一种壳-芯结构高赤铁矿球团矿、制备方法及应用与流程

本发明属于钢铁冶金球团矿生产，具体涉及一种壳-芯结构高赤铁矿球团矿、制备方法及应用。

背景技术：

1、在高比例赤铁矿球团矿生产中，随着优质磁铁矿资源的枯竭，工业生产中赤铁矿在球团原料中的配比普遍提高至65%以上，典型矿种包括p2fg、pfc1、ioc6等高品位进口赤铁矿。然而，赤铁矿与磁铁矿在物理化学性质上存在显著差异，导致高赤铁矿球团在生产与应用过程中面临一系列难以克服的技术瓶颈。

2、赤铁矿固有缺陷引发的球团质量问题

3、赤铁矿(fe2o3)属于六方晶系，晶体结构致密、导热系数低，且在高温还原气氛下会发生晶格畸变(fe2o3→fe3o4)，伴随体积膨胀。这一问题在高赤铁矿球团中尤为突出：

4、还原剥落：球团在高炉还原过程中，表层赤铁矿发生相变膨胀，导致球团表面产生微裂纹并最终剥落，形成大量粉末，严重恶化高炉透气性。

5、固结窗口狭窄：赤铁矿的再结晶与固结对温度极为敏感，传统工艺焙烧温度波动超过±15℃即出现过熔或欠烧，工艺控制难度极大。

6、膨润土依赖性强：为保证生球强度和爆裂温度，不得不添加2%~3%的膨润土，直接导致球团sio2含量升高、全铁(tfe)品位下降。

7、现有红土镍矿应用的认知局限与技术偏见

8、为降低生产成本，业内曾尝试在球团中配加红土镍矿。然而，现有技术普遍采用均匀混合工艺，并存在以下根深蒂固的技术偏见：

9、均匀混合偏见：业内普遍认为原料必须均匀混合，以保证球团成分和组织的一致性，从未考虑通过非对称分布实现结构功能化。

10、温和焙烧偏见：为防止红土镍矿中结晶水剧烈分解导致球团爆裂，通常采用温和、平稳的升温曲线，避免高温冲击。特别是针对球团外壳，业内普遍认为高温会导致表面开裂，因此严禁使用瞬时高温处理。

11、矿种选择局限：红土镍矿中al2o3、mgo及碱金属含量较高，业内普遍认为大比例配加会引发还原膨胀和还原粉化，因此通常仅作为含镍废料少量使用（配加量通常≤1.0%），并未将其视为改善球团显微结构的功能性材料。

12、综上所述，现有技术始终未能摆脱均匀混合、温和焙烧、镁质熔剂的传统思路，且对红土镍矿的应用存在严重的技术偏见。因此，亟需一种能够打破上述偏见，从矿物原位反应和显微结构重构层面系统性解决高赤铁矿球团还原剥落等问题的新方法。

技术实现思路

1、针对高赤铁矿球团因导热不均和晶格畸变导致的还原剥落、还原膨胀指数高以及膨润土依赖性强的问题，本发明提供一种壳-芯结构高赤铁矿球团矿、制备方法及应用，通过原料功能分区、非对称造球、瞬时热激与原位矿相重构，实现高赤铁矿球团强度、品位与抗还原膨胀性能的协同提升，并大幅降低对膨润土的依赖。

2、为达以上目的，本发明技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种壳-芯结构高赤铁矿球团矿，包括内核以及包覆于内核外表面的外壳；外壳具有由赤铁矿晶粒与镁铁尖晶石相构成的复合固结结构；所述外壳中的镁铁尖晶石相分布于所述赤铁矿晶粒之间的孔隙区域，并形成连续网状的增强骨架，从物理上限制赤铁矿晶粒的晶格畸变空间。

4、进一步的，所述内核包括磁铁矿、赤铁矿以及质量占内核原料总质量0.1～0.5%的膨润土，所述内核中赤铁矿的质量占内核原料总质量的比例≥65%，该部分主要承担提供高全铁品位与良好还原性的功能。

