含碳球团冷固成型性能研究

    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

    （一）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  煤粉与矿粉的粒度组成及堆密度

    （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、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×31.00mm×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，放入干燥箱内进行烘干，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

表3  试验方案和结果

    对表3试验结果进行分析，用S_Al表示因素A取第一水平时相应的试验结果之和，S_A2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，S_A4表示因素A取第四水平时相应的试验结果之和，即：

    S_Al=P₁＋P₅＋P₉＋P₁₃

      =326＋732＋473＋417=1948    （1）

    S_A2=P₂＋P₆＋P₁₀＋P₁₄

      =1631＋418＋2011＋1218=5278    （2）

    S_A3=P₃＋P₇＋P₁₁＋P₁₅

      =1902＋1776＋437＋1876=5991     （3）

    S_A4=P₄＋P₈＋P₁₂＋P₁₆

      =606＋838＋1082＋737=3263     （4）

    将S_A1、S_A2、S_A3、S_A4分别除以4得到：

        （5）

        （6）

        （7）

        （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

    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：

    R_A=1498-487=1011    （9）

    R_B=1306-705=601    （10）

    R_C=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。