优化型硼泥添加剂应用于氧化球团生产的探索性研究-付小佼-东大.doc

优化型硼泥添加剂应用于氧化球团生产的探索性研究付小佼，于洪翔，柳政根，储满生，陈双印，唐珏(东北大学材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110819)摘 要：硼泥是硼化工的二次资源，目前该资源的综合利用率低，造成了严重的资源浪费和环境污染。在实验室条件下，结合前期研究，进行了优化型硼泥添加剂应用于氧化球团生产的探索性研究，考察了优化型添加剂对氧化球团生球性能和成品球团性能的影响。研究表明，一定范围内，优化型硼泥添加剂有利于氧化球团性能的改善，当外加优化型添加剂0.8%时，可将膨润土配比由常规生产的1.0%降至0.2%，成品球团的冶金性能满足高炉冶炼要求。关键词：硼泥；优化型添加剂；氧化球团；膨润土1 概述硼泥是用硼镁石或硼镁铁矿石为原料用火法制取硼砂或硼酸的残余物，主要化学组成为MgO和SiO2，并含有一定量的Fe2O3、B2O3和少量CaO、Al2O3等。多年来，我国的硼泥一直靠毁田堆弃，既污染环境，又耗费大量的人力和运力。据不完全统计，每年我国化工厂产生的硼泥总量近百万吨，仅辽宁省历年积累的硼泥总量就达1700万吨之多。政府和生产企业每年都要投入大量的精力和资金，用于硼泥排放场地的治理及污染赔偿1-4。有关部门曾对硼泥的综合利用组织了技术开发，但目前的综合利用率还不高，尚需开拓大规模增量利用途径。另一方面，由于我国球团生产所用的铁精矿粉粒度较粗，为了满足造球的需要，通常需要配加较高比例的膨润土。同时，由于我国球团生产所用的膨润土总体质量较差，球团生产膨润土用量一般占混合料的1.2%1.5%，个别厂高达4%。而国外先进水平，膨润土用量一般不超过1%。可知，我国球团生产所配加的膨润土比例远高于国外。膨润土经焙烧后，残留物的主要成分是SiO2和Al2O3，球团料中每增加1%的膨润土，球团产品的品位将降低0.4%0.6%，且高炉焦比上升，渣量增大，故应尽量少加2。因此，如何减少膨润土用量，优化氧化球团生产，发展循环经济已成为亟待解决的重要课题。为了改善球团性能，国内已进行了添加剂的研究。相关资料表明，加入一定量的含硼添加剂，球团的抗压强度提高，而且膨润土用量减少；使用熔剂，增加球团MgO含量，球团矿的高温冶金性能得到改善5-9。鉴于硼泥中兼含B2O3和MgO，本课题组前期进行了将硼泥用作氧化球团添加剂的研究，但由于硼泥中含有相对较多的碱金属K、Na等，对球团性能有所影响7。因此，本研究在关于硼泥添加剂研究成果的基础上，与东北某钢厂合作，将硼泥进行优化，以优化型硼泥添加剂用作氧化球团添加剂代替部分膨润土进行探索性研究，以期在综合利用硼泥的同时降低膨润土用量，获得比单独使用硼泥做添加剂更优的效果，最终为该厂降低氧化球团生产成本创造条件。使用硼泥二次资源作为球团添加剂可促进发展循环经济，变废为宝，对钢铁、硼化工等产业的发展和环境保护都具有重要意义，预期可获得显著的经济和社会效益。2 实验原料表1 实验用原料的化学成分及粒度/%组成TFeB2O3SiO2MgONa2OK2O粒度（-0.074mm）铁精矿65.76-6.310.29-67.88丹东硼泥5.393.824.4135.940.890.6398.09改进型添加剂4.998.5024.0637.790.450.2792.72膨润土-63.003.951.091.0588.49本实验使用了东北地区某钢厂的铁精矿粉、优化型添加剂和膨润土，成分列于表1。其中，所用铁精矿分的品位为65.76%；优化型添加剂为硼精矿和丹东某地硼泥按照1:1比例混合而成，可以看出，相对于硼泥添加剂而言，优化型添加剂B2O3的含量明显提高，MgO含量略有提高，Na2O和K2O含量明显下降；膨润土SiO2含量为63%，Al2O3含量为13.49%。3 实验方法生球的制备过程中，配料采用重量配料，所用的称重仪器为METTLER PM4000型的电子天平，其精度为0.5 g；造球使用东北大学钢铁研究所自制的圆盘造球机。生球水分控制在8%左右，生球过筛粒度为1214 mm的生球为合格生球。对合格生球进行落下强度、抗压强度和生球水分检测，然后，对生球进行干燥处理，干燥后的生球取出后，在马弗炉中进行预热、焙烧。焙烧后的球团矿的抗压强度采用国家标准GB/T 14201-93铁矿球团抗压强度测定方法进行检测，还原膨胀性能检测采用国家标准GB/T 13240-91进行。4 实验结果及分析4.1 改进型硼泥添加剂对生球性能的影响本次实验在膨润土加入量为0.2%的同一条件下，改进型硼泥添加剂分别加入2.0%、1.5%、1.0%、0.8%，考察了其对生球质量的影响，由图1可知，在膨润土加入量相同的条件下，随着改进型添加剂配入量的降低，生球的落下强度和生球抗压强度呈现逐渐降低的趋势，但变化不明显。