微波加热提高有机粘结剂铁矿球团的强度
黄柱成1，罗 勇1，姜 涛1，黄桂香1，彭 虎2
(1. 中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 长沙隆泰微波热工有限公司，湖南 长沙，410013)
摘 要：对微波功率、加热时间、反应温度对预热球团强度的影响进行研究，并将微波加热与传统管炉加热进行对比。研究结果表明：有机粘结剂铁矿球团对微波具有良好的吸收性能，当微波功率为2.5 kW，球团质量为0.4 kg时，球团平均升温速率为76.1 ℃/min；微波加热能明显提高预热球团抗压强度；在微波功率为2.5 kW，加热时间为8 min，球团终点温度为830 ℃时，预热球团抗压强度为454 N/个；当加热时间为11 min，球团终点温度上升至1 000 ℃时，预热球团抗压强度为1 038 N/个；采用微波加热，预热球团内部矿物结构较均匀、紧密，细粒磁铁矿氧化成赤铁矿，并在大颗粒之间连接成片，球团强度明显提高。
关键词：有机粘结剂；铁矿球团；微波加热
中图分类号：TF046.6 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2009)01-0001-06
Improving strength of iron ore pellet containing organic binder by microwave heating
2HUANG Zhu-cheng1, LUO Yong1, JIANG Tao1, HUANG Gui-xiang1, PENG Hu2
(31. School of Mineral Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Changsha Syno-Therm Co. Ltd., Changsha 410013, China)
Abstract: Effects of microwave output power, heating time and temperature on pellet strength were investigated and the comparison to conventional heating was made. The results show that the pellets have wonderful microwave absorbability and the rate of temperature change is 76.1 ℃/min by microwave heating with power of 2.5 kW and the material mass of 0.4 kg. The preheating pellets obtained have greater compression strength than conventional ones. The pellets strength is 454 N per pellet with the microwave power of 2.5 kW, heating time of 8 min, last temperature of 830 ℃ and 1 038 N per pellet at 1 000 ℃ and heating for 11 min. The crystal form of preheating pellets interlink well and the structure is well-proportioned and compact, fine magnetites are oxidized to form hematite which are connected with each other. ⊙
Key words: organic binder; iron ore pellet; microwave heating
球团矿生产普遍使用膨润土作为粘结剂，而膨润土几乎全部残留在球团中，降低了球团矿铁品位。研究结果表明，添加1%的膨润土，铁品位降低0.5%~ 0.6%，同时，高炉入炉原料铁品位降低1%，则焦比增加2%，产量降低3%[1-4]。国内膨润土用量一般为1.5%~3.0%，甚至更高，因此，球团矿铁品位下降不容忽视。有机粘结剂具有用量少、不带入有害杂质、可提高生球强度及改善球团冶金性能等优点，使有机粘结剂具有重要的应用价值[5-7]，然而，有机粘结剂使球团热稳定性能变差，有机成分易发生氧化、分解等问题，致使球团强度降低，在工业上很难完全代替膨润土，国内目前还只是将有机粘结剂和膨润土配合使用，有机粘结剂的应用受到了很大限制。因此，必须提高有机粘结剂的热稳定性能，提高球团矿在氧化过程中的强度。与传统加热相比，微波加热物料具有选择性、整体性、即时性，且能量利用率高，易于自动控制[8]。在常规球团矿生产过程中，焙烧阶段存在温度不均匀等问题，容易造成成品率低、球团强度低和还原性差，采用微波加热可使球团受热均匀，升温迅速，导致球团矿相组成均匀，球团矿质量提高[9]。在采用微波加热还原含碳铁矿球团中，研究者认为微波加热较传统方法可实现快速还原，提高金属化率，降低能量消耗[10-11]。微波加热独特的性质使其在冶金领域中具有重要的应用价值。在此，本文作者针对有机粘结剂在传统球团矿生产中存在的问题，采用微波加热新技术以提高预热阶段球团强度。
1 试 验
1.1 原 料
试验所用铁矿原料为巴西赤铁精矿和鞍钢自产磁铁精矿，其化学成分、粒度组成和比表面积分别见表1和表2。有机粘结剂为佩利多(Peridur)，配比为0.12%；磁铁矿和赤铁矿质量配比为8?2。
