15～5 mm酒鋼鏡鐵礦石回轉(zhuǎn)窯焙燒結(jié)圈可能性研究

馬 浩 陳鐵軍,2 黃獻(xiàn)寶 丁春江 屈萬剛

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081)

15～5 mm酒鋼鏡鐵礦石回轉(zhuǎn)窯焙燒結(jié)圈可能性研究

馬 浩1陳鐵軍1,2黃獻(xiàn)寶1丁春江1屈萬剛1

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081)

為了開發(fā)利用酒鋼鏡鐵山-15 mm的粉狀鏡鐵礦石，在完成對試樣和還原煤化學(xué)成分、軟熔性能分析的基礎(chǔ)上，對回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒工藝窯壁結(jié)圈可能性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：試驗原料及各階段產(chǎn)物的軟化溫度均在1 100 ℃以上，當(dāng)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度嚴(yán)格控制在鏡鐵礦適宜的還原溫度850～900 ℃時，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料不會發(fā)生軟熔和液化；15～5 mm的小塊礦采用直徑為(0.45～0.65) m×9 m燃?xì)庾儚交剞D(zhuǎn)窯處理，在哈密煙煤用量為2%、焙燒溫度為850～900 ℃、窯內(nèi)停留時間為2.5 h、填充率為10%、焙燒產(chǎn)物水淬冷卻后磨礦細(xì)度為-0.074 mm占80%、弱磁選磁場強度為100 kA/m的情況下，可得到鐵品位為55.00%、回收率為83.00%的鐵精礦，且回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁360 h未見結(jié)圈現(xiàn)象；科學(xué)合理的窯型、穩(wěn)定合理的熱制度、適宜的入窯粒度，對減少酒鋼鏡鐵山鏡鐵礦石回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒結(jié)圈現(xiàn)象的產(chǎn)生十分有效。

鏡鐵礦 回轉(zhuǎn)窯 磁化焙燒 結(jié)圈

甘肅嘉峪關(guān)地區(qū)已探明的鏡鐵礦資源達(dá)5.54億t，屬國內(nèi)最大的鏡鐵礦產(chǎn)區(qū)[1-2]。目前，酒鋼對鏡鐵山100～15 mm鏡鐵礦塊礦采用豎爐磁化焙燒—弱磁選工藝進(jìn)行處理，可得到鐵品位約為55%、鐵回收率約為73%的鐵精礦；而占采出礦石總量約50%的15～0 mm粉礦則因技術(shù)原因未得到開發(fā)利用，造成了資源的嚴(yán)重浪費。

文獻(xiàn)[3]表明，15～5 mm塊狀鏡鐵山鏡鐵礦石中添加與礦石質(zhì)量比2%的哈密煤粉(1～0 mm)、焙燒溫度為810 ℃、焙燒時間為60 min、焙燒產(chǎn)物磨礦細(xì)度為-0.074 mm占80%、弱磁選磁場強度為91.56 kA/m情況下，可獲得鐵品位為55.80%、鐵回收率為83.97%的鐵精礦?？梢?，15～5 mm的塊狀鏡鐵礦石可采用磁化焙燒—磨礦—弱磁選工藝進(jìn)行開發(fā)利用。大量的研究與實踐表明，該工藝能否實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，關(guān)鍵在于焙燒設(shè)備的選取與工藝條件的控制。

在磁化焙燒工藝中，由于沸騰爐的工藝技術(shù)及裝置問題沒有得到徹底的解決，因而目前并不具備大規(guī)模應(yīng)用的條件；豎爐焙燒工藝對加工對象的粒度往往有一定的要求(>15 mm)，因此，小塊狀鏡鐵礦石不適合入豎爐焙燒?；剞D(zhuǎn)窯焙燒工藝在冶金、水泥、石灰等領(lǐng)域的應(yīng)用很廣泛，能克服結(jié)圈問題的回轉(zhuǎn)窯焙燒工藝將有望成為此類粉狀鏡鐵礦石磁化焙燒過程的首選工藝[4-6]。

