基于褐鐵型紅土鎳礦的燒結(jié)試驗(yàn)研究

閆 培，孫如意，黃在京，李炳基

(廣西北港新材料有限公司，廣西 北海 536000)

隨著硫化鎳礦資源的逐漸枯竭，紅土鎳礦成為冶煉鎳鐵的重要原料[1]。目前，回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原-電爐熔煉工藝(RKEF)是最廣泛應(yīng)用的紅土鎳礦冶煉工藝，但是隨著印尼等國(guó)家禁止鎳礦資源出口，高品位紅土鎳礦的價(jià)格持續(xù)走高，采購(gòu)愈發(fā)困難，而價(jià)格較低的褐鐵礦型紅土鎳礦更適合采用燒結(jié)-高爐工藝冶煉[2-3]。但是褐鐵礦中結(jié)晶水含量高，燒結(jié)過(guò)程中結(jié)晶水的分解氣化和褐鐵礦的高同化性和流動(dòng)性造成燒結(jié)礦的大孔薄壁結(jié)構(gòu)，使得燒結(jié)礦強(qiáng)度降低，只有通過(guò)增加配碳量來(lái)增加成品率，因此造成了燒結(jié)礦中FeO 含量嚴(yán)重過(guò)高，還原性極差的問(wèn)題，并且褐鐵礦的最低同化溫度遠(yuǎn)低于赤鐵礦和國(guó)內(nèi)磁鐵礦，故在燒結(jié)溫度一定時(shí)，褐鐵礦將比赤鐵礦更多地被液相所同化，使液相生成量更多[4]。對(duì)以褐鐵礦型紅土鎳礦為燒結(jié)原料的燒結(jié)廠的產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)能造成了極大的影響[5]。

由于目前對(duì)冶煉低鎳高鐵紅土鎳礦工藝流程的基礎(chǔ)性研究尚不完善，無(wú)法對(duì)實(shí)際生產(chǎn)做出精確指導(dǎo)，因此，對(duì)褐鐵礦型紅土鎳礦燒結(jié)行為的研究顯得很有必要。本文將以燒結(jié)杯試驗(yàn)?zāi)M褐鐵礦型紅土鎳礦。

1 原料成份

試驗(yàn)所用原料包括來(lái)自菲律賓的紅土礦、高爐返礦、重力除塵灰、燒結(jié)除塵灰、無(wú)煙煤、焦粉、生石灰、燒結(jié)內(nèi)返礦等。原料化學(xué)成分見表1。從表1中可以看出，紅土礦鐵品位為46.67%，SiO2、MgO及Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，分別為5.82%、3.10%和5.78%，Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，為0.76%，Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.70%，紅土鎳礦燒損高達(dá)14.66%，是典型的褐鐵礦型紅土鎳礦。

表1 原料化學(xué)成分 單位：%

褐鐵礦型紅土鎳礦的XRD衍射圖分析見圖1。褐鐵礦型紅土鎳礦中，主要礦物為針鐵礦，有少量的磁鐵礦、赤鐵礦、鎳蛇紋石及鱗石英。

圖1 紅土鎳礦的XRD衍射分析

2 燒結(jié)杯試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)以某燒結(jié)廠給出的某日實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，制定了相應(yīng)的燒結(jié)配料方案，采用控制變量法進(jìn)行單因素?zé)Y(jié)杯實(shí)驗(yàn)，研究布料方式、煤粉配比、堿度及煤粉粒度對(duì)燒結(jié)過(guò)程的影響。燒結(jié)杯試驗(yàn)基準(zhǔn)配料方案見表2。

表2 燒結(jié)杯試驗(yàn)原料配比基準(zhǔn) 單位：%

2.2 燒結(jié)杯試驗(yàn)流程

原料經(jīng)配料后進(jìn)行一次混合與二次混勻制粒，布入燒結(jié)杯后經(jīng)點(diǎn)火保溫、抽風(fēng)燒結(jié)、冷卻后進(jìn)行單輥破碎，再進(jìn)行燒結(jié)礦粒度組成、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度測(cè)試，考察各工藝參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)燒結(jié)礦強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)室的燒結(jié)杯試驗(yàn)流程如圖2所示。

