冷固球团矿热态强度变化规律的研究朱德庆，蔡汝卓，杨有育，傅守澄，陈荩（中南工业大学）摘要 本文研究了几种铁精矿球团矿在煤基回转窑直接还原过程中热态强度变化规律。结果表明：添加“
复合粘结剂”的铁精矿冷固球团矿在还原过程中抗压强度下降幅度和强度低谷区宽度远小于预热球 团矿、水泥冷固球团矿和氧化球团矿，其热态强度能满足工业生产回转窑的要求，适于做回转窑直 接还原炉料。关键词铁精矿，球团，
直接还原，抗压强度，冷固结ＴｈｅＳｔｕｄｙｏｎＨｏｔＳ ｔｒｅｎｇｔｈＣｈａｎｇｅＬｏｗｏｆＣｏｏｌＳｔｒｅｍｇｔｈｅｎｅｄＰｅｌｌｅｔ￥Ｚｈ ｕＤｅｎｑｉｎｇ；ＶａｉＲｕｚｈｕｏ；ＹａｎｇＹｏｕｙｕ；ＦｕＳｈｏｕｃｈｅｎｇ；Ｃｈ ｅｎＪｉｎ（ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）Ａｂ ｓｔｒａｃｔＴｈｅｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｈｏｔｓｔｒｔｅｎｇｔｈｃｈａｎｇｅｌ ｏｗｏｒｓｏｍｅｐｅｌｌｅｔｓｍａｄｅｏｆｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｉｒｏｎｏｒｅｉｎｔ ｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｉｒｅｃｔｒｅｄｕｃｅｉｎｃｏａｌｂｅｓｅｔｕｒｎｏｖｔｎ．Ｔ ｈｅｓｔｕｄｉｅｄｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｒａｎｇｅｏｆｒｅｓ ｉｓｔａｎｃｅｓｔｒｅｎｇｔｈｔｏｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎａｎｄｔｈｅｗｉａｔｈｏｆｌｏ ｗｖａｌｌｅｙｒａｎｇｅｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｏｏｌｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｐｅｌ ｌｅｔ，ｗｈｉｃｈｉｓｍａｄｅｆｏｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｉｒｏｎａｄｄｅｄｗｉｔｈｃ ｏｍｐｌｅｘｂｉｎｄｅｒ，ａｒｅｓｍａｌｌｔｈａｎｔｈｏｓｅｏｆｐｒｅｈｅａｔｅａｐｅ ｌｌｅｔ．ｃｅｍｅｎｔｃｏｏｌｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｄｐｅｌｌｅｔａｎｄｏｘｉｄｉｚｅｄ ｐｅｌｌｅｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｅｄｕｃｅａｎｄｉｔｓｈｏｔｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｕｒｎｏｖｅｎｆｏｒｃｏｍｍｅｒｃｉａ ｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄｉｔｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｔｏｄｏｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｏ ｆｄｉｒｅｃｔｒｅｄｕｃｅｆｏｒｔｕｒｎｏｖｅｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｃ ｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｉｒｏｎｏｒｅ，ｐｅｌｌｅｔ，ｄｉｒｅｃｔｒｅｄｕｃｅ，ｒｅｓｉ ｓｔａｎｃｅｓｔｒｅｎｇｔｈｔｏｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｃｏｏｌｌｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ ｅｄ１前言国外直接还原铁的生产主要用天然优质富矿或高品位氧化球团矿做原料。