進(jìn)口鐵精礦細(xì)磨工藝技術(shù)研究

邢 偉 楊海龍 席振偉

(中冶北方工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

近年來國內(nèi)鋼鐵企業(yè)從節(jié)能環(huán)保出發(fā)，積極發(fā)展優(yōu)質(zhì)球團(tuán)廠的建設(shè)。然而用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)球團(tuán)的高品位鐵精礦的產(chǎn)能存在巨大缺口，促使進(jìn)口鐵精礦的數(shù)量逐年增長。據(jù)中國海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2019年累計(jì)進(jìn)口鐵精礦10.68 億t，對外依存度高達(dá)80%。目前進(jìn)口鐵精礦鐵品位高、不需選別作業(yè)，但若作為優(yōu)質(zhì)球團(tuán)原料，大部分鐵精礦粒度偏粗，還需進(jìn)一步細(xì)磨[1]。

細(xì)磨工程的主要影響因素有礦石性質(zhì)、設(shè)備性能、建設(shè)投資和生產(chǎn)成本，特別是礦石性質(zhì)。因此，針對全球采購的某種鐵精礦，須對其細(xì)磨工藝深入研究。選用一種更可靠、更實(shí)用的工藝流程，確保其磨礦、過濾等作業(yè)指標(biāo)穩(wěn)定，材料消耗、電耗和藥劑消耗等生產(chǎn)成本處于一個(gè)合理區(qū)間，實(shí)現(xiàn)建設(shè)投資和生產(chǎn)成本最優(yōu)。

1 礦石性質(zhì)分析

全球優(yōu)質(zhì)鐵礦資源主要分布在澳大利亞、巴西、俄羅斯和非洲地區(qū)。淡水河谷、力拓、必和必拓和FMG對全球優(yōu)質(zhì)鐵礦石資源高度壟斷，四大礦商在2019年生產(chǎn)的鐵礦石產(chǎn)量近乎全球產(chǎn)量的半數(shù)。

中國進(jìn)口鐵精礦主要來源于澳大利亞、巴西、印度、南非等地，種類繁雜。進(jìn)口鐵精礦的化學(xué)成分均不相同。由表1可知，進(jìn)口鐵精礦的TFe品位在57.39%～67.50%，區(qū)間范圍變化不大，除澳大利亞的楊迪粉和羅布河粉外，大部分鐵礦石TFe品位均大于63.45%，SiO2含量小于4.40%。這類鐵礦石只需采用磨礦作業(yè)，將粒度磨到比表面積符合球團(tuán)原料要求即可，不需要選別作業(yè)。同時(shí)，將選別作業(yè)作為備選環(huán)節(jié)，除了建設(shè)投資高和生產(chǎn)費(fèi)用大的原因外，還因?yàn)閲?yán)格的環(huán)保政策、土地資源的限制和棘手的尾礦處理等原因。進(jìn)口典型鐵礦石的化學(xué)成分分析見表1。

表1 進(jìn)口典型鐵礦石的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) /%

進(jìn)口鐵精礦的粒度組成不同。由表2可知，澳大利亞Sino粉的比表面積符合球團(tuán)原料要求不需要細(xì)磨，澳大利亞PB粉、巴西粗粉、毛里塔尼亞礦粉等的粒度特征更適宜于作為燒結(jié)原料，若作為球團(tuán)原料則不滿足粒度要求，需進(jìn)一步細(xì)磨。典型進(jìn)口鐵精礦粒度分析結(jié)果見表2。

表2 進(jìn)口典型鐵礦石粒度分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) /%

受地質(zhì)作用、礦石結(jié)構(gòu)和破磨工藝等因素的影響，不同國家或地區(qū)的進(jìn)口鐵精礦球磨功指數(shù)差別巨大。由表3可見，進(jìn)口鐵精礦的球磨功指數(shù)各不相同。根據(jù)邦德功理論，礦石的比功耗與球磨功指數(shù)成正比關(guān)系。在某特定細(xì)磨工藝中需要嚴(yán)格控制入磨礦石性質(zhì)，否則直接導(dǎo)致兩種嚴(yán)重結(jié)果，要么在保證磨礦產(chǎn)品粒度的條件下磨機(jī)產(chǎn)能嚴(yán)重下降，要么在不調(diào)整磨機(jī)新給料量的情況下磨礦產(chǎn)品粒度嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)。因此，球磨功指數(shù)是影響細(xì)磨工藝選擇的最重要因素。進(jìn)口典型鐵精礦的球磨功指數(shù)見表3。

表3 進(jìn)口典型鐵礦石的球磨功指數(shù)

