低品位難選鐵礦轉(zhuǎn)底爐直接還原中試研究

劉長正, 曹志成, 彭程, 崔慧君

寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司 轉(zhuǎn)底爐事業(yè)部，上海 201900

引言

近年來，我國粗鋼產(chǎn)量持續(xù)增長，鐵礦石長期對(duì)外依賴進(jìn)口的局面沒有明顯改善。然而，我國鐵礦石儲(chǔ)量巨大，資源稟賦呈“低、貧、細(xì)、雜”的特點(diǎn)，常規(guī)選礦工藝無法有效富集回收其中的鐵元素，因此開發(fā)高效利用低品位鐵礦的工藝與設(shè)備對(duì)于礦產(chǎn)資源綜合利用及發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)尤為重要[1-3]。北京科技大學(xué)采用直接還原—磁選工藝，對(duì)低品位高磷鮞狀赤鐵礦、微細(xì)粒赤鐵礦等完成了很多小型基礎(chǔ)試驗(yàn)和中試研究，可獲得鐵品位90%的直接還原鐵粉[4-7]；東北大學(xué)、中南大學(xué)、武漢科技大學(xué)等高校也進(jìn)行了相關(guān)研究，通過直接還原—磁選工藝有效回收了鐵元素[8-11]。轉(zhuǎn)底爐工藝[12]以其原料適應(yīng)性強(qiáng)和操作工藝靈活等優(yōu)點(diǎn)，引起冶金界高度重視。目前，轉(zhuǎn)底爐處理含鋅粉塵工藝比較成熟，已在國內(nèi)多家鋼廠應(yīng)用，包括寶鋼湛江、江蘇沙鋼、安徽馬鋼、 山東萊鋼、臺(tái)灣中鋼、山東日鋼、河北燕鋼等多家鋼廠均有建成投產(chǎn)的轉(zhuǎn)底爐，預(yù)計(jì)未來幾年將有6～10條轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線投產(chǎn)，但利用轉(zhuǎn)底爐處理低品位難選鐵礦的研究報(bào)道較少。

本文重點(diǎn)介紹了轉(zhuǎn)底爐處理低品位難選鐵礦的研究方法，采用配料、壓球、烘干、轉(zhuǎn)底爐直接還原、水淬冷卻、磨礦磁選的方法獲得高品位還原鐵粉，然后對(duì)還原鐵粉壓塊，作為優(yōu)質(zhì)的電爐煉鋼原料。該工藝在處理量3 t/h的轉(zhuǎn)底爐上進(jìn)行了200 t低品位難選鐵礦的中試試驗(yàn)，為低品位難選鐵礦大規(guī)模清潔冶煉提供了一種新的工藝。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

轉(zhuǎn)底爐中試礦樣為新疆某地難選赤鐵礦，其中鐵礦物粒度較細(xì)，采用常規(guī)選礦方法回收鐵元素比較困難。

1.2 分析與檢測(cè)

原礦化學(xué)多元素分析見表1，其中TFe品位為44.76%，含有一定量的鉀、鈉、鉛、鋅元素，硫含量為0.68%。

表1 原礦化學(xué)多元素分析/%

表2是原礦物相分析結(jié)果，原礦中的鐵主要以赤鐵礦的形式存在，占總量的90.07%，有5.23%的鐵存在于碳酸鹽中，硫化物中的鐵占1.12%，硅酸鐵不高，只有3.58%。

圖1是原礦XRD分析結(jié)果。原礦中主要鐵礦物是赤鐵礦，脈石礦物是石英，另有少量黃鐵礦和菱鐵礦，與表2的物相分析結(jié)果比較吻合。

圖1 原礦XRD分析圖

圖2是原礦電鏡圖，可以看出，原礦中鐵的分布不均勻，白色顆粒為含鐵礦物的顆粒，灰色和黑色為脈石。有些脈石顆粒比較粗且有些顆粒中幾乎不含鐵。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)原礦中的鐵礦物粒度很細(xì)，大多在10 μm以下。單一采用選礦工藝所得精礦鐵品位約55%，鐵回收率僅為58%，回收難度較大。

圖2 原礦電鏡圖

中試試驗(yàn)采用的還原劑為焦粉，空干基固定碳含量為76.51%，全硫含量為0.43%。粘結(jié)劑選用鈉基膨潤土與自制的液體粘結(jié)劑。

1.3 試驗(yàn)方法

采用轉(zhuǎn)底爐直接還原—磨礦磁選工藝對(duì)低品位難選鐵礦進(jìn)行試驗(yàn)研究，首先進(jìn)行小型基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，獲得最佳的配料條件、焙燒還原條件、磨礦磁選條件，之后進(jìn)行轉(zhuǎn)底爐中試驗(yàn)證。

