高磷鮞狀赤鐵礦轉底爐直接還原中試研究

彭程， 曹志成， 劉長正， 崔慧君

寶武集團環境資源科技有限公司 轉底爐事業部，上海 201900

引言

高磷鮞狀赤鐵礦的處理是目前世界公認的難題，其難度不僅僅表現在原礦的復雜性，同時也表現在提鐵的同時又要降磷[1, 2]。目前主要使用的脫磷方法包括：高梯度磁選、重選—磁選工藝、氣基或煤基直接還原—磁選或熔化提鐵降磷、浮選、酸浸等[3-5]。工業規模試驗方面，北京科技大學孫體昌等人采用隧道窯進行了鄂西高磷鮞狀赤鐵礦直接還原—磨礦磁選提鐵降磷的半工業試驗，獲得金屬鐵粉中TFe品位90%以上，含P小于0.1%的良好指標[6-8]，但隧道窯產能低，能耗高，操作環境差，不能大規模工業化生產。轉底爐由環形加熱爐演變而來，其爐頂、爐墻不動，爐底機械帶動物料旋轉，依靠爐墻上布置的燒嘴將爐底物料加熱并進行直接還原。轉底爐工藝以其原料適應性強和操作工藝靈活等優點，引起冶金界高度重視。轉底爐從美國發源，先在日本推廣，后在中國得到發展，迄今已有超過40年的歷史。目前，轉底爐處理含鋅粉塵工藝比較成熟，已在國內多家鋼廠應用，包括寶鋼湛江、江蘇沙鋼、安徽馬鋼、 山東萊鋼、臺灣中鋼、山東日鋼、河北燕鋼等多家鋼廠均有建成投產的轉底爐，預計未來幾年將有6～10條轉底爐生產線投產，但利用轉底爐處理高磷礦的研究尚未見報道[9-11]。

本文重點介紹了轉底爐處理高磷鮞狀赤鐵礦的研究方法，不同于隧道窯的罐裝粉料法。采用配料、壓球、烘干、轉底爐直接還原、水淬冷卻、磨礦磁選的方法獲得高品位金屬鐵粉，然后對金屬鐵粉壓塊，作為優質的電爐煉鋼原料。該工藝在處理量3 t/h的轉底爐上進行了100 t高磷鮞狀赤鐵礦的中試試驗，對于高磷鮞狀赤鐵礦大規模清潔冶煉有一定的借鑒意義。

1 原料性質

轉底爐中試礦樣為某地高磷鮞狀赤鐵礦，原礦化學多元素分析見表1，其中TFe品位為46.03%，磷含量為0.91%。

表1原礦化學多元素分析 /%

Table1 Multi-elements analysis results of raw ores

元素TFeFeOSiO2Al2O3CaOMgOK2ONa2OSP含量46.031.3618.976.783.541.520.250.0680.0330.91

由圖1分析結果可知，原礦中主要有用礦物為赤鐵礦(Fe2O3)，脈石礦物是石英(SiO2)、綠泥石((Mg, Fe)2Al(Si，Al)2O5(OH)4)和氟磷灰石(Ca5(PO4)3F)。原礦的鮞狀結構明顯，含磷礦物呈明顯鮞狀結構與含鐵礦物緊密共生?？梢?，赤鐵礦、氟磷灰石和鋁硅酸鹽等脈石礦物之間在鮞狀結構內呈緊密共生狀態，采用常規選礦方法很難實現鐵的富集。

圖1高磷鮞狀赤鐵礦XRD分析和鮞狀結構：(a) 原礦XRD分析; (b) 高磷鮞狀赤鐵礦鮞狀結構

Fig. 1 XRD analysis and oolitic structure of high phosphorus oolitic hematite ore: (a) XRD analysis of raw ores; (a) raw ores XRD analysis; (b) oolitic structure of high phosphorus oolitic hematite ore

