工程科学学报 Chinese Journal of Engineering Mg0含量和来源对球团焙烧特性及冶金性能的影响 朱德庆刘震杨聪聪潘建 Effect of magnesium oxide and its occurrence on the roasting and metallurgical performance of magnetite pellets ZHU De-qing.LIU Zhen,YANG Cong-cong.PAN Jian 引用本文： 朱德庆，刘震，杨聪聪，潘建.Mg0含量和来源对球团焙烧特性及冶金性能的影响.工程科学学报，2021,438)：1116-1124. doi10.13374j.issn2095-9389.2020.07.02.006 ZHU De-qing,LIU Zhen,YANG Cong-cong.PAN Jian.Effect of magnesium oxide and its occurrence on the roasting and metallurgical performance of magnetite pellets[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(8):1116-1124.doi: 10.13374.issn2095-9389.2020.07.02.006 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.07.02.006 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 优化配矿强化西澳超细粒磁铁精矿球团培烧研究 Optimization of feed blends to enhance the roasting performance of pellets made from Western Australian ultrafine magnetite concentrate 工程科学学报.2017,395：683htps:/oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.05.006 超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响 Particle size and wettability effect of ultrafine magnetite concentrate on ballability 工程科学学报.2017,396)：830htps:1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.06.003 Mg0含量对Ca0-AL,03-Mg0-Fe,0-SiO2-K,0系熔体性质的影响 Influence of Mgo content on the thermo-physical properties of Cao-Al,0-MgO-Fe O-SiO2-K2O slags 工程科学学报.2017,392：215htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.02.008 MgO对含钛烧结矿矿相结构及软熔滴落性能的影响 Effects of MgO on the mineral structure and softening-melting property of Ti-containing sinter 工程科学学报.2018.40(2：184htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.02.008 红格含铬钒钛磁铁矿球团矿物学和等温氧化动力学 Mineralogical characteristics and isothermal oxidation kinetics of Hongge chromium containing vanadium and titanium magnetite pellets 工程科学学报.2018.40(5：548 https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.004 球化组织对AISI420型钢淬回火特性及耐蚀性能的影响 Effect of spheroidized microstructure on quenching and tempering characteristics and corrosion resistance of AISI 420-type steel 工程科学学报.2019,41(9外1142 https:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.09.005
MgO含量和来源对球团焙烧特性及冶金性能的影响 朱德庆 刘震 杨聪聪 潘建 Effect of magnesium oxide and its occurrence on the roasting and metallurgical performance of magnetite pellets ZHU De-qing, LIU Zhen, YANG Cong-cong, PAN Jian 引用本文: 朱德庆, 刘震, 杨聪聪, 潘建. MgO含量和来源对球团焙烧特性及冶金性能的影响[J]. 工程科学学报, 2021, 43(8): 1116-1124. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.02.006 ZHU De-qing, LIU Zhen, YANG Cong-cong, PAN Jian. Effect of magnesium oxide and its occurrence on the roasting and metallurgical performance of magnetite pellets[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(8): 1116-1124. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.02.006 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.02.006 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 优化配矿强化西澳超细粒磁铁精矿球团焙烧研究 Optimization of feed blends to enhance the roasting performance of pellets made from Western Australian ultrafine magnetite concentrate 工程科学学报. 