(1)工藝流程

轉(zhuǎn)底爐直接還原—磨礦磁選工藝流程見圖3。其具體的工藝過程為：將破碎磨礦至-1 mm的低品位難選鐵礦、-1 mm焦粉、膨潤土按比例配好，經(jīng)過混合、壓球、篩分工序，將>8 mm的含碳球團(tuán)均勻地布入轉(zhuǎn)底爐爐底，在轉(zhuǎn)底爐內(nèi)，爐頂和爐墻固定不動(dòng)，爐底機(jī)械帶動(dòng)爐底轉(zhuǎn)動(dòng)，爐底上的含碳球團(tuán)隨著爐底轉(zhuǎn)動(dòng)依次經(jīng)過預(yù)熱區(qū)、還原區(qū)和冷卻區(qū)，布置在爐墻內(nèi)環(huán)與外環(huán)的燒嘴將轉(zhuǎn)底爐爐氣溫度加熱至1 000 ℃～1 350 ℃，含碳球團(tuán)被還原成金屬化球團(tuán)，經(jīng)由螺旋出料機(jī)排出爐外直接掉入水中水淬冷卻，冷卻后的球團(tuán)被送往球團(tuán)磨礦磁選系統(tǒng)，得到直接還原鐵粉與尾礦，直接還原鐵粉配加干粉粘結(jié)劑送入強(qiáng)力混合機(jī)混合均勻，混合料加入海綿鐵壓塊機(jī)，經(jīng)5 mm條篩篩分后送入烘干機(jī)烘干得到直接還原鐵塊。

圖3 轉(zhuǎn)底爐中試處理低品位難選礦

(2)技術(shù)指標(biāo)計(jì)算方法

1)含碳球團(tuán)強(qiáng)度

含碳球團(tuán)在爐底布料厚度一般為2～3層(20～60 mm)，因此對(duì)球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度不作要求，僅測(cè)定球團(tuán)的落下強(qiáng)度。球團(tuán)落下強(qiáng)度的定義為：球團(tuán)0.5 m自由落下到鋼板上，第n次碎裂或產(chǎn)生裂紋，則球團(tuán)落下強(qiáng)度計(jì)為n-1次。試驗(yàn)要求濕球團(tuán)與干球團(tuán)強(qiáng)度均大于6次。

2)鐵的金屬化率

取有代表性的金屬化球團(tuán)制樣，化驗(yàn)其中的金屬鐵(MFe)品位與全鐵(TFe)品位，二者相除得到球團(tuán)金屬化率(A)，見下公式(1)。

(1)

3)鋅、鉛、鉀、鈉的揮發(fā)率

含碳球團(tuán)在焙燒過程中，鋅、鉛、鉀、鈉元素從球團(tuán)中揮發(fā)出來，通過煙氣除塵系統(tǒng)得以全部回收。鋅、鉛、鉀、鈉的揮發(fā)率用字母B表示，鋅、鉛、鉀、鈉分別在含碳球團(tuán)中的總金屬量用M表示，在金屬化球團(tuán)剩余總金屬量用m表示，計(jì)算表達(dá)式見公式(2)。

(2)

4)鐵的回收率

鐵的回收率用字母C表示，還原鐵粉中總鐵量用H表示，尾渣中總鐵量用h表示，計(jì)算表達(dá)式見公式(3)。

(3)

(3)主要設(shè)備

中試試驗(yàn)主要設(shè)備見表3。

表3 轉(zhuǎn)底爐中試試驗(yàn)主要設(shè)備

2 結(jié)果與討論

轉(zhuǎn)底爐中試前的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，得出最佳的配料條件為：m(原礦)m(焦粉)m(膨潤土)m(液體粘結(jié)劑)=1003348；模擬轉(zhuǎn)底爐每圈運(yùn)行時(shí)間42 min，最佳的焙燒制度見表4。最佳的磨礦磁選條件為：一段磨礦細(xì)度-0.074 mm占61.64%，一段磁場(chǎng)強(qiáng)度112 kA/m，二段磨礦細(xì)度-0.074 mm占54.33%，二段磁場(chǎng)強(qiáng)度112 kA/m，此時(shí)還原鐵粉鐵品位94.88%，鐵回收率85.39%。

表4 模擬轉(zhuǎn)底爐各區(qū)溫度與時(shí)間參數(shù)

