回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝處理國外某高磷鮞狀赤鐵礦的工業(yè)試驗(yàn)

王英碩 黃武勝 劉偉然 延 黎 吳世超 孫體昌

（1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.中鋼設(shè)備有限公司，北京 100080；3.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160）

隨著易選鐵礦石的不斷消耗，鐵品位高、儲量大的高磷鮞狀赤鐵礦越來越受到重視。高磷鮞狀赤鐵礦在世界范圍內(nèi)分布廣泛、儲量巨大，法國洛林鮞狀鐵礦總儲量達(dá)122億t［1-2］；美國伯明翰鮞狀赤鐵礦儲量達(dá)53億t［3］；尼日利亞Agbaja地區(qū)的鮞狀赤鐵礦儲量有10億t［4］；巴基斯坦的Dilbond鐵礦石儲量約2億t；我國“寧鄉(xiāng)式鐵礦”探明儲量達(dá)37.2億t。雖然不同產(chǎn)地的礦石，化學(xué)元素含量有所不同，但礦物組成、礦石結(jié)構(gòu)等性質(zhì)大體相似［5］，鮞狀構(gòu)造的鮞粒是由赤鐵礦、鮞綠泥石、玉髓、方解石、膠磷礦和黏土礦物圍繞一個中心［6］，層層環(huán)狀包裹形成。赤鐵礦是礦石中最主要的金屬礦物，主要以鮞狀結(jié)構(gòu)、單晶和微細(xì)粒浸染3種形式存在［7］。磷礦物常呈鮞環(huán)狀浸染在赤鐵礦鮞粒中，導(dǎo)致物理的選礦方法不能有效降低高磷鮞狀赤鐵礦的P含量［8-15］，被列為呆礦。磁化焙燒方法雖然能夠提高鐵品位和回收率，使鐵精礦品位在60%左右，但降磷效果仍不理想，磷含量在0.2% 左右［16-18］。

經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，直接還原焙燒—磁選工藝［19］是最為有效的高磷鮞狀赤鐵礦提鐵降磷工藝。針對本次工業(yè)試驗(yàn)所用高磷鮞狀赤鐵礦石，已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室直接還原法提鐵降磷的小型試驗(yàn)，可獲得鐵品位、磷含量、鐵回收率分別為95.91%、0.07%、89.10%的還原鐵［19］。

煤基直接還原在工業(yè)生產(chǎn)上有隧道窯工藝、回轉(zhuǎn)窯工藝和轉(zhuǎn)底爐工藝3種工藝［20］。李永利等［21］對鄂西高磷鮞狀赤鐵礦石進(jìn)行了直接還原焙燒同步脫磷隧道窯工業(yè)試驗(yàn)研究，獲得了鐵品位為92.56%、鐵回收率為82.7%、磷含量0.089%的直接還原鐵，但試驗(yàn)所用碳化硅罐體積小，每天僅能半機(jī)械化地焙燒60 t礦石。韓宏亮等［23］利用半工業(yè)型轉(zhuǎn)底爐處理高磷鮞狀赤鐵礦石，在1 280℃、添加10%的CaO的條件下，可以得到TFe品位94.32%、含磷量0.24%的直接還原鐵?？傮w來看，隧道窯因其處理量低、效率低、污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)已逐漸被淘汰，轉(zhuǎn)底爐得到的產(chǎn)品含磷量過高，同樣未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。而回轉(zhuǎn)窯具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)能力大、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定及燃料選擇多樣化等優(yōu)點(diǎn)，是目前直接還原工藝工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用較廣泛的設(shè)備。

江蘇某公司目前有包括原料處理—混配造球—烘干—回轉(zhuǎn)窯焙燒—磨礦磁選的完整工業(yè)生產(chǎn)線，為驗(yàn)證國外某高磷鮞狀赤鐵礦利用回轉(zhuǎn)窯還原焙燒的可行性，以該高磷鮞狀赤鐵礦為原料在該生產(chǎn)線上進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)原料及準(zhǔn)備

