高强健, 魏国, 姜鑫, 沈峰满
东北大学 冶金学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期: 2015-06-30
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51604069);国家自然科学基金-辽宁联合基金资助项目(U1508213);中国博士后科学基金资助项目(2016M591445).
作者简介: 高强健(1987-), 男, 辽宁阜新人, 东北大学师资博士后研究人员; 沈峰满(1958-), 男, 黑龙江密山人, 东北大学教授, 博士生导师。

摘要: 在实验室条件下，研究了MgO对铁矿球团还原后强度的影响.结果表明:当MgO质熔剂质量分数由0增加至2.0%时，铁矿球团矿还原后强度得到提升；经还原后，铁矿球团矿的孔径和孔隙度都相应增大，但相比普通球团矿(MgO质熔剂质量分数为0)，含MgO球团矿(MgO质熔剂质量分数为2.0%)还原前、后孔径及孔隙度变化幅度相对较小，孔径分布相对集中；还原膨胀是决定铁矿球团矿还原后强度的主要因素；还原膨胀率越低，铁矿球团还原后的强度相对越大.
关键词：MgO铁矿球团还原强度还原膨胀孔隙度
Effect of MgO on Compressive Strength of Reduced Iron Ore Pellet
GAO Qiang-jian, WEI Guo, JIANG Xin, SHEN Feng-man
School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China.
Corresponding author: GAO Qiang-jian, E-mail: gaoqiangjian@163.com
Abstract: The effect of MgO on compressive strength of the reduced iron ore pellets was investigated in a lab condition. The experimental results showed that with increasing the mass fraction of MgO-bearing flux from 0 to 2.0%, the compressive strength of the reduced pellets increases. In the meantime, the pore size and porosity of the reduced pellets increase as well. However, compared with that of the non-MgO-bearing pellets (i.e., the mass fraction of MgO-bearing flux is 0), the increasing magnitude of the pore size and porosity of the MgO-bearing pellets (the mass fraction of MgO-bearing flux is 2.0%) becomes relatively less and the distribution of pore size is relatively closer before and after reduction. It is found that the reduction swelling is a main factor for governing the compressive strength of the reduced pellets and the reduction compressive strength (RCS) is higher with a lower reduction swelling index (RSI).
Key Words: MgOiron ore pelletreduction strengthreduction swellingporosity
现代高炉炼铁，特别是高炉的大型化，致使其对炉料质量要求越来越严格^[1].作为主要的炼铁原料，酸性球团矿具有常温强度高、粒度均匀、铁品位高等诸多优点^[2-4].但是，酸性球团矿的软熔滴落性能相对较差，因其在炉内过早熔化致使高炉软熔带透气性变差，不利于高炉冶炼^[5-7]；此外，还原膨胀是限制酸性球团大量入炉的又一因素^[8].为改善酸性球团矿的软熔滴落性能，可适当添加熔剂.通过添加CaO质熔剂生产含CaO球团矿，软熔滴落性能虽得以改善，但还原膨胀依然明显^[9-11].而通过添加MgO质熔剂生产含MgO球团，既可解决造渣过程MgO来源问题，又可改善酸性球团矿软熔滴落性能，降低还原膨胀率^[12]；因此，在高炉冶炼过程中，利于形成形状合理的软熔带与良好冶金性能的高炉渣，改善煤气流分布，继而降低焦比，保持高炉顺序.在生产中往往只用冷态抗压强度来评价球团矿强度，而对球团矿还原后强度重视不够.但在高炉内，高温、高还原势的条件下，铁矿球团强度恶化明显，这对高炉块状带的透气性影响巨大.本文阐述了MgO对铁矿球团矿还原后强度的影响，并结合铁矿球团微孔在还原过程中的变化情况，分析了MgO对铁矿球团还原后强度的影响原因.
1 试验研究1.1 原料原料成分及粒度情况如表 1所示.由表 1可见：几种造球料粒度较细，-74 μm比例均大于85%，满足造球的粒度要求；由于MgO质熔剂中MgO质量分数可达83.50%，下文以MgO质熔剂质量分数来表征球团矿内MgO含量.
表 1(Table 1)

表 1 原料化学成分(质量分数)及粒度组成Table 1 Chemical composition (mass fraction) and particle size of raw material % 矿种 TFe MgO SiO2 Al2O3 K2O+Na2O LOI -74 μm 磁铁矿 66.5 0.14 4.07 0.12 - 1.23 85.32 MgO质熔剂 - 83.50 5.11 0.92 - 10.3 >90.00 膨润土 1.93 - 60.89 19.65 4.60 12.2 >90.00

表 1 原料化学成分(质量分数)及粒度组成 Table 1 Chemical composition (mass fraction) and particle size of raw material

1.2 试验方法造球采用圆盘造球机完成，具体参数和方法见文献[3].保证膨润土质量分数不变，逐渐增加MgO质熔剂的质量分数：0，0.5%，1.5%及2.0%，考察MgO对铁矿球团还原后强度的影响.
1) ?铁矿球团还原后强度：按GB/T13240-91标准对上述铁矿球团进行还原，试验装置如图 1所示.依据ISO4700标准，对冷却后铁矿球团还原后强度进行检测.其具体方法：每次测定14个铁矿球团的抗压强度值后，分别去除两个最大值和两个最小值，求出其余10个强度的平均值，记为所测强度.
图 1(Fig. 1)

