Al2O3对球团矿性能的影响

桑 斌，常生朝，尤胜强

（安徽工业大学冶金工程学院，安徽 马鞍山 243002）

高品位的铁矿石的消耗量飞速增长，低品位矿石开始被更多运用，因此矿石中氧化铝的含量逐渐增加[1]，而像澳大利亚的纽曼山和哈莫斯利，以及印度的卡洛德加和果阿的铁矿石中，氧化铝含量均已超过2%[2]。可以预计，越来越多的高铝矿将运用于高炉中。所以，研究Al2O3对球团矿性能的影响的实验就显得非常重要了。

1 实验原料及方法

本次实验采用精矿粉与熔剂精炼渣作为球团原料，添加不同Al2O3配比，各组w（Al2O3）分别为：1.16%（不加Al2O3）、2.00%、3.00%、4.00%、5.00%，研究生球强度、焙烧后成品球强度、还原性及金属铁析出形貌。m（FeO）:m（TFe）比值大于28.6%，表明此种精矿粉为磁铁矿[3]。精炼渣中含有较高的w（SiO2），为11.86%。SiO2的含量过高，需要添加更多的CaO，球团抗压强度降低，且会降低磁铁矿的还原膨胀率。精矿粉粒径-0.074 mm占比83.55%，而精炼渣粒径主要集中在0.074～0.165 mm内，粒径较粗，影响球团强度。

根据配比称取烘干后2 kg精矿粉，精炼渣做熔剂，加入不等量Al2O3，在混匀器中进行混匀；将混匀后的混合料加5%水的润湿，静置30 min后，在圆盘造球机上进行造球，造球时间为25～30 min；球团造好后，利用10.0～12.5 mm的圆孔筛筛分出合格生球，生球水分控制在7.5%左右，检测生球质量。而圆盘造球机主要参数：圆盘直径为1 000 mm，挡板高130 mm，圆盘倾角实验设置为45°，圆盘转速为22 r/min。从圆盘造球机中随机取出生球测定数值，生球质量合格的球团先在105℃的烘箱中保温8 h，再对精炼钢渣制备的高碱度球团进行预热及焙烧实验，预热温度为950℃，焙烧温度固定为1 250℃。在高温焙烧条件下，磁铁矿球团氧化过程从外表面沿同心球面的方向向内推进，Fe2O3形成晶粒扩散能力增强，并经过再结晶长大，以及液相黏结使得球团具有较高的强度。之后对焙烧后的球团矿进行抗压强度、孔隙率的测定以及矿相分析。根据国标条件进行的球团还原膨胀实验，通过测定球团还原反应前后的体积变化，来计算球团还原膨胀率以及还原度，并通过扫描电镜检测手段分析球团表面的微观结构及金属析出的形貌。

2 实验结果分析

2.1 Al2O3对球团矿生球性能的影响

成品球团生球性能的变化规律：随着Al2O3配比增加，生球落下强度和抗压强度均呈先升高后降低的趋势，w（Al2O3）在1.16%～2.00%范围内增加时，球团的生球落下强度和抗压强度均呈上升的趋势，w（Al2O3）在2.00%～5.00%范围内增加时，球团的生球落下强度和抗压强度快速下降。当w（Al2O3）为2.00%时，生球落下强度和抗压强度分别达到最大（6.7次、18.44 N）；当w（Al2O3）为5.00%时，生球落下强度和抗压强度分别达到最小（4.2次、11.51 N）。爆裂温度看不出规律变化，在450～500℃范围内波动。而水分保持在7.5%左右。

2.2 Al2O3对焙烧后球团的影响

2.2.1 Al2O3对球团孔隙率的影响

成品球团孔隙率的变化规律：随着w（Al2O3）的增加，球团孔隙率呈现先降低后升高的趋势。w（Al2O3）在1.16%～2.00%范围内增加时，球团孔隙率略微下降；w（Al2O3）在2.00%～5.00%范围内增加时，球团孔隙率会快速增加。当w（Al2O3）为2.00%时孔隙率最低（10.82%）；当w（Al2O3）为5.00%时孔隙率最高（15.71%）。

2.2.2 Al2O3对球团抗压强度的影响

成品球团抗压强度的变化规律：随着w（Al2O3）增加，球团的抗压强度先升高后降低。w（Al2O3）在1.16%～2.00%范围内增加时，球团的抗压强度略微增加；w（Al2O3）在2.00%～5.00%范围内增加时，球团的抗压强度逐渐降低。当w（Al2O3）为2.00%时，球团抗压强度达到最大（2 568 N）；当w（Al2O3）为5.00%时，球团抗压强度最低（1 674.7 N）。