工業(yè)試驗(yàn)所用的礦石采自非洲某國，共3 200 t，礦石粒度為-35 mm，破碎到-6 mm作為工業(yè)試驗(yàn)用樣品，該樣品鐵品位55.26%、磷含量為0.55%。鐵主要以磁鐵礦和赤褐鐵礦形式存在，還有少量的菱鐵礦，磷主要以磷灰石形式存在，磷灰石中的磷占52.73%，鐵礦物中的磷占47.27%。脈石礦物以鮞綠泥石為主，還有少量方解石，詳細(xì)礦石性質(zhì)見文獻(xiàn)［22］。還原劑為無煙煤，工業(yè)分析其空干基固定碳含量75.36%、灰份16.24%、揮發(fā)份6.7%、水分1.7%。脫磷劑為-3 mm的天然石灰石，CaCO3含量為93.25%，主要雜質(zhì)是SiO2、S和P的含量低，不影響使用。黏結(jié)劑為膨潤土和玉米淀粉。膨潤土細(xì)度為-0.074 mm占90.03%，膠質(zhì)價大于95%，吸藍(lán)量為25.26%，水分7.72%。淀粉為玉米淀粉，質(zhì)量符合中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8885-2017的要求。

2 試驗(yàn)流程及設(shè)備

2.1 回轉(zhuǎn)窯焙燒部分

焙燒部分包括配料、預(yù)混勻、二次混勻、壓球、球干燥、回轉(zhuǎn)窯焙燒、出料等主要工序，工藝流程和主要設(shè)備如圖1所示。具體流程為：將破碎后試樣、無煙煤、石灰石和膨潤土用裝載機(jī)2分別裝入儲料斗3、4、5和7，儲料斗帶有計(jì)量裝置，不同原料按確定的比例計(jì)量后通過皮帶6輸送到雙軸攪拌混勻機(jī)9，通過噴淋裝置8添加一定比例的水后進(jìn)行混勻得到預(yù)混合料。預(yù)混合料通過裝載機(jī)裝入料倉11內(nèi)，經(jīng)計(jì)量添加一定比例的淀粉后由皮帶運(yùn)輸機(jī)6送入立軸攪拌混勻機(jī)進(jìn)行二次混勻，隨后通過皮帶運(yùn)輸至料倉14內(nèi)，混合料經(jīng)過全懸浮計(jì)量皮帶秤15按照給定的處理量給入壓球機(jī)16進(jìn)行壓球，控制球團(tuán)抗壓強(qiáng)度在15 kg·m/s2以上。壓球機(jī)下面有棒條篩17，篩上部分送入鏈篦機(jī)18進(jìn)行烘干，烘干后球團(tuán)抗壓強(qiáng)度可達(dá)2 000 kg·m/s2以上，篩下部分返回混合料倉14。所用回轉(zhuǎn)窯長70 m，直徑為4.8 m。干球經(jīng)斗式提升機(jī)從回轉(zhuǎn)窯18窯尾進(jìn)入，隨回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)動向窯頭方向移動，該過程中經(jīng)過升溫段和恒溫段完成還原，然后通過降溫段，從窯頭排出。物料在窯內(nèi)的總停留時間為3.0～3.5 h。從回轉(zhuǎn)窯排出的物料通過溜槽進(jìn)入水冷池20中水淬冷卻，后用出料機(jī)21把物料從冷卻池中取出至堆場22。

2.2 磨礦—磁選

回轉(zhuǎn)窯的還原效果根據(jù)焙燒物料磁選管磁選結(jié)果判斷。具體方法為：從焙燒物料堆取樣進(jìn)行磨礦—磁選，工業(yè)試驗(yàn)過程中，每小時的出料分別堆放，在每個料堆取15個點(diǎn)，每個點(diǎn)取約200 g，共取約3 kg左右，每2 h的樣品混合在一起。經(jīng)過顎式破碎機(jī)、對輥破碎機(jī)將焙燒物料破碎至-3 mm?；靹蚝罂s分出30 g試樣進(jìn)行磨礦磁選，磨礦濃度為67%，兩段磁選管磁選，磁選管磁場強(qiáng)度為960 kA/m。分析磁選管精礦的鐵品位和磷含量。

2.3 試驗(yàn)參數(shù)的確定及控制

預(yù)混和二次混合過程中的參數(shù)測定有水分、鐵品位、碳含量和磷含量。鐵品位和磷含量用于監(jiān)測工序每一步的代表性，而主要控制的指標(biāo)是水分和碳含量，水分影響成球率，根據(jù)擴(kuò)大試驗(yàn)的造球結(jié)果，水分應(yīng)在7%～8%之間，碳含量定為75%，煤的用量根據(jù)所用無煙煤碳的含量換算得出。

預(yù)混是分批進(jìn)行的，從每一批混合好的料堆用舀取法取樣，每個料堆的取樣點(diǎn)均勻分布在料堆的不同部位至少10個，試樣總量不少于5 kg。二次混合料取樣在皮帶運(yùn)輸機(jī)上用截取法取樣，每小時取樣一次，試樣量1 kg左右。如果發(fā)現(xiàn)某一指標(biāo)不合格，要根據(jù)不合格指標(biāo)的情況重新進(jìn)行混料，然后再取樣化驗(yàn)，合格后進(jìn)入到下一工序。