图 1 试验装置Fig.1 Experimental equipment

2) ?孔隙分布情况：通过AUTOPORE-9500压汞仪对还原前、后铁矿球团的孔隙分布进行测试，考察还原前、后球团矿孔隙变化情况.
2 结果与分析2.1 试验结果MgO对铁矿球团还原后强度的影响如图 2所示.由图 2可见：随着MgO质熔剂质量分数由0增至2.0%，还原后强度由467 N /球逐渐增至563 N/球，还原后强度得到改善.
图 2(Fig. 2)

图 2 MgO对球团还原后强度的影响Fig.2 Effect of MgO on reduction compressive strength (RCS) of reduced iron ore pellets

2.2 结果分析分别对还原前、后MgO质熔剂质量分数为0的球团矿(普通球团矿)和MgO质熔剂质量分数为2.0%的球团矿(含MgO球团矿)的微孔分布情况进行分析，结果如图 3所示.对比还原前、后球团矿孔隙度和孔径分布的变化可知：经还原后，两种球团矿的孔隙度及孔径都有所增大.但是，相比普通球团矿，含MgO球团矿还原前、后孔隙度和孔径分布变化相对较小，且孔径分布集中(图 3c，3d)，孔隙度由23.73%增加至26.64%，增加了2.91%，孔径由主要集中在8~20 μm增加至15~25 μm；而普通球团矿还原前、后孔隙度及孔径分布变化相对较大(图 3a，3b)，孔隙度由19.78%增加至25.29%，增加了5.51%，还原前孔径分布主要集中在0~10 μm，还原后球团矿孔径分布非常不集中，不均匀地分布在0~30 μm之间.
图 3(Fig. 3)

图 3 MgO质熔剂对还原前、后孔隙度及孔径分布的影响Fig.3 Effects of MgO-bearing flux on porosity and pore distribution before and after reduction

综上可知：相比普通球团矿，含MgO球团矿还原前、后孔径及孔隙度变化幅度相对较小.且由图 3a, 3c可知：球团矿中MgO质量分数增加后，球团矿孔隙度及孔径逐渐增大；正是由于MgO质量分数增加后球团矿孔隙度及孔径的增大以及还原前、后孔隙度及孔径分布的变化幅度相对较小两个因素的共同作用，使得含MgO球团矿在还原过程中，由晶形变化引起的体积膨胀产生的应力得以均匀释放.而普通球团矿本身孔隙度及孔径分布相对较小，且还原前、后孔隙度及孔径增幅较大，孔径分布不集中，这使得还原膨胀产生应力集中，导致球团矿破裂甚至严重粉化.同时，还原后两种球团矿的外貌情况也证明了上述分析.普通球团矿和含MgO球团矿还原后表观形貌如图 4所示.
图 4(Fig. 4)

图 4 含MgO球团矿与普通球团矿还原后表观形貌Fig.4 Morphologies of ordinary pellets and MgO fluxed pellets (a)-2.0%MgO质熔剂；(b)-无MgO质熔剂.

由图 4可见：虽然两种球团矿都有还原膨胀现象，但相比普通球团矿，含MgO球团矿虽有还原膨胀且稍有裂纹，但是球团矿并未完全破裂(图 4a)，而普通球团矿则破裂严重(图 4b).所以添加MgO质熔剂后，铁矿球团还原后强度得到改善，裂纹并不明显.
在本研究条件下，配加MgO质熔剂后，球团矿还原膨胀率(RSI)与还原后强度的对应关系如图 5所示.由图 5可见：球团矿还原膨胀率越低，其还原后强度越大；当还原膨胀率为17.59%时，还原后强度仅为467 N/球，而还原膨胀率为10.20%时，还原后强度则可达563 N/球.故球团矿还原膨胀率与还原后强度具有直接相关性.
综上：随着球团矿中MgO质量分数的增加，铁矿球团还原后强度逐渐改善；还原后强度与还原膨胀率具有一定的相关性，还原膨胀率值越低，其对应的还原后强度值相对越大；故抑制球团的还原膨胀，是提高球团矿还原后强度，继而改善高炉上部透气性的有效办法.
图 5(Fig. 5)

图 5 还原膨胀率对还原后强度的影响Fig.5 Effect of reduction swelling index on reduction compressive strength (RCS)

3 结论1) ?随着MgO质熔剂质量分数由0增加至2.0%时，铁矿球团矿还原后的强度逐渐增大.
2) ?经还原后，球团矿的孔隙度及孔径都有所增大；但相比普通球团矿，含MgO球团矿还原前、后孔隙度及孔径分布变化相对较小，且孔径分布相对集中.
3) ?球团矿还原膨胀是决定球团矿还原后强度的关键因素，抑制还原膨胀是改善球团矿还原后强度的有效方法.
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