高磷鮞狀赤鐵礦轉底爐直接還原提鐵降磷研究①

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）

我國對進口高品位鐵礦石依賴度居高不下，因此鋼鐵企業開發利用價格低廉、儲量較大的低品位復雜難選鐵礦石［1-2］具有重要意義。 高磷鮞狀赤鐵礦［3-4］的開發就是其中一例，該類礦脫磷方法［5-12］包括：高梯度磁選、重選?磁選聯合、反浮選?重選聯合、微生物浸出脫磷、煤基直接還原焙燒?磨礦磁選等。

本文在實驗室模擬轉底爐進行直接還原實驗，并采用處理量2 t／h 的轉底爐進行了工業實驗，旨在為高磷鮞狀赤鐵礦的利用提供一種新途徑。

1 實 驗

1.1 實驗原料及設備

研究用礦樣為鄂西地區的高磷鮞狀赤鐵礦（以下稱為原礦）。 原礦化學成分見表1，原礦中鐵品位為46.07%，磷含量為0.92%。 物相分析結果表明，鐵在赤（褐）鐵礦中的分布率達到95%以上；磷主要以磷灰石的形式存在，分布率為86.87%。 電鏡分析結果表明，含磷礦物與含鐵礦物呈明顯鮞狀結構且緊密共生，粒度較細，采用常規選礦方法很難獲得合格產品。

表1 原礦化學成分（質量分數）／%

還原劑為無煙煤，其固定碳含量為76.81%。 石灰石中碳酸鈣含量95.88%。 工業純堿中碳酸鈉含量98%。 粘結劑為復合有機粘結劑。

實驗設備包括基礎實驗設備與工業化實驗設備。基礎實驗主要設備有模擬轉底爐的還原爐、對輥壓球機、磁選管等；工業化實驗設備有混料機、對輥壓球機、轉底爐等，主要實驗設備見表2。

表2 主要實驗設備

1.2 實驗方法

將原礦、還原劑和添加劑制成的球團稱為含碳球團，通過大量實驗確定含碳球團的配料條件為原礦∶還原劑∶石灰石∶工業純堿∶粘結劑＝100 ∶30 ∶20 ∶1 ∶3。 還原后的含碳球團稱為金屬化球團，通過磨礦?磁選所得的精礦稱為直接還原鐵。

實驗步驟：原料混合→壓球→烘干→直接還原焙燒→水淬冷卻→磨礦→磁選，獲得直接還原鐵產品。為了準確模擬轉底爐直接還原焙燒的過程，本文從含碳球團制備、還原容器及升溫方式、加熱還原爐、爐內還原氣氛、鋪料厚度幾個方面進行模擬［13］。

1.2.1 含碳球團的制備

將粒度為-2 mm 的高磷鮞狀赤鐵礦配加還原煤粉和添加劑，先在強力混合機內進行干混，之后加水進行濕混，將混合均勻的物料采用壓球機壓制成含碳球團，之后將濕球團放置到烘干箱內200 ～250 ℃下烘干，烘干至球團水分小于1%，測定其落下強度（0.5 m高自由下落到鋼板上不碎裂的次數），要求含碳球團濕球和干球落下強度均為6 次以上。

1.2.2 還原容器的模擬

在實際工業生產中含碳球團布入轉底爐時，爐底已經被加熱到約1 000 ℃。 為了模擬高磷礦含碳球團加入轉底爐熱爐底的過程，實驗時將耐火材料盤先預熱到1 000 ℃，再將含碳球團平鋪在盤上，迅速放入實驗還原爐內進行還原，可以較好地模擬轉底爐實際工況。