氧化球团矿直 接还原法（“二步法”）存在工艺流程长、耐高温设备多、投资大、能耗高，生产成本高及球团矿 在还原过程中存在低温粉化等不足之处［１］．因此，非焙烧球团矿的研究日益引起人们重视，其 中预热球团矿直接还原法（“一步法”）已获得工业应用［２］，与“二步法”相比有很大的改进 ，但没能从根本上克服“二步法”的不足之处。以冷固球团矿为炉料的“一步法”直接还原工艺才 是克服上述弱点的有效途径。虽然人们已研制出许多冷固成型工艺，如水硬化固结法、碳酸化固结 法和热液固结法等，但存在一个共同特点，即粘结剂添加量大，且多为无机粘结剂，使冷固球团矿 铁品位下降大多，带进杂质无素；冷固球团矿高温强度和还原性不理想，不适用直接还原铁的生产 。为此，中南工业大学与山东鲁中冶金矿山公司、鞍山黑色冶金设计研究院等单位合作，采用中南 工业大学研制的“复合粘结剂”，成功地开发出“铁精矿冷固球团煤基回转窑直接还原新工艺”［ ３，４］。采用该工艺年产３万ｔ直接还原铁的莱芜直接还原铁厂已完成施工设计，年产５万ｔ直 接还原铁的鲁中冶金矿山公司直接还原铁厂已通过初步设计审查，进入施工设计。本文以在攀钢四 一零厂所进行的铁精矿冷固球团煤基回转窑直接还原工业试验测试数据为依据，并与同一座回转窑 上预热球团矿直接还原及文献报道的水泥冷固球团矿，氧化焙烧球团矿还原过程抗压强度变化规律 相比较，为该新工艺尽快转化为现实生产力提供依据。２原料性能及研究方法工业试验以山东鲁中 铁精矿为原料，添加“复合粘结剂”制备冷固球团矿。以云南华坪煤为还原剂。原料性能及工艺流 程见文献［４］。铁精矿冷固球团矿，是在φ２．４×３０ｍ回转窑上进行的。在还原过程中，从 窑身长度方向布置的七个取样孔内取出球团矿，分别进行化学分析及札应抗压强度测定。抗压强度 是在ＬＪ—１０００型材料拉伸试验机上测定的。２结果与分析３．１冷固球团矿抗压强度变化规 律添加“复合粘结剂”制备的铁精矿冷固球团矿抗压强度变化规律见图１。由图可见，含“复合粘 结剂”的铁精矿冷固球团矿入窑时的抗压强度为２２０Ｎ／个，还原过程中抗压强度最低值为１７ ３Ｎ／个，抗压强度下降幅度仅２１．４％。抗压强度低谷区宽度（＜２０Ｎ／个）仅占回转窑长 的１７．３％。因此，该冷固球团矿在还原过程中抗压强度下降幅度下，强度低谷区持续时间短。 文献［５］报道的内配炭水泥冷固球团矿在还原过程中，抗压强度由入窑时的４５０Ｎ／个下降至 １００Ｎ／个，抗压强度下降幅度达７７．８％，由此可见，含“复合粘结剂”的冷囚球团矿在还 原过程中比水泥冷固球团矿热稳定性好，机械强度高。由图１可见，抗压强度的回升对应球团中金 届铁的出现，金屈桥键的形成对还原过程中球团强度变化起主要作用。３．２预热球团矿抗压强度 变化规律在同一座回转窑上进行了喀左铁精矿预热球团矿直接还原工业试验。该预热球团矿及Ｋｒ ｕｐｐｅｒ试验厂预热球团矿在还原过程中抗压强度变化示于图２。喀左铁精矿预热球回矿入窑时 抗压强度为４５６Ｎ／个，在回转窑还原过程中最低抗压强度为１３２Ｎ／个，抗压强度下降幅度 达７１．３％，抗压强度低谷区宽度占窑长的３６．７％，由图２—６可见，Ｋｒｕｐｐｅｒ试验 厂预热团矿入窑时抗压强度为１８０Ｎ／个，在回转窑还原过程中抗压强度下降至９０Ｎ／个，抗 压强度下降幅度为５０％，强度低谷区占窑长的３２．５％。浙江丽水链蓖机——回转炉金属化球 团中间试验结果也与此类似：预热球团矿在还原过程中抗压强度下降７０～８０％，强度低谷区占 窑长的６０％［６］。３．３氧化焙烧球团矿抗压强度变化规律氧化焙烷球团矿在还原过程中抗压 强度变化规律见图３。