2017, 39(5): 683 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.006 超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响 Particle size and wettability effect of ultrafine magnetite concentrate on ballability 工程科学学报. 2017, 39(6): 830 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.003 MgO含量对CaO-Al2 O3 -MgO-Fe x O-SiO2 -K2 O系熔体性质的影响 Influence of MgO content on the thermo-physical properties of CaO-Al2 O3 -MgO-Fe x O-SiO2 -K2 O slags 工程科学学报. 2017, 39(2): 215 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.008 MgO对含钛烧结矿矿相结构及软熔滴落性能的影响 Effects of MgO on the mineral structure and softening-melting property of Ti-containing sinter 工程科学学报. 2018, 40(2): 184 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.02.008 红格含铬钒钛磁铁矿球团矿物学和等温氧化动力学 Mineralogical characteristics and isothermal oxidation kinetics of Hongge chromium containing vanadium and titanium magnetite pellets 工程科学学报. 2018, 40(5): 548 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.004 球化组织对AISI 420型钢淬回火特性及耐蚀性能的影响 Effect of spheroidized microstructure on quenching and tempering characteristics and corrosion resistance of AISI 420-type steel 工程科学学报. 2019, 41(9): 1142 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.005
工程科学学报.第43卷.第8期：1116-1124.2021年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.8:1116-1124,August 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.02.006;http://cje.ustb.edu.cn MgO含量和来源对球团焙烧特性及冶金性能的影响 朱德庆，刘震⑧，杨聪聪，潘建 中南大学资源加工与生物工程学院，长沙410083 ☒通信作者.E-mail:13397369222@163.com 摘要分别以5种不同的含镁添加剂（高镁磁铁矿、镁橄榄石、白云石、菱镁石和氧化镁粉）制备镁质球团，阐述MgO含量 和来源对磁铁矿旷球团培烧特性及治金性能的影响.研究结果表明：不同的含镁添加剂对于生球的落下强度有着一定影响，其 中氧化镁粉与高镁磁铁矿旷均能够提高球团的落下强度.相同的预热焙烧制度下，提高MgO含量会增加球团孔隙率，降低预 热和焙烧球团的抗压强度，其中白云石对焙烧球团强度的不利影响最小.增加预热球团的氧化度有利于促进镁质焙烧球团 固结，提高其抗压强度.在MgO来源相同的情况下，MgO含量的增加会导致球团孔隙的增减，降低了球团强度，而配加不同 种类的含镁添加剂，均能不同程度改善球团的还原膨胀性、低温还原粉化性和还原性，其中配加高镁磁铁矿的球团的还原膨 胀性和低温还原粉化性均优于于其他含镁球团. 关键词球团：MgO含量：MgO来源：焙烧特性：治金性能 分类号TF046.6 Effect of magnesium oxide and its occurrence on the roasting and metallurgical performance of magnetite pellets ZHU De-ging,LIU Zhen,YANG Cong-cong,PAN Jian School of Minerals Processing and Bioengineering,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:13397369222@163.com ABSTRACT Increased Al2O;content in blast furnace slag in China presents adverse effects in blast furnace smelting.In response to this problem and to improve fluidity of blast furnace slag,Mgo pellets are added.Blast furnace can be operated smoothly,but on the other hand,higher Mgo content is unfavorable to the pelletizing property and pellet roasting performance of raw materials.Five kinds of pellets containing high-magnesium magnetite,forsterite,dolomite,magnesite,and magnesia powder,respectively,were made to investigate the effect of MgO content and its occurrence on