Investigación sobre el mecanismo de formación de anillos de pastillas de fundente de magnesio en horno rotatorio.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 2397 (2023) Citar este artículo

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Se publicó una corrección del autor de este artículo el 28 de febrero de 2023.

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La formación de anillos fue un problema clave de los gránulos de fundente de magnesio en el horno rotatorio, lo que limitó seriamente la eficiencia de producción. Las materias primas del anillo eran polvo de pellets y fundente. En base a esto, se investigaron la fuerza de unión, el comportamiento de fusión y la microestructura del polvo granulado y su polvo mezclado con fundente. Se analizó la influencia de la basicidad (R = CaO/SiO2) en el comportamiento del anillo del polvo de pellets y se aclaró el mecanismo de formación de anillos de los pellets de flujo de magnesio. Los resultados mostraron que no era fácil formar anillos con polvo ácido en gránulos debido a la menor fuerza de unión de las briquetas. Debido a los cambios en el proceso de unión después de mezclar el fundente, el polvo de pellets de fundente de magnesio produjo una fase líquida de ferrita y silicato con un punto de fusión más bajo, lo que promovió la difusión y recristalización de la hematita y mejoró la resistencia a la compresión de las briquetas, y finalmente provocó la formación de anillos. Además, es necesario controlar la temperatura de tostación por debajo de 1200 °C, que es una condición necesaria para que el polvo de pellets de fundente de magnesio forme un anillo inicial que sea fácil de destruir.

Con las medidas duales de recortar vigorosamente la capacidad industrial excesiva y renovar el medio ambiente, la industria siderúrgica de China se vio bajo la presión del ajuste estructural y la modernización1, lo que obligó a las empresas siderúrgicas a embarcarse en la ruta de desarrollo limpio, eficiente y de alta calidad. El pellet de fundente de magnesio se ha convertido en una materia prima de alto horno de alta calidad y eficiencia con alta calidad, bajo consumo de energía y protección ambiental2,3,4. Según las estadísticas, en comparación con el proceso de sinterización, los contaminantes CO2, SO2 y NOx producidos por toneladas de productos en el proceso de peletización se redujeron respectivamente en un 75%, 53% y 16%, y el consumo de energía en el proceso de peletización se redujo en un 11,9%5,6 . Por lo tanto, el proceso de granulación fue más respetuoso con el medio ambiente que el proceso de sinterización.

Los procesos de producción de pellets incluyeron principalmente hornos de cuba, tostadores de cinta y hornos rotatorios de parrilla7,8,9. El horno rotatorio de parrilla era compatible con una variedad de combustibles para calefacción10. Además, China es rica en recursos de carbón, con una producción que representa alrededor del 60% de la producción total de pellets11. El proceso de horno rotatorio de parrilla ocupó una posición importante en la producción de pellets de China. Sin embargo, el proceso de horno rotatorio podría formar fácilmente anillos en la producción de pellets. Especialmente en el proceso de producción de pastillas de fundente de magnesio, los anillos se formaban con frecuencia en un ciclo corto, lo que ha limitado seriamente el proceso de producción industrial de pastillas de fundente de magnesio.

En la actualidad, hay pocos informes sobre el comportamiento de crecimiento y el mecanismo de formación del anillo formado por gránulos de fundente de magnesio en el horno rotatorio, centrándose principalmente en la reacción entre los gránulos de ácido, los gránulos de fundente y el carbón y las cenizas de carbón en el horno rotatorio12,13. 14. Estudios anteriores han demostrado que el anillo del horno rotatorio durante la producción de pellets de hematita proviene principalmente de polvo de pellets precalentado y cenizas de carbón 15,16. Investigadores anteriores han demostrado que es difícil que el polvo de pellets puro forme el anillo debido a una recristalización insuficiente de Fe2O3 en el horno rotatorio, pero las cenizas de carbón pueden fortalecer la fuerza de unión, lo que hace que el anillo inicial formado por el polvo mezclado sea difícil de destruir17,18 ,19. Sefidari et al. estudiaron la influencia de la adición de biomasa al carbón en la formación de anillos en un horno rotatorio y establecieron la relación entre la tendencia de formación de anillos y la viscosidad de fusión de las cenizas20. El mecanismo de formación del anillo a baja temperatura es principalmente que el polvo de carbón sin quemar reduce la hematita a FeO y reacciona con las cenizas de carbón para formar una fase de silicato con bajo punto de fusión, que produce una fase líquida a baja temperatura y promueve la adhesión de partículas de hematita; el mecanismo de formación del anillo a alta temperatura es principalmente la cristalización y difusión de hematita, y la fase líquida juega un papel secundario en la formación del anillo17,20,21.