2.2.3 Al2O3对球团矿相结构的影响

当w（Al2O3）在1.16%～4.00%范围内时，焙烧球团的物相组成主要是Fe2O3、铁酸钙以及硅铝酸盐（2FeO·2Al2O3·5SiO2）；当w（Al2O3）为5.00%时，焙烧球团物相除Fe2O3、铁酸钙以及2FeO·2Al2O3·5SiO2以外，还有黄长石。当添加少量的Al2O3时，Al2O3进入硅酸盐体系形成2FeO·2Al2O3·5SiO2，从而减少了FeO、Fe3O4与SiO2的结合量，释放了FeO和Fe3O4的一部分，从而降低了铁橄榄石对再结晶和多晶生长的抑制作用，改善了Fe2O3的重结晶，导致球团矿抗压强度略有升高。但是，随着w（Al2O3）继续增加，单独存在的一部分Al2O3分散在球团矿中，这种高熔点的Al2O3质点将会阻碍离子在晶格之间的扩散以及晶粒之间多晶的长大，球团矿抗压强度逐渐下降，另外脉石之间也会发生反应生成如黄长石等。

2.3 Al2O3对球团还原膨胀率及还原性的影响

2.3.1 Al2O3对球团还原膨胀的影响

w（Al2O3）为1.16%时，球团表面裂纹较大，膨胀率也比较大；随着w（Al2O3）的增加，球团的裂纹逐渐增大，数量也增多，膨胀得也越来越严重，球团结构遭到破坏，尤其w（Al2O3）为2%时膨胀最为严重；随着w（Al2O3）的继续增加，球团表面裂纹开始逐渐变小，球团的强度逐渐升高，还原膨胀率也逐渐降低。

成品球团还原膨胀率的变化规律：随着球团中w（Al2O3）增加，球团的还原膨胀率呈现先增大后减小的趋势。w（Al2O3）在1.16%～2.00%范围内增加时，球团的还原膨胀率呈逐渐增大的趋势，当w（Al2O3）在2.00%～5.00%范围内增加时，球团的还原膨胀率减小。在w（Al2O3）为2.00%时，还原膨胀率达到最大（21.29%）；在w（Al2O3）为5.00%时，还原膨胀率达到最小（15.71%）。

2.3.2 Al2O3对球团还原性的影响

成品球团还原度的变化规律：随着球团中w（Al2O3）增加，球团的还原度呈现先增大后减小的趋势。w（Al2O3）在1.16%～2.00%时，球团的还原度快速增加；w（Al2O3）在2.00%～5.00%时，球团的还原度略微减小。当w（Al2O3）为1.16%时，球团的还原度最小（41.58%）；当w（Al2O3）为2.00%时，球团的还原度最大（50.97%）。

2.4 Al2O3对还原后球团微观结构的影响

当球团中添加少量Al2O3时，球团结构较紧密，没有铁晶须的生成，球团中的金属铁主要以颗粒状的铁层存在；随着w（Al2O3）继续增加，球团内出现少量粗短状的晶须，球团的还原膨胀增大；当w（Al2O3）较多时，金属铁以块状形式存在，球团还原膨胀减小。由此表明，随着球团中的w（Al2O3）增加，对铁晶须的生成的抑制作用就更强烈，且金属铁的形貌还影响球团的还原膨胀率的大小。

不同w（Al2O3）球团还原后的金属铁主要来源于Fe2O3、铁酸钙以及铝硅酸盐（2FeO·2Al2O3·5SiO2）。还原后的球团主要由Fe、O、Si和Ca元素组成，其中Zr元素为检测误差。

3 结论

本文以精矿粉、精炼渣熔剂为基础原料，配加不同w（Al2O3）造球，研究Al2O3对球团矿性能的影响，得出以下结论：

1）生球变化规律：随着w（Al2O3）增加，生球落下强度和抗压强度均呈先升高后降低的趋势。在w（Al2O3）为2.00%时，生球落下强度和抗压强度达到最大，分别为6.7次、18.44 N；在w（Al2O3）为5.00%时，生球落下强度和抗压强度达到最小，分别为4.2次、11.51 N。

2）成品球团孔隙率的变化规律：随着w（Al2O3）增加，球团孔隙率呈现先降低后升高的趋势，当w（Al2O3）为2.00%时孔隙率最低（10.82%）。

3）成品球团抗压强度的变化规律。随着w（Al2O3）增加，球团抗压强度呈现先升高后降低的趋势。在w（Al2O3）为2%时抗压强度达到最大（2 568 N）；在w（Al2O3）为5.00%时抗压强度最低（1 674.7 N）。

4）成品球团还原膨胀率的变化规律。随着w（Al2O3）增加，球团还原膨胀率呈现先升高后降低的趋势。在w（Al2O3）为2.00%时还原膨胀率达到最大（21.29%）；在w（Al2O3）为5.00%时还原膨胀率达到最小（15.71%）。

5）成品球团还原性的变化规律：随着w（Al2O3）增加，球团还原度呈现先升高后降低的趋势。

6）成品球团还原60 min后金属铁析出形貌的变化规律：随着w（Al2O3）增加，对铁晶须生成的抑制作用就更强烈，且金属铁析出的形貌还影响球团的还原膨胀率的大小。