濕球主要測定水分，應(yīng)與混合料的水分相同：濕球在壓球機(jī)排料皮帶處用截取法取樣，具體方法是極迅速將鐵鍬水平伸入壓球機(jī)落料處，完全接取3 s內(nèi)落下的濕球，每2 h取1次，每次取樣量為2～3 kg。干球在鏈篦機(jī)排料部分接取，每次取樣量2 kg左右，每2 h取樣1次，測定水分、鐵品位和磷含量。

回轉(zhuǎn)窯在干球進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯焙燒之前需要對溫度和氣氛進(jìn)行控制。因此在混勻壓球的同時進(jìn)行分階段升溫，分階段升溫可以保證窯內(nèi)耐火材料的完整，在升溫到200、500和800℃時均需保溫一定的時間，升溫時間為3～4 d。達(dá)到要求的溫度后，需要首先將回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的氣氛調(diào)整為還原氣氛，從回轉(zhuǎn)窯的窯尾添加一定量的無煙煤，調(diào)整到氧氣含量小于5%。

為了保證窯內(nèi)還原過程的可控可監(jiān)測，對回轉(zhuǎn)窯的煙氣、溫度進(jìn)行監(jiān)測和控制。煙氣監(jiān)測分析進(jìn)行在線連續(xù)測量，在回轉(zhuǎn)窯尾部裝有在線氣體分析儀的取樣頭。溫度監(jiān)測有3個點(diǎn)：在窯頭的上部以及窯尾煙氣罩分別配置熱電偶，可以連續(xù)監(jiān)測窯頭和窯尾溫度；在回轉(zhuǎn)窯排料處用AR530手持紅外線測溫儀測定每小時的出料溫度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 無煙煤用量15%試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，無煙煤用量超過15%時，粉末還原鐵中磷含量會超過0.1%，所以工業(yè)試驗(yàn)最初將無煙煤用量確定為15%，進(jìn)料量（濕球）20 t/h。從干球入窯3 h后開始取焙燒物料試樣，連續(xù)運(yùn)行14 h，隨后由于鏈篦機(jī)出現(xiàn)故障，回轉(zhuǎn)窯停止進(jìn)料。為考察停止給料后氣氛、溫度變化對焙燒效果的影響，停止進(jìn)料后仍繼續(xù)取樣，4 h后，出料量減少，停止取樣，試驗(yàn)結(jié)束。此階段試驗(yàn)持續(xù)時間共18 h，其中連續(xù)進(jìn)料時間14 h，連續(xù)取樣時間15 h。圖2為無煙煤用量15%時試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)。

從圖2（a）可以看出：氣體濃度的變化范圍較大，波動幅度也比較大，此試驗(yàn)區(qū)間CO和H2的濃度基本為0，即試驗(yàn)期間煙氣中沒有檢測到CO和H2；CO2和O2的濃度變化有一定的規(guī)律，即O2濃度降低，CO2濃度升高；O2的濃度大部分在6%～8%之間，最低5.67%，最高8.73%。CO2濃度的變化范圍較大，最低10.02%，最高17.28%。給料對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣氛有明顯的影響，停止給料后O2的濃度明顯升高，CO2的濃度明顯下降，這說明回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣氛與給料直接相關(guān)。

從圖2（b）可以看出，窯頭溫度變化一直不大，最低為908℃，最高940℃。窯尾的溫度變化稍大些，最低溫度669℃，最高溫度為735℃，且隨時間的延長有下降的趨勢。出料溫度最低1 016℃，最高溫度為1 113℃，停止給料后溫度升高到1 321℃。連續(xù)運(yùn)行14 h后，回轉(zhuǎn)窯停止進(jìn)料，這也是圖2（b）中14 h開始出料溫度、窯頭溫度及窯尾溫度明顯下降的原因。

從圖2（c）可知：磁選管選別得到的鐵品位變化很大，最高的可以到86.59%，最低僅有61.72%，磷含量在0.13%～0.18%之間，鐵回收率在52.36%～77.94%之間。從上述結(jié)果看，總體還原效果不理想，使用磁選管進(jìn)行選別，粉末還原鐵的鐵品位很低、磷含量高、回收率比較高，說明主要問題是還原效果不好，經(jīng)磁選管選別后的鐵品位只有65%左右，說明粉末還原鐵中主要是磁鐵礦而不是金屬鐵。停止給料后，鐵品位顯著降低，磷含量升高。

