焙烧球团矿的目的在于固结,固结使它具有一定的机械强度,以满足长途运输和高炉冶炼的要求(球团矿应有一定的机械强度及良好的还原性,而此二者往往矛盾,即强度好者,还原性较差,反之亦相反,酸性球团矿尤为突出)。讨论影响球团矿焙烧固结的因素,应以改善其冶金性质为目标。
(1)铁精矿的矿物类型。生产球团矿常用的原料有磁铁矿和赤铁矿二种。就成球性而言,赤铁矿优于磁铁矿,就焙烧固结性能而言,则相反。磁铁矿更易固结的原因有二:一为焙烧过程中,磁铁矿发生氧化和晶变二为氧化放热效应。赤铁矿则全靠高温下的再结晶,故要求更高的焙烧温度。
铁精矿中含有脉石,有的数量不多,但对焙烧固结有重要影响。脉石矿物品种很多,其对球团固结的影响机理,不外乎能否与铁矿物反应,是否能成为液相,以及液相对铁矿物的润湿能力。
为了研究脉石的影响,以常见的石英和长石为例。石英熔点甚高,在氧化气氛中,不与赤铁矿反应。长石熔点较低,在焙烧温度下成为液相,并对赤铁矿润湿性强,极易渗入铁矿晶粒间隙。现取极纯的赤铁矿精矿(含SiO2仅0.15%)分,别配以不同数量的石英粉、长石粉,在空气中以1250℃焙烧30分钟,然后测定其强度,并在显微镜下观察其结构,其结果见图1.石英不参与反应,故对强度无明显的影响,而长石熔融,渗入赤铁矿晶粒之间,形成液相渣键,只要有2%,便对固结影响显著。还原性实验表明,石英对于球团矿的低温(550℃)、中温(900℃)还原性没有影响,只恶化其高温(1250℃)还原性。长石将孔隙堵塞,并且封闭了部分赤铁矿表面,使球团矿的还原性全面降低。
铁精矿粒度和粒度组成对于固结的影响,与对成球性的影响一致。粒度小,比表面积大,不仅有利于气一固相反应,而且有利于固一固相反应,它使磁铁矿氧化迅速,表面晶格缺陷较多,易于进行固相扩散反应。所以原料粒度细,球团矿强度高。此外粒度对气孔率和气孔大小有关,强度高的球团矿,其气孔必然小而均匀。[next]
(2)焙烧温度的影响。焙烧温度水平,对于球团矿固结影响最大。一般认为温度愈高,反应速度愈快,对磁铁矿氧化反应如此,对赤铁矿扩散、再结晶也如此。实际上,预热温度到达900°~1000℃以上,再提高温度对加速磁铁矿氧化作用不大。
赤铁矿或磁铁矿再结晶和晶粒长大的速度,主要决定于焙烧温度。图2是焙烧温度对于球团矿抗压强度的影响。由图可见,在1000℃以下,球团矿的强度增长缓慢。只有更高的温度。才能使其强度迅速提高。对不同的原料制成的球团矿,适宜的焙烧温度各异。在图2中,焙烧磁铁矿球团的适宜温度尚不及1200℃,这可能因为磁铁矿氧化成亦铁矿放热反应,使球团矿内部温度高于焙烧介质温度。
(3)加热速度的影响。焙烧球团矿时,加热速度可以在120℃/分至57℃/分范围内变动。对不同原料,要通过实验探求适宜的加热速度。
升温过快会使磁铁矿球团中心得不到充分氧化,升温过慢使设备生产率降低。
此外,球团矿导热性不良,升温过快使沿半径方向温差升高,因膨胀差异而产生裂纹,降低了球团矿的强度。实验证明,降低加热速度到57~80℃/分,保持总焙烧时间不变,可使球团的强度,由88千克力/个(862.9852牛/个)增加到222千克力/个(2177.0763牛/个)。图3是对我国某地球团矿实验的结果。
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(4)高温下持续的时间。球团矿固结过程中,一系列物理及化学变化,均需一定时间才能完成,因此必须在高温下持续一定时间。
为了研究球团矿在高温下持续时间的影响,以赤铁矿做成球团矿,其实验结果见图4.对于每一个温度水平,都有一相应的临界时间。超过此时间,球团矿的强度不会再升高。在1350℃以下,随温度水平升高,临界时间缩短。
(5)焙烧气氛的影响。焙烧气氛的性质按含氧量而定,分类如下:
含O>8%: 强氧化气氛
含O:4~8%: 氧化性气氛
含O:1.5~4%: 弱氧化气氛
含O:1~1.5%: 中性气氛
焙烧气氛的性质,对于磁铁矿球团十分重要,它关系到磁铁矿的氧化。为了使焙烧介质中含氧量达到需要的程度,应当使用高发热值燃料。焙烧赤铁矿球团,虽然不存在氧化的要求,但要求较高的焙烧温度,故仍不能降低对燃料的要求。
(6)冷却的影响。冷却是焙烧球团矿过程中的一个环节。它虽然不直接作用于焙烧固结过程,却严重影响焙烧固结的后果。过快的冷却速度,造成沿球团矿半径收缩不均,产生应力,使球团矿的强度降低。见图5其中1-实验室试验;2-工业试验。
为了研究冷却对球团矿强度的影响,将磁铁矿精矿球团在1250℃下焙烧,然后分别以不同速度冷却。结果发现,冷却速度为70~80℃/分时,球团矿的强度最高。
在工业生产中,为了获得高强度的球团矿,应以100℃/分的冷却速度,使球团矿降到运输皮带可以承受的温度,用喷水激冷,会严重破坏球团矿的强度。