Sin embargo, debido a la variabilidad de los componentes de los gránulos de fundente de magnesio, la influencia de los gránulos de fundente de magnesio en la formación de anillos en el horno rotatorio no se ha definido claramente. Por lo tanto, es muy necesario estudiar el mecanismo de formación de gránulos de fundente de magnesio en un horno rotatorio. En este estudio, se prepararon y tostaron briquetas de polvo de pellets de fundente de magnesio con diferentes componentes para investigar su fuerza de unión. Al mismo tiempo, también se estudió la influencia de diferentes temperaturas de tostado sobre la fuerza de unión del polvo de pellets. La microestructura, morfología y composición de las briquetas de polvo se observaron mediante microscopio polarizador, XRD, SEM y EDS. La composición química y la proporción de la fase líquida en las briquetas de polvo se calcularon mediante el software FactSage22.

El polvo concentrado de hierro, el fundente y la bentonita utilizados para preparar las materias primas en polvo de pellets provienen de una empresa siderúrgica china, y su composición química se muestra en la Tabla 1. Según la producción real de la planta de pellets, se pueden producir cinco tipos de polvo de pellets con Se diseñan diferentes basicidades (R = CaO/SiO2), con una basicidad de 0,6, 0,8, 1,0, 1,2 y 1,4 respectivamente, un contenido fijo de SiO2 del 5,0% y un contenido de MgO del 2,0%, como se muestra en la Tabla 2. Mina PMC, mina Yanshan y la mina Miaogou se mezclan de acuerdo con la proporción en la Tabla 2, luego se agregan dolomita y piedra caliza para ajustar la basicidad, el contenido de MgO y el contenido de SiO2 del polvo mineral mezclado, luego se agrega bentonita al 0,1% y se mezcla completamente.

Según la producción de la planta de pellets, los polvos minerales mezclados con diferente basicidad se preparan en pellets. Las briquetas se calcinan en un horno tubular en condiciones de temperatura de precalentamiento de 950 °C durante 10 min y temperatura de tostado de 1250 °C durante 10 min23,24. Después de enfriar a temperatura ambiente, las briquetas se preparan en polvo de pellets de más de 200 mallas a través de una máquina trituradora, que se utiliza para simular y reemplazar el polvo de pellets con fundente de magnesio producido en el horno rotatorio. Se puede observar en el tamiz estándar que el 80% de los polvos obtenidos tienen un tamaño de partícula superior a 200 mallas y el 20% tienen un tamaño de partícula inferior a 200 mallas.

Los gránulos en polvo anteriores con diferente basicidad se briquetan y luego se preparan 3 g de gránulos en polvo en briquetas utilizando un molde cilíndrico de acero con un diámetro interior de 10 mm bajo una presión de 15 MPa con la cooperación de una prensa hidráulica 30. Generalmente, el precalentamiento La temperatura en el horno rotatorio es de 950 °C durante 10 minutos, y la temperatura de tostación es de 1250 °C durante 10 minutos, cuando el horno rotatorio produce pellets. Las briquetas se precalientan y se tuestan en un horno tubular a una temperatura de precalentamiento de 950 °C durante 10 min y una temperatura de tostado de 1250 °C durante 10 min23,24. Después de precalentar y tostar, las briquetas se enfriaron a temperatura ambiente.