根據(jù)溫度和煙氣的監(jiān)測結(jié)果，還原效果不理想的主要原因是還原氣氛不佳，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)未充分形成還原氣氛，而回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣氛與干球中的無煙煤含量和進(jìn)料量都有關(guān)系。如果只增加干球內(nèi)無煙煤用量，會造成最終產(chǎn)品中磷含量升高，因此，在后續(xù)試驗(yàn)中，決定對無煙煤含量和進(jìn)料量同時進(jìn)行調(diào)整。

3.2 無煙煤用量20%試驗(yàn)結(jié)果

由于回轉(zhuǎn)窯故障，無煙煤用量20%試驗(yàn)分為2個時段進(jìn)行。第一時段進(jìn)行了51 h，進(jìn)料量（濕球）30 t/h；第二時段連續(xù)進(jìn)行了65 h。圖3為無煙煤用量20%時試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)。

從圖3（a）可以看出：CO2的濃度開始時波動較大，大約8 h后維持穩(wěn)定，達(dá)到了儀器檢測的上限（20%）；氧氣的濃度波動幅度也較大，特別是前10 h，最低0.3%，最高4.74%；CO的濃度雖有波動，但幅度很低，大部分時間濃度小于0.2%，最高值為1.27%，并且維持時間較短；未檢測到H2的存在。與煤用量15%時的圖2（a）相比，增加無煙煤用量和給料量后，CO2的濃度明顯上升，O2濃度明顯下降，能檢測到CO，但濃度很低，說明增加無煙煤用量和給料量，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)還原氣氛明顯增強(qiáng)。圖3（a）后半部分是無煙煤用量20%時第2階段回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣氛的檢測結(jié)果，可以看出，此階段氣體濃度波動較大。CO2的濃度在12%～20%之間波動；O2的濃度大部分時間在2%～8%之間波動；CO的濃度仍然較低，大部分時間小于0.2%，最高值為1.77%，后期CO濃度有升高的趨勢，仍未檢測到H2。CO2濃度和O2濃度的變化有明顯的規(guī)律，O2濃度升高，CO2濃度降低，說明無煙煤用量對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的氣氛起決定性作用，在第51 h發(fā)現(xiàn)窯內(nèi)有結(jié)圈現(xiàn)象，停止給料后，氣氛很快發(fā)生明顯變化，O2濃度迅速升高，CO2濃度下降，0.5 h內(nèi)O2濃度增加到10%以上，CO2濃度下降到只有5%～10%之間，CO的濃度迅速降低到0。

從圖3（b）可以看出：第一階段隨著運(yùn)行時間延續(xù)，前2 h內(nèi)窯頭溫度基本穩(wěn)定在900℃左右，而后隨著運(yùn)行時間的延長，溫度降低到826℃；窯尾溫度基本呈先下降而后又上升的趨勢，且波動較大，開始入料時溫度為742℃，最低值為523℃；出料溫度基本穩(wěn)定在1 000℃以上。這可能與反應(yīng)過程有關(guān)系，因?yàn)樵囼?yàn)過程中的最關(guān)鍵因素就是控制出料溫度。第二階段中，開始進(jìn)料后29～31 h之間以及第51～53 h之間，回轉(zhuǎn)窯清圈，停止給料，因此在兩個時段區(qū)間內(nèi)，出料溫度和窯頭溫度下降，窯尾溫度上升。除此2個時間段之外，各溫度變化范圍較小，都比較穩(wěn)定。出料溫度穩(wěn)定在1 050℃左右，窯頭溫度大部分時間在900～950℃之間，窯尾溫度在600～650℃之間，各溫度的變化之間有一定的規(guī)律，出料溫度下降，窯頭溫度也下降，但窯尾溫度上升。

從圖3（c）可以看出，隨著試驗(yàn)時間的延續(xù)，焙燒效果逐漸變好。第1階段開始后第6 h的樣品磨礦磁選后樣品鐵品位第1次達(dá)到了90%，但磷含量仍比較高。隨著焙燒時間的延續(xù)，粉末還原鐵的鐵品位也上升，磷含量下降。第12 h以后，較多的合格產(chǎn)品出現(xiàn)，且結(jié)果比較穩(wěn)定，粉末還原鐵中鐵品位最高到達(dá)了93.84%，此時磷含量為0.09%，此階段的結(jié)果初步說明，用工業(yè)回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行高磷鮞狀赤鐵礦焙燒以達(dá)到提鐵降磷的效果是可行的，可以得到符合要求的粉末狀還原鐵。從該圖中還可以看出，粉末還原鐵中鐵品位和磷含量呈反比，即鐵品位提高，磷含量下降，只要鐵品位超過了90%，磷含量就會降至0.1%以下，這說明還原過程中磷沒有進(jìn)入到金屬鐵中，可以通過磨礦—磁選進(jìn)行分離。