5、进一步的，所述外壳厚度为2～3mm，所述镁铁尖晶石相的质量占所述外壳总质量的0.5%～1.5%。

6、进一步的，制备所述外壳的原料包括占外壳原料总质量1.8%～2.2%的褐铁矿型红土镍矿，该配比既能保障原位生成连续的镁铁尖晶石相骨架并起到物理支撑与持水作用，又能避免配加过量导致产生低熔点硅酸盐玻璃相阻断骨架发育，以及结晶水集中脱除引发球团爆裂的风险。

7、进一步的，所述褐铁矿型红土镍矿的化学成分满足：al2o3质量百分比为8.5%～9.5%，mgo质量百分比为0.8%～1.0%，sio2质量百分比为3%～4%，s质量百分比≤0.20%，且粒度小于等于200目占比≥95%，严格控制s含量是为了防止热激过程中产生低熔点硫化物相，影响骨架强度；限定粒度是保证红土镍矿在瞬时热激下反应充分，避免未反应核心。

8、进一步的，所述球团矿的还原膨胀指数rsi≤13%，抗压强度≥3400n/个球，还原后≤3mm粉末率≤2.5%。

9、第二方面，本发明提供了一种壳-芯结构高赤铁矿球团矿的制备方法，包括以下步骤：

10、（1）制备内核生球：将包含磁铁矿与赤铁矿的原料与膨润土混合造球，形成母球，母球的粒径控制为8～10mm；

11、（2）制备外壳料：将赤铁矿、褐铁矿型红土镍矿及占外壳原料总质量0.5%~1.0%的膨润土混合，所述褐铁矿型红土镍矿的配加比例为1.8%~2.2%，且其化学成分中al2o3质量百分比为8.5%~9.5%，mgo质量百分比为0.8%~1.0%，sio2质量百分比为3%~4%，s质量百分比≤0.20%，粒度小于等于200目占比≥95%；

12、（3）包覆成球：采用喷雾润湿与滚圆同步进行的方式，形成厚度为2～3mm的外壳；

13、（4）干燥预热：将生球送入链篦机，控制预热二段烟罩温度为1100℃~1130℃；

14、（5）瞬时热激：将生球在链篦机出口至回转窑入口处的氧化气氛下，经受1280℃~1300℃的高温气流处理30~60秒；

15、（6）焙烧：将热激处理后的球团进行焙烧，焙烧温度控制为1255℃～1265℃，焙烧时间为20～30分钟，焙烧过程控制窑头罩温度为960℃～975℃，获得成品壳-芯结构高赤铁矿球团矿。

16、进一步的，步骤（1）和步骤（2）中所述赤铁矿为p2fg、pfc1及ioc6中的一种或多种组合。

17、进一步的，步骤（5）中，所述瞬时热激处理的高温气流温度为1290℃~1300℃，持续时间为40~50秒。

18、进一步的，步骤（5）之后、步骤（6）之前，还包括利用红外测温对球团表面进行红外测温的步骤，控制球团表面温度在1270℃以上进入回转窑进行焙烧，保障镁铁尖晶石相骨架发育所需的热动力学条件，防止球团骤冷引发微裂纹，确保外壳骨架的完整性。

19、第三方面，本发明提供一种所述壳-芯结构高赤铁矿球团矿在高炉炼铁中的应用，是将所述球团矿作为高炉炉料使用，凭借外壳骨架与低硅高品位优势，显著降低球团的高温还原粉末率，使高炉吨铁渣量较传统均匀配加红土镍矿的球团降低8%~10%，从而改善透气性并降低燃料消耗。