induration behavior and metallurgical performance of pellets.Results show that various magnesium-containing fluxes have different influences on the quality of green balls.Both magnesia powder and high- magnesium magnetite can improve the drop numbers of green balls,which is due to their chemical properties and specific surface areas. With fixed firing temperature and time,increasing MgO content leads to lowered compressive strength of the preheated and fired pellets, with the lowest impact from dolomite observed.With the oxidation degree elevation of preheated pellets,compressive strength of roasted pellets improves,which indicates that we can increase the preheating time in actual production to improve the roasting performance of magnesium magnetite pellets.Under the same source of MgO,increasing MgO content will lead to an increase in porosity of pellets, which presents a negative effect on the strength of pellets.For five kinds of fired pellets,increased Mgo content improves the reduction swelling index,low temperature degradation indices,and reduction degree.The reduction swelling index and low temperature degradation indices of pellets with high-magnesium magnetite are observed to be better than those of other magnesium-containing pellets. 收稿日期：2020-07-02 基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目(52004339)
MgO 含量和来源对球团焙烧特性及冶金性能的影响 朱德庆，刘 震苣，杨聪聪，潘 建 中南大学资源加工与生物工程学院，长沙 410083 苣通信作者，E-mail：13397369222@163.com 摘 要 分别以 5 种不同的含镁添加剂（高镁磁铁矿、镁橄榄石、白云石、菱镁石和氧化镁粉）制备镁质球团，阐述 MgO 含量 和来源对磁铁矿球团焙烧特性及冶金性能的影响. 研究结果表明：不同的含镁添加剂对于生球的落下强度有着一定影响，其 中氧化镁粉与高镁磁铁矿均能够提高球团的落下强度. 相同的预热焙烧制度下，提高 MgO 含量会增加球团孔隙率，降低预 热和焙烧球团的抗压强度，其中白云石对焙烧球团强度的不利影响最小. 增加预热球团的氧化度有利于促进镁质焙烧球团 固结，提高其抗压强度. 在 MgO 来源相同的情况下，MgO 含量的增加会导致球团孔隙的增减，降低了球团强度，而配加不同 种类的含镁添加剂，均能不同程度改善球团的还原膨胀性、低温还原粉化性和还原性，其中配加高镁磁铁矿的球团的还原膨 胀性和低温还原粉化性均优于于其他含镁球团. 关键词 球团；MgO 含量；MgO 来源；焙烧特性；冶金性能 分类号 TF046.6 Effect of magnesium oxide and its occurrence on the roasting and metallurgical performance of magnetite pellets ZHU De-qing，LIU Zhen苣 ，YANG Cong-cong，PAN Jian School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China 苣 Corresponding author, E-mail: 13397369222@163.com ABSTRACT Increased Al2O3 content in blast furnace slag in China presents adverse effects in blast furnace smelting. In response to this problem and to improve fluidity of blast furnace slag, MgO pellets are added. Blast furnace can be operated smoothly, but on the other hand, higher MgO content is unfavorable to the pelletizing property and pellet roasting performance of raw materials. Five kinds of pellets containing high-magnesium magnetite, forsterite, dolomite, magnesite, and magnesia powder, respectively, were made to investigate the effect of MgO content and its occurrence on induration behavior and metallurgical performance of pellets. Results show that various magnesium-containing fluxes have different influences on the quality of green balls. Both