影響回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的因素主要有原料性質(zhì)、窯型以及操作制度[7]，操作制度則需根據(jù)原料的性質(zhì)、窯型及焙燒效果而定。因此，本試驗先研究原料性質(zhì)和窯型對回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的影響。

1 試驗原料

1.1 試 樣

試樣為酒鋼鏡鐵山15～5 mm的粉狀鏡鐵礦石，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 試樣主要化學(xué)成分分析結(jié)果

Table 1 Main chemical component analysis of the sample %

成 分TFeFeOSiO2Al2O3CaO含 量31.458.6324.212.241.90成 分MgOMnOSP燒損含 量2.490.960.990.2410.09

從表1可看出，試樣鐵品位為31.45%，SiO2含量為24.21%，Al2O3、CaO、MgO等常見低熔點礦物的含量不高。

1.2 還原煤

試驗用還原煤為哈密煙煤，粒度為1～0 mm，其工業(yè)分析結(jié)果見表2。

表2 還原煤工業(yè)分析結(jié)果

Table 2 Industrial indexes analysis of reducing coal %

成 分水 分灰 分揮發(fā)分固定碳硫含 量9.8110.0537.6452.500.08

從表2可看出，該還原煤的揮發(fā)分含量較高，有利于還原反應(yīng)的進(jìn)行，灰分和硫含量較低，因此，該還原煤是一種較理想的還原劑?；曳种饕瘜W(xué)成分分析結(jié)果見表3。

從表3可看出，哈密煙煤煤灰的主要成分是SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3。

表3 灰分主要化學(xué)成分分析結(jié)果

Table 3 Main chemical component analysis of coal ash %

成 分SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgO含 量44.8912.5115.8016.404.48成 分K2ONa2OTiO2SP含 量1.330.930.720.650.063

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 原料的軟熔性能

原料的軟熔性能對液相生成有直接影響。當(dāng)焙燒溫度達(dá)到原料中某成分的軟化溫度時，該成分就會液化，導(dǎo)致粉狀礦物黏結(jié)結(jié)圈[8]。因此，還原焙燒溫度與原料的軟化溫度間應(yīng)保持一定的安全距離。根據(jù)化學(xué)成分分析可知，試樣和還原煤灰分中均存在易生成低熔點物質(zhì)的成分，其可能生成物的軟化溫度見表4[9]。

表4 幾種易熔物的軟化溫度

軟熔性能測定參考了煤灰熔融性的測定方法(GB219—74)[10]，試驗首先對煤灰和試樣的軟熔性能分別進(jìn)行了測定，結(jié)果見表5。

表5 煤灰和試樣的軟熔性能

從表5可看出，煤灰和試樣的軟化溫度均明顯超過實驗室試驗確定的試樣還原溫度(810 ℃)。因此，理論上煤灰和試樣在還原溫度附近不會發(fā)生軟熔、結(jié)圈現(xiàn)象。

2.2 焙燒狀態(tài)的影響

2.2.1 試樣不同還原階段的軟熔性能

鏡鐵礦石經(jīng)過磁化焙燒，其中的鏡鐵礦相不斷轉(zhuǎn)化為磁鐵礦相，同時伴生著FeO相的生成。由于該試樣與還原劑哈密煙煤的質(zhì)量比為50∶1、還原產(chǎn)物中FeO含量為15%左右時還原效果較好，因此設(shè)計了下面的礦相變化階段體系的軟熔性能試驗，結(jié)果見表6。

表6 不同還原程度的軟熔性能

從表6可看出，隨著還原程度的加深(FeO含量上升)，還原體系的軟化溫度有所下降，但均不低于1 120 ℃。因此，理論上試樣在不同的還原階段均不會發(fā)生軟熔、結(jié)圈現(xiàn)象。

