从俊强1，温宝良1，李家新1，张晓萍1,2，杨佳龙1
(1. 安徽工业大学冶金工程学院， 安徽 马鞍山 243032；2. 马鞍山钢铁股份有限公司， 安徽 马鞍山 243003)
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摘 要
细粒级铁精矿球团化有助于增加低品位矿藏的开发及工业应用力度，稳定和拓展国内铁矿供应来源。使用消石灰作为球团的黏结剂与助熔剂，对球团生产提质降耗与节能减排具有重要意义。首次介绍了消石灰配比对细粒级铁精矿生球质量及干燥特性与预热焙烧球强度的影响，试验结果表明，消石灰配比的增加会提高细粒级铁精矿生球的落下和抗压强度，在4%配比时生球落下强度为3.55 次/0.5 m，生球的抗压强度均大于11 N，生球爆裂温度先升高后降低，最高为360 ℃；不同消石灰配比对细粒级铁精矿的干燥特性影响较小，干燥温度和干燥风速则对生球干燥特性有显著影响，Weibull和Dincer模型拟合的结果与试验结果基本一致，模型较为有效，拟合结果表明生球的干燥速率受内外部水分扩散共同控制，干燥温度和干燥风速的增加会导致生球干燥温度分布趋向不均匀，生球干燥活化能值为9 977.30 J/(mol·K)；随着消石灰配比增加，细粒级铁精矿预热球强度始终增加，焙烧球抗压强度则先增加后降低，在配比为4%时达到最大值，为3 800 N。细粒级铁精矿配加4%～6%(质量分数)消石灰较为适宜，该配比下可以获得生球和预热焙烧球强度均符合工业需求的球团；消石灰与细粒级铁精矿制备球团的生球干燥特性研究可为通过干燥设备选择和干燥条件优化来减轻生球干燥破裂现象提供理论支持。
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关 键 词
消石灰； 细粒级铁精矿； 生球质量； 干燥特性； 预热焙烧
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引 言
球团工艺是铁精矿粉团聚造块的重要手段，与烧结工艺相比有着低污染物和碳排放、低能耗等优点，无论是用于生产高炉炉料还是直接还原炉料，其都能够创造出高质量、高强度、冶金性能优良的产品。
作为球团矿主要原料的铁矿石是有限且不可再生的，然而目前高品位铁矿石资源日益枯竭，只能通过对低品位铁矿石进行深度细磨磁选后才能获得铁品位合格但是粒度更加细化的铁精矿粉。由于细粒级铁精矿粉对烧结床气体渗透率和生产率有着不可忽视的负面影响，采用球团工艺处理仍是其目前较好的选择，然而研究中发现，使用细粒级铁精矿粉制备球团矿时却存在球团成球能力弱、生球质量差、热稳定性低、膨润土使用量高、焙烧球团强度不足等问题。
膨润土作为添加到球团中最主要的黏结剂，对生球质量提升有着积极且显著的作用。但是添加膨润土会导致球团中的SiO2和Al2O3等杂质含量增加，从而进一步提高炼铁过程的能耗和成本，近年来，膨润土价格的上涨和优质膨润土资源的短缺也更加限制了膨润土作为黏结剂的使用。石灰石和白云石作为最常用的助熔剂材料，由于其溶解度有限，在颗粒中的分散性非常小，通常不用于黏结，降低膨润土用量能力有限。范建军等研究了细粒级铁精矿以膨润土作黏结剂配加石灰石粉改变球团矿碱度对球团性能的影响，结果表明，随着碱度提高，该方式对生球性能的变化影响不大，仅有助于成品球强度和冶金性能的改善。相比之下，生石灰和消石灰等可溶性助熔剂则可以更容易地改善球团生球质量，其中生石灰的水合熟化过程会导致局部体积增加而损坏生球结构，消石灰中的Ca2+则会降低膨润土的吸水速度与黏结作用，膨润土和消石灰不宜同时配入球团。因此，仅使用消石灰来取代膨润土对细粒级铁精矿球团生产的提质降耗具有重要意义。
目前已经有几个工厂将消石灰用作生产熔剂性球团的黏结剂与助熔剂，如智利的Algorabo和首钢京唐，试验研究中使用消石灰也能获得高强度和冶金性能优良的熔剂球团，朱德庆等研究发现高碱度消石灰熔剂性球团在焙烧固结过程中可生成大量结合相和还原性较好的相，从而能改善球团的冶金性能。Eisele T C和Kawatra S K研究表明，以消石灰作为黏结剂会使生球团抗压和落下强度获得很大提高，且有助于降低球团工艺总能耗。然而，采用消石灰制成的生球却有着干燥过程易开裂的缺陷，这直接限制了该工艺的推广，在当前研究中对该类生球干燥特性的认识也不够全面。
铁矿球团干燥过程的研究重点一直是干燥模型，通过建立干燥模型来预测生球干燥过程中的水分变化对干燥过程调控和干燥工艺优化有着重要意义。目前主要描述干燥的模型有Lewis、Henderson-Pabi、Page、Wang-Singh、收缩核等。但是这些模型的参数是由水分比和干燥时间进行回归计算得出，涉及的参数物理意义往往不够明确，不能准确地描述干燥过程传热与传质进程和现象，与不同干燥方法和工艺结合效果不理想。相比之下，Weibull模型和Dincer模型的参数更有意义，已经在材料学、药物学、农学有了许多成功分析的案例，如对菊芋、葡萄、木瓜的干燥过程分析，然而基于此模型对铁精矿所制备生球的干燥过程模拟还未见报道。
因此，本文研究了消石灰配比对细粒级铁精矿生球质量及干燥特性与预热焙烧球强度的影响，以期为消石灰同时作细粒级铁精矿球团的黏结剂与助熔剂来生产碱性球团这一工艺过程提供理论支持。
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精 选 图 表
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结 论
(1)消石灰配比的增加会提高细粒级铁精矿生球的落下和抗压强度，在4%配比时生球落下强度为3.55 次/(0.5 m)，生球抗压强度则均大于11 N，生球爆裂温度先升高后降低，最高为360 ℃。
(2)不同消石灰配比对细粒级铁精矿的干燥特性影响较小，干燥温度和干燥风速则对生球干燥特性有显著影响。基于Weibull和Dincer模型拟合结果与试验结果基本一致，模型较为有效，拟合结果表明生球的干燥速率受内外部水分扩散共同控制，干燥温度和干燥风速增加会导致生球干燥温度分布趋向不均匀，生球干燥活化能值为9 977.30 J/(mol·K)。根据上述试验结果，建议干燥系统在最初的干燥阶段采用提高干燥风速的策略，以减少生球爆裂现象的发生；在后续的干燥过程中，应逐渐提高干燥风温，以加速水分的挥发速度。
(3)随消石灰配比的增加，细粒级铁精矿预热球强度始终增加，焙烧球抗压强度先增加后下降，在配比为4%(R=1.01)时达到最大值，为3 800 N，消石灰预热分解产生的水蒸气可以促进孔隙形成，有利于预热球团的氧化，氧化钙则会与赤铁矿和二氧化硅在接触表面反应形成铁酸钙，少量液相会改善赤铁矿的再结晶，液相过量则会破坏球团结构。
(4)细粒级铁精矿配加4%～6%消石灰较为适宜，该配比下可以获得生球和预热焙烧球强度均符合工业需求的球团，对消石灰与细粒级铁精矿制备球团的生球干燥特性研究可为通过干燥设备选择和干燥条件优化来减轻生球干燥破裂现象提供理论支持。