magnesia powder and highmagnesium magnetite can improve the drop numbers of green balls, which is due to their chemical properties and specific surface areas. With fixed firing temperature and time, increasing MgO content leads to lowered compressive strength of the preheated and fired pellets, with the lowest impact from dolomite observed. With the oxidation degree elevation of preheated pellets, compressive strength of roasted pellets improves, which indicates that we can increase the preheating time in actual production to improve the roasting performance of magnesium magnetite pellets. Under the same source of MgO, increasing MgO content will lead to an increase in porosity of pellets, which presents a negative effect on the strength of pellets. For five kinds of fired pellets, increased MgO content improves the reduction swelling index, low temperature degradation indices, and reduction degree. The reduction swelling index and low temperature degradation indices of pellets with high-magnesium magnetite are observed to be better than those of other magnesium-containing pellets. 收稿日期: 2020−07−02 基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金资助项目（52004339） 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期：1116−1124，2021 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 8: 1116−1124, August 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.02.006; http://cje.ustb.edu.cn
朱德庆等：MO含量和来源对球团焙烧特性及冶金性能的影响 1117 KEY WORDS magnetite pellets:MgO content;MgO sources:roasting behaviour;metallurgical performance 近年来，随着国内钢铁企业大量使用外购高 球团强度最大：朱德庆等采用菱镁矿作为含镁 铝铁矿作为高炉炼铁原料，导致高炉渣中的 熔剂，发现Mg0质量分数为0.25%~2.5%，碱度为 Al2O3质量分数明显增加，对高炉渣的熔化性、流 0.8~1.6时的熔剂性球团具有良好治金性能和抗 动性和冶金性能造成了许多不利的影响-！有关 压强度.但大多数研究者只采用某一类含镁熔剂 研究显示，适当的增加MgO质量分数不仅能够改 来研究MgO对球团的影响，对于不同的含镁熔剂 善高铝炉渣流动性，削弱A12O3对高炉冶炼所带来 的系统研究甚少.本文通过添加5种常见的含镁 的不利影响，而且能提高炉渣的脱硫能力B).但 添加剂制备镁质球团，研究MgO含量及其赋存状 是仅依靠铁矿石中自带的MgO并不足以满足高 态对磁铁矿球团焙烧性能及冶金性能的影响规 铝炉渣的冶炼要求，所以需要额外添加含镁熔剂. 律，并揭示其作用机理. 现阶段，高炉冶炼所需的镁主要是通过烧结矿和 1原料及研究方法 球团矿带入的，而烧结矿带入是最主要的方式.然 而，当烧结矿中MgO含量过高时（一般要求烧结 1.1原料性能 中Mg0质量分数在1.2%~2.0%之间)，不利于烧 本研究所用铁矿粉为某进口普通磁铁矿，5种 结液相生成与流动，矿相结构不均匀，会降低烧结 不同含镁添加剂分别为高镁磁铁矿、氧化镁粉、 矿的强度、还原性和抗粉化能力，从而影响高炉生 白云石、镁橄榄石和菱镁石，其化学成分和物理性 产顺行6-0将部分MgO添加到球团矿中，既可以 能如表1和表2所示.普通磁铁矿和高镁磁铁矿 明显改善烧结矿质量，又能改善球团的冶金性能 的比表面积偏低(<1500cm2g),需要造球前对其 与软熔特性.但是另一方面，较高的Mg0含量对 进行高压辊磨预处理，以改善其成球性.其它4种 原料成球性和球团焙烧性能不利-为了改善 含镁添加剂的粒度均比较细，-0.074mm质量分数 镁质球团的性能，国内外许多研究者为此进行了 均大于85%，比表面积高达2000cm2g以上，有利 研究.徐晨光等)采用白云石作为含镁熔剂，发 于造球.其中氧化镁粉为分析纯试剂，MgO质量 现焙烧温度控制在1300℃，碱度控制在1.0且 分数为98%，其余含镁添加剂为工业原料.实验所 Mg0质量分数为1.0%时，高镁碱性球团矿的冶金 用膨润土的化学成分、物化性能及粒度分布如表1 性能最优：范晓慧等采用蛇纹石、MgO试剂、 和表3所示（按GB/T20973一2007标准测定），为 菱镁石作为含镁熔剂，发现碱度在0.4~0.5时镁质 种优质膨润土 表1原料的主要化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of raw materials % Raw materials TFe FeO Mgo Al203 SiOz Cao K20 Na2O LOI* Ordinary magnetite 69.660 15.7100.340 0.010 1.660 0.180 0.010 0.010 <0.010 0.020 -1.010 High magnesium magnetite 67.730 24.660 2.480 1.250 0.970 0.270 0.0100.010 0.020 0.520 -1.240 Forsterite 一 35.670 52.290 2.350 0.049 0.130 <0.010 0.054 9.560 Dolomite 20.930 1.230 30.5200.022 0.040<0.010 0.018 45.990 Magnesite 45.780 1.480 0.820 0.020 0.029 0.027 <0.010 50.640 Bentonite 2.820 13.430 69.990 2.090 0.440 2.3100.030 0.050 9.240 Note:is burning loss. 1.2研究方法 验(1000mm,倾角a为47°，转速为28rmin). 