Se mezcla una determinada calidad de polvo de gránulos con una solución acuosa de dextrina y se prepara un cono triangular de acuerdo con un tamaño determinado. El cono triangular se coloca en un horno tubular y se calienta a cierta velocidad en una atmósfera reductora suave. Se utilizó una cámara de alta temperatura para observar la deformación del cono triangular. Según el estándar chino (GB/T 219–2008), se registran cuatro temperaturas características de fusión: temperatura de deformación, temperatura de reblandecimiento, temperatura del hemisferio y temperatura de flujo25.

La resistencia a la compresión se utiliza para evaluar la fuerza de unión de las briquetas. Cuanto mayor sea la resistencia a la compresión, más fácil será que el polvo de pellets forme anillos en el horno rotatorio. El probador de resistencia a la compresión se utiliza para probar la resistencia a la compresión de las briquetas. Cuando las briquetas se rompen, la resistencia en el medidor de resistencia a la compresión se considera la resistencia a la compresión de las briquetas. Se midieron tres briquetas para cada prueba y su valor promedio se consideró como la resistencia a la compresión. La temperatura de deformación, la temperatura de reblandecimiento, la temperatura hemisférica y la temperatura de flujo de los gránulos en polvo con diferente contenido de basicidad se midieron mediante un medidor de punto de fusión y de velocidad de fusión. Cuanto menor sea la temperatura de deformación y la temperatura de reblandecimiento, mayor será el contenido de material de bajo punto de fusión en el polvo de pellets y más fase líquida se producirá en el polvo a alta temperatura. El aumento de la fase líquida mejorará la fuerza de unión del polvo. Las briquetas sin grietas se seleccionaron para pulir y luego se analizó la estructura de la fase mineral de las briquetas mediante un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo Quanta 650 y un microscopio polarizador de grado de investigación DM4500P. Se utilizó un difractómetro de rayos X D/MAX2500PC para analizar las briquetas mediante XRD. Se utilizó SEM-EDS para analizar la microestructura y la distribución de elementos de las briquetas. Las proporciones de la fase líquida en la fase de unión se calcularon mediante el software FactSage26.

Se investigó la resistencia a la compresión en briquetas con basicidad de 0,6, 0,8, 1,0, 1,2 y 1,4, contenido de SiO2 y MgO de 5,0% y 2,0% respectivamente, que fueron precalentadas, tostadas y enfriadas. Los resultados experimentales se muestran en la Fig. 1a.

El efecto de la basicidad y la temperatura de tostado sobre la resistencia a la compresión de las briquetas.

La Figura 1a mostró que había una correlación positiva entre la resistencia a la compresión de las briquetas y la basicidad. La resistencia a la compresión de las briquetas ácidas fue de 165,4 kgF/cm2, que fue inferior a la basicidad de las briquetas. Cuando la basicidad era 0,6, la resistencia a la compresión de las briquetas era 726,8 kgF/cm2. Cuando la basicidad osciló entre 0,6 y 1,0, la resistencia a la compresión de las briquetas cambió poco. Cuando la basicidad superó 1,0, la resistencia a la compresión de las briquetas aumentó. Cuando la basicidad era 1,4, la resistencia a la compresión de las briquetas era 861,8 kgF/cm2.

Hubo una correlación positiva entre la resistencia a la compresión de la briqueta y la basicidad. Según el análisis de correlación en estadística matemática, el coeficiente de correlación de Pearson (r, − 1 ~ 1) entre la basicidad y la resistencia a la compresión es 0,87743, lo que indica que existe una fuerte correlación. entre basicidad y resistencia a la compresión. Por un lado, el fundente cambió la composición del polvo de pellets y mejoró el proceso de unión del polvo de pellets. Por otro lado, el aumento de la basicidad también condujo a la promoción del contenido de CaO, de modo que el exceso de CaO entró en la fase de escoria y formó una fase líquida con bajo punto de fusión. Estas fases líquidas formadas beneficiarían la promoción de la recristalización de la hematita y mejorarían en gran medida la resistencia a la compresión de las briquetas, lo que hizo que la resistencia a la compresión cambiara enormemente24,27,28,29.

