近几年,转底炉直接还原工艺的发展广受关注,该工艺处理对象广泛,尤其是在处理钢铁厂内产生的固体废弃物、含锌铅粉尘和尘泥方面表现出巨大的优势。在处理高炉难以处理的复杂难处理矿,如钒钛磁铁矿综合回收铁、钒Ti02方面也取得了很大进展。转底炉主要工艺流程为:将含碳球团在1200~1400℃的高温下进行直接还原,还原后获得一定金属化率的球团,然后根据不同目的对金属化球团进一步处理。冷固结含碳球团作为转底炉直接还原的原料主体,在转底炉生产环节中要经过运输、布料、还原、出料等过程,因此其各方面的性能影响着转底炉生产的顺畅和效率。
在冷固结球团的粘结剂方面,糖浆由于粘结性强、来源广、价格适中,且主要成分为碳和氧,在转底炉内反应不产生污染气体,反应后杂质少,并能提供部分还原剂和热量,因此是转底炉处理钒钛磁铁矿的首选粘结剂。本文以糖浆作为粘结剂,钒钛磁铁矿和煤粉为原料,研究了不同粘结剂配比、成型压力和水分加入量下对含碳球团冷固结成型性能的影响。
一、试验
(二)试验原料
试验用矿粉为四川攀西地区某厂提供的钒钛磁铁矿精粉,矿粉中各成分含量(质量分数,%)如下:Tfe 56.75,FeO 25.55,Fe203 52.68,TiO2 12.18,V205 0.67,Si02 1.98,CaO 0.62,MgO 2.93,A1203 2.77,S 0.1,P 0.015。煤的固定碳含量82.04%,挥发份6.58%,灰分9.88%。矿粉与煤粉的粒度分布及堆密度见表1。
表1 煤粉与矿粉的粒茺组成及堆密度
原 料 | 粒度组成/% | 堆密度/(g·cm-3) | |||||
+0.40mm | 0.15~0.40mm | 0.125~0.15mm | 0.098~0.125mm | 0.074~0.098mm | -0.074mm | ||
矿 粉 煤 粉 | 0.65 21.05 | 20.85 23.25 | 52.80 15.20 | 22.10 17.85 | 2.30 12.70 | 1.30 9.90 | 2.78 0.97 |
(二)研究方法
试验流程包括原料烘干、配料、混匀、造球、干燥、测试等几个环节。烘干设备使用的是101-lAB型电热鼓风干燥箱,原料烘干温度选择200℃,烘干时间选择120min。矿粉和煤粉的配比(质量比)是:m(矿粉)︰m(煤粉)=5︰1,原料混合均匀后按正交表加入一定比例粘结剂和蒸馏水了搅拌均匀。混合均匀的原料采用对辊压球机进行冷固结成型,并根据正交表设定成型压力。对辊压球机主要技术参数为:压块尺寸40.0mm×3l.00mm×20mm,压块体积14cm3,压辊宽50mm,最大转速20r/min,最大液压压力20MPa。干燥后的球采用DL-Ⅲ型智能颗粒强度测定仪测定球团强度,测定仪的测量范围是0~5000N。
二、结果与分析
(一)试验设计与结果
含碳球团经过冷固结成型后,放入干操箱内进行烘干,烘干条件选择300℃,烘干时间选择30min,烘干后取5个球测其抗压强度,然后取平均值作为球团的抗压强度。根据正交试验原理,因素水平设计见表2,试验结果见表3。
表2 正交试验因素水平
因素水平 | 粘结剂含量(因素A)/% | 成型压力(因素B)/MPa | 水分加入量(因素C)/% |
1 2 3 4 | 4 5 6 7 | 10 12 15 18 | 1 2 3 4 |
表3 试验方案和结果
试验号 | 粘结剂含量(因素A)/% | 成型压力(因素B)/MPa | 水分加入量(因素C)/% | 干球抗压强度(P)/N |
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | 4 5 6 7 4 5 6 7 4 5 6 7 4 5 6 7 | 10 15 12 18 18 12 15 10 12 18 10 15 15 10 18 12 | 3 1 2 4 2 4 3 1 1 3 4 2 4 2 1 3 | 326 1631 1902 606 732 418 1776 838 473 2011 437 1082 417 1218 1876 737 |