实验流程包括原料预处理、生球制备、球团预 固定造球时间12min,紧密2min,控制生球水分至 热和焙烧、成品球冶金性能检测和矿相分析.首 质量分数8.5%左右.筛取10~16mm的合格生球 先将2种磁铁矿进行高压辊磨预处理，使其比表 检测其生球抗压强度、爆裂温度和落下强度，其余 面积提高至1500cm2g左右.然后将磁铁矿与添 合格生球在105℃的条件下干燥4h后，用于预热 加剂进行配料、混合，通过圆盘造球机进行造球试 和焙烧实验.预热和焙烧实验均在卧式电热管炉
KEY WORDS magnetite pellets；MgO content；MgO sources；roasting behaviour；metallurgical performance 近年来，随着国内钢铁企业大量使用外购高 铝 铁 矿 作 为 高 炉 炼 铁 原 料 ， 导 致 高 炉 渣 中 的 Al2O3 质量分数明显增加，对高炉渣的熔化性、流 动性和冶金性能造成了许多不利的影响[1−2] . 有关 研究显示，适当的增加 MgO 质量分数不仅能够改 善高铝炉渣流动性，削弱 Al2O3 对高炉冶炼所带来 的不利影响，而且能提高炉渣的脱硫能力[3−5] . 但 是仅依靠铁矿石中自带的 MgO 并不足以满足高 铝炉渣的冶炼要求，所以需要额外添加含镁熔剂. 现阶段，高炉冶炼所需的镁主要是通过烧结矿和 球团矿带入的，而烧结矿带入是最主要的方式. 然 而，当烧结矿中 MgO 含量过高时（一般要求烧结 中 MgO 质量分数在 1.2%～2.0% 之间），不利于烧 结液相生成与流动，矿相结构不均匀，会降低烧结 矿的强度、还原性和抗粉化能力，从而影响高炉生 产顺行[6−10] . 将部分 MgO 添加到球团矿中，既可以 明显改善烧结矿质量，又能改善球团的冶金性能 与软熔特性. 但是另一方面，较高的 MgO 含量对 原料成球性和球团焙烧性能不利[11−14] . 为了改善 镁质球团的性能，国内外许多研究者为此进行了 研究. 徐晨光等[15] 采用白云石作为含镁熔剂，发 现焙烧温度控制 在 1300 ℃ ，碱度控制 在 1.0 且 MgO 质量分数为 1.0% 时，高镁碱性球团矿的冶金 性能最优；范晓慧等[16] 采用蛇纹石、MgO 试剂、 菱镁石作为含镁熔剂，发现碱度在 0.4～0.5 时镁质 球团强度最大；朱德庆等[17] 采用菱镁矿作为含镁 熔剂，发现 MgO 质量分数为 0.25%～2.5%，碱度为 0.8～1.6 时的熔剂性球团具有良好冶金性能和抗 压强度. 但大多数研究者只采用某一类含镁熔剂 来研究 MgO 对球团的影响，对于不同的含镁熔剂 的系统研究甚少. 本文通过添加 5 种常见的含镁 添加剂制备镁质球团，研究 MgO 含量及其赋存状 态对磁铁矿球团焙烧性能及冶金性能的影响规 律，并揭示其作用机理. 1 原料及研究方法 1.1 原料性能 本研究所用铁矿粉为某进口普通磁铁矿，5 种 不同含镁添加剂分别为高镁磁铁矿、氧化镁粉、 白云石、镁橄榄石和菱镁石，其化学成分和物理性 能如表 1 和表 2 所示. 普通磁铁矿和高镁磁铁矿 的比表面积偏低（<1500 cm2 ·g−1），需要造球前对其 进行高压辊磨预处理，以改善其成球性. 其它 4 种 含镁添加剂的粒度均比较细，−0.074 mm 质量分数 均大于 85%，比表面积高达 2000 cm2 ·g−1 以上，有利 于造球. 其中氧化镁粉为分析纯试剂，MgO 质量 分数为 98%，其余含镁添加剂为工业原料. 实验所 用膨润土的化学成分、物化性能及粒度分布如表 1 和表 3 所示（按 GB/T 20973—2007 标准测定），为 一种优质膨润土. 表 1 原料的主要化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of raw materials % Raw materials TFe FeO MgO Al2O3 SiO2 CaO K2O Na2O P S LOI* Ordinary magnetite 69.660 15.710 0.340 0.010 1.660 0.180 0.010 0.010 <0.010 0.020 −1.010 High magnesium magnetite 67.730 24.660 2.480 1.250 0.970 0.270 <0.010 0.010 0.020 0.520 −1.240 Forsterite — — 35.670 — 52.290 2.350 0.049 0.130 <0.010 0.054 9.560 Dolomite — — 20.930 — 1.230 30.520 0.022 0.040 <0.010 0.018 45.990 Magnesite — — 45.780 — 1.480 0.820 0.020 0.029 0.027 <0.010 50.640 Bentonite 2.820 — — 13.430 69.990 2.090 0.440 2.310 0.030 0.050 9.240 Note：* is burning loss. 1.2 研究方法 实验流程包括原料预处理、生球制备、球团预 热和焙烧、成品球冶金性能检测和矿相分析. 首 先将 2 种磁铁矿进行高压辊磨预处理，使其比表 面积提高至 1500 cm2 ·g−1 左右. 然后将磁铁矿与添 加剂进行配料、混合，通过圆盘造球机进行造球试 验 （ ϕ1000 mm，倾角 α 为 47 °，转速为 28 r·min−1） . 固定造球时间 12 min，紧密 2 min，控制生球水分至 质量分数 8.5% 左右. 筛取 10～16 mm 的合格生球 检测其生球抗压强度、爆裂温度和落下强度，其余 合格生球在 105 ℃ 的条件下干燥 4 h 后，用于预热 和焙烧实验. 预热和焙烧实验均在卧式电热管炉 朱德庆等： MgO 含量和来源对球团焙烧特性及冶金性能的影响 · 1117 ·