Las briquetas ácidas tienen una baja resistencia a la compresión, al igual que los anillos formados en el horno rotatorio. Bajo la condición de basicidad original. Era muy fácil de destruir y era difícil formar anillos iniciales, lo que hacía que el ciclo de formación de anillos de los gránulos de ácido fuera más largo en el proceso de producción30. Sin embargo, al aumentar la basicidad, el polvo de pellets en el horno rotatorio mejoró mucho en cuanto a resistencia a la compresión y formó anillos iniciales irrompibles con mucha facilidad. Con un aumento en el polvo de pellets en el horno rotatorio, los anillos iniciales se agravaron gradualmente, lo que dificultó el movimiento y la circulación de los materiales y el flujo de gas caliente, provocando una reducción en la calidad y producción de los pellets de fundente de magnesio.

Además, la Fig. 1b mostró que con una disminución en la temperatura de tostado, la resistencia a la compresión de las briquetas disminuyó gradualmente a 190,1 kgF/m2 a 1200 °C, que era cercana a la de las briquetas ácidas. Por lo tanto, bajo la condición de garantizar la resistencia de los pellets, la temperatura de tostación debe controlarse por debajo de 1200 °C, que es una condición necesaria para la producción de pellets de fundente de magnesio.

La temperatura característica de fusión del polvo de gránulos con basicidad de 0,8, 1,0 y 1,2, contenido de SiO2 y MgO de 5,0% y 2,0% respectivamente se midió mediante un medidor de velocidad de fusión del punto de fusión. Los resultados experimentales se muestran en la Fig. 2.

El efecto de la basicidad sobre la temperatura de fusión de las briquetas.

Como se muestra en la Fig. 2, hubo una correlación negativa entre la temperatura de deformación y la temperatura de ablandamiento de las briquetas y la basicidad. Según el diagrama de fases Fe2O3-CaO9, cuando w(CaO) era inferior al 20%, la temperatura del líquido disminuía gradualmente con un aumento en el contenido de CaO. Por lo tanto, el contenido de CaO en las briquetas aumentaría con el aumento de la basicidad, lo que promovió la formación de una fase mineral de bajo punto de fusión y aumentó la cantidad de fase líquida, lo que llevó a una temperatura de deformación y una temperatura de reblandecimiento más bajas de las briquetas20. Esto significa que con el aumento de la basicidad, la temperatura de deformación de las briquetas disminuye y la resistencia a la compresión de las briquetas aumenta. La formación del anillo de pellets de fundente de magnesio en el horno rotatorio será más grave.

La Figura 3 mostró que la fase metálica de las briquetas estaba compuesta principalmente por una gran cantidad de hematita y una pequeña cantidad de magnetita, mientras que la fase de unión estaba compuesta principalmente por silicato y silicato de calcio y el punto de fusión del olivino es de 1205 °C, el punto de fusión de ferrita de magnesio es 1720 °C, y el punto de fusión de la ferrita de calcio es 1226 °C31. Con el aumento de la basicidad, la fase de ferrita y la fase de silicato aumentaron gradualmente (como se muestra en las fórmulas 1, 2 y 3), y la fase de hierro olivino se transmutó gradualmente en la fase de calcio hierro olivino con un punto de fusión más bajo, lo que aumentó la cantidad de fase líquida, aceleró la difusión de las hematitas y llenó los poros de las briquetas, lo que llevó a una mayor resistencia a la compresión de las briquetas24,32.

Resultados de difracción XRD de briquetas de beiquetas con diferente basicidad.

La Figura 4 mostró una distribución de microestructura densa y uniforme de briquetas con diferentes basicidades y también una distribución uniforme de poros de diferentes tamaños y formas irregulares. La fase del mineral estaba compuesta principalmente de hematita y una pequeña cantidad de magnetita, ferrita de calcio y olivino de hierro cálcico, lo que reveló los mismos resultados del análisis XRD.

