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

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

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Una corrección del autor de este artículo se publicó el 28 de febrero de 2023

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La formación de anillos era un problema clave de los gránulos de fundente de magnesio en el horno rotatorio, lo que limitaba seriamente la eficiencia de la producción. El polvo de gránulos y el fundente fueron las materias primas del anillo. En base a esto, se investigaron la fuerza de unión, el comportamiento de fusión y la microestructura del polvo de gránulos y su polvo mezclado con fundente. Se analizó la influencia de la basicidad (R = CaO/SiO2) en el comportamiento del anillo del polvo de gránulos y se aclaró el mecanismo de formación del anillo de los gránulos de fundente de magnesio. Los resultados mostraron que el polvo de gránulos ácidos no era fácil de formar anillos 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 gránulos de fundente magnesiano 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, se requiere controlar la temperatura de tostado por debajo de 1200 °C, que es una condición necesaria para que el polvo de gránulos de fundente magnesiano forme un anillo inicial que sea fácil de destruir.

Con las medidas duales de reducir enérgicamente la capacidad industrial excesiva y la renovación ambiental, la industria siderúrgica de China estaba bajo la presión del ajuste estructural y la mejora1, 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 alto grado, 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 granulación se redujeron respectivamente en un 75 %, 53 % y 16 %, y el consumo de energía en el proceso de granulación 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 horno de cuba, tostador de banda y horno rotatorio 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 rejilla ocupó una posición principal en la producción de gránulos de China. Sin embargo, el proceso de horno rotatorio fácilmente podría formar anillos en la producción de gránulos. Especialmente en el proceso de producción de gránulos de fundente de magnesio, los anillos se formaron con frecuencia en un ciclo corto, lo que ha limitado seriamente el proceso de producción industrial de gránulos 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 fundentes de magnesio en el horno rotatorio, centrándose principalmente en la reacción entre gránulos ácidos, gránulos fundentes y carbón y cenizas de carbón en el horno rotatorio12,13, 14 Estudios previos han demostrado que el anillo del horno rotatorio durante la producción de gránulos de hematites proviene principalmente de polvo de gránulos precalentados y cenizas de carbón 15,16. Investigadores anteriores han demostrado que es difícil que el polvo de gránulos puro forme el anillo debido a la recristalización insuficiente de Fe2O3 en el horno rotatorio, pero la ceniza de carbón puede fortalecer la fuerza de unión, lo que hace que el anillo inicial formado por el polvo mixto 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 la ceniza 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 hematites, 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 fundentes de magnesio, la influencia de los gránulos fundentes 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 fundentes de magnesio en horno rotatorio. En este estudio, se prepararon y asaron briquetas de polvo granulado 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 en la fuerza de unión del polvo de gránulos. 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 fase líquida en las briquetas de polvo se calcularon mediante el software FactSage22.

El concentrado de hierro en polvo, el fundente y la bentonita utilizados para preparar las materias primas de los gránulos en polvo provienen de una empresa siderúrgica china, y su composición química se muestra en la Tabla 1. De acuerdo con la producción real de la planta de gránulos, cinco tipos de gránulos en polvo con Se diseñan diferentes basicidades (R = CaO/SiO2), con basicidad de 0.6, 0.8, 1.0, 1.2 y 1.4 respectivamente, contenido fijo de SiO2 de 5.0% y contenido de MgO de 2.0%, como se muestra en la Tabla 2. Mina PMC, mina Yanshan y la mina Miaogou se mezclan de acuerdo con la proporción de 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 0.1% de bentonita y se mezcla completamente.

De acuerdo con la producción de la planta de gránulos, los polvos minerales mixtos con diferente basicidad se preparan en gránulos. Las briquetas se calcinan en un horno tubular bajo las condiciones de temperatura de precalentamiento de 950 °C por 10 min y temperatura de tostado de 1250 °C por 10 min23,24. Después de enfriar a temperatura ambiente, las briquetas se preparan en polvo de gránulos de más de 200 mallas a través de una máquina trituradora, que se utiliza para simular y reemplazar el polvo de gránulos fundentes de magnesio producido en el horno rotatorio. Se puede ver en el tamiz estándar que el 80% de los polvos obtenidos tienen un tamaño de partícula de más de 200 mallas y el 20% tiene un tamaño de partícula de menos de 200 mallas.

