還原膨脹性

還原膨脹性(reduction swellability)是指鐵礦石球團在還原過程中產生體積膨脹的性能。它是球團礦的一種重要冶金特性。通常以球團礦在高爐連續鑄鋼煉鐵過程中的高爐中溫區還原前後體積變化的百分率作為還原膨脹性的指標。

基本介紹

• 中文名：還原膨脹性
• 外文名：reduction swellability
• 學科：冶金工程
• 領域：能源
• 範圍：冶煉
• 屬性：球團礦的一種重要冶金特性

簡介

20世紀60年代初期，日本高爐大量使用馬爾康納球團礦、瑞典高爐使用馬爾姆貝爾格球團礦冶煉。由於這些球團礦在低中溫區還原過程中產生異常體積膨脹與粉化，導致高爐爐況失常，此後，鐵礦石球團礦的還原膨脹性就成了冶金界廣泛重視的課題，並把它列為鐵礦石球團礦冶金性能常規檢驗項目之一。一般認為膨脹率在20%以內的球團礦，高爐使用沒有困難；膨脹率在20%～40%時，球團礦在高爐爐料中的使用比例不得超過65%；當膨脹率超過40%時，即使高爐爐料的使用比例不超過65%，且高爐處於低風量生產，高爐作業仍很不穩定。

還原機理

還原過程可分為3個階段。

第1階段

Fe₂O₃還原為Fe₃O₄，第2階段Fe₃O₄還原為FexO，第3階段FexO還原為Fe。球團礦在還原過程中產生兩種不同類型的膨脹，即正常膨脹及異常膨脹。在還原最初階段，即還原度在20%～25%時，兩種類型的膨脹率幾乎相等；當還原度繼續上升，正常膨脹的球團礦，其膨脹常隨還原度的上升而上升，體膨脹率的最高值是20%～25%，隨後體積收縮；而異常膨脹的球團礦則隨著還原度的上升，體膨脹係數急劇上升，特別是還原度在25%～70%之間時，最高體膨脹係數可達80%以上。球團礦還原的第1階段，Fe₂O₃還原為Fe₃O₄過程中發生晶型轉變，三方晶系菱形六面體轉變成等軸晶系立方體，體膨脹率達到20%；

第2階段

由於沒有晶系的轉變所以膨脹很少；

第3階段

FexO還原為Fe時，發生體積收縮，這是屬於球團礦的正常還原膨脹過程。球團礦的異常還原膨脹則發生在第2還原階段及第3還原階段，其原因有鐵礦物的各向異性、鐵晶須的生成、某些雜質的存在及生球質量不好或加工過程有缺陷等因素。

球團礦的還原膨脹特性

1.鐵礦物的各向異性。

赤鐵礦晶粒以板狀形態存在，由於各方向上的還原速度及膨脹率不同而發生開裂引起異常膨脹。赤鐵礦與磁鐵礦共生在同一晶體內，或粗粒磁鐵礦與片狀赤鐵礦共生，晶體排列不規則，各向還原速度不一致，在界面上產生推力，使兩個晶體開裂。

2.鐵晶須的生成。

在還原的第3階段，即FexO還原為Fe時，還原反應不在FexO表面成層進行，而在邊、角、棱位置迅速生長鐵晶須。它的生長促使球團結構鬆動，使球團體積猛增。
3.雜質成分。

球團礦含有少量鹼金屬、氧化鈣及氧化鋅等，它們不均勻地固溶於FexO中，在還原過程中易發生異常還原膨脹。高品位低SiO₂球團礦中，當鹼度(CaO/SiO₂)在0.1～0.6時，特別是在0.4～0.5之間時，有最大的體膨脹率，因為在此鹼度下，球團在還原過程中，鈣鐵橄欖石及鐵橄欖石形成共晶體，其熔點最低，當其脈石總量超過10%時，則體膨脹率下降。此外，以MgO代替CaO，共晶體的熔點上升，有利於體膨脹率的下降。
4.生球質量不好或加工過程有缺陷。