2 工藝流程的選擇及推薦的典型流程

2.1 進(jìn)口鐵精粉細(xì)磨工藝與傳統(tǒng)鐵礦磨礦工藝的區(qū)別

傳統(tǒng)鐵礦選廠的礦源穩(wěn)定，礦石性質(zhì)基本穩(wěn)定，磨礦目的是使礦石中的有用礦物充分單體解離，并能達(dá)到選別作業(yè)要求的粒度，盡量避免“過磨”現(xiàn)象，為選別作業(yè)有效地回收礦石中的有用礦物創(chuàng)造條件。

進(jìn)口鐵精礦的細(xì)磨與傳統(tǒng)鐵礦選廠的磨礦相比，細(xì)磨原礦來源于全球采購，不同國家地區(qū)的礦石性質(zhì)迥異，礦石的化學(xué)性質(zhì)、粒度分布、球磨功指數(shù)等參數(shù)均不相同，礦石性質(zhì)在一段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，細(xì)磨目的是增加鐵精礦的比表面積，使其滿足球團(tuán)原料特征，產(chǎn)品粒度均勻，避免“過磨”現(xiàn)象。根據(jù)球團(tuán)廠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，球團(tuán)原料粒度宜為-0.045 mm含量不小于70%，比表面積宜為1 800～2 200 cm2/g?？梢?，進(jìn)口鐵精礦細(xì)磨工程的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于,針對全球采購的鐵精礦，設(shè)計(jì)一種對原礦適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)品能滿足球團(tuán)原料要求的工藝流程，并在工業(yè)生產(chǎn)上力求流程簡化。

2.2 對干磨流程與濕磨流程的分析

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，球團(tuán)原料的水份需嚴(yán)格控制在8%～10%。水份偏高會(huì)導(dǎo)致生球粘結(jié)、變形、粒度不均勻及強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，偏低會(huì)影響生球的成球性。進(jìn)口鐵精礦采用干磨流程或濕磨流程都能得到粒度合格的球團(tuán)原料。干磨流程是指先將原礦干燥至含水1%以下，磨機(jī)與風(fēng)力分級機(jī)組成閉路，粗粒返回磨機(jī)，細(xì)粒送至球團(tuán)廠。濕磨流程是將原礦加水制成礦漿，磨機(jī)與旋流器組成閉路，粗粒返回磨機(jī)，細(xì)粒脫水后進(jìn)入球團(tuán)廠。

不論采用干磨流程或濕磨流程，在球團(tuán)工藝總流程上都有干燥作業(yè)，但干燥目的和生產(chǎn)成本不同，其主流程結(jié)構(gòu)分別為干燥—干磨—球團(tuán)和濕磨—干燥—球團(tuán)。干磨流程的干燥作業(yè)是將含水約8%的原礦干燥至含水小于1%，根據(jù)球團(tuán)原料的要求，干磨成品還需要補(bǔ)水至8%～10%，干燥生產(chǎn)成本基本是穩(wěn)定。對濕磨流程而言，細(xì)磨產(chǎn)品性質(zhì)和過濾設(shè)備的性能會(huì)極大影響細(xì)磨鐵精礦的水分。一般情況下，如果過濾設(shè)備采用圓盤真空過濾機(jī)或陶瓷過濾機(jī)，濾餅水分一般在10%左右，與球團(tuán)原料的水分要求8%～10%有些差距，但差距不大，干燥生產(chǎn)成本不多；如果過濾設(shè)備采用板框壓濾機(jī)，濾餅水分小于10%，滿足球團(tuán)原料要求，所以濕磨的干燥作業(yè)只有在濕磨成品水分不達(dá)標(biāo)時(shí)才使用。考慮到干磨流程的除塵存在極大問題，環(huán)保不易過關(guān)。目前已建成的進(jìn)口鐵精礦細(xì)磨工程均采用濕磨流程，濕磨流程也比較成熟，因此，以下探討的流程均為濕磨流程。

2.3 細(xì)磨工藝典型流程分析

2.3.1 一段閉路磨礦流程A

一段閉路磨礦流程A適用于粒度較粗、原礦粒度≤15 mm的進(jìn)口鐵精礦，原礦先進(jìn)入一段磨機(jī)磨礦，磨機(jī)排礦經(jīng)泵給入一次分級，沉砂返回磨機(jī)構(gòu)成閉路磨礦，溢流經(jīng)濃縮-過濾，濾餅為最終成品。此流程可控制合格產(chǎn)物中的最大粒度，減少過粉碎現(xiàn)象，從而提高磨礦效率。工藝流程如圖1所示。

