利用銅渣直接還原煉鐵試驗研究

經(jīng)文波, 李勝利

(1.北京神霧環(huán)境能源科技集團股份有限公司研究院， 北京 102200； 2.江蘇省冶金設(shè)計院有限公司北京分公司， 北京 102200)

0 前言

加強二次資源利用是冶金工業(yè)的發(fā)展方向，銅渣含鐵40%，是銅冶煉過程中產(chǎn)生的固體廢棄物。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國銅冶煉企業(yè)每年產(chǎn)生銅渣～1 000萬t[1]，到目前為止，累計總堆存量已達數(shù)億t。銅渣僅有少量用于充填礦井、作為水泥配料和制作建筑材料，大量棄渣堆存在渣場，不僅造成了鐵資源的浪費，而且還占用土地，對環(huán)境產(chǎn)生嚴重影響。

近些年國內(nèi)外對直接還原煉鐵技術(shù)有許多研究，論述了一些煤基還原方法[2-5]和處理銅渣的一些方法[6]。胡俊鴿等認為非高爐煉鐵成本低，利于環(huán)保[7]。姜銀舉等認為精礦粉壓成型后，孔隙率明顯降低，傳熱過程得到改善，溫度梯度減少，還原速度加快[8]。王紅玉和龐建明等對銅渣進行了深度還原和低溫還原與晶粒長大新技術(shù)研究[9-10]。周占興等認為利用石灰石中CaO與SiO2反應(yīng)生成

CaO·SiO2，銅渣實現(xiàn)鐵硅分離，使FeO還原為Fe后更容易通過磁選分離鐵[11]。王云等進行了銅渣不同堿度配比還原試驗，認為堿度0.4時較適宜，堿度過高，會帶入過多CaO，減少還原煤與含鐵礦物接觸面積，對還原起阻礙作用[12]。楊慧芬等用配30%褐煤為還原劑,采用直接還原- 磁選方法獲得鐵品位為92.05%、回收率為81.01%的直接還原鐵粉[13]。但是銅渣直接還原煉鐵金屬回收率偏低，一般<85.00%，能耗過高。

本文在上述研究基礎(chǔ)上通過采用銅渣球團直接還原煉鐵試驗研究，進一步改進還原方法，提高產(chǎn)品品位和金屬回收率，擴大煉鐵資源應(yīng)用范圍，減少銅渣排放對環(huán)境污染，節(jié)能減排,降本增效。

1 試驗

1.1 銅渣球團直接還原煉鐵

銅渣球團直接還原煉鐵流程如圖1所示。

圖1 銅渣球團直接還原煉鐵流程

破碎磨細篩分到-200目的銅渣、還原煤、堿性熔劑等先配料，混勻后造球。

生成的球團經(jīng)篩分烘干后，進入高溫爐，在爐內(nèi)鋪2～4層，通高純氮氣進行保護，生球在爐內(nèi)還原焙燒溫度為1 200～1 350 ℃，焙燒時間為30～40 min。

主要反應(yīng)是如下所示的鐵氧化物的逐級還原反應(yīng)(1)～(3)、石灰石分解反應(yīng)(4)和CO2與C的溶損反應(yīng)(5)及氧化亞鐵間接還原反應(yīng)(6)。

3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO

(1)

Fe3O4+C=3FeO+CO

(2)

FeO+C=Fe+CO

(3)

CaCO3=CaO+CO2

(4)

CO2+C=2CO

(5)

FeO+CO=Fe+CO2

(6)

生球完成還原過程后生成熱態(tài)DRI球團，如圖2所示，水冷烘干后的DRI球團如圖3所示。從熱態(tài)DRI形貌來看，球團不發(fā)生粉化，也不熔化不粘盤，焙燒狀態(tài)較好。從冷態(tài)DRI形貌來看，球團呈現(xiàn)較光滑緊密狀，還原效果較好。

圖2 熱態(tài)DRI球團

圖3 冷態(tài)DRI球團

冷卻的DRI球團送去經(jīng)二段磨磁選法處理，其中：一段磨礦時間20 min，磁場強度2 500 Oe，二段磨礦時間20 min，磁場強度1 200 Oe，通過細磨實現(xiàn)鐵與脈石的單體解離，再通過磁選烘干的方法回收得到還原鐵粉，最終還原鐵粉壓成塊。