2.3 試驗(yàn)參數(shù)控制

為了提高混勻效果，一混總時(shí)間為6 min，二混總時(shí)間為6 min，由于紅土鎳礦吸水能力強(qiáng)，若一混加水會(huì)導(dǎo)致水分被表層紅土鎳礦吸收，水分無(wú)法滲透到下層，因此實(shí)驗(yàn)室一混不加水，二混加滴狀水提高制粒效果。燒結(jié)杯的料層高度為770 mm，燒結(jié)過(guò)程中由于紅土鎳礦燒損大、燒結(jié)過(guò)程大量收縮，料層下降20～25 cm，致使燒結(jié)礦產(chǎn)量低，且燒結(jié)杯中心料層與四周料層垂直燒結(jié)速度不同步，燒結(jié)橫向不均勻性嚴(yán)重，導(dǎo)致燒結(jié)礦強(qiáng)度差；點(diǎn)火溫度為1100 ℃，點(diǎn)火溫度低于1100 ℃時(shí)會(huì)導(dǎo)致表層點(diǎn)火強(qiáng)度不夠，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)燒結(jié)杯中上層燒結(jié)礦比下層燒結(jié)礦的強(qiáng)度明顯低，因此控制保溫時(shí)間為3 min；點(diǎn)火負(fù)壓為-5 kPa，燒結(jié)負(fù)壓為-10 kPa，負(fù)壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致燃燒帶移動(dòng)速度過(guò)快，燒結(jié)礦欠燒，燒結(jié)礦強(qiáng)度變差。燒結(jié)過(guò)程見圖3。

圖3 燒結(jié)杯料面

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 無(wú)煙煤配比的影響

無(wú)煙煤作為燒結(jié)過(guò)程中的主要燃料，其配比對(duì)燒結(jié)礦成品的質(zhì)量影響非常大，選擇合適的燃料配比有助于提高燒結(jié)礦成品率[5]。從圖4可以看出，隨著無(wú)煙煤配比的增加，燒結(jié)礦成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度及利用系數(shù)呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，固體燃耗呈現(xiàn)先略微減少后增加的趨勢(shì)。

圖4 無(wú)煙煤配比對(duì)燒結(jié)性能的影響

無(wú)煙煤配比為5.2%時(shí)，由于褐鐵礦型紅土鎳礦物理水和結(jié)晶水含量高，水分的脫除需要消耗大量的熱量，燒結(jié)過(guò)程中液相量少，因而燒結(jié)礦的指標(biāo)較差。當(dāng)無(wú)煙煤配比從5.2%提高到7.2%時(shí)，燒結(jié)礦成品率由60.04%提高到72.64%，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度由44.27%提高到58.24%，利用系數(shù)由0.85 t·m-2·h-1增加到0.91 t·m-2·h-1，固體燃耗略微升高。

燃料不足時(shí)，混合料上層由于熱量供應(yīng)不足，液相產(chǎn)生量不足，燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量難以保障。若無(wú)煙煤配比繼續(xù)提高，會(huì)導(dǎo)致固體燃耗增加，且無(wú)煙煤配比過(guò)高會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)礦中的FeO含量升高，對(duì)后續(xù)高爐生產(chǎn)造成不利的影響，綜合考慮成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度及利用系數(shù)，推薦無(wú)煙煤配比為7.2%。

3.2 堿度的影響

堿度對(duì)燒結(jié)性能的影響見圖5，隨著堿度的提高，成品率先增大后略微減小，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度呈現(xiàn)先提高后不變的趨勢(shì)，利用系數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，固體燃耗呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，堿度的增加有助于燒結(jié)液相量的生成，也有利于燒結(jié)礦中復(fù)合鐵酸鈣的生成，從而有利于燒結(jié)礦性能的提高。但堿度過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程中液相量過(guò)多，從而使得燒結(jié)過(guò)程的高溫透氣性變差，從而影響燒結(jié)礦的性能。堿度在1.6時(shí)，利用系數(shù)到達(dá)最高，利用系數(shù)為0.91 t·m-2·h-1，其他指標(biāo)也處于較高的水平。綜合考慮燒結(jié)礦的各項(xiàng)指標(biāo)，燒結(jié)礦適宜堿度為1.6。

圖5 堿度對(duì)燒結(jié)性能的影響

3.3 布料方式的影響

常規(guī)布料是將混合料直接倒入燒結(jié)杯中,實(shí)驗(yàn)室偏析布料是將混合料通過(guò)篩孔為5 mm篩子進(jìn)行預(yù)先篩分，將大于5 mm粗顆粒鋪在燒結(jié)杯下層，小于5 mm細(xì)顆粒鋪在燒結(jié)杯上層。圖6是研究?jī)煞N布料方式對(duì)燒結(jié)性能的影響。