2.3.2 一段閉路磨礦流程B

一段閉路磨礦流程B適用于粒度較細(xì)、P80<1 mm的進(jìn)口鐵精礦，原礦制成礦漿后泵送至一次分級，分級沉砂返回一段磨機(jī)磨礦，構(gòu)成閉路磨礦，分級溢流經(jīng)濃縮-過濾脫水后，濾餅為最終成品。此流程可提前去除磨機(jī)給礦中的粒度合格的產(chǎn)物，從而增加磨機(jī)的生產(chǎn)能力。工藝流程如圖2所示。

圖1 一段閉路磨礦流程A

圖2 一段閉路磨礦流程B

圖3 兩段閉路磨礦流程C

圖4 兩段閉路磨礦流程D

2.3.3 兩段閉路磨礦流程C

兩段閉路磨礦流程C適用于原礦粒度變化大、原礦粒度≤15 mm的進(jìn)口鐵精礦，原礦經(jīng)一段閉路磨礦后，一段分級溢流進(jìn)入二段閉路磨礦進(jìn)行磨礦，二段分級溢流為最終磨礦成品，然后經(jīng)濃縮-過濾脫水后，濾餅為最終成品。此流程簡潔，調(diào)整余地大，適應(yīng)性強(qiáng)。工藝流程如圖3所示。

2.3.4 兩段閉路磨礦流程D

兩段閉路磨礦流程D，是一種調(diào)整性強(qiáng)的兩段閉路磨礦流程。在實(shí)際生產(chǎn)中可采取三種生產(chǎn)流程來應(yīng)對原礦礦石性質(zhì)的變化。具體生產(chǎn)流程如下：首先，如果原礦粒度較粗、粒度≤15 mm，采用常規(guī)的二段閉路磨礦流程。原礦經(jīng)一段閉路磨礦磨礦后，一次分級溢流進(jìn)入二段閉路磨礦進(jìn)行磨礦，二次分級溢流為最終成品。第二，如果原礦粒度較粗、粒度≤15 mm，原礦經(jīng)過一段閉路磨礦即可得到合格產(chǎn)品，則一段分級溢流為最終成品。第三，如果原礦粒度很細(xì)、-0.074 mm占≥50%，原礦可直接進(jìn)入二段球磨閉路作業(yè)，二次分級溢流為最終磨礦成品。工藝流程如圖4所示。

2.4 確定細(xì)磨工程的系列數(shù)量

從表3看出，進(jìn)口鐵精礦的球磨功指數(shù)由5.671 7～7.318 4 kW·h/t，區(qū)間范圍變化很大，說明磨礦的難易程度差別巨大。業(yè)主采購的礦石是根據(jù)市場價(jià)格來決定的，因此細(xì)磨原礦的礦石性質(zhì)僅能在一段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定。多系列布置的優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)礦石性質(zhì)的不同，靈活組織生產(chǎn)。因此，在場地允許的條件下，細(xì)磨工程以2～4系列為宜。

2.5 關(guān)鍵設(shè)備的選擇

細(xì)磨工程的關(guān)鍵設(shè)備體現(xiàn)了工程總體設(shè)計(jì)水平，對工程建設(shè)投資和工程達(dá)產(chǎn)進(jìn)度等方面影響很大，設(shè)備選型時(shí)還需考慮操作維護(hù)是否方便、生產(chǎn)加工成本高低等因素。

磨機(jī)是細(xì)磨工程最關(guān)鍵的設(shè)備，直接影響項(xiàng)目的建設(shè)投資和生產(chǎn)運(yùn)營成本。磨機(jī)選型主要根據(jù)建設(shè)規(guī)模、礦石性質(zhì)(如可磨性、球磨功指數(shù)、給礦粒度等)、產(chǎn)品粒度和設(shè)備性能等因素，經(jīng)比較擇優(yōu)選用。磨機(jī)在設(shè)備投資中占比很高，其電耗約占總電耗的45%～65%，磨礦介質(zhì)和襯板的生產(chǎn)消耗在生產(chǎn)成本中占很大比例。細(xì)磨工程的一段磨礦多采用溢流型球磨機(jī)，二段磨礦可采用溢流型球磨機(jī)或塔磨機(jī)。對于嵌布粒度偏細(xì)的鐵精礦，采用塔磨機(jī)更節(jié)省能耗，普遍認(rèn)為塔磨機(jī)的產(chǎn)品粒度P80范圍為74～20 μm，比溢流型球磨機(jī)能節(jié)省約30%～40%的能耗。另外，塔磨機(jī)具有運(yùn)行噪音低、設(shè)備基礎(chǔ)簡單、自動(dòng)化水平高的優(yōu)點(diǎn)，還能優(yōu)化磨礦粒度分布，防止過磨。