中試試驗采用的還原煤為無煙煤，空干基固定碳含量為72.65%，全硫含量為0.43%。石灰石中氧化鈣含量為52.37%。

2 試驗方法

(1)首先進行模擬轉底爐的基礎試驗研究，與常規試驗相比有以下特點：①基礎試驗用的爐子加熱元件吊在爐頂，模擬了轉底爐的燒嘴頂部輻射加熱方式；②焙燒容器采用耐火材料盤代替石墨坩堝，避免了石墨中碳的影響；③通入氮氣營造弱還原或中性氣氛，防止球團再氧化；④升溫方式采用從低溫到高溫的階段升溫方式，模擬轉底爐布料從低溫到高溫的還原過程；⑤烘干的含碳球團代替罐裝粉料法鋪在預熱好的耐火材料盤進行還原。

(2)轉底爐中試試驗

在確定了配料和還原條件后，試驗按照轉底爐中試方案進行，包括配料、混料、壓球、烘干、轉底爐還原、水淬冷卻、磨礦磁選、鐵粉壓塊工序。轉底爐中試處理高磷鮞狀赤鐵礦的工藝流程見圖2。

圖2轉底爐中試處理高磷鮞狀赤鐵礦

Fig. 2 Pilot-scale treatment of high phosphorus oolitic hematite in the rotary hearth furnace

其工藝過程為：破碎后的原礦、還原煤、石灰石以及脫磷劑、粘結劑按照基礎試驗確定的配比進行配料，配好的物料經由皮帶送入強力混合機，干混的過程中加水同時進行濕混，實現連續進出料。混合料進入壓球工序，壓制好的球團篩分，篩分后的球團進入烘干機進行烘干，烘干后的干球團再次篩分后被送往轉底爐上部料倉進行布料，兩次篩分后的物料均返回原料混合壓球系統。轉底爐頂部的布料器均勻地將球團布到轉底爐的爐床上，轉底爐內部爐頂、爐墻、燒嘴固定不動，物料被爐底機械帶動經由預熱區、中溫區、高溫還原區實現含碳球團的高溫快速還原。從轉底爐排出的直接還原鐵(DRI)直接掉入水封拉鏈機進行冷卻，冷卻后的球團破碎后進入磨礦磁選流程，采用階段磨礦階段磁選的工藝流程可以最終獲得高品位的金屬鐵粉。磨選所得鐵粉過濾后直接加入粘結劑混合，采用海綿鐵壓塊機進行壓塊，壓制好的鐵塊烘干后作為優質煉鋼原料。

轉底爐中試試驗主要設備包括混料機、對輥壓球機、網帶烘干機、轉底爐、球磨機、磁選機、濃密機與真空過濾機，詳見表2。

表2轉底爐中試試驗主要設備

Table2 Main equipments for pilot-scale test of the rotary hearth furnace

序號設備名稱設備型號、參數設備用途臺數1XLH型混料機Y180L-4V1,22kW,380V原料混合12對輥壓球機GY650-220C, 最大線壓比11 t/h含碳球團制備13網帶烘干機三層網帶烘干機傳動功率:2.2kW濕球團烘干14中試轉底爐轉底爐外徑10 m,爐底寬2 m轉底爐直接還原15球磨機MQG1224金屬化球團磨礦26磁選機DCIB600*600鐵粉磁選27濃密機NZSG3尾礦脫水181#真空過濾機GW-13尾礦脫水192#真空過濾機GW-5磁選鐵粉脫水1

3 試驗過程及討論

高磷鮞狀赤鐵礦轉底爐直接還原的難點在于選擇性還原，即多還原鐵，少還原或不還原磷。因此如何控制轉底爐還原氣氛顯得尤為重要。中試前基礎試驗表明：原料配比是m(原礦)m(還原煤)m(石灰石)m(脫磷劑)=10020151，焙燒溫度1 150 ℃，還原時間60 min，布料厚度2～3層(約55～65 mm)，轉底爐中試試驗按照干基配料不變，考慮傳熱的影響，高溫還原區溫度選擇1 200～1 250 ℃，焙燒時間選擇60～70 min，進行了100 t原礦的大規模中試試驗。