1118 工程科学学报，第43卷，第8期 表2原料的物理性能 抗压强度大于15N,爆裂温度均在440℃以上，影 Table 2 Physical properties of raw materials 响不明显 Ratio for different particle 11 Magnesia powder Raw materials Specific surface area/ sizes/% (cm2g) -0.074mm-0.043mm 9 Ordinary magnetite 1061 89.94 69.13 High magnesium 669 69.92 64.29 magnetite Forsterite 2836 88 74.9 Dolomite 2282 94.8 81.8 5 Magnesite 3068 86.5 67.8 Magnesia powder 4826 99.5 97.2 0.5 1.01.52.0 2.5 MgO mass fraction/% 表3膨润土物理性能 图1MgO质量分数及来源对高品位磁铁矿球团生球落下强度的影响 Table 3 Physical properties of bentonite Fig.1 Effect of MgO mass fraction and source on the drop numbers of Colloid Swelling Water Ethylene Montmorill Size green balls index/ coefficient/absorption blue onite (<0.074mm)/ (mL'g)(mL.g)(2 h)/%adsorbed/g content/% % 2.2Mg0含量及来源对球团预热与焙烧行为的 10.45 25.25 605.33 39.0980.42 99.73 影响 2.2.1MgO含量及来源对预热球团抗压强度影响 中进行，固定预热温度950℃，预热时间12min,焙 MgO含量及来源对预热球团抗压强度的影响 烧温度1240℃，焙烧时间15min,得到的焙烧球团 如图2所示.预热制度为预热温度950℃，预热时 用于抗压强度和后续治金性能检测.焙烧球团抗 间12min.由此可知，镁质熔剂的添加均会降低磁 压强度测定设备为ZQYC一智能抗压测量仪.成 铁矿预热球团的抗压强度，且随着球团MgO含量 品球团矿显微结构的鉴定和分析采用Leica DMRXE 的增加，预热球团抗压强度下降越明显，这是因为 光学显微镜.球团还原膨胀性能、还原度和还原 预热球团中MgO会减缓磁铁矿的氧化及FezO3初 粉化性能的测定分别按照GB/T13240一2018、 晶键连接，使颗粒间固相固结程度减弱，导致预热 GB/T24189-2009和GB/T24204-2009中8-20的 球团强度变差.对于配加不同镁添加剂的镁质球 方法测定 团，随着MgO含量的增长，高镁磁铁矿对预热球 2结果与分析 团抗压强度的影响最小，而氧化镁粉对预热球团 抗压强度降低的程度最大，其影响程度由高到低 2.1Mg0含量和来源对生球性能的影响 的顺序为：氧化镁粉、菱镁石、镁橄榄石、白云 本实验通过5种不同的含镁添加剂调节球团 石、高镁磁铁矿.这是由于白云石和菱镁石中的 氧化镁含量，研究MgO含量及来源对磁铁矿球团 碳酸盐会在低温分解出CO2,导致球团孔隙增加， 生球落下强度的影响（见图1）.取30个直径12mm 抗压降低；氧化镁粉与镁橄榄石的烧损低，在预热 生球，将生球从0.5m处自由落体到5mm厚的钢 阶段氧化不充分，必然存在大量未矿化MgO和镁 板上，反复进行，直到生球产生裂缝为止，记录此 橄榄石，这些颗粒残留在新生的FezO3颗粒之间， 时落下次数作为落下强度表征.由图1可知，氧化 遏制晶体互联及晶粒生长，从而导致其预热球强 镁粉与高镁磁铁矿均能够提高球团的落下强度， 度较低3-：而高镁磁铁矿由于本身属于磁铁矿， 且氧化镁粉作用效果更加明显，原因为氧化镁粉 在预热阶段FeO氧化成Fe2O,各个颗粒之间形成 的粒度最细，比表面积最大，有极高的物理吸附性 微晶键连接，提高了球团的抗压强度 能与水化活性，能够改善生球性能2-；而高镁磁 2.2.2Mg0含量及来源对焙烧球团抗压强度影响 铁矿由于通过高压辊磨预处理后，产生的大量裂 MgO含量及来源对磁铁矿焙烧球团抗压强度 痕和孔隙有利于在颗粒间呈齿合态连接微细颗 的影响如图3所示.由图3知，对于配加不同镁添 粒，从而改善了其成球性能：而其他3种含镁熔剂 加剂的焙烧球团，其焙烧球团抗压强度均随着 由于其亲水性较差，配入后生球的落下强度随着 MgO的增加而降低.原因为随着镁质熔剂的添 MgO含量的增加而呈降低趋势.其中每个生球的 加，一方面球团的孔隙率会逐渐增加，另一方面
中进行，固定预热温度 950 ℃，预热时间 12 min，焙 烧温度 1240 ℃，焙烧时间 15 min，得到的焙烧球团 用于抗压强度和后续冶金性能检测. 焙烧球团抗 压强度测定设备为 ZQYC—智能抗压测量仪. 成 品球团矿显微结构的鉴定和分析采用 Leica DMRXE 光学显微镜. 球团还原膨胀性能、还原度和还原 粉化性能的测定分别按 照 GB/T 13240—2018、 GB/T 24189—2009 和 GB/T 24204—2009 中[18−20] 的 方法测定. 2 结果与分析 2.1 MgO 含量和来源对生球性能的影响 本实验通过 5 种不同的含镁添加剂调节球团 氧化镁含量，研究 MgO 含量及来源对磁铁矿球团 生球落下强度的影响（见图 1）. 取 30 个直径 12 mm 生球，将生球从 0.5 m 处自由落体到 5 mm 厚的钢 板上，反复进行，直到生球产生裂缝为止，记录此 时落下次数作为落下强度表征. 由图 1 可知，氧化 镁粉与高镁磁铁矿均能够提高球团的落下强度， 且氧化镁粉作用效果更加明显，原因为氧化镁粉 的粒度最细，比表面积最大，有极高的物理吸附性 能与水化活性，能够改善生球性能[21−22] ；而高镁磁 铁矿由于通过高压辊磨预处理后，产生的大量裂 痕和孔隙有利于在颗粒间呈齿合态连接微细颗 粒，从而改善了其成球性能；而其他 3 种含镁熔剂 由于其亲水性较差，配入后生球的落下强度随着 MgO 含量的增加而呈降低趋势. 其中每个生球的 抗压强度大于 15 N，爆裂温度均在 440 ℃ 以上，影 响不明显. 