表1 铁精矿化学成分
Table 1 Chemical composition of iron concentrates
表2 铁精矿粒度分布和比表面积
Table 2 Size distribution and specific surface of iron concentrates
从表1和表2可以看出，铁矿原料铁品位高，粒度小。测得原料静态成球性指数为0.5, 成球性能较差。
1.2 设备与方法
微波加热设备采用湖南长沙隆泰微波热工有限公司生产的MW-L0316V微波炉，微波频率为2.45 GHz，功率为3 kW，可调。实验装置如图1所示，物料可通过转动装置旋转，以保证物料加热均匀，测温采用Raytek高精度红外测温仪。图2所示为微波加热腔体(直径×高为 200 mm×200 mm)，保温材料为高纯氧化铝纤维毡和氧化铝空心球，坩埚由刚玉制成(其长×宽×高为10 mm×10 mm×5 mm)。
图1 试验装置示意图
Fig.1 Scheme diagram of experimental equipment
图2 微波加热腔体示意图
Fig.2 Scheme diagram of microwave heating cavity
试验时，将一定质量球团(室温)置于坩埚中，再将整个加热腔体放入微波炉中进行加热。试验流程分配料、造球、干燥、微波预热、检测5个环节。生球制备在直径为150 cm的圆盘造球机上进行，转速为25 r/min，生球直径为9~16 mm。传统加热在卧式管状电炉(下文简称管炉)中进行。预热球团抗压强度是球团矿生产过程中重要的质量指标之一，预热球团抗压强度低，球团易破碎磨损，将造成回转窑中焙烧生产困难，甚至导致回转窑结圈。本实验以抗压强度作为预热球团的主要质量指标，采用中南大学研制的ZQYC-智能抗压测量仪，从坩埚上、中、下3层球团中各取5个球进行检测，测定后取其平均值。
2 结果与讨论
2.1 微波加热有机粘结剂铁矿球团的升温特性
将0.4 kg球团(室温状态)置入微波炉中进行加热，5 min后开始记录球团温度，球团的升温曲线如图3所示。
微波功率/kW：1—2.5; 2—1.6
图3 有机粘结剂球团在不同微波功率加热下的升温曲线
Fig.3 Temperature change curves for pellets with organic binder by microwave heating under different microwave powers
从图3可知，当微波功率为2.5 kW，加热时间从5 min增加到11 min时，球团温度从538 ℃提高到 1 000 ℃，升温速率较快；当加热到15 min时，温度为1 142 ℃。微波功率对球团升温速率有较大影响，当微波功率从1.6 kW提高至2.5 kW时，球团平均升温速率从64.8 ℃/min增至76.1 ℃/min。物料所吸收的微波能受物质介电性质、微波频率和电场强度直接影响[12]，微波加热功率越大，微波加热腔体内电场强度越大，提供给物料的电磁能越多，球团吸收微波能后所产生的热量越大，升温速率就越快。通过试验可知，有机粘结剂铁矿球团吸波性能良好，这为采用微波加热技术进行加热提供了前提条件。陈津等[10, 13]也认为，磁铁矿和赤铁矿对微波具有良好的吸收性能。
2.2 微波加热功率对预热球团强度的影响
分别采用功率为1.6，1.9，2.2和2.5 kW的微波加热0.4 kg球团15 min，将预热球团强度进行检测。微波加热功率对预热球团强度的影响如图4所示，图中终点温度是指微波加热到15 min时测得的球团温度。
从图4可以看出，微波加热15 min，预热球团抗压强度随着微波功率的增加大幅度提高，微波功率从1.6 kW增加到2.5 kW，预热球团抗压强度从585 N/个提高到1 554 N/个。根据文献[14-15]，球团矿固结以赤铁矿固相扩散为主要形式，磁铁矿从较低温度(200 ℃)开始氧化，生成赤铁矿，新生的赤铁矿扩散迁移到相邻颗粒上形成Fe2O3微晶键，球团具有一定的强度。当增加微波功率后，球团吸收的微波能增加，球团温度提高。如图4所示，当微波功率为1.6 kW，微波加热15 min时球团温度为952 ℃；当功率为2.5 kW时，温度为 1 142 ℃，促进物质固相反应，球团强度提高。
1—抗压强度；2—终点温度
图4 微波加热功率对预热球强度的影响
Fig.4 Effects of microwave power on compression strength of pellets
2.3 微波加热时间对预热球团强度的影响
微波加热功率为2.5 kW，球团质量为0.4 kg，微波加热时间对预热球团抗压强度的影响见图5。从图5可以看出，球团抗压强度随着微波加热时间增加大幅度提高，当微波加热7 min后，球团抗压强度便高于400 N/个；当加热15 min时，球团温度为1 142 ℃，预热球强度达到1 554 N/个。在微波加热10 min之前，球团温度较低。分析结果表明，微波加热初期，球团温度低，磁铁矿刚开始氧化，形成较弱的赤铁矿晶键，球团强度相对偏低，随着微波加热时间增加，温度升高，反应更充分，球团强度随之提高。
1—抗压强度；2—终点温度
图5 微波加热时间对球团强度的影响
Fig.5 Effects of microwave heating time on compression strength of pellets
2.4 微波加热与管炉加热的对比
管炉加热时，采用刚玉瓷舟加热，每次装15个球，在恒定温度下加热15 min。微波加热时，每次球团量为0.4 kg，球团从室温升温至指定温度，功率为2.5 kW，所需时间为8~15 min。2种加热方式下预热球团抗压强度对比结果见图6。
