锰矿综合性球团矿的试验研究

一、前  言

球团法是一种较理想的锰矿造块方法，研究表明，锰矿球团矿（酸性）和锰矿烧结矿相比，在锰含量上有所提高。国外有人用锰矿制取熔剂性球团，以降低能耗和改善冶金性能。为了进一步降低能耗和提高生产率，前苏联一些学者在锰精矿中配入气煤制备预还原“矿石－煤”球团矿，并进行了熔炼锰铁合金的试验，结果表明，用预还原“矿石－煤”球团矿部分或全部代替炉料中锰精矿或烧结矿时，电能消耗降低22%，锰回收率和炉子生产率都得以提高，为了减少熔炼时熔剂和焦炭的加入量，K.r.Copokhh等人。随后又研制了焙烧后含碳达lO%的“矿石－熔剂－煤”球团矿，即以锰精矿配加20%无烟煤和20%白云石制成碱度为1.0～1.1的球团矿，实践证明这种球团矿不仅还原性好，而且可促进熔炼时金属和渣的形成。国内进行锰矿球矿生产的厂家很少，其突出的特点是产量低、成本高、作业率低，通过试验来加宽球团的焙烧区间、降低能耗、提高球团矿的还原率和锰回收率是改善其生产指标的较可行的途径。

二、原料条件和试验流程

试验所用原料为取自湘潭锰矿的碳酸锰精矿、冀东白云石和石灰石、湘潭焦粉，其地化学成分见表1。

表1  原料化学成分（%）

图l为球团试验流程，试验设备有碾磨机、造球机、高温焙烧炉、L－J1000型拉力试验机和还原测定装置。

图1  球团试验流程

三、软熔失重试验

由于锰矿石受热分解为MnO和Mn₃O₄，在高温时易与SiO₂作用，生成低熔点的硅酸盐，锰矿焙烧温度区间狭窄，当焙烧温度有较大的波动时（士50℃）．就引起球团熔化或欠烧，为此，必须寻找扩大锰矿球团焙烧区间的途径。

试验是在SCN802造型材料耐火性能测定仪上进行的，采用三因子二次回归正交设计安排试验，变量设计水平和试验结果见表2。为确定试样开始软化温度，将平行试样于投影式R2Y－l熔盐综合测定仪上进行失重－收缩试验，试验采用圆柱体软熔测定法，以圆柱体锰矿样品开始倒边时的温度计为软化开始温度，结果见表2。

表2  软－熔试验的表头设计及试验结果

（注）：Y₁－软化开始温度；Y₂－软化终了温度；Y₃－熔化终了温度。

根据对已知熔点纯物质（纯铅）的试验结果分析可知，以温度－收缩率关系曲线的拐点为软化终了或熔化开始温度，以试样收缩50%的温度为熔化终了温度，结果见表2。试验结果表明，适宜的物料组成可以提高锰矿物料的软熔温度和扩大软熔区间。如将N012试样与原矿对比可发现，虽然软化开始温度没变，均为1070℃，但软化终了温度由1190℃提高到1270℃，熔化终了温度由1220℃提高到1360℃，软熔区间从150℃提高到290℃。这可能是因为CaO的加入，促使了高熔点物质的生成，如CaO－SiO₂等，使锰混合料的软熔温度提高。因此，用生产熔剂性锰矿球团矿的方法来改善生产过程中的球团质量是可能的。

四、综合性球团矿试验  结果及分析

（一）综合球团矿试验

在熔剂性综合锰矿球团矿的基础上，为了减少冶炼焦比，以表2NO12号样配比为基础，进行了“矿石－熔剂－煤”综合球团矿的试验研究，表3为“矿石－熔剂－煤”球团矿试验的表头设计。

将试验结果处理可得如下方程：

F检验结果表明，所得回归方程显著。

表3  综合球团矿变量设计水平

（二）综合球团矿强度和孔隙率分析

由式(1)和(2)可看到，影响强度和孔隙率的因素依次为培烧温度(X₁)、焙烧时间（X₃）及两者的交互作用，预热时间影响不大。

从图2和图3可知，随焙烧温度升高，球团矿抗压强度明显增大，而孔隙率则降低，当预热时间、焙烧时间、焙烧温度分别为20min、15min和1150℃时，其抗压强度为147N/个，孔隙率为56%，而当温度升高到1200℃时，其抗压强度增大到245N/个，孔隙率则降为54%。与普通球团矿相比，“矿石－熔剂－煤”球团矿强度较低，本试验最高为325.85N／个，显微照片（略）显示了“矿石－熔剂－煤”综合球团矿主要以方锰矿球粒和方锰矿聚集体组成（见表4），而方锰矿系多孔蜂窝状绪构，其压力硬度平均为4391N/mm²，所以“矿石－熔剂－煤”综合球团矿孔隙率较大，强度不够理想。

图2  焙烧15min球团矿抗压强度等值图

图3  焙烧20min球团矿孔隙率等值图

表4  矿物组成显微结构

表中:T－焙烧温度；t¹－预热时间； t－焙烧时间

（三）综合球团矿残碳分析

由方程(3)可知，影响综合球团矿的主要因素依次为焙烧温度、预热时间和焙烧时间，图4为焙烧温度一定时球团矿残碳等值图。

图4  “矿石－熔剂－煤”球团矿残碳等值图

由图4看到，焙烧温度的上升和预热时间的延长，使残碳量减少。球团矿中的残碳在陪炼时可充作还原剂，起节约冶炼焦比和电耗的作用，但残碳过高会影响球团矿强度，应严格控制球团矿中的残碳量。

（四）综合球团矿还原性分析

动力学研究及“矿石－煤”球团矿还原的热分析表明，碳直接还原MnO₂是放热反应，因此焙烧球层的温度高于加热炉的温度水平。另外，由于煤的热分解对高价氧化锰的还原有很大的影响，大大加快了球团的还原速度，因此，球粒内的碳便大大强化了锰矿物的还原过程。球团矿的矿物鉴定表明（见表5）。综合性球团矿的主要矿物为方锰矿，其它球团矿和烧结矿以黑锰矿为主，综合球团矿的矿物特征对加速还原过程是有利的。

表5  球团矿和烧结矿的矿物鉴定

（五）综合球团矿熔炼时金属和渣的分离特性

表6为综合球团矿熔炼试验结果，表明球团中匀匀而细粒分布的残炭可以明显地促进熔炼时金属的形成。

表6  综合球团熔炼产物（%）

五、结    语

（一）混合料中加入添加剂能加宽软熔区间，克服了球团因软熔区间狭窄，难于操作的缺点。

（二）综合球团矿具有良好的冶炼性能，是电炉冶炼较理想的原科，但由于其强度不高，就目前的研究成果而言，尚不能作为高炉原料。

（三）应加强对综合球团矿强度的研究（如可考虑采用双层球团法进行试验，球团内、外层配加不同量的煤和熔剂），以提高其强度，使综合球团矿成为优良的冶炼原料。