過濾機(jī)是細(xì)磨工藝的另一關(guān)鍵設(shè)備。水分是球團(tuán)原料的關(guān)鍵參數(shù)，通常需控制在8%～10%。球團(tuán)原料的水分不僅影響生球的成球性，還與球團(tuán)廠的干燥作業(yè)有關(guān)。如果能有效控制濾餅水分，就能降低干燥作業(yè)能耗，從而降低了噸礦的生產(chǎn)成本。常用的過濾機(jī)有圓盤真空過濾機(jī)、陶瓷過濾機(jī)和板框壓濾機(jī)，圓盤過濾機(jī)利用真空泵形成負(fù)壓脫水，陶瓷過濾機(jī)利用毛細(xì)現(xiàn)象脫水，這兩種過濾機(jī)較難達(dá)到很高的過濾壓力，因而在處理透氣性不好的礦物時(shí)，濾餅水分很難達(dá)到8%～10%的指標(biāo)要求。壓濾機(jī)采用在固定容積的腔體內(nèi)加壓過濾，同時(shí)有壓縮空氣吹風(fēng)干燥，基本上可達(dá)到球團(tuán)原料的水分要求。

3 球團(tuán)廠細(xì)磨工程實(shí)例

國內(nèi)某球團(tuán)原料細(xì)磨工程年處理巴西某赤鐵礦粉500 萬t(考慮使用0～30%磁鐵精礦的可能)，原料TFe品位67.25%、粒度-0.045 mm≥60%。

通過球團(tuán)條件試驗(yàn)確定了適宜造球的礦粉比表面積為1 500 cm2/g。選礦試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鐵精粉粒度磨到-0.045 mm達(dá)95%時(shí)達(dá)到比表面積1 500 cm2/g，此粒度的球磨功指數(shù)為21.316 kW·h/t；該原料具有難磨、較易過濾的特點(diǎn)?？紤]到該項(xiàng)目的原料鐵品位高、粒度較細(xì)，設(shè)計(jì)采用一段閉路磨礦流程，把-0.045 mm≥60%原礦磨至-0.045 mm≥95%。同時(shí)考慮其外購原料的種類可能經(jīng)常波動(dòng)，為使磨礦工藝的適應(yīng)性更強(qiáng)，可以根據(jù)外購原料性質(zhì)的不同靈活地組織生產(chǎn)，采用4個(gè)磨礦系列，每個(gè)系列對應(yīng)1臺(tái)MQY50110濕式溢流型球磨機(jī)與1臺(tái)Φ500×10旋流器組組成的磨礦閉路。同時(shí)，采用2臺(tái)Φ45 m濃縮池和14臺(tái)96 m2盤式過濾機(jī)進(jìn)行脫水作業(yè)。最終鐵精粉產(chǎn)品粒度-0.045 mm≥95%、水分10.3%，滿足此項(xiàng)目球團(tuán)原料要求。項(xiàng)目投產(chǎn)后，因其工藝流程簡單，多系列運(yùn)行平穩(wěn)，并由于球團(tuán)原料的質(zhì)量提高，降低了煉鐵消耗，優(yōu)化了球團(tuán)廠的配料，效益顯著。磨礦工藝流程如圖5 所示。

圖5 某500 萬t球團(tuán)細(xì)磨工程工藝流程

4 結(jié)語

球團(tuán)原料對鐵精礦比表面積有嚴(yán)格的要求，細(xì)磨工藝是增加進(jìn)口鐵精礦比表面積的一種手段。出于對環(huán)保要求的考慮，進(jìn)口鐵精礦細(xì)磨工程大多采用濕磨流程，一般以1～4系列為宜。當(dāng)原礦粒度較粗、Dmax≤15 mm時(shí)，可采用兩段閉路磨礦工藝流程；當(dāng)原礦粒度較細(xì)、P80<1 mm時(shí)，可采用一段閉路磨礦工藝流程。一段磨機(jī)常采用溢流型球磨機(jī)，二段磨礦多采用溢流型球磨機(jī)或塔磨機(jī)，塔磨機(jī)更節(jié)省能耗。同時(shí)，磨礦產(chǎn)品過濾性較好時(shí)，過濾設(shè)備可采用圓盤真空過濾機(jī)或陶瓷過濾機(jī)；磨礦產(chǎn)品過濾性較差時(shí)需采用壓濾機(jī)進(jìn)行脫水。

考慮到不同國家地區(qū)的礦石性質(zhì)迥異，具體到某細(xì)磨工程工藝流程和設(shè)備選型的設(shè)計(jì)時(shí), 須通過試驗(yàn)研究和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較而定。