1—管炉加热；2—微波加热
图6 2种加热方式下球团抗压强度对比
Fig.6 Comparisons of compression strength of pellets with two heating methods
由图6可知，采用管炉加热方法，在加热时间为15 min，加热温度低于920 ℃时，预热球团抗压强度均小于200 N/个；当加热温度为1 000 ℃时，球团强度为283 N/个，而当温度大于1 050 ℃后，球团强度才明显提高。由此可见，管炉加热预热球团强度较低。采用微波加热方法，预热球团强度明显提高。当球团终点温度为830 ℃(加热时间为8 min)时，预热球团抗压强度为454 N/个，明显高于常规管炉加热时球团的强度；当终点温度为1 000 ℃(加热11 min)时，球团强度达到1 038 N/个。
2.5 微波加热提高球团强度机理分析
图7和图8所示分别为管炉加热和微波加热预热球团的显微照片和电子扫描分析照片。管炉加热时，恒温加热时间为15 min；微波加热时，功率为2.5 kW，加热时间为9~14min。
从图7可以看出，采用管炉加热方法，在加热温度为1 000 ℃时，预热球团内部矿物主要以Fe3O4(暗灰色)形式存在，Fe2O3(亮白色)量少，呈单独颗粒状，颗粒间距较大。当加热温度提高到1 100 ℃后，球团显微结构也无明显变化。采用微波加热方法，预热球团内部矿物结构比较均匀，磁铁矿明显氧化成赤铁矿，多数赤铁矿连接成片，相互连接比较好；当球团终点温度达到1 000 ℃时，球团内有少量未氧化完全的Fe3O4；当温度达到1 100 ℃时，Fe3O4几乎全部氧化成Fe2O3。
(a) 管炉加热，1 000 ℃；(b) 微波加热，1 000 ℃；(c) 管炉加热，1 100 ℃；(d) 微波加热，1 100 ℃
1—Fe2O3，亮白色；2—未氧化完全的Fe3O4，暗灰色；3—孔洞
图7 管炉加热与微波加热预热球团的显微结构
Fig.7 Microstructures of conventional and microwave preheating pellets
(a) 管炉加热，900 ℃；(b) 微波加热，900 ℃
1—Fe2O3；2—Fe3O4；3—游离SiO2
图8 管炉加热与微波加热预热球团SEM像
Fig.8 SEM images of conventional and microwave preheating pellets
从图8可以看出，在温度为900 ℃，管炉加热15 min时，球团内的矿物大多数还是以单颗粒存在，可见到细粒铁矿颗粒松散地充填在大颗粒之间，未形成连接，其强度较低；在终点温度900 ℃时，微波加热处理后预热球团的内部结构分布均匀，颗粒相互连接。
管炉加热与微波加热的特点如图9所示。可见，当采用管炉加热时，能量由表及里进行传导，球团中心的温度通常比表面温度低得多(图中深色表示温度较低)，使得球团氧化反应由表面到内部进行比较缓慢，需要足够的加热时间和温度才能保证磁铁矿充分反应。由图6可知，当加热时间为15 min、温度高于1 050 ℃时，预热球团的强度才达到400 N/个以上。图7和图8所示的显微结构也表明，传统加热的球团内部物质大部分还以Fe3O4形式存在，颗粒之间形成的连接桥少。在加热过程中，有机粘结剂在200~350 ℃便开始氧化分解，在球团内部形成大量微细孔隙和空位，使球团内部本来由有机粘结剂形成的连接构架逐渐消失，而由Fe3O4氧化生成的γ-Fe2O3微晶键还来不及形成，预热球团抗压强度较低。
(a) 管炉加热；(b) 微波加热
图9 管炉加热和微波加热的特点
Fig.9 Characteristics of traditional heating and microwave heating
采用微波加热时，由于微波通过球团内部磁铁矿等物质的能量损耗而选择性加热物料，整个球团物质同时升温，因此，物料升温速率快，受热均匀，消除了球团层的温度梯度，减弱了反应产物层对传热传质的阻碍作用，能促进球团成矿过程中粒子扩散，加快球团内部Fe3O4氧化反应，使细颗粒在大颗粒之间迅速形成连接桥，形成较高的强度[16-18]。从图7和图8可看出，采用微波加热，当终点温度高于900 ℃时，球团内部基本上没有松散细微颗粒存在。
3 结 论
a. 有机粘结剂铁矿球团对微波具有较强的吸收能力，升温速率受微波功率的影响，当功率为2.5 kW、球团质量为0.4 kg时，球团平均升温速率为76.1 ℃/min。
b. 采用管炉加热，当加热温度低于1 000 ℃时，预热球团强度均小于300 N/个。采用功率为2.5 kW微波加热，在加热时间为8 min、球团终点温度为830 ℃时，预热球强度为454 N/个；当微波加热11 min、球团终点温度为1 000 ℃时，球团强度达到1 038 N/个，明显高于管炉加热的球团强度。
c. 微波加热后的预热球团内部Fe3O4大部分氧化成Fe2O3，矿物结构分布均匀，赤铁矿连接成片，相互连接比较完整，明显提高了有机粘结剂铁矿球团强度。
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收稿日期：2008-03-17；修回日期：2008-05-06
基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET—04—0748)
通信作者：黄柱成(1964-)，男，湖南长沙人，教授，博士生导师，从事钢铁冶金、综合利用等研究；电话：0731-8830542；E-mail: zchuangcsu@126.com