轉(zhuǎn)底爐中試按照小型基礎(chǔ)試驗(yàn)得出的干基配料比進(jìn)行，由于轉(zhuǎn)底爐爐膛內(nèi)部燒嘴噴出的火焰距離球團(tuán)約0.6 m，為達(dá)到小型基礎(chǔ)試驗(yàn)的還原效果，結(jié)合熱力學(xué)模擬計(jì)算，轉(zhuǎn)底爐各區(qū)溫度比小型基礎(chǔ)試驗(yàn)提高50 ℃，轉(zhuǎn)底爐每圈運(yùn)行時(shí)間42 min，進(jìn)行了200 t低品位難選鐵礦的大規(guī)模中試試驗(yàn)。

2.1 含碳球團(tuán)制備

按照基礎(chǔ)試驗(yàn)得出的配料條件進(jìn)行配料，-1 mm原礦、-1 mm焦粉、膨潤土通過料倉下部的星型給料機(jī)配加到底開式料鐘中，將料鐘通過行車吊運(yùn)加入強(qiáng)力混合機(jī)中，先干混6 min，再加入液體粘結(jié)劑，為了防止加入粘結(jié)劑造成結(jié)塊，需將粘結(jié)劑緩慢噴灑到混合機(jī)中，再濕混4 min，液體粘結(jié)劑固體含量為0.5%，因此混料工序無需額外加水。一般先加入計(jì)劃粘結(jié)劑量的70%，預(yù)先放出一小部分混合料試壓球，觀察物料結(jié)塊情況、是否粘結(jié)輥皮、球團(tuán)強(qiáng)度是否合格來進(jìn)行調(diào)整。將混合料通過斗式提升機(jī)運(yùn)送至對(duì)輥壓球機(jī)上部料倉，均勻地給入壓球機(jī)，壓球機(jī)排出濕球團(tuán)進(jìn)入烘干機(jī)，進(jìn)入烘干機(jī)廢氣溫度210 ℃，球團(tuán)在烘干機(jī)滯留時(shí)間1～1.5 h。濕球團(tuán)與干球團(tuán)形貌見圖4，為了考察球團(tuán)混合的均勻程度，取20個(gè)批次有代表性的濕球團(tuán)測(cè)定含水率與含碳量，同時(shí)測(cè)定球團(tuán)烘干前后的落下強(qiáng)度，詳見圖5。

圖4 濕球(左)與干球(右)形貌

從圖4球團(tuán)形貌顯示，含碳球團(tuán)外形光滑，少有半球，整體比較均勻，表明對(duì)輥壓球效果較好。圖5結(jié)果表明，濕球團(tuán)含水介于5%～6%，濕球團(tuán)落下強(qiáng)度介于6～9次之間，干球團(tuán)落下強(qiáng)度介于13～18次之間，球團(tuán)碳含量在18%～19%之間波動(dòng)。球團(tuán)含水率、碳含量波動(dòng)范圍較小，說明物料混合比較均勻，有利于后續(xù)轉(zhuǎn)底爐直接還原，濕球團(tuán)與干球團(tuán)落下強(qiáng)度均大于6次，滿足轉(zhuǎn)底爐工序要求。

圖5 球團(tuán)落下強(qiáng)度、含水率及碳含量

2.2 轉(zhuǎn)底爐還原

(1)實(shí)際運(yùn)行時(shí)工藝參數(shù)：轉(zhuǎn)底爐的爐底劃分為五個(gè)區(qū)域，包括預(yù)熱區(qū)、中溫區(qū)、高溫一區(qū)、高溫二區(qū)和冷卻區(qū)。中試轉(zhuǎn)底爐內(nèi)部爐底到爐頂高度1.3 m，布置在內(nèi)外爐墻上的燒嘴火焰中心距離球團(tuán)約0.6 m，受傳熱的影響，根據(jù)以往中試經(jīng)驗(yàn)，同樣的球團(tuán)要獲得相同金屬化率指標(biāo)，中試實(shí)際爐氣溫度要比基礎(chǔ)試驗(yàn)溫度高出約50～60 ℃。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，各區(qū)的壓力、溫度和氣氛見表5。

表5 轉(zhuǎn)底爐還原各區(qū)工藝參數(shù)

(2)轉(zhuǎn)底爐布料厚度的影響

在還原溫度、還原時(shí)間固定的條件下，布料厚度對(duì)轉(zhuǎn)底爐產(chǎn)量影響較大，為此分別進(jìn)行了30 mm、60 mm和90 mm布料厚度的中試試驗(yàn)。對(duì)還原所得球團(tuán)金屬化率、球團(tuán)磨礦磁選所得還原鐵粉的品位與回收率進(jìn)行了對(duì)比分析，詳見圖6。