1.2 爐料成分分析

銅渣、還原煤、堿性熔劑等爐料成分分析如表1所示，銅渣中的鐵主要是FeO。

表1 爐料成分分析 %

1.3 粘盤現(xiàn)象

試驗中發(fā)現(xiàn)還原過程中產(chǎn)生大量低熔點產(chǎn)物流動性極好，能夠浸入到耐火盤中，對耐火盤造成嚴重侵蝕，如圖4所示。

圖4 被低熔點物質(zhì)浸泡后的耐火盤

1.4 直接還原影響因素試驗

對添加劑NCP及焙燒溫度和焙燒時間不同因素變化分別進行試驗研究，試驗結(jié)果如表2所示。

1.5 磨磁選試驗

根據(jù)銅渣DRI球團試驗結(jié)果做系統(tǒng)的磨磁選試驗，不同的DRI球團金屬化率與鐵產(chǎn)品品位和回收率關(guān)系如表3所示。

2 結(jié)果討論

2.1 粘盤物質(zhì)分析

粘盤物質(zhì)光譜分析如表4所示，與原礦對比，低熔點物質(zhì)以SiO2為主，亞鐵和氧化鈣含量較高，K、Na有富集現(xiàn)象，因此控制低熔點產(chǎn)物的量，必須做到迅速降低產(chǎn)物中的亞鐵含量和快速去除K、Na。

2.2 影響金屬化率的因素

2.2.1 NCP的影響

在相同焙燒溫度和焙燒時間條件下，含NCP銅渣DRI球團金屬化率偏低。主要是由于含NCP的銅渣球團易形成低熔點混合物熔化，影響后續(xù)的還原反應(yīng)。去掉NCP，提高球團熔點，允許提高還原溫度，還原效果改善，銅渣DRI球團金屬化率提高。

表2 不同影響因素直接還原試驗

表3 磨磁選試驗結(jié)果

當還原煤用量過多時，會使固態(tài)渣相疏松多孔，阻礙金屬鐵顆粒聚集長大[1]，而還原煤用量不足時，還原不充分，形成FeO渣，易熔化，降低了還原效果。

2.2.2 焙燒溫度

(1)鐵直接還原反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，焙燒溫度適當提高后，還原煤的反應(yīng)活性提高，還原性氣氛提高，直接還原反應(yīng)速度加快，銅渣DRI球團金屬化率提高。

表4 低熔點物質(zhì)光譜分析結(jié)果 %

(2)焙燒溫度過高，將生成難還原的2FeO·SiO2，并產(chǎn)生軟化和熔化，在銅渣DRI球團外表形成渣皮，減少球團透氣性，惡化了反應(yīng)動力學條件，從而降低鐵礦石還原率及金屬化率。另外金屬鐵相過快成長，在鐵相不斷兼并長大過程中，易發(fā)生金屬相夾渣現(xiàn)象，不利于在后續(xù)磨礦中渣鐵分離，導致金屬鐵粉鐵品位下降。

因此焙燒溫度控制在低于熔點30℃以下為宜，便于加快直接還原反應(yīng)速度，迅速降低還原產(chǎn)物中FeO含量，提高銅渣DRI球團金屬化率。

2.2.3 焙燒時間

焙燒時間適當延長，還原反應(yīng)向中心延伸，球團中心部位還原改善，還原反應(yīng)更充分，銅渣DRI球團整體金屬化率得到提高，但時間不宜過長，防止碳消耗過多，DRI球團出爐時鐵被二次氧化。

2.3 影響還原鐵產(chǎn)品的因素

銅渣DRI球團金屬化率提高，鐵還原較多，磨磁選時有助于促進渣鐵更好分離，改善磨磁選效果，還原鐵品位和金屬回收率均提高。

3 優(yōu)化試驗

根據(jù)以上分析，調(diào)整還原煤消耗，逐步優(yōu)化銅渣球團直接還原的試驗。不考慮還原煤氣及DRI球團物理熱損失，試驗數(shù)據(jù)及能耗和CO2排放指標計算如表5所示，由其中最終優(yōu)化結(jié)果即優(yōu)化序號5、6可知，DRI球團金屬化率>92%，金屬回收率>89%，每噸鐵：能耗<350 kgce，CO2排放<1 t，爐料成本<440元。按95%鐵品位折算每噸鐵：能耗<380 kgce，CO2<排放1.1 t，爐料成本<490元。