Los gránulos de polvo anteriores con diferente basicidad se briquetean, y luego se preparan 3 g de gránulos de polvo en briquetas usando un molde cilíndrico de acero con un diámetro interior de 10 mm bajo la presión de 15 Mpa con la cooperación de una prensa hidráulica30. Generalmente, el precalentamiento la temperatura en el horno rotatorio es de 950 °C durante 10 min, y la temperatura de tostado es de 1250 °C durante 10 min, cuando el horno rotatorio produce gránulos. Las briquetas son precalentadas y tostadas en un horno tubular bajo temperatura de precalentamiento de 950 °C por 10 min y temperatura de tostado de 1250 °C por 10 min23,24. Después de precalentar y tostar, las briquetas se enfriaron a temperatura ambiente.

Una cierta calidad de gránulos en polvo se mezcla con una solución acuosa de dextrina y se prepara un cono triangular de acuerdo con un cierto tamaño. 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. Se registran cuatro temperaturas características de fusión de acuerdo con el estándar chino (GB/T 219–2008): 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 gránulos 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 se rompen las briquetas, la resistencia en el medidor de resistencia a la compresión se considera como 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 el punto de fusión y el medidor 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 gránulos 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 el pulido y luego se analizó la estructura de la fase mineral de las briquetas con el microscopio electrónico de barrido de emisión de campo Quanta 650 y el microscopio polarizador de grado de investigación DM4500P. Se usó el difractómetro de rayos X D/MAX2500PC para analizar las briquetas por XRD. SEM-EDS se utilizó para analizar la microestructura y la distribución de elementos de las briquetas. Las proporciones de la fase líquida en la fase de unión fueron calculadas por el software FactSage26.

La resistencia a la compresión se investigó 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 se habían precalentado, tostado y enfriado. Los resultados experimentales se muestran en la Fig. 1a.

El efecto de la basicidad y la temperatura de tostado en 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 fue de 0,6, la resistencia a la compresión de las briquetas fue de 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 superaba 1,0, aumentaba la resistencia a la compresión de las briquetas. Cuando la basicidad fue de 1,4, la resistencia a la compresión de las briquetas fue de 861,8 kgF/cm2.

Hubo una correlación positiva entre la resistencia a la compresión de las briquetas 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 la basicidad y la resistencia a la compresión. Por un lado, el fundente cambió la composición del polvo de gránulos y mejoró el proceso de unión del polvo de gránulos. Por otro lado, el aumento de la basicidad también condujo a la promoción del contenido de CaO, por lo 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 hematites y mejorarían en gran medida la resistencia a la compresión de las briquetas, lo que hizo que la resistencia a la compresión cambiara mucho24,27,28,29.

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 gránulos en el horno rotatorio mejoró mucho en resistencia a la compresión y formó anillos iniciales irrompibles con mucha facilidad. Con un aumento en el polvo de gránulos en el horno rotatorio, los anillos iniciales se agravaron gradualmente, lo que dificultó el movimiento y la circulación de materiales y el flujo de gas caliente, lo que provocó una reducción en la calidad y producción de gránulos fundentes 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 estaba cerca de la de las briquetas ácidas. Por lo tanto, bajo la condición de garantizar la resistencia de los gránulos, la temperatura de tostado debe controlarse por debajo de 1200 °C, que es una condición necesaria para la producción de gránulos de fundente de magnesio.

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

El efecto de la basicidad en 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. De acuerdo con el diagrama de fase Fe2O3-CaO9, cuando w(CaO) era inferior al 20%, la temperatura del liquidus 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 ablandamiento de las briquetas más bajas20. 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 gránulos fundentes 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 olivino de hierro se transmutó gradualmente en la fase de olivino de hierro de calcio con un punto de fusión más bajo, lo que aumentó la cantidad de fase líquida, aceleró la difusión de hematites 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 beiquetes 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 que son 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 y calcio, lo que reveló los mismos resultados del análisis XRD.