Estructura de fases minerales de briquetas con diferente basicidad, luz reflejada (× 500).

Con los cambios en la basicidad de las briquetas, el contenido de hematita cambió poco, lo que aumentó el contenido de ferrita de calcio y olivino de calcio y hierro. Cuando la basicidad osciló entre 0,8 y 1,0, los cristales de hematita se recristalizaron y crecieron, los cuales gradualmente formaron una consolidación de la fase de escoria con un aumento de ferrita de calcio, y los poros disminuyeron debido al llenado de olivino de calcio y hierro28. Cuando la basicidad oscilaba entre 1,0 y 1,2, habría pequeños cambios en los poros y una gran área de cristalización continua de hematitas. Además, una gran cantidad de olivino cálcico y algo de ferrita de calcio se entrelazaron entre los cristales de hematita, lo que mejoró la recristalización de las hematitas y, por lo tanto, aumentó la densidad de las briquetas33.

En resumen, con el aumento de la basicidad, la hematita se recristalizó y creció mientras una gran cantidad de olivino de calcio y hierro y algo de ferrita de calcio se entrelazaron entre los cristales de hematita para mejorar la recristalización de la hematita. Esto provocó que las briquetas tuvieran una porosidad menor, una densidad más alta y una resistencia a la compresión mayor, lo que hizo que los anillos en el horno rotatorio fueran más densos e irrompibles.

Como se muestra en la Fig. 5, la composición del elemento en 3# mostró que esta fase era hematita; la composición del elemento en 2# mostró que la fase era magnetita con una pequeña cantidad de Mg, y Mg2+ limitó la oxidación de la magnetita en la red de magnetita, lo que hizo que la magnetita fuera amorfa y casi no se distribuyera alrededor de la hematita; la composición del elemento en 1# mostró que esta fase era una fase líquida que se distribuía alrededor de la hematita, principalmente debido a la reacción de la hematita con la fase de silicato para formar una gran cantidad de fase líquida de ferrita con bajo punto de fusión, lo que aceleraba la transferencia de masa de Fe3+. mejoró la capacidad de recristalización de la hematita y mejoró la resistencia a la compresión de las briquetas34. Esto también demostró que una mayor basicidad haría que las briquetas tuvieran una mayor resistencia a la compresión y exacerbaría la formación de anillos en el horno rotatorio, lo que impedía la producción de gránulos de fundente de magnesio.

Análisis ESD de briquetas con basicidad 1.0, MgO 2.0% y SiO2 5.0%.

La Figura 6 muestra el diagrama de fases del sistema CaO-Al2O3-Fe2O3-5% en peso SiO2-2% en peso MgO calculado por FactSage 8.2. Como se muestra en la Fig. 6, de acuerdo con la composición química del polvo de los gránulos, el área de ubicación aproximada de los anillos está marcada en el diagrama de fases22,26. Con el aumento de la basicidad (CaO/SiO2), aumenta el contenido de CaO. Es obvio que la posición de la fase de unión del anillo de los gránulos de fundente de magnesio cambia en la dirección de la flecha. Para las muestras producidas por gránulos de fundente de magnesio, la región se mueve a la parte de temperatura más baja. Por lo tanto, se producirá más fase líquida durante la tostación de los aglomerados de gránulos de fundente de magnesio. En una palabra, cuando aumentó la basicidad de los gránulos de flujo de magnesio, la composición de la fase de unión en el anillo cambió significativamente.

Diagrama de fases de CaO-Al2O3-Fe2O3-5% en peso SiO2-2% en peso MgO (calculado por FactSage 8.2).