按中鋼協(xié)會員2015年統(tǒng)計能耗：燒結(jié)47.20 kgce/t、球團27.65 kgce/t、焦化99.66 kgce/t和高爐387.29 kgce/t，高爐礦耗按1.7 t/t鐵(配比：燒結(jié)70%、球團20%和生礦10%)，煉鐵系統(tǒng)能耗491.16 kgce/t。

按中鋼協(xié)會員2015年高爐數(shù)據(jù)統(tǒng)計：入爐焦比、煤比、焦丁比分別為358.41 kg/t、142.17 kg/t、25.93 kg/t，C含量分別按84%、77%、81%，CO2排放量1.58 t/t鐵，煉鐵爐料成本950元/t鐵以上。

4 結(jié)論

(1)若要控制低熔點產(chǎn)物的量，必須做到迅速降低產(chǎn)物中的亞鐵含量和快速的去除K、Na。

(2)去掉NCP、適當提高焙燒溫度和延長焙燒時間，提高銅渣球團直接還原金屬化率及還原鐵粉品位和金屬回收率。

表5 銅渣球團直接還原煉鐵優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)及指標

(3)通過優(yōu)化試驗，DRI球團金屬化率>92%，金屬回收率>89%，按95%鐵品位折算每噸鐵：能耗<380 kgce，CO2排放<1.1 t，爐料成本<490元。

(4)利用銅渣作為二次資源直接還原煉鐵，提高銅渣資源利用，擴大煉鐵資源應(yīng)用范圍，減少銅渣對環(huán)境污染影響，相對于煉鐵系統(tǒng)節(jié)能減排和降本增效效果顯著。

[1] 王爽，倪文，王長龍等. 銅尾渣深度還原回收鐵工藝研究[J]. 金屬礦山，2014，453(3)：156-160.

[2] Sarma B，F(xiàn)ruehan R J. Areview of coal-based direct ironmaking process[C]. Ironmaking Conference Proceedings，ISS. Warrendale，1998：1537-1548.

[3] Kobayashi J，Tanigaki Y，Uragami A. A new process to produce iron directly from fine ora and coal[J]. Iron & Steelmaker，2001,28(9)：19-22.

[4] Taichi M，Eiki K. Reduction mechanism of iron oxide-carbon conposite with polyethyene at lower temperature[J]. ISIJ International，2011,51(1)：9-13

[5] 方覺等. 非高爐煉鐵工藝與理論[M]，北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[6] 張林楠，張力，王明玉等. 銅渣的處理與資源化[J]. 礦產(chǎn)綜合利用,2005(5)：22-27.

[7] 胡俊鴿，吳美慶，毛艷麗. 直接還原煉鐵技術(shù)的最新發(fā)展[J]. 鋼鐵研究，2006,34(2)：53-57.

[8] 姜銀舉，卜文剛，宋紹開等. 提高反應(yīng)罐直接還原鐵反應(yīng)速率的研究[J]. 材料與冶金學報,2011,10(2):85-87.

[9] 王紅玉，李克慶，倪文等. 某高鐵二次銅渣深度還原 -磁選試驗研究[J]. 金屬礦山，2012，437(11)：141-144.

[10] 龐建明，郭培民，趙沛. 銅渣低溫還原與晶粒長大新技術(shù)[J]. 有色金屬:冶煉部分,2013(3)：51-53.

[11] 周占興，周春芳. 銅渣的新型資源化處理工藝[J]. 冶金設(shè)備,2015(1)：51-51.

[12] 王云，朱榮，郭亞光等. 銅渣還原磁選工藝實驗研究[J]. 有色金屬科學與工程, 2014(5)：61-67.

[13] 楊慧芬，景麗麗，黨春閣. 銅渣中鐵組分的直接還原與磁選回收[J]. 中國有色金屬學報,2011(5)：1165-1170.