Estructura de fase mineral de briquetas con diferente basicidad, luz reflejada (× 500).

Con cambios en la basicidad de las briquetas, el contenido de hematites cambió poco, lo que incrementó el contenido de ferrita de calcio y olivino de hierro y calcio. Cuando la basicidad varió de 0,8 a 1,0, los cristales de hematites se recristalizaron y crecieron, los cuales formaron gradualmente la fase de consolidación de la escoria con un aumento de ferrita de calcio, y los poros disminuyeron debido al relleno de hierro calcio olivino28. Cuando la basicidad oscilaba entre 1,0 y 1,2, habría pequeños cambios en los poros y una gran área de cristalización continua de hematites. Además, una gran cantidad de olivino de calcio de hierro y algo de ferrita de calcio se entrelazaron entre los cristales de hematites, lo que mejoró la recristalización de las hematites 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 que una gran cantidad de olivino de hierro y calcio 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 más pequeña, una densidad más alta y una mayor resistencia a la compresión, 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 distribuyó 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 aceleró 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 mostró 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 fase del sistema CaO-Al2O3-Fe2O3-5wt%SiO2-2wt%MgO calculado por FactSage 8.2. Como se muestra en la Fig. 6, de acuerdo con la composición química del polvo de gránulos, el área de ubicación aproximada de los anillos está marcada en el diagrama de fase22,26. 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 fundentes de magnesio cambia en la dirección de la flecha. Para las muestras producidas por gránulos fundentes de magnesio, la región se mueve a la parte de temperatura más baja. Por lo tanto, se producirá más fase líquida durante el tostado de los aglomerados de gránulos fundentes de magnesio. En una palabra, cuando aumentó la basicidad de los gránulos de fundente de magnesio, la composición de la fase de unión en el anillo cambió significativamente.

Diagrama de fase de CaO-Al2O3-Fe2O3-5wt%SiO2-2wt%MgO (calculado por FactSage 8.2).

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

Como se muestra en la Fig. 7, durante el proceso de formación del anillo de polvo de gránulos 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 gránulos de fundente de magnesio. El polvo de hematita pura era difícil de formar un anillo inicial con alta resistencia a 1250 °C. Sin embargo, la existencia de fundentes de CaO y MgO hizo que el polvo de hematita y los fundentes 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, por lo tanto, mejoró la resistencia del anillo inicial y agravó la formación de anillos en horno rotatorio.

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

Con el aumento de la basicidad, la resistencia a la compresión de las briquetas de polvo de gránulos de fundente de magnesio aumentó gradualmente, por lo que los anillos se formaron fácilmente y es difícil que las briquetas de polvo de gránulos ácidos formen anillos debido a su menor resistencia a la compresión. Además, bajo la condición de garantizar la resistencia de los gránulos, la temperatura de tostado 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 fue fácil de destruir.

La briqueta de polvo de gránulos de fundente de magnesio estaba compuesta principalmente de hematita, magnetita, ferrita de calcio, ferrita de magnesio y fases de 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 la fase de olivino de hierro y calcio con un punto de fusión más bajo.

El agravamiento de los anillos en el horno rotatorio se debió principalmente a la formación de la fase líquida del polvo de gránulos de fundente de magnesio. En el horno rotatorio, había fundentes de CaO y MgO producidos por gránulos de fundente de magnesio, lo que provocaba que el polvo de hematita y los fundentes produjeran fases líquidas en el horno rotatorio de alta temperatura, lo que promovía la difusión y la cristalización continua de la hematita, mejorando así 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 a pedido razonable.

Se ha publicado una corrección de 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, número de subvención U20A20271; FUNDACIÓN DE CIENCIAS NATURALES DE LA PROVINCIA DE HEBEI, número de subvención E2020209184; PROYECTO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE LA CIUDAD DE TANG-SHAN, número de subvención 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 fondos, 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 febrero 2023

Publicado: 10 febrero 2023

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

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