圖6結(jié)果表明，料層厚度對(duì)還原指標(biāo)影響較大，隨著料層厚度的增加，球團(tuán)金屬化率有降低的趨勢(shì)，主要的原因是料層厚度增加導(dǎo)致底層球團(tuán)受熱變差，因此金屬化率降低；料層厚度分別為30 mm、60 mm、90 mm時(shí)，球團(tuán)金屬化率分別為86.75%、83.44和51.72%，還原鐵粉的鐵品位分別為94.08%、94.36%和74.34%，鐵回收率分別為83.16%、82.71%和55.40%?？梢?，料層厚度為30mm和60mm還原鐵粉品位相差不大，回收率略有下降，料層厚度90 mm時(shí)球團(tuán)金屬化率僅為51.72%，因此還原鐵粉品位與回收率都大幅下降。綜合考慮，選擇60 mm為最佳的布料厚度。

圖6 料層厚度對(duì)指標(biāo)的影響

2.3 磨礦磁選與壓塊試驗(yàn)

對(duì)中試金屬化球團(tuán)采用兩段磨礦兩段磁選的工藝進(jìn)行擴(kuò)大試驗(yàn)，通過調(diào)整二段磨礦細(xì)度及磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)指標(biāo)。獲得最佳的磨礦磁選條件為：一段磨礦細(xì)度-0.074 mm占60.15%，一段磁場(chǎng)強(qiáng)度112 kA/m，二段磨礦細(xì)度-0.074 mm占52.83%，二段磁場(chǎng)強(qiáng)度112 kA/m， 此時(shí)獲得的還原鐵粉鐵品位94.39%，鐵回收率為83.34%，相對(duì)于金屬化球團(tuán)產(chǎn)率為46.43%，相對(duì)于原礦產(chǎn)率為39.52%，即處理1 t鐵品位為44.76%的原礦，可以獲得395.2 kg還原鐵粉。相比基礎(chǔ)試驗(yàn)鐵品位變化不大，回收率略有降低，在工業(yè)生產(chǎn)中需要進(jìn)一步優(yōu)化。

采用海綿鐵壓塊機(jī)將鐵品位為94.39%的金屬鐵粉進(jìn)行壓塊試驗(yàn)，可以獲得直徑120 mm高80～100 mm的圓柱形金屬鐵塊，密度4.78 t/m3，壓好的鐵塊2 m高落到水泥地面5次不碎裂，可以滿足煉鋼鏟車裝運(yùn)的需要。

2.4 產(chǎn)品分析

對(duì)還原鐵粉與最終尾礦進(jìn)行化學(xué)多元素分析，分別見表6和表7。

表6 還原鐵粉化學(xué)多元素分析/%

從表6中可以看出，還原鐵粉全鐵(TFe)品位94.22%，金屬鐵(MFe)品位90.16%，還原鐵粉金屬化率達(dá)到95.69%，可作為優(yōu)質(zhì)的煉鋼原料。表7結(jié)果表明，尾礦的主要成分是二氧化硅，碳含量達(dá)到16.92%，在生產(chǎn)中可通過選礦回收再利用。

通過檢測(cè)含碳球團(tuán)與金屬化球團(tuán)的鉀、鈉、鉛、鋅含量，計(jì)算出鉀、鈉、鉛、鋅的脫除率分別為51.11%、66.83%、100%和99.80%。

3 結(jié) 論

(1)研究用低品位難選鐵礦TFe品位為44.76%，原礦中的鐵主要以赤鐵礦的形式存在，占總量的90.07%，鐵礦物粒度很細(xì)，大多在10 μm以下，選礦回收難度較大。

(2)轉(zhuǎn)底爐中試結(jié)果表明，m(原礦)m(焦粉)m(膨潤土)m(液體粘結(jié)劑)=1003348，還原溫度1 250 ℃～1 330 ℃，轉(zhuǎn)底爐運(yùn)行一周時(shí)間為42 min，布料厚度3層(約60 mm)，最終獲得的球團(tuán)平均金屬化率83.44%，還原鐵粉產(chǎn)率39.52%，鐵品位94.39%，鐵回收率83.34%。對(duì)獲得的還原鐵粉進(jìn)行壓塊，壓塊密度為4.78 t/m3，可以滿足后續(xù)煉鋼的要求。