(126%)。S.P.E. Forsmor[9]认为the dissociation of hematite back to magnetite leads to an increase in the volume of the oxidized shell。因此,Kurt Meyer[10]建议在球团焙烧过程中,不生成赤铁矿结晶,而是生成其它结构(如磁铁矿),以减小球团还原过程中的体积膨胀,从而减弱还原对球团结构的影响。刘人达[11]、G.H.盖格[12]认为,球团的导热特性能对还原过程产生很大的影响,它取决于温度、金属化率和球团的孔隙率。Akiyama[13]研究了球团的热传导过程,提出多孔球团导热系数可表示为:ke=ekg+(1-e)ks式中ke为有效导热系数,kg为气相导热系数,ks为固相导热系数,e是球团的孔隙率。李建等[8]认为球团受热后,表层温度高于中心温度,表层向外膨胀,在球团内部产生拉应力,当产生的拉应力大于球团抗拉强度时,球团内部将出现裂纹。Simon M. Iveson[14,15]研究了液相粘结球团的强度主要由以下三种因素决定:1.interparticle friction; 2.capillary and surface tension forces in the liquid between the particles; 3. viscous forces in the liquid between the particles.
  作者在铁矿氧化球团的气基还原研究过程中发现,球团的抗压强度随着还原过程的进行呈先减小后增大的类“V”型变化趋势,与前人研究结果一致[1,3,7,8]。此外,本文研究发现氧化球团在还原刚开始的很短时间内(~1min)强度急剧下降,球团强度损失达75.04%,对于此强度骤降的现象及其产生机理却鲜有报道。因此本研究目的在于考查还原中强度降低的影响因素,并揭示其这一现象形成的内在机理。
  2 试验原料与研究方法
  2.1 原料性能
  氧化球团矿来自某球团厂,其化学成分如表1;相应的粒度组成及其他性质如表2。
   表1 氧化焙烧球团主要化学成分/%

成分

TFe

FeO

SiO2

Al2O3

MgO

CaO

LOI

含量

64.24

0.24

5.31

1.55

0.61

0.56

0.04


表2 氧化球团的粒度组成、堆密度及抗压强度

名称

>16mm/%

10~16mm/%

5~10mm/%

<5mm/%

堆密度/kg/m3

抗压强度/N/

氧化球团

5.24

94.32

0.44

0

1774.42

2973.30

  实验所用氧化球团含铁品位为64.24%,脉石矿物以石英为主,球团粒级集中在10~16mm,抗压强度很高,本实验主要采用粒度为~12mm的球团矿。根据前期研究工作[16,17],试验用还原气体由H2、CO、CO2、N2四种纯度均为99.99%的气体按不同比例混合而成(见表3),还原气总流量为0.18m3/h。
 
   表3 还原气组成

还原气成分

H2

CO

CO2

N2

含量/%

34

34

2

30


2.2 研究方法
 
  首先筛选~12mm的球团矿100g,经过烘干后在还原炉中还原,还原过程结束,经冷却后取样进行球团的抗压强度检测、显微硬度测定、矿相鉴定及扫描电镜(SEM)分析。气基还原装置包括电子天平、石英管(直径35mm,长550mm)、电阻炉、通气管、设备控制系统等,如下图1。球团的抗压强度按照国际标准ISO4700-1996进行检测,压力机采用中南大学研制ZQYC-智能抗压测量仪,其最大压力为104N,如下图2。还原球团中颗粒的显微硬度(符号为HV,单位为kg/mm2)采用HVS-1000数显显微维氏硬度计(如图3),本次试验选用的测试力为50克力。球团的矿相鉴定采用德国莱卡公司生产的Leica DMRXP显微镜,并利用QWin图像分析系统对球团内部孔隙及分布进行定量分析。还原过程球团内部微观结构分析采用中科院北京科仪厂生产的FEI Quanta-200环镜扫描电子显微镜。

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