图1 改进型添加剂对生球性能的影响4.2 改进型硼泥添加剂对成品氧化球团抗压性能的影响生球在1250的焙烧温度下进行焙烧，焙烧后测其抗压强度，如图2所示。由图可知，随着改进型硼泥添加剂配加量的降低，成品球团的抗压强度呈逐渐降低趋势，当改进型添加剂配加量为0.8%时，成品球团抗压强度为3019 N个-1，与未配加硼泥添加剂的基准球团强度相近。为分析改进型添加剂对球团固结机理的影响，观察球团矿的微观结构，本研究对1250焙烧温度下基准球团和改进型球团试样进行了扫描电镜观察和EDS能谱分析。由图3可见，配加改进型添加剂的球团与基准球团相比，结构更加致密，黏结相分布更加均匀。对于改进型添加剂而言，B2O3熔点很低，且它可与多数氧化物生成低熔点的复杂化合物和固溶体，虽然改进型球团中B2O3的含量不高，但由于其分散度高，经测定可扩大60倍，可在某些微区达到较高浓度产生液相核心，起到如下作用：（1）促使颗粒重新排列，以达到较高的致密度；（2）硼离子的半径很小（0.02 nm），很容易溶入其他晶体的晶格，根据结晶学理论，一种物质溶入另一种物质的晶格，会使其发生畸变，能量升高，晶格活化，使反应的活化能降低。因此，与基准球团相比，改进型球团虽然膨润土配比由1.0%降至0.2%，但由于改进型添加剂中含有一定量B2O3起到上述作用，所以改进型球团强度能与基准球团相近。图2 改进型添加剂对成品球抗压强度的影响 (a) 1%膨润土 (b) 0.8%改进型+0.2%膨润土 (c) A点EDS分析 (d) B点EDS分析 (e) C点EDS分析 (f) D点EDS分析图3 成品球团的SEM和EDS图片4.3 改进型硼泥添加剂对氧化球团还原膨胀性能的影响本实验试样为焙烧温度1250和膨润土加入量为1.0%的同一条件下，改进型添加剂配入量分别为2.0%、1.5%、1.0%、0.8%的球团试样，考察改进型添加剂对成品球团矿还原膨胀性能的影响。由图4可知，各球团试样的还原膨胀率均属于正常膨胀(20%)，而且随着改进型添加剂的减少，球团还原膨胀率逐渐变小，球团还原膨胀率由基准球团的16.3%降至14.7%，达到了一级品球团矿的标准；还原后强度呈增加趋势。因此，加入改进型添加剂的球团还原膨胀性能优于基准球团和加入硼泥的球团。图4 改进型添加剂对氧化球团还原膨胀率的影响4.4 焙烧后氧化球团成分对比表2给出了改进型添加剂氧化球团与基准球团焙烧后化学成分的对比。与基准球团相比，改进型添加剂球团品位升高0.17%，SiO2和MgO含量略有降低，含有较高量的B2O3。由表2可知，使用改进型添加剂的主要效果有：（1）与基准球团相比，氧化球团的品位升高，从而在高炉冶炼过程中可以使焦比降低，渣量减少，产量提高；（2）碱负荷降低，从而改善氧化球团还原膨胀性能。表2 球团焙烧后化学成分/%组成TFeSiO2Al2O3CaOMgOB2O3Na2OK2O基准球团(1.0%膨润土)62.906.950.540.540.870.120.050.8%改进型+0.2%膨润土63.076.040.510.570.690.610.010.025 结论1）在焙烧温度为1250，配加改进型硼泥添加剂球团与基准球团焙烧性能接近时，配加0.8%改进型添加剂可降低膨润土用量至0.2%；2）各球团试样的还原膨胀率均属于正常膨胀（20%），而且随着改进型添加剂的减少球团还原膨胀率逐渐减小，球团还原膨胀率由基准球团的16.3%降至14.7%；3）使用改进型硼泥添加剂后氧化球团品位升高，有利于高炉稳定顺行，提高冶炼强度，降低焦比，提高产量。参考文献1 郑学家.硼铁矿加工M. 北京：化学工业出版社，2009：239-247.2 储满生.钢铁冶金原燃料及辅助材料M.北京：冶金工业出版社，2010：181-185.3 戴采云，赵立群，张永明.硼泥综合利用的研究进展J.工业技术，2007，10：19-20.4 钱洪伟，薛向欣，刘然，等.硼泥资源化利用的重要途径J.化工矿物与加工，2007，9：33-35.5 陈世强，储满生，王兆才，等.硼镁复合添加剂对氧化球团生产工艺的影响J. 中国稀土学报，2010，28：611.6 Yu W, Zhu D Q, Chun T J, et al. Enhancing the pellization of Brazilian hematite by adding boron bearing additivesA, TMS Annual Meeting, 2011: 199-210.7 付小佼，于洪翔，柳政根，等. 硼泥二次资源应用于氧化球团生产的探索性研究A. 第九届中国钢铁年会论文集C, 北京：中国