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Dorp numbers of green balls Magnesia powder Magnesite Dolomite Forsterite High magnesium magnetite MgO mass fraction/% 图 1 MgO 质量分数及来源对高品位磁铁矿球团生球落下强度的影响 Fig.1 Effect of MgO mass fraction and source on the drop numbers of green balls 2.2 MgO 含量及来源对球团预热与焙烧行为的 影响 2.2.1 MgO 含量及来源对预热球团抗压强度影响 MgO 含量及来源对预热球团抗压强度的影响 如图 2 所示. 预热制度为预热温度 950 ℃，预热时 间 12 min. 由此可知，镁质熔剂的添加均会降低磁 铁矿预热球团的抗压强度，且随着球团 MgO 含量 的增加，预热球团抗压强度下降越明显. 这是因为 预热球团中 MgO 会减缓磁铁矿的氧化及 Fe2O3 初 晶键连接，使颗粒间固相固结程度减弱，导致预热 球团强度变差. 对于配加不同镁添加剂的镁质球 团，随着 MgO 含量的增长，高镁磁铁矿对预热球 团抗压强度的影响最小，而氧化镁粉对预热球团 抗压强度降低的程度最大，其影响程度由高到低 的顺序为：氧化镁粉、菱镁石、镁橄榄石、白云 石、高镁磁铁矿. 这是由于白云石和菱镁石中的 碳酸盐会在低温分解出 CO2，导致球团孔隙增加， 抗压降低；氧化镁粉与镁橄榄石的烧损低，在预热 阶段氧化不充分，必然存在大量未矿化 MgO 和镁 橄榄石，这些颗粒残留在新生的 Fe2O3 颗粒之间， 遏制晶体互联及晶粒生长，从而导致其预热球强 度较低[23−24] ；而高镁磁铁矿由于本身属于磁铁矿， 在预热阶段 FeO 氧化成 Fe2O3，各个颗粒之间形成 微晶键连接，提高了球团的抗压强度. 2.2.2 MgO 含量及来源对焙烧球团抗压强度影响 MgO 含量及来源对磁铁矿焙烧球团抗压强度 的影响如图 3 所示. 由图 3 知，对于配加不同镁添 加剂的焙烧球团 ，其焙烧球团抗压强度均随着 MgO 的增加而降低. 原因为随着镁质熔剂的添 加，一方面球团的孔隙率会逐渐增加，另一方面 表 2 原料的物理性能 Table 2 Physical properties of raw materials Raw materials Specific surface area/ (cm2 ·g−1) Ratio for different particle sizes/% −0.074 mm −0.043 mm Ordinary magnetite 1061 89.94 69.13 High magnesium magnetite 669 69.92 64.29 Forsterite 2836 88 74.9 Dolomite 2282 94.8 81.8 Magnesite 3068 86.5 67.8 Magnesia powder 4826 99.5 97.2 表 3 膨润土物理性能 Table 3 Physical properties of bentonite Colloid index/ (mL·g−1) Swelling coefficient/ (mL·g−1) Water absorption (2 h)/% Ethylene blue adsorbed/g Montmorill onite content/% Size (<0.074 mm)/ % 10.45 25.25 605.33 39.09 80.42 99.73 · 1118 · 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期
朱德庆等：MO含量和来源对球团焙烧特性及冶金性能的影响 .1119. 650 powder 全氧化，存在未矿化的MgO颗粒，阻碍了Fe2O3的 600 Forsterite 再结晶连接，导致球团强度降低. Dolomite H gh magnes um magne 2.3,Mg0含量及来源对焙烧球团微观结构的影响 配加不同含镁熔剂的培烧球团微观结构如 400 图4所示.可见，不同含镁熔剂的焙烧球团中均出 350 现不同程度的含镁固溶体嵌布，但其存在形式具 300 有差异，具体为配加高镁磁铁矿球团内的含镁固 250 溶体在球团固结过程中大部分存在于铁相之中； 200 0 配加镁橄榄石和白云石焙烧球团的含镁固溶体含 0.5 1.01.52.0 2.5 MgO mass fraction/ 量较少，而配加氧化镁粉和菱镁石焙烧球团的含 图2MgO质量分数及来源对磁铁矿预热球团抗压强度的影响（预热 镁固溶体量多，均分布在赤铁矿晶粒周围 温度950℃，预热时间12min) 配加白云石的焙烧球团中以FezO3晶粒为主， Fig.2 Mgo mass fraction and source on compressive strength of 由于白云石中富含CaO,促进FeO3晶粒间铁酸钙 preheated pellets (preheating at 950 C for 12 min) 粘结相的生成，使得晶粒间固结更加紧密，所以其焙 MgO与FezO3会生成铁酸镁等含镁固溶体，含镁 烧球团强度最高：配加镁橄榄石和高镁磁铁矿的焙 固溶体和一些未被矿化的MgO分散在Fe2O3晶粒 烧球团中Fe2O3晶粒粗大且互连成片，但是由于渣 周围，阻碍了F2O3再结晶和晶品粒的长大，阻碍球 相量较多，且配加镁橄榄石的焙烧球团中存在未被 团致密化（而对于配入不同镁添加剂的焙烧球 矿化的镁橄榄石，所以球团强度次之；而配加氧化镁 团，对焙烧球团抗压强度影响最小的添加剂是白 粉和菱镁石焙烧球团的渣相量最多，存在未矿化的 云石，焙烧球团一直保持很高的抗压强度(>3300 Mg0颗粒与渣相填充于FezO3晶粒间，阻碍了Fe2O3 N);其次是镁橄榄石、高镁磁铁矿和菱镁石，而氧 再结晶和晶粒进一步在长大，导致球团强度降低. 化镁粉对焙烧球团强度的影响最大，当MgO质量 2.4不同镁质添加剂和预热球团氧化度对焙烧球 分数为2.45%时，焙烧球团抗压强度急剧下降至 团抗压强度的影响 2622N.由表1可知，白云石的Ca0含量高，在高 对于配加不同含镁添加剂的球团，通过调节预 温下形成大量的铁酸钙粘结相，品粒间固结增强， 热时间获得一系列不同氧化度的预热球团，研究 球团抗压增加；镁橄榄石中含有较多的SO2成分， MgO来源和预热球团氧化度对焙烧球团抗压强度 焙烧时会生成低熔点硅酸盐填充在Fe2O,颗粒间 的影响，实验结果如图5所示.由图5知，配加不同 的缝隙中产生连接作用，部分抵消了球团中铁酸 镁添加剂的焙烧球团抗压强度均随着预热球团氧 镁的生成对F©zO3再结晶的抑制作用；高镁磁铁矿 化度的增加而升高，这是因为磁铁矿如果氧化不充 产生的铁酸镁大多存在于铁相中，对球团固结能 分，会与SiO2生成低熔点SiO2-Fe共晶体，在球团 力的不利影响小；菱镁石，氧化镁粉则是由于未完 内部形成液态渣相，冷却时收缩，内部出现裂纹，强 度降低.