1.2.3 球團從低溫到高溫的加熱制度模擬

為了模擬轉底爐中含碳球團從預熱區到高溫區被逐漸加熱的過程，設計了還原爐自動控制加熱元件與程序，通過設定升溫加熱制度的方式來模擬各個區域的溫度和加熱時間。 以實際工業生產的轉底爐轉動一周60 min 為例，見圖1，含碳球團經由布料器首先落入轉底爐的預熱區，預熱區溫度1 000～1 150 ℃，含碳球團在該區域隨爐底運行時間為12.5 min，再依次經過高溫區（1 150 ℃，34.17 min）、冷卻區（≤900 ℃，3.33 min）后，經出料機排出爐外。 按照升溫程序進行實驗的步驟實現模擬過程：①第一段升溫程序設定為從當前爐溫升高到1 000 ℃需要一定時間（可以選擇40 ～60 min）；第二段模擬預熱區，設定爐溫從1 000 ℃升到1 150 ℃需要12.5 min；第三段模擬高溫區，設定在爐溫1 150 ℃下保溫34.17 min。 ②當爐溫升高到1 000 ℃時，迅速打開爐門，將盛有含碳球團的耐火材料盤放入爐底并快速關好爐門，這就模擬了含碳球團落入1 000 ℃預熱區爐底的過程，即含碳球團在模擬裝置內的被加熱制度為：1 000～1 150 ℃，12.5 min；1 150 ℃，34.17 min；結束加熱程序，球團隨爐冷卻3.33 min 后打開爐門，將球團取出進行水淬冷卻，模擬過程結束。

圖1 工業生產轉底爐爐底分區示意

1.2.4 頂部輻射加熱模擬

設計的小型模擬裝置是將加熱元件硅鉬棒穿過輕質耐火材料吊在爐頂，模擬轉底爐的頂部燒嘴輻射加熱；高磷礦含碳球團放置在模擬還原爐內。 如圖2 所示。

圖2 模擬轉底爐實驗裝置示意

2 實驗結果及討論

研究了焙燒溫度、焙燒時間、鋪料厚度對還原鐵指標的影響。 其中，金屬化球團的磨礦?磁選條件為：兩段磨礦，一段磨礦細度-0.074 mm 粒級占62%，一段磁場強度87.51 kA／m，二段磨礦細度-0.043 mm 粒級占75%，二段磁場強度63.64 kA／m。

2.1 高溫區焙燒溫度的影響

因為轉底爐直接還原工藝具有高溫快速還原、迅速提高含碳球團金屬化率的特點，所以首先進行了焙燒溫度實驗，以此確定高溫還原區的最高溫度。 含碳球團厚度為2 層（36 mm），焙燒時間暫定為40 min，高溫區焙燒溫度對直接還原焙燒效果的影響見圖3。

圖3 焙燒溫度對直接還原焙燒效果的影響

模擬實驗結果表明，隨著高溫區焙燒溫度升高，還原鐵的鐵品位、鐵回收率、磷含量均呈上升趨勢，特別是磷含量，這可能是因為隨著還原溫度升高，越來越多的磷被還原出來進入到鐵相中。 1 300 ℃時，鐵品位和回收率分別達到95.78%和90.99%，但還原鐵中磷含量也較高，達到了1.10%，同時球團出現軟熔和粘結現象，這不利于轉底爐出料。 而1 150 ℃時，還原鐵品位91.37%，鐵回收率83.05%，此時磷含量為0.08%，因此，最佳的高溫區溫度選擇1 150 ℃。

2.2 焙燒時間的影響

研究用工業化轉底爐的預熱區、高溫區、冷卻區和裝出料區的角度分別為75°、205°、20°和60°，為了模擬轉底爐中含碳球團依次經過各區的還原工藝，保持含碳球團為2 層（36 mm），設定預熱區從1 000 ℃升到1 150 ℃，高溫區保持1 150 ℃，冷卻區不高于900 ℃，設定轉底爐轉動一周時間分別為40、50、60、65、70 和90 min。 由于各區角度固定，所以含碳球團經過各個區域的焙燒時間可以精確計算，例如轉底爐轉動一周時間為60 min 時，含碳球團經過預熱區的時間為60 × 75 ÷ 360 ＝12.5 min，經過中溫區、高溫區和冷卻區的時間均可計算出來。 轉底爐轉動一周總時間與各區時間對應關系見表3。

表3 含碳球團經過轉底爐各區時間

模擬轉底爐轉動一周時間對還原鐵指標的影響結果見圖4。 由圖4 可知，延長轉底爐轉動一周時間有利于提高鐵回收率，但還原鐵中磷含量會升高。 模擬結果表明，轉底爐轉動一周最佳時間為60 min，此時還原鐵品位91.65%、回收率83.02%、磷含量0.07%。

