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2024

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03

腐植酸粘结剂对含钒钛磁铁矿精矿制备氧化球团的影响(1)

关键词:

含钒钛磁铁矿,氧化球团,粘结剂,膨润土

来源:公司内部


1. 简介

在碳峰值和中和目标的背景下,如何实现碳减排已成为中国钢铁行业关注的焦点。用冶炼性能更好、污染更少的球团代替高比例的烧结矿被认为是高炉运行的重要途径之一。2022年,中国颗粒生产总量达到2.3亿吨,新增产能800万吨。根据钢铁行业规划,未来5年,颗粒利用比例将从目前的17%提高到30%左右,对应碳减排4000万吨。

 

粘结剂是氧化球团生产的重要辅助原料,其性能直接决定球团的质量。目前国内大多数颗粒厂普遍采用膨润土作为粘结剂。投加量在1.5%~2.0%之间,有时高于3.0%,远高于国外颗粒的平均水平(0.6%~0.8%)。膨润土的使用不可避免地降低了球团的铁品位,从而增加了高炉的燃料消耗。为了避免这一缺陷,开发了有机粘合剂。有机结合剂在高温焙烧过程中可以烧尽,几乎没有残留物,不会影响球团铁品位。然而,使用有机粘结剂总是会导致烧结球团的强度下降,这是由于氧化铁颗粒之间的孔隙率较高,结合相较少。在此基础上,课题组发明了一种HA粘结剂(一种由有机和无机组分组成的新型粘结剂)。它具有高粘结性能和低残留的优点,因此在生产铁矿石球团中具有良好的应用前景。

 

含钒钛磁铁矿(VTM)是中国典型的多金属矿石,其铁品位较低(57%~60%),一直是难选的矿石。与普通磁铁矿精矿相比,氧化球团总是需要更多的膨润土、更高的温度和更长的时间。因此,将HA复合粘结剂应用于VTM造粒,对VTM造粒生产的升级换代具有重要意义。通过与膨润土的对比,系统研究了HA粘结剂对VTM成球、预热和焙烧行为的影响。采用XRD、光学显微镜、SEM-EDS等手段深入研究了矿相在高温过程中的形态演变和相互作用特征,以解释vtm氧化球团的硬化机理。

 

2. 实验材料与方法

2.1. 材料

本工作中使用的含钒钛磁铁矿、膨润土和石灰石的组成见表1。天然碱度(CaO/SiO2)为0.17的VTM主要由55.45%的全铁和11.17%的TiO2组成。该膨润土SiO2含量为59.66%,Al2O3含量为12.43%,Na2O含量为2.68%,为典型的钠基膨润土。采用CaO含量为49.92%、MgO含量为2.21%的石灰石作为氧化球团的碱度调节添加剂。


表1. VTM精矿和膨润土的化学成分/wt%

成分 Fe Total FeO TiO2 V2O5 SiO2 CaO MgO Al2O3 K2O Na2O LOI
VTM 55.45 32.36 11.17 0.61 4.39 0.75 3.16 3.05 0.02 0.11 −1.33
膨润土 - - - - 59.66 4.60 3.40 12.43 0.94 2.68 14.08
石灰石 - - - - 2.35 49.92 2.21 0.37 0.11 0.05 42.77

 

根据XRD图谱(图1a),鉴定VTM为钛磁铁矿精矿,其中含有少量钛铁矿和微量钙镁石。SEM图像(图1b)显示,VTM颗粒不规则,粒径分布在10~100 μm之间。粗颗粒主要是磁铁矿(白色)和脉石(浅灰色),而细颗粒几乎完全是纯磁铁矿。

 

图1. VTM的XRD图(a)和SEM图(b)

 

VTM精矿、膨润土和石灰石的粒度分布如图2所示。VTM的D50为35.22 μm,是一种适合的制粒原料。原料中含有适量的细颗粒,可以提高生坯球的强度和球团的固结。对于粒径分布相似的膨润土和石灰石,其D50分别达到7.75 μm和6.75 μm。一般来说,细粒度有利于添加剂(膨润土和石灰石)在VTM精矿中的分散和混合,因此有利于其造球过程。

 

图2. VTM精矿(a)、膨润土(b)和石灰石(c)的粒度分布

 

本研究中使用的HA基粘结剂的初步分析和HA粘结剂灰分的化学成分见表2。HA粘结剂的水分、挥发物和固定碳含量分别为15.62%、18.21%和26.66%,均在球团烧结过程中燃烧殆尽。烧结球团中SiO2含量为56.90%,Al2O3含量为24.69%,Na2O含量为6.80%,剩余灰分约为39.51%。

 

表2. 羟基磷灰石粘结剂的近似分析(ad)和粘结剂灰分/wt%的化学成分

成分 水分 挥发物 固定碳 灰的化学成分
Fe2O3 SiO2 CaO MgO Al2O3 Na2O
Mass/wt% 15.62 18.21 39.51 26.66 5.86 56.90 0.58 0.70 24.69 6.80

 

2.2. 方法

成球:VTM精矿与一定量的膨润土、HA粘结剂或石灰石充分混合。用盘式制粒机(Φ 1 m,倾角45°,转速23转/分)在10~12 min内将混合物制粒成生球团,水分为~8.0%。然后对尺寸为10~ 16mm的生球团进行了跌落强度、抗压强度和破蚀温度的测试。

 

烧结:为模拟工业篦机窑焙烧过程的热调节,在实验管式炉上分两个阶段进行球团烧结:(1)预热,干燥的生球团在900~1000℃下焙烧12~18 min;(2)氧化焙烧,将预热好的球团在1200~1300℃下焙烧8~12 min,用万能材料试验机(KL-WS)测定烧结后球团冷却至室温时的抗压强度。

 

表征:通过x射线衍射(Rigaku, Japan, D/max2500)鉴定氧化球团的矿物相组成。利用光学显微镜(德国Leica, DMRXP)和扫描电镜(FEI,荷兰,Quanta-200)对氧化球团中矿物的形态和分布特征进行了观察。

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