3.1 原料處理系統

(1)原料破碎及配料：采用兩段一閉路破碎系統將高磷鮞狀赤鐵礦、還原煤、石灰石破碎到-1 mm占100%(工業生產可考慮采用立式磨機)，將物料倒運至配料倉，同時將破碎好的原料現場測定水分，并取綜合樣送檢測。按照基礎試驗確定的原料配比，將物料裝入底開式料鐘，中試每罐配料重為1～1.2 t，現場設置自動計量系統。

(2)混料壓球：物料送到混料機進行混料，加入1.25%的膨潤土和3%的自配有機粘結劑TS，混合好的物料送到高壓對輥機壓制成球團，對球團取樣測定球團的落下強度(指球團0.5 m自由落下到厚度20 mm的鋼板上不出現裂紋或碎裂的次數)，圖3為壓球穩定階段10個批次球團的含水率和球落下強度?？梢钥闯銮驁F含水率在6%～8%，落下強度在7次以上，完全滿足轉底爐原料處理系統球團倒運中轉的工藝要求。

圖3濕球團含水率與落下強度

Fig. 3 Moisture content and falling strength of the wet pellets

(3)球團烘干：壓制好的球團送往烘干機烘干，烘干溫度控制在250 ℃左右，烘干時間30～40 min，烘干后球團含水率小于1%。烘干后的球團經過篩分，小于3 mm的物料返回壓球系統，合格球團被送往轉底爐頂的料倉。

3.2 轉底爐還原

(1)實際運行時工藝參數：轉底爐的爐底劃分為五個區域，包括預熱區、中溫區、高溫一區、高溫二區和冷卻區。實際運行時，各區的壓力、溫度和氣氛、布料厚度見表3。

表3轉底爐還原各區工藝參數

Table3 Parameters of each zone in the rotary hearth furnace

參數預熱區中溫區高溫一區高溫二區冷卻區各區溫度(℃)1 150-1 2301 250±201 250±201 250±20<800CO含量(10-6)>10 000>30 000>40 000>40 000壓力(Pa)正壓正壓正壓正壓正壓轉底爐每圈時間(min/r)60～70布料厚度(mm)55-65 mm(2～3層)

(2)轉底爐運行過程討論

對于高磷鮞狀赤鐵礦，考慮到焙燒火焰與物料傳熱距離的問題，中試實際還原溫度要比基礎試驗溫度高出50～80 ℃。由于溫度高時不僅會還原高磷礦中的鐵，同時會還原礦石中的磷，因此中試前期先不按照表3給出的參數運行，而是先將高溫區溫度設定為1 200 ℃，現場取樣后發現球團還原效果較差，實際取樣測定的金屬化率不高，后將高溫區溫度提高到1 250 ℃，轉底爐運行一周的時間由60 min調整為70 min，對現場取得的球團破碎磨礦磁選獲得金屬鐵粉，球團金屬化率、金屬鐵粉中鐵回收率都得到了提高?，F場20個批次樣品指標詳見圖4。

圖4焙燒溫度對球團金屬化率與磨選鐵粉中鐵回收率的影響

Fig. 4 Effect of roasting temperature on the metallization rate and iron recovery of iron powder

從圖中可以得出以下規律：(1)1 250 ℃的球團金屬化率在85%～93%之間，1 200 ℃的球團金屬化率在75%～83%之間；(2)無論還原溫度是1200 ℃還是1 250 ℃，球團的金屬化率的變化趨勢都和該球團磨礦磁選所得金屬鐵粉中鐵的回收率一致；而且鐵粉中鐵的回收率都比球團金屬化率略低1%～2%。(3)說明中試試驗中還原溫度的提高可以有效地提高球團的金屬化率，同時也提高了磨選鐵粉中鐵的回收率。中試試驗測定的鐵粉中磷含量都比較低，在0.02%～0.06%之間，中試高溫還原區溫度選定1 250 ℃。