2.2.2 煤灰的量對體系軟熔性能的影響

為了研究煤灰的量對體系軟熔性能的影響，試驗分別在試樣和最佳還原產(chǎn)物(FeO含量占還原產(chǎn)物的15%)中加入2%的還原煤(產(chǎn)生的灰分很少，可忽略不計)和不同比例的煤灰，體系的軟熔性能測定結(jié)果見表7。

表7 煤灰對軟熔性能的影響

從表7可看出，在弱還原性氣氛下，配加與礦物質(zhì)量比不高于10%的煤灰,體系的軟化溫度變化不大,均在1 100 ℃以上。因此，理論上煤灰含量的變化不會引發(fā)試樣或還原產(chǎn)物發(fā)生軟熔、結(jié)圈現(xiàn)象。

2.3 塊度的影響

回轉(zhuǎn)窯在生產(chǎn)過程中，不可避免地會產(chǎn)生窯壁局部溫度過高的現(xiàn)象，高溫窯壁接觸到的細(xì)粒礦石，由于比表面積大，短時間內(nèi)單位質(zhì)量吸收的熱量較多，因而升溫較快，極易導(dǎo)致這些細(xì)粒軟熔，或者產(chǎn)生固相反應(yīng)，從而引發(fā)結(jié)圈。因此，細(xì)粒是造成結(jié)圈的重要原因[11]。

固相反應(yīng)速率K與反應(yīng)物顆粒粒徑r的平方成反比[12]

K=Cr-2，

即顆粒越細(xì)，固相反應(yīng)速率越大；同時，由于固相反應(yīng)發(fā)生在兩固體接觸面上，細(xì)粒越多，顆粒接觸的機會也越頻繁，其產(chǎn)生固相反應(yīng)的可能性也越大。因此在回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程中嚴(yán)格控制細(xì)粒礦石入窯有利于控制或減少結(jié)圈現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4 窯型的影響

細(xì)粒礦石在窯壁的高溫區(qū)短時間內(nèi)單位質(zhì)量吸收的熱量過多，會引發(fā)結(jié)圈現(xiàn)象的發(fā)生。因此，縮短細(xì)粒礦石與高溫區(qū)接觸的時間和控制細(xì)粒礦石入窯一樣，可減少軟熔和結(jié)圈現(xiàn)象的發(fā)生。而縮短細(xì)粒礦石與高溫區(qū)接觸時間的有效手段是確定合適的窯型。

2.4.1 變徑窯

變徑窯結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用變徑窯后，回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速一定時，由于窯頭高溫段的直徑大于窯尾低溫段的直徑。因此，物料在高溫段與窯壁的相對運動線速度就大于低溫段，與高溫段窯壁接觸的時間也相對縮短，有利于避免細(xì)粒過熱。同時，低溫段直徑相對較小，其實際填充率相對較高，導(dǎo)致低溫段還原氣氛好于高溫段，利于還原反應(yīng)的進(jìn)行。

圖1 變徑窯結(jié)構(gòu)示意

2.4.2 長徑比

回轉(zhuǎn)窯從窯尾到窯頭，從長度方向上可分為低溫預(yù)熱段和高溫反應(yīng)段。生產(chǎn)過程中，物料從低溫段的窯尾給入，隨著回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)動不斷向高溫段的窯頭移動，并最終排出窯體。

當(dāng)回轉(zhuǎn)窯長徑比偏小時，往往造成低溫預(yù)熱段長度不足。此時，為了確保還原焙燒效果，必然會采取提高反應(yīng)段溫度的方式去補救。但是，反應(yīng)段溫度的提高，將大大提高結(jié)圈發(fā)生的可能性，影響生產(chǎn)的順利進(jìn)行。因此，適當(dāng)提高回轉(zhuǎn)窯的長徑比，保證足夠的預(yù)熱段長度，使原料充分預(yù)熱，并在此階段完成部分反應(yīng)，就可以在確保還原焙燒效果的前提下，控制高溫段的溫度、減少原料在高溫段的停留時間，降低結(jié)圈產(chǎn)生的可能性。