20、本发明的壳-芯结构高赤铁矿球团矿有益效果在于：

21、（1）抑制还原剥落，显著降低还原膨胀指数：通过在球团外壳中原位生成镁铁尖晶石骨架，在赤铁矿颗粒之间形成连续网状镁铁尖晶石相结构，物理限制赤铁矿在高温还原气氛下的晶格畸变空间，阻断了微裂纹的萌生与扩展。这从物理机制上彻底解决了传统球团易膨胀、粉化剥落的缺陷，大幅降低还原粉末率，显著改善高炉料柱透气性。

22、（2）大幅降低膨润土依赖，实现低硅高品球团生产：利用褐铁矿型红土镍矿的多孔结构在外壳中起到物理支撑与持水作用，整体膨润土用量降至1.0%以下，球团sio2质量百分比降低0.3%~0.6%，tfe品位提升0.1%~0.15%。

23、本发明的壳-芯结构高赤铁矿球团矿的制备方法有益效果在于：

24、（1）消除红土镍矿应用中的热工波动风险通过控制红土镍矿富集于外壳，并经瞬时高温处理，处理过程中通过链篦机机速与烧嘴负荷联动，精确控制球团在高温区的停留时间。在氧化气氛和瞬时高温的双重作用下，外壳中的红土镍矿发生以下关键反应：结晶水瞬间脱除，避免了在回转窑内集中释放导致结圈的风险；红土镍矿中的mgo与赤铁矿在颗粒接触点发生原位固-液反应，快速生成镁铁尖晶石（mgfe2o4）。

25、（2）突破赤铁矿固结窗口狭窄的工艺瓶颈：壳-芯结构使球团内部形成外壳高强度、内芯高品位的非对称热响应模式，配合链篦机出口的瞬时热激处理，有效缓解赤铁矿导热差、内外温差大的问题。实验验证表明，传统均匀混合工艺的赤铁矿固结温度允许波动范围为±15℃，而本发明工艺的固结温度允许波动范围拓宽至±25℃：在焙烧温度1255℃~1285℃区间波动时，成品球团抗压强度波动≤120n/球，rsi波动≤0.3%，大幅提升工艺稳定性，降低生产操控难度。

26、（3）提升生球与预热球强度，改善爆裂性能：红土镍矿在外壳中形成致密的颗粒堆积结构，使生球落下强度与抗压强度同步提升，预热球爆裂温度≥500℃，避免后续热激过程中的热应力破坏，显著优于均匀配加红土镍矿的球团，减少链篦机漏风与返料。

27、（4）兼容现有高赤铁矿资源，拓宽原料适应性：本方法适用于p2fg、pfc1、ioc6等高比例赤铁矿原料，无需改变现有链篦机-回转窑主体设备，仅通过造球工艺与热工制度微调即可实现工业化应用。

28、（5）优化焙烧热工制度，保障平稳顺行并降低热耗： 本发明通过限定焙烧温度为1255℃～1265℃、焙烧时间为20～30分钟，并将焙烧过程的窑头罩温度控制为960℃～975℃，能够确保内芯高比例赤铁矿充分再结晶固结，同时有效避免外壳红土镍矿因过熔而产生低熔点玻璃相，从而保障了整体热工制度的平稳，并显著降低了系统热耗。

29、（6）形成可复制的结构化球团制备范式：本发明首次提出功能性外壳、高品位内核再加以瞬时热激的球团制备范式，可推广至其他高膨胀、难焙烧铁矿的球团化生产，具有广泛的行业应用前景。

30、将本发明的壳-芯结构高赤铁矿球团矿用于高炉炼铁中，有利于降低高炉炼铁过程的粉末率及渣量：由本发明制备的球团矿在高炉还原气氛下表面不发生剥落，还原后≤3mm粉末率由常规球团的12.3%降至2.1%，降低幅度达83%；同时，得益于前述低硅高品球团的实现，经测算，高炉吨铁渣量较传统均匀配加红土镍矿的球团降低8%~10%，显著改善高炉透气性，降低压差与燃料消耗。