圖6 布料方式對(duì)燒結(jié)性能的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在兩種布料方式中，偏析布料的各項(xiàng)指標(biāo)最佳，分析原因可知，與常規(guī)布料相比，偏析布料將粗顆粒鋪在下層，細(xì)顆粒鋪在上層，減輕了混合料中粉末料充填到大粒級(jí)縫隙中破壞原始燒結(jié)料層透氣性的現(xiàn)象，整個(gè)料層的透氣性得到改善，使得無(wú)煙煤與空氣接觸幾率增大，無(wú)煙煤燃燒更加充分，且燒結(jié)過(guò)程中的自動(dòng)蓄熱作用使位于燒結(jié)杯下層的粗顆粒融化程度增大，使難燒難熔融粗顆粒反應(yīng)更加完全，避免了大粒級(jí)料燒不透以及與周圍顆粒不黏結(jié)而帶來(lái)的燒結(jié)礦質(zhì)量波動(dòng)、產(chǎn)量下降,因而在偏析布料時(shí)的燒結(jié)指標(biāo)最好。

3.4 煤粉粒度對(duì)燒結(jié)過(guò)程的影響

無(wú)煙煤不同的粒級(jí)是通過(guò)篩分得到的，隨著無(wú)煙煤粒級(jí)由0～3 mm提高到3～5 mm，成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度逐漸提高，利用系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，固體燃耗呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。當(dāng)無(wú)煙煤粒級(jí)為0～3 mm時(shí)，無(wú)煙煤的粒度偏細(xì)，燒結(jié)過(guò)程中燃燒速度快，燃燒前沿速度快于傳熱前沿速度，高溫維持時(shí)間短，燒結(jié)礦礦化時(shí)間短，導(dǎo)致燒結(jié)礦的性能指標(biāo)變差；當(dāng)無(wú)煙煤粒級(jí)為1～3 mm時(shí)，無(wú)煙煤粒度相對(duì)提高，燒結(jié)過(guò)程中燃燒速度變慢，高溫維持時(shí)間延長(zhǎng)，燒結(jié)礦礦化時(shí)間延長(zhǎng)，燒結(jié)礦的性能指標(biāo)變好；當(dāng)無(wú)煙煤粒級(jí)為1～5 mm時(shí)，無(wú)煙煤粒度進(jìn)一步提高，燒結(jié)過(guò)程中燃燒速度變慢，高溫維持時(shí)間延長(zhǎng)，燒結(jié)礦礦化時(shí)間延長(zhǎng)，燒結(jié)礦的性能指標(biāo)變好；但當(dāng)無(wú)煙煤粒級(jí)為3～5 mm時(shí)，無(wú)煙煤粒度過(guò)粗，無(wú)煙煤分布不均勻，料層中碳的分布點(diǎn)變少，且布料時(shí)粗顆粒煤粉易于偏析在料層下部，導(dǎo)致燃燒帶變厚，料層高溫透氣性變差，燒結(jié)礦的性能指標(biāo)惡化。無(wú)煙煤粒級(jí)在1～5 mm時(shí)，固體燃耗最低，固體燃耗為131.74 kg·t-1，且其他指標(biāo)也相對(duì)較好，利用系數(shù)為0.91 t·m-2·h-1，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度為58.02%，成品率為75.06%。因此建議生產(chǎn)實(shí)踐中提高1～5 mm無(wú)煙煤粒級(jí)的含量，減少-1 mm和+5 mm無(wú)煙煤粒級(jí)的含量。

圖7 無(wú)煙煤粒級(jí)對(duì)燒結(jié)性能的影響

無(wú)煙煤粒度增大延長(zhǎng)了燒結(jié)過(guò)程的高溫維持時(shí)間，燒結(jié)礦的礦化時(shí)間延長(zhǎng)，燒結(jié)礦的固結(jié)條件得到改善，且堿度的提高有利于燒結(jié)過(guò)程中復(fù)合鐵酸鈣(SFCA)的形成，因此，優(yōu)化后的燒結(jié)性能得到提升。

4 結(jié)論

通過(guò)燒結(jié)杯試驗(yàn)，該燒結(jié)廠使用褐鐵型紅土礦為燒結(jié)原料時(shí)，布料方式、煤粉配比、堿度、煤粉粒度等參數(shù)均對(duì)燒結(jié)過(guò)程有較大影響，生產(chǎn)過(guò)程中較適宜的工藝參數(shù)為：采用偏析布料、煤粉配比為7.2%、堿度為1.6、煤粉粒度為1～5 mm，燒結(jié)成品率和燒結(jié)礦質(zhì)量有較大提升，可獲得成品率為75.06%，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)為58.02%的燒結(jié)礦，利用系數(shù)為0.89 t·m-2·h-1，固體燃耗為131.74 kg/t。