3 回轉(zhuǎn)窯中試試驗

回轉(zhuǎn)窯中試試驗采用直徑為(0.45～0.65) m×9 m燃?xì)庾儚交剞D(zhuǎn)窯，鏡鐵礦石粒度為15～5 mm，試驗確定的煙煤與礦石的質(zhì)量比為2%、焙燒溫度為850～900 ℃、窯內(nèi)停留時間為2.5 h、填充率為10%，焙燒產(chǎn)物直接水淬冷卻后磨至-0.074 mm占80%，經(jīng)弱磁選選別(磁場強度為100 kA/m)得到鐵品位達(dá)55.00%、鐵回收率達(dá)83.00%的鐵精礦。回轉(zhuǎn)窯360 h的連續(xù)試驗結(jié)果表明，窯內(nèi)壁無結(jié)圈現(xiàn)象，焙燒礦中無黏結(jié)顆粒。因此，15～5 mm的鏡鐵礦石可采用回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行磁化焙燒。

4 結(jié) 論

(1)試驗原料及各階段產(chǎn)物的軟化溫度均在1 100 ℃以上，當(dāng)回轉(zhuǎn)窯還原焙燒溫度嚴(yán)格控制在850～900 ℃時，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料不會發(fā)生軟熔、液化現(xiàn)象。

(2)15～5 mm的酒鋼鏡鐵山鏡鐵礦石采用直徑為(0.45～0.65) m×9 m燃?xì)庾儚交剞D(zhuǎn)窯處理，在哈密煙煤用量為2%、焙燒溫度為850～900 ℃、窯內(nèi)停留時間為2.5 h、填充率為10%、焙燒產(chǎn)物水淬冷卻后磨至-0.074 mm占80%、弱磁選磁場強度為100 kA/m的情況下，得到了鐵品位為55.00%、回收率為83.00%的鐵精礦，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁未見結(jié)圈現(xiàn)象。

(3)試驗結(jié)果表明，科學(xué)合理的窯型、穩(wěn)定合理的熱制度、適宜的入窯粒度對減少酒鋼鏡鐵山鏡鐵礦石回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒結(jié)圈現(xiàn)象的產(chǎn)生十分有效。

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(責(zé)任編輯 羅主平)

Study on the Ringing Possibility of Specularite Particles Ranging from 5 to 15 mm in Rotary Kiln in Jiusteel

Ma Hao1Chen Tiejun1,2Huang Xianbao1Ding Chunjiang1Qu Wangang1

(1.College of Resource and Environment Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources，Wuhan 430081，China)

In order to exploit and utilize the powdery specularite at -15 mm in Jingtie Mountain of Jiusteel，the ringing possibility during magnetizing and roasting process in rotary kiln was studied based on the analysis of chemical component and softening melting performance of the ore and the reducing coal.The results showed that when the reduction temperature was strictly controlled at range of 850 ℃ to 900 ℃，the softening phenomenon of the ore did not happen，since the softening and melting temperature of the ore and the stage products is at 1 100 ℃ or above.The ore particles ranging from 15 mm to 5 mm are roasted by gas variable diameter kiln with the size from 0.45 m×9 m to 0.65 m×9 m.Under the condition of carbon powder content of 2.0%，roasting temperature at 850～900 ℃ for 2.5 h，charge ratio at 10%，grinding fineness of 80% -0.074 mm and low intensity magnetic separation field intensity of 100 kA/m，iron concentrate with iron grade of 55% and the recovery of 83% was

，and the ringing phenomenon did not appear in 360 h.Scientific and rational kiln type，stable and reasonable thermal system，and appropriate particle size，can effectively reduce the ringing formation during magnetizing and roasting process of specularite in the rotary kiln in Jingtie Mountain，Jiusteel.

Specularite，Rotary kiln，Magnetization roasting，Ringing

2014-07-21

馬 浩(1989—)，男，碩士研究生。通訊作者 陳鐵軍(1973—)，男，教授。

TF046

A

1001-1250(2014)-11-092-04