配料不當、加熱和冷卻速度不當、化學成分及焙燒溫度不當，這些都可能引起異常還原膨脹，有時甚至是最主要的原因。

防止球團異常膨脹的措施常用措施

(1)加入添加物調整球團礦的脈石成分。通過改變球團礦內CaO、MgO、SiO₂及Al₂O₃的比例來調整球團礦連線鍵的類型和數量，是抑制球團礦異常膨脹粉化的重要措施。SiO₂對提高球團礦熱還原強度，抑制還原膨脹及鐵晶須長大所引起的異常膨脹有良好作用。但當CaO存在時，CaO與SiO₂要有適當比例，以免形成低熔點共晶體，使體膨脹率增大。MgO加入時，可提高渣相的熱穩定性，對防止膨脹有利。Al₂O₃可以形成鋁酸鹽，促使渣相的發展，使膨脹受到限制。
(2)採用保護性的焙燒氣氛。在非氧化氣氛下焙燒球團，球團礦以磁鐵礦再結晶和被部分渣鏈所固結，可防止異常膨脹。此法對於含鹼金屬球團也起同樣作用。
(3)適當提高焙燒溫度。這可增加球團液相鏈、減少鐵氧化物的再結晶鏈，此外還可使球團結構更趨均勻，礦物結晶趨向完善並長大，避免多重晶生成。

檢驗方法

檢驗球團礦還原膨脹的方法有國際標準化組織試行方法、日本工業標準方法和中國國家標準方法。
1.國際標準化組織試行方法(ISO/I-P4698)。

採用內徑75mm、長800mm的雙壁還原反應管，還原氣體在雙壁中間加熱後進入反應管內。每次試驗將18個球團礦置於鋼絲籃或專用支架的3個水平面上，互不依靠，讓其自由膨脹。反應管的頂端吊掛在天平上，反應管的下端置於高溫爐內。試樣的粒度為10.0～12.5mm，18個球團礦的質量為60g±1g。試樣先在110℃下乾燥至恆重，然後放入反應管內，通入惰性氣體，升溫到900℃±10℃，加熱15min，然後在恆溫下通入還原氣體還原60min，連續記錄還原過程的失重。還原後把反應管自高溫爐中提出，以5L/min的流量通入惰性氣體進行冷卻至室溫。還原氣體的成分為CO 30%±0.5%、N₂70%±0.5%，雜質含量要求O₂≤0.1%，H₂、CO₂和H₂O均≤0.2%，氣體流量為15L/min±1L/min。使用水銀體積計測定試樣在還原前後的體積。
2.日本工業標準方法(JIS M8715-1977)。

使用內徑為50mm的臥式電爐，還原反應管為內徑30mm、長300mm的石英管。以3個5mm以上的球團礦作試樣，放到長70mm、寬20mm、深5mm的石英舟內，再將石英舟放入反應管內。還原氣體的成分為CO 30%、N₂ 70%(H2<1%)，流量為500mI/min。試樣在N₂或Ar氣(200mL/min)保護下加熱至900℃，保溫，30min。然後在900℃±10℃的溫度下還原60min，再以N2或Ar氣冷卻至室溫。用排汞法測出每個球在還原前後的體積，然後計算出膨脹率。進行兩次試驗，取6個球的平均值作為試驗結果。
3.中國國家標準方法(GB/T13240-91)。

採用國際標準化組織試行的方法，反應管為內徑75mm、長800mm的雙壁不鏽鋼管。每次試驗將18個球團礦置於3層試佯容器中，相互間有格條隔開，讓其自由膨脹。試樣的粒度為10.0～12.5mm。試樣先在105℃±5℃的溫度下烘乾，然後放入反應管內。將流量為5L/min的惰性氣體通入反應管內，再將反應管放入溫度不超過200℃的高溫爐內。在通惰性氣體條件下升溫，到達900℃±10℃的溫度後恆溫30min。然後在恆溫條件下通入還原氣體連續還原60min。還原後向反應管內通入流量為5L/min的惰性氣體，將反應管連同試樣一起提出爐外，冷卻至100℃以下。還原氣體的成分為CO 30%±0.5%、N₂70%±0.5%，雜質含量要求O₂≤0.1%，H₂、CO₂、H₂O均≤0.2%，流量為15L/min±1L/min。使用排汞法或其他測量體積精度能達0.2mI。的方法測定試樣在還原前後的體積。