对表3试验结果进行分析,用SA1表示因素A取第一水平时相应的试验结果之和,SA2表示因素A取第二水平时相应的试验结果之和,S A3表示因素A取第三水平时相应的试验结果之和SA4表示因素A取第四水平时相应的试验结果之和,即:
SAl=P1+P5+ P9十P13=326+732+473+417=1948 1)
SA2=P2+P6+P10+P14=1631+418+2011+1218=5278 (2)
S A3=P3+P7+P11+P15=1902+1776+437+1876=5991 (3)
SA4=P4+P8+P12+P16=606+838+1082+737=3263 (4)
将SA1、SA2、SA3、SA4分别除以4得到:
=SA1/4 =487 (5)
=SA2/4=1320 (6)
=SA3/4=1498 (7)
=SA4/4=816 (8)
式(5)-(8)中 表示成型压力和水分加入量处于综合平均意义下,添加粘结剂的量分别为4%、5%、6%、7%时的成球抗压强度。对于因素B和因素C也用同样的方法计算,计算结果见表4。
表4 试验结果正交分析
项目 | 因素A | 因素B | 因素C |
S1 S2 S3 S4
R | 1948 5278 5991 3263 487 1320 1498 816 1011 | 2819 3530 4906 5225 705 883 1227 1306 601 | 4818 4934 4850 1878 1205 1234 1213 470 764 |
在正交试验中,如果某水平因素对结果起主要影响,则在数量关系上应该表现为该因素各水平之下的指标综合平均值 间相差较大,反之,如果各个 间相差较小,则说明该因素不是主要因素,根据表中 值,计算出因素A、B、C的极差分别为:
RA=1498-487=1011 (9)
RB=1306-705=601 (10)
RC=1234-470=764 (11)
由式(9)~(11)可见A、B、C 3个因素当中,影响球团抗压强度的主要因素是A粘结剂含量,其次是因素C水分加入量,因素B成型压力对球团的抗压强度影响相对较小。因此要想获得较高抗压强度的球团,首先是选择合适的粘结剂配比。
(二)各因素对试验结果的影响
为了更清楚的描述各因素对成型后球团抗压强度的影响,用各因素分别与该因素下的综合平均抗压强度值做图,见图1。
从图1可以看出,各因素对冷固结球团的抗压强度影响各不相同,抗压强度随粘结剂加入量的增加先增加后减少;随成型压力增加的变化趋势是一直增加,但增加幅度越来越小;水分加入量在3%以下时,对球团的抗压强度影响不大,继续增加水分加入量,球团的强度急剧下降。
综合表2和图1的分析可以确定最优水平组合是A3B4C2,即粘结剂含量为6%,成型压力18MPa,水分加入量为2%时的冷固结球团的抗压强度最高,在进行的16次试验中没有包括此组合,因此,继续进行A3B4C2水平组合试验,试验获得的球团烘干后的平均抗压强度为2723N。该结果高于试验中的最大值,因此,是试验条件下的最优组合。
三、结论
(一)通过正交试验分析了粘结剂加入量、成型压力和水分加入量3个因素对冷固结球团成球抗压强度的影响,试验结果表明粘结剂的加入量对球团的抗压强度影响最大,其次是水分加入量、成型压力。
(二)粘结剂对成型后球团抗压强度的影响是先增后减,在加入6%的糖浆时,成型压力与成型后球团抗压强度的关系是随成型压力的增加,球团抗压强度不断增加;水分加入量不大时对球团强度影响也不大,当含量超过3%以后,球团强度随水分含量的增加急剧降低。
(三)用正交试验的方法获得最优组合A3B4C2,即粘结剂含量为6%,成型压力18MPa,水分加入量为2%。在该工艺条件下球团的平均抗压强度可以达到2723N。