预热球团氧化度低于75%时，不同含镁添 3600 加剂的焙烧球团抗压强度大小依次为：白云石、镁 橄榄石、菱镁石、氧化镁粉和高镁磁铁矿，表明此 3400 时外加熔剂的含镁球团抗压强度普遍高于高镁磁 3200 铁矿球团，这是因为氧化程度低，预热时间短，外加 3000 熔剂的中的Mg2+大部分没与磁铁矿发生反应，而高 镁磁铁矿原矿中存在大量的Mg以类质同象的形 式赋存于磁铁矿晶格中，这种晶体比单纯的磁铁矿 2600 更难氧化，FezO,微晶连接减弱.当磁铁矿预热球 0.4 0.8 1.21.62.0 2.4 MgO mass fraction/% 团的氧化度大于80%以后，不同含镁添加剂的焙烧 图3MgO质量分数及来源对磁铁矿培烧球团抗压强度的影响（预热 球团抗压强度的大小依次为：白云石、高镁磁铁 温度950℃.预热时间12min.培烧温度1240℃.焙烧时间15min) 矿、镁橄榄石、菱镁石和氧化镁粉，高镁磁铁矿焙 Fig.3 MgO mass fraction and source on compressive strength of fired 烧球团强度提升幅度最大，这是因为配加其他四种 pellets (preheating at 950Cfor 12 min,roasting at 1240C for 15 min) 添加剂的球团中的镁固溶体进入渣相，阻碍了
MgO 与 Fe2O3 会生成铁酸镁等含镁固溶体，含镁 固溶体和一些未被矿化的 MgO 分散在 Fe2O3 晶粒 周围，阻碍了 Fe2O3 再结晶和晶粒的长大，阻碍球 团致密化[16] . 而对于配入不同镁添加剂的焙烧球 团，对焙烧球团抗压强度影响最小的添加剂是白 云石，焙烧球团一直保持很高的抗压强度（>3300 N）；其次是镁橄榄石、高镁磁铁矿和菱镁石，而氧 化镁粉对焙烧球团强度的影响最大，当 MgO 质量 分数为 2.45% 时，焙烧球团抗压强度急剧下降至 2622 N. 由表 1 可知，白云石的 CaO 含量高，在高 温下形成大量的铁酸钙粘结相，晶粒间固结增强， 球团抗压增加；镁橄榄石中含有较多的 SiO2 成分， 焙烧时会生成低熔点硅酸盐填充在 Fe2O3 颗粒间 的缝隙中产生连接作用，部分抵消了球团中铁酸 镁的生成对 Fe2O3 再结晶的抑制作用；高镁磁铁矿 产生的铁酸镁大多存在于铁相中，对球团固结能 力的不利影响小；菱镁石，氧化镁粉则是由于未完 全氧化，存在未矿化的 MgO 颗粒，阻碍了 Fe2O3 的 再结晶连接，导致球团强度降低. 2.3 MgO 含量及来源对焙烧球团微观结构的影响 配加不同含镁熔剂的焙烧球团微观结构如 图 4 所示. 可见，不同含镁熔剂的焙烧球团中均出 现不同程度的含镁固溶体嵌布，但其存在形式具 有差异，具体为配加高镁磁铁矿球团内的含镁固 溶体在球团固结过程中大部分存在于铁相之中； 配加镁橄榄石和白云石焙烧球团的含镁固溶体含 量较少，而配加氧化镁粉和菱镁石焙烧球团的含 镁固溶体量多，均分布在赤铁矿晶粒周围. 配加白云石的焙烧球团中以 Fe2O3 晶粒为主， 由于白云石中富含 CaO，促进 Fe2O3 晶粒间铁酸钙 粘结相的生成，使得晶粒间固结更加紧密，所以其焙 烧球团强度最高；配加镁橄榄石和高镁磁铁矿的焙 烧球团中 Fe2O3 晶粒粗大且互连成片，但是由于渣 相量较多，且配加镁橄榄石的焙烧球团中存在未被 矿化的镁橄榄石，所以球团强度次之；而配加氧化镁 粉和菱镁石焙烧球团的渣相量最多，存在未矿化的 MgO 颗粒与渣相填充于 Fe2O3 晶粒间，阻碍了 Fe2O3 再结晶和晶粒进一步在长大，导致球团强度降低. 2.4 不同镁质添加剂和预热球团氧化度对焙烧球 团抗压强度的影响 对于配加不同含镁添加剂的球团，通过调节预 热时间获得一系列不同氧化度的预热球团，研究 MgO 来源和预热球团氧化度对焙烧球团抗压强度 的影响，实验结果如图 5 所示. 由图 5 知，配加不同 镁添加剂的焙烧球团抗压强度均随着预热球团氧 化度的增加而升高，这是因为磁铁矿如果氧化不充 分，会与 SiO2 生成低熔点 SiO2−Fe 共晶体，在球团 内部形成液态渣相，冷却时收缩，内部出现裂纹，强 度降低. 预热球团氧化度低于 75% 时，不同含镁添 加剂的焙烧球团抗压强度大小依次为：白云石、镁 橄榄石、菱镁石、氧化镁粉和高镁磁铁矿，表明此 时外加熔剂的含镁球团抗压强度普遍高于高镁磁 铁矿球团，这是因为氧化程度低，预热时间短，外加 熔剂的中的 Mg2+大部分没与磁铁矿发生反应，而高 镁磁铁矿原矿中存在大量的 Mg2+以类质同象的形 式赋存于磁铁矿晶格中，这种晶体比单纯的磁铁矿 更难氧化，Fe2O3 微晶连接减弱. 当磁铁矿预热球 团的氧化度大于 80% 以后，不同含镁添加剂的焙烧 球团抗压强度的大小依次为：白云石、高镁磁铁 矿、镁橄榄石、菱镁石和氧化镁粉，高镁磁铁矿焙 烧球团强度提升幅度最大，这是因为配加其他四种 添加剂的球团中的镁固溶体进入渣相 ，阻碍了 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 Compressive strength/N MgO mass fraction/% Magnesia powder Magnesite Forsterite Dolomite High magnesium magnetite 图 2 MgO 质量分数及来源对磁铁矿预热球团抗压强度的影响（预热 温度 950 ℃，预热时间 12 min） Fig.2 MgO mass fraction and source on compressive strength of preheated pellets (preheating at 950 ℃ for 12 min) 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2600 2800 3000 3200 3400 3600 Compressive strength/N MgO mass fraction/% Magnesia powder Magnesite Forsterite Dolomite High magnesium magnetite 图 3 MgO 质量分数及来源对磁铁矿焙烧球团抗压强度的影响（预热 温度 950 ℃，预热时间 12 min，焙烧温度 1240 ℃，焙烧时间 15 min） Fig.3 MgO mass fraction and source on compressive strength of fired pellets (preheating at 950 ℃ for 12 min, roasting at 1240 ℃ for 15 min) 朱德庆等： MgO 含量和来源对球团焙烧特性及冶金性能的影响 · 1119 ·