圖4 模擬轉底爐轉動一周時間對直接還原焙燒效果的影響

2.3 料層厚度的影響

增加含碳球團層數對于提高轉底爐生產量意義重大，但球團層數增加會降低傳熱效率，又需要延長焙燒時間。 因此為了模擬轉底爐中含碳球團的料層厚度，選取球團層數分別為1、2、3、4 層進行還原焙燒。 還原爐高溫區焙燒溫度1 150 ℃，轉底爐轉動一周時間60 min，圖5 為布料4 層球團不同位置球團示意圖，對不同層數的不同位置金屬化球團進行磨礦?磁選得到直接還原鐵，結果見表4。

轉底爐爐頂爐墻加熱 爐墻轉底爐爐底

圖5 布料4 層球團不同位置球團示意

表4 不同層數球團直接還原鐵品位、回收率與磷含量

由表4 可知，各層不同位置球團焙燒磁選所得直接還原鐵TFe 品位均在90%以上。 隨著球團層數增加，從頂層到底層球團磁選所得還原鐵的鐵回收率均呈下降趨勢，造成這種結果的原因是焙燒過程中從頂層到底層的球團傳熱越來越差，阻礙了球團中鐵氧化物還原為金屬鐵，同時鐵顆粒的長大也受到抑制，造成部分鐵的損失。 表4 結果顯示，隨著料層厚度增加，磷含量呈現逐漸下降的規律，這是因為傳熱情況變差時，磷被還原得越少，因此還原鐵磷含量逐漸降低。 為了保證獲得鐵回收率較高且磷含量較低的直接還原鐵，選擇轉底爐處理高磷鮞狀赤鐵礦適宜的球團層數為2 層，此時還原鐵品位為92.48%、鐵回收率為82.40%、磷含量為0.08%。

2.4 重復實驗與產品分析

按上述實驗得出的最佳條件：原礦∶還原劑∶石灰石∶工業純堿＝100 ∶30 ∶20 ∶1，布料厚度為2 層（約36 mm）含碳球團，最佳還原爐高溫區焙燒溫度1 150 ℃，轉底爐轉動一周時間60 min；金屬化球團的磨礦?磁選條件：兩段磨礦，一段磨礦細度-0.074 mm 粒級占62%，一段磁場強度87.51 kA／m，二段磨礦細度-0.043 mm 粒級占75%，二段磁場強度63.64 kA／m。 在此條件下進行了3 組重復實驗，所得還原鐵平均品位為92.15%、回收率為82.35%、磷含量為0.07%。 所得直接還原鐵的化學成分見表5。

表5 直接還原鐵化學成分（質量分數）／%

2.5 轉底爐中試實驗

基于上述模擬轉底爐實驗結果，按照原礦∶還原劑∶石灰石∶工業純堿∶粘結劑＝100 ∶30 ∶20 ∶1 ∶3配方，進行工業化實驗，轉底爐處理含碳球團2 t／h。 轉底爐運行一周時間設定為60 min，預熱區溫度1 000 ～1 150 ℃，中溫區和高溫還原區均設定為1 150 ℃，冷卻區不高于900 ℃，布料厚度為2 層含碳球團（約36 mm）；轉底爐排出的金屬化球團磨礦?磁選條件為：兩段磨礦濃度為60%，一段磨礦細度-0.074 mm 粒級占62%，一段磁場強度87.51 kA／m，二段磨礦細度-0.043 mm 粒級占75%，二段磁場強度63.64 kA／m。 在此條件下，所得直接還原鐵TFe 品位92.34%、Fe 回收率82.26%、P 含量0.08%。 工業實驗與模擬實驗數據比較接近，說明模擬是成功的。

2.6 機理研究

為了探明含碳球團層數（料層厚度）對直接還原焙燒?脫磷的影響機理，對布料厚度為4 層的不同位置金屬化球團進行了XRD 圖譜分析，結果見圖6。

圖6 金屬化球團XRD 圖譜

從圖6 可以看出，金屬化球團的礦物組成從頂層到底層越來越復雜，頂層金屬化球團的主要礦物組成為金屬鐵，成分較為簡單，而底層球團主要礦物為石英、鈣長石和鎂鐵礦。 且底層球團這些脈石礦物的衍射峰強于頂層球團，說明底層含碳球團中鐵氧化物較頂層還原差，導致底層鐵回收率低。 在金屬化球團中，磷主要還是以氟磷灰石形式存在。 頂層球團氟磷灰石衍射峰強度遠弱于底層球團，說明從