由图可见，还原前抗压强度为２８２５Ｎ／个，远高于预热球团矿和冷固球 团矿，但在还原过程中，抗压强度下降至２７０Ｎ／个，下降幅度达８０％以上，而且还有下降之 趋势，下降幅度甚至达９０％。比较图１—３可见，含“复合粘结剂”的铁精矿冷固球团矿在还原 过程中抗压弧度下降幅度和抗压强度低谷区宽度远小于水泥冷固结球团矿、预热球团矿和氧化球团 矿。３．４ 冷固球团矿和氧化球团矿还原产品外观比较由于含“复合粘结剂”的冷固球团矿抗压 强度下降幅度小，抗压强度低谷区宽度窄，消除了低温还原粉化，从而保证了炉况顺行，消除了回 转窑结圈隐患。产品外观光滑，无裂纹，更无碎片剥落等。氧化球团矿抗压强度下降幅度大，抗压 强度属化球团上有裂纹（见图４）。比较图１～４可见，考虑到几种球团矿在还原过程中抗压强度 变化规律存在截然不同的差别，为了保证工业生产中回转窑内球团矿维持足够的机械强度及回转窑 安全运行，氧化球团矿人窑球团强度远高于预热球团矿和冷固球团矿。４ 结 论４．１含“复合 粘结剂”的铁精矿冷固球团矿在还原过程中抗压强反下降幅度及抗压强度低谷区宽度远小于水泥冷 固球团矿、预热球团矿及氧化球团矿。４．２三类球团矿还原过程中抗压强度变化规律对比表明， 冷固球团矿在还原过程中具有足够的机械强度，是一种优质的新炉料。４．３三类球团矿还原过程 中抗压强度变化规律截然不同的差别是由于球团矿谷白固结方式及在还原过程中具有不同行为所决 定的。参考文献｜｜１ＸｉｌｕｎＨｏｕ，ＰｅｌｌｅｔｐｒｏｄｕｅｔｒｏｎｂｙＣｏｌｄ—ｂ ｏｎｄｉｇａｎｄｌｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｏｎｄｉｎｇＭｅｔｈｏｄｓＳＭＥ—ＡＩＭ Ｅ，ＡｎｎｕａｌＭｅｅｔｉｎｇ，１９８０，ＵＳＡ２叶匡吾。一步法回转窑直接还原与喀左工 程，烧结球团１９９４：２：２２～２４页３徐经沧等。冷固球团直接还原新工艺见：中国金属学 会炼铁学委会，全国首届回转窑直接还原学术会议论文集，沈阳：东北工学院出版忧１９９２：６ ５～６９页４朱德庆，蔡汝卓。铁精矿冷固球团煤基回转窑直接还原新工艺，矿冶工程１９９４： 增刊，３４～３８页５高桥爱和等，内配炭水泥粘结剂冷固球团的强度与还原性，见：中南工业大 学。造块译文集。长沙：中南工业大学出版社，１９８８：４２４～４３３页。６浙江冶金研究所 。链篦机——回转炉金属比球团中间试验技术总结，浙江冶金１９８Ｏ１：１～２３页冷固球团矿 热态强度变化规律的研究@朱德庆，蔡汝卓，杨有育，傅守澄，陈荩$中南工业大学铁精矿，球团 ，直接还原，抗压强度，冷固结本文研究了几种铁精矿球团矿在煤基回转窑直接还原过程中热态强 度变化规律。结果表明：添加“复合粘结剂”的铁精矿冷固球团矿在还原过程中抗压强度下降幅度 和强度低谷区宽度远小于预热球团矿、水泥冷固球团矿和氧化球团矿，其热态强度能满足工业生产 回转窑的要求，适于做回转窑直接还原炉料。１ＸｉｌｕｎＨｏｕ，Ｐｅｌｌｅｔｐｒｏｄｕｅｔ ｒｏｎｂｙＣｏｌｄ—ｂｏｎｄｉｇａｎｄｌｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｏｎｄｉｎｇＭｅｔ ｈｏｄｓＳＭＥ—ＡＩＭＥ，ＡｎｎｕａｌＭｅｅｔｉｎｇ，１９８０，ＵＳＡ２叶匡吾。一步法 回转窑直接还原与喀左工程，烧结球团１９９４：２：２２～２４页３徐经沧等。冷固球团直接还 原新工艺见：中国金属学会炼铁学委会，全国首届回转窑直接还原学术会议论文集，沈阳：东北工学院出版忧１９９２：６５～６９页４朱德庆，蔡汝卓。铁精矿冷固球团煤基回转窑直接还原新工艺，矿冶工程１９９４：增刊，３４～３８页５高桥爱和等，内配炭水泥粘结剂冷固球团的强度与还原性，见：中南工业大学。造块译文集。长沙：中南工业大学出版社，１９８８：４２４～４３
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