3.3 金屬化球團與磨選后的金屬鐵粉氧化試驗

為了考察轉底爐金屬化球團和磨選后金屬鐵粉裸露在空氣中被氧化的程度，現場取60 kg金屬化球團樣品，30 kg水淬后平鋪在地面上，每隔12 h測定球團的金屬化率；另外30 kg金屬化球團破碎磨礦磁選過濾得到含水的金屬鐵粉，將金屬鐵粉裸露在空氣中，每隔12 h測定其金屬化率。測定結果見圖5。從圖中可以得出以下結論：(1)不論是水淬后的金屬化球團還是磨選后的金屬鐵粉，隨著時間的延長，金屬化率都有不同程度的下降，但在144 h(6 d)的時間里金屬化率都下降不大；(2)正常工業生產時一般不會積料，生產的金屬化球團當天就能處理完；金屬鐵粉過濾后進行壓塊，采用失氧廢氣烘干，也不存在氧化問題。

圖5金屬化球團和金屬鐵粉金屬化率隨時間變化的關系

Fig. 5 Relationship between metallization rate of metalized pellets and iron powder with time

3.4 磨礦磁選和壓塊試驗

磨礦磁選試驗是在處理是60 kg/h的直接還原鐵(DRI)的兩段磨礦磁選設備中試線上進行的，按照基礎試驗確定的磨礦段數、細度和磁場強度進行中試試驗。結果表明，最佳的磨礦細度與磁場強度為一段磨礦細度為-0.074 mm占61.78%，一段磁選的磁場強度為87.51 kA/m，二段磨礦細度為-0.043 mm占70.34%，二段磁選的磁場強度為63.64 kA/m。獲得的最終指標：金屬鐵粉平均產率42.35%，鐵品位92.56%，鐵回收率84.26%，磷含量0.04%，試驗取得了較好的效果。

金屬鐵粉過濾后的含水率在8%～10%，加入TS作為粘結劑混料后，選用壓塊機壓制成直徑120 mm高80～100 mm的圓柱形金屬鐵塊，壓制后鐵塊含水率小于2%，密度為5.02 t/m3，2 m高落在水泥地上8次以上不碎裂，完全可以滿足后續煉鋼的要求。

4 轉底爐直接還原—磨礦磁選脫磷機理研究

試驗中為了縮短還原時間，采用高溫短時間還原高磷鮞狀赤鐵礦，但是發現此時獲得的金屬鐵粉磷含量較高；而采用較低溫度時，就需要較長的還原時間才能保證鐵的品位和回收率，同時金屬鐵粉中的磷含量也比較低。為進一步弄清楚溫度對高磷鮞狀赤鐵礦直接還原的影響，采用卡爾蔡司鎢絲燈掃描電鏡(型號ZEISS EVO18德國)對不同溫度產出的金屬化球團磨選后所得金屬鐵粉的微觀形貌進行了掃描電鏡(SEM)分析。

圖61 300 ℃ 高溫金屬化球團磨選金屬鐵粉和能譜分析(a)1 300 ℃時的焙燒產物；(b)(a)圖中A點能譜；(c)(a)圖中B點能譜

Fig. 6 Metal powder obtained by the grinding of metallized pellets with the temperature of 1 300 ℃ and energy spectrum analysis. (a) roasted product with the temperature of 1 300 ℃ ; (b) energy spectrum analysis of A in Fig.(a); (c) energy spectrum analysis of B of Fig.(a)