El cambio de la composición de la fase de unión conduce a una alta proporción de la fase líquida en los anillos, lo que conduce a la adhesión entre las partículas de polvo de pellets durante la producción de pellets de fundente de magnesio en el horno rotatorio. Por tanto, la basicidad juega un papel importante en la formación de anillos. Con el aumento de la basicidad, el anillo forma una fase líquida superior, lo que conducirá a una formación de anillo más grave. Por lo tanto, es necesario controlar la basicidad de los gránulos de fundente de magnesio para reducir la formación de anillos.

Como se muestra en la Fig. 7, durante el proceso de formación del anillo del polvo de pellets de fundente de magnesio en el horno rotatorio, la magnetita se oxidó a hematita en la parrilla, y se produjo algo de polvo de hematita debido a la menor resistencia a la compresión de los pellets de fundente de magnesio. Fue difícil formar un anillo inicial con alta resistencia al polvo de hematita pura a 1250 °C. Sin embargo, la existencia de fundentes de CaO y MgO hizo que el polvo y los fundentes de hematita pudieran producir fases líquidas en el horno rotatorio de alta temperatura, lo que promovió la difusión y recristalización de la hematita en el horno rotatorio, mejorando así la resistencia del anillo inicial y agravando la Formación de anillos en horno rotatorio.

Mecanismo de formación de anillos de pastillas de fundente de magnesio en horno rotatorio.

Con el aumento de la basicidad, la resistencia a la compresión de las briquetas de polvo de pellets de fundente de magnesio aumentó gradualmente, debido a lo cual, los anillos se formaron fácilmente y es difícil para las briquetas de polvo de pellets ácido formar anillos debido a su menor resistencia a la compresión. Además, bajo la condición de garantizar la resistencia de los gránulos, la temperatura de tostación debe controlarse por debajo de 1200 °C, que es una condición necesaria para que el polvo de gránulos de fundente de magnesio forme el anillo inicial que era fácil de destruir.

La briqueta de polvo de pellets de fundente de magnesio estaba compuesta principalmente por fases de hematita, magnetita, ferrita de calcio, ferrita de magnesio y olivino. Con el aumento de la basicidad, la fase de ferrita y la fase de olivino aumentaron gradualmente, y la fase de olivino de hierro se convirtió gradualmente en fase de olivino de hierro cálcico con un punto de fusión más bajo.

El agravamiento de los anillos en el horno rotatorio se debió principalmente a la formación de una fase líquida de polvo de pellets de fundente de magnesio. En el horno rotatorio, había flujos de CaO y MgO producidos por bolitas de fundente de magnesio, lo que provocó que el polvo de hematita y los fundentes produjeran fases líquidas en el horno rotatorio de alta temperatura, lo que promovió la difusión y la cristalización continua de la hematita y, por lo tanto, mejoró la resistencia de el anillo inicial, y luego intensificó la formación del anillo en el horno rotatorio.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Se ha publicado una corrección a este artículo: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30320-9

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Esta investigación fue financiada por la FUNDACIÓN NACIONAL DE CIENCIAS NATURALES DE CHINA, subvención número U20A20271; FUNDACIÓN DE CIENCIAS NATURALES DE LA PROVINCIA DE HEBEI, subvención número E2020209184; PROYECTO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LA CIUDAD DE TANG-SHAN, subvención número 20150217C; PROYECTO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL DEPARTAMENTO DE EDUCACIÓN DE HEBEI, número de subvención ZD2021084.

Facultad de Metalurgia y Energía, Universidad de Ciencia y Tecnología del Norte de China, ciudad de Tangshan, provincia de Hebei, China

Zongheng Guo, Tielei Tian y Yuzhu Zhang

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Análisis formal, TLT, YZZ; Adquisición de financiación, TLT; Investigación, redacción, ZHG.

Correspondencia a Tielei Tian.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Guo, Z., Tian, ​​T. y Zhang, Y. Investigación sobre el mecanismo de formación de anillos de gránulos de fundente de magnesio en horno rotatorio. Informe científico 13, 2397 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29440-z

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Recibido: 27 de septiembre de 2022

Aceptado: 06 de febrero de 2023

Publicado: 10 de febrero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29440-z

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