3.3 無煙煤用量23%試驗(yàn)結(jié)果

無煙煤用量為20%的試驗(yàn)雖然得到了品位90%以上的粉末還原鐵，但是回收率過低，為增加窯內(nèi)還原氣氛以達(dá)到提高回收率的目的，把無煙煤用量提高到23%，進(jìn)料量保持30 t/h不變，在該條件下進(jìn)行試驗(yàn)，該階段的試驗(yàn)穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行48 h。圖4為無煙煤用量23%時試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)。

從圖4（a）可以看出：此階段CO2的濃度比較高，除個別時間外，都在20%以上；O2濃度比較低，大部分時間低于1%，CO的濃度比較高，大部分時間在1%以上，最高值達(dá)到了3.58%，特別是焙燒進(jìn)行17 h以后，均保持在1%以上，說明此階段還原氣氛明顯好于其他試驗(yàn)階段，證明增加無煙煤用量對增強(qiáng)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的還原氣氛有利。

從圖4（b）可以看出，第8～10 h停止進(jìn)料，對回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行清圈，因此出料溫度和窯頭溫度有所下降，而窯尾溫度明顯上升。從其他時間段的結(jié)果可以看出，此階段試樣回轉(zhuǎn)窯溫度比較穩(wěn)定，出料溫度基本保持在1 050℃左右，最低為1 019℃，最高為1 070℃，最后一個小時回轉(zhuǎn)窯停止給料，出料溫度明顯偏低，降到了926℃，此時窯頭溫度在900℃左右，窯尾溫度在610℃左右。

從圖4（c）可以看出，在前半段時間內(nèi)，絕大部分產(chǎn)品指標(biāo)良好且穩(wěn)定，TFe品位全部控制在90%以上，P品位控制在0.1%以下，只有在第6～8 h階段由于進(jìn)行清圈，產(chǎn)品指標(biāo)發(fā)生了小幅波動，但產(chǎn)品指標(biāo)仍符合要求。后半段時間內(nèi)，磁選管最終精礦的P含量有所增加，個別產(chǎn)品超過0.1%，這說明在保證P含量符合要求的前提下，無煙煤用量最高為23%，在該條件下，TFe品位和回收率達(dá)到最高。對該階段第13～47 h的磁選管精礦進(jìn)行混勻、縮分后進(jìn)行分析，該產(chǎn)品鐵品位為96.24%、鐵回收率為78.40%、磷含量為0.07%，金屬化率為96.05%。

4 結(jié) 論

（1）利用回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行的還原焙燒—磨礦—磁選的工藝流程處理高磷鮞狀赤鐵礦可以滿足工業(yè)上不間斷生產(chǎn)粉末狀直接還原鐵的需要。以回轉(zhuǎn)窯為主體設(shè)備，在技術(shù)上可行。本次工業(yè)試驗(yàn)最佳條件為無煙煤用量23%、石灰石用量28%，焙燒溫度在1 050℃以上，經(jīng)過兩段磨礦兩段磁選，可以得到鐵品位96.24%，磷含量0.07%，鐵回收率78.40%、金屬化率96.05%的粉狀還原鐵。

（2）與在馬弗爐內(nèi)還原焙燒不同的是，回轉(zhuǎn)窯還原焙燒需要還原劑用量更高。23%的無煙煤用量條件下，可以穩(wěn)定獲得TFe品位90%以上的海綿鐵，但是否為最佳條件仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。脫磷劑石灰石的用量可以直接沿用小型試驗(yàn)和擴(kuò)大試驗(yàn)的指標(biāo)，但還原劑用量與擴(kuò)大試驗(yàn)時有顯著區(qū)別，原因需要進(jìn)一步研究。

（3）回轉(zhuǎn)窯內(nèi)還原氣氛、焙燒溫度和時間是影響粉狀還原鐵品位的直接因素，其中控制窯內(nèi)還原氣氛對磷含量的影響尤為關(guān)鍵，而控制窯內(nèi)還原氣氛的主要手段為調(diào)整無煙煤用量。無煙煤用量越大，還原氣氛越好，精礦指標(biāo)也越好。

（4）利用回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝處理高鱗鮞狀赤鐵礦雖然在技術(shù)上可行，但是由于礦石數(shù)量的限制，仍未確定最佳的還原劑配比條件，得到的直接還原鐵回收率低，需要細(xì)磨才能單體解離。