4.1 高溫短時間金屬化球團磨礦磁選所得金屬鐵粉分析

對焙燒溫度1 300 ℃、焙燒時間30 min的金屬化球團磨礦磁選，獲得的金屬鐵粉進行電子掃描電鏡(SEM)分析。圖6(a)是焙燒溫度1 300 ℃時金屬鐵粉的電鏡圖，可以看出白色的鐵顆粒聚集明顯，呈團塊狀；(b)圖是白亮鐵顆粒中部的能譜分析，可以清楚的看出其中單質磷的能譜較為明顯；(c)圖是白亮鐵顆粒邊緣的能譜分析，其中也包含了部分單質磷。鐵粉的面分布圖見圖7，進一步說明磷非常均勻地分布在鐵粉中，鐵顆粒、鐵顆粒的邊緣、脈石中均含有磷。說明有大量的磷被還原成單質進入鐵粉中。僅僅通過物理選礦方法脫除磷的可能性幾乎為零。

圖71 300 ℃時鐵粉面分布圖

Fig. 7 Distribution diagram of iron powder surface at 1 300 ℃

4.2 低溫長時間金屬化球團磨礦磁選所得金屬鐵粉分析

對焙燒溫度1 250 ℃、焙燒時間70 min下的DRI磨礦磁選，獲得的金屬鐵粉進行電子掃描電鏡(SEM)分析。圖8中(a)圖是焙燒溫度1 250 ℃時金屬鐵粉的電鏡圖，可以看出白色的鐵顆粒聚集較焙燒溫度1 300 ℃的鐵粉要??；(b)圖是白亮鐵顆粒的能譜分析，可以清楚的看出其中沒有單質磷的存在；(c)圖是鐵粉中脈石的能譜分析，其中發現有含鐵的鋁硅酸鹽類礦物等。說明磷幾乎全部留在了尾礦中，脫磷效果較好。

分析結果表明，對于高磷鮞狀赤鐵礦直接還原，控制相對較低溫度還原可以有效抑制高磷鮞狀赤鐵礦中

5 結論

(1)對100 t高磷鮞狀赤鐵礦進行了大規模轉底磷灰石的還原，防止磷被還原出來進入的鐵相中。爐中試，配料條件是m(原礦)m(還原煤)m(石灰石)m(脫磷劑)=10020151，還原溫度控制在1 150 ℃～1 250 ℃，轉底爐運行一周時間為70 min，轉底爐布料厚度2～3層(約55～65 mm)，最終獲得的球團平均金屬化率88.97%，金屬鐵粉產率42.35%，鐵品位92.56%，鐵回收率84.26%，磷含量0.04%。對獲得的金屬鐵粉進行壓塊，壓塊密度為5.02 t/m3，可以滿足后續煉鋼的要求，轉底爐中試取得了較好的效果。

圖81 250 ℃低溫焙燒產物磨選金屬鐵粉和能譜分析：(a)1 250 ℃時的焙燒產物；(b)(a)圖中C點能譜(c)(a)圖中D點能譜

Fig. 8 Metal powder obtained by the grinding of metallized pellets with the temperature of 1 250 ℃ and energy spectrum analysis. (a) roasted product with the temperature of 1 250 ℃ ; (b) energy spectrum analysis of C in Fig.(a); (c) energy spectrum analysis of D of Fig.(a)

(2)暴露在空氣中的氧化試驗表明：不論是水淬后的金屬化球團還是磨選后的金屬鐵粉，隨著時間的延長，金屬化率都有不同程度的下降，但在144 h(6 d)的時間里金屬化率都下降不大；金屬化球團水淬后金屬化率下降小于3%，金屬鐵粉金屬化率下降小于2%。

(3)機理分析表明：高溫短時間(1 300 ℃，30 min)焙燒產物磨選所得金屬鐵粉中的磷非常均勻地分布在鐵粉中，僅僅通過物理選礦方法脫除磷的可能性幾乎為零；低溫長時間(1 250 ℃，70 min)焙燒產物磨選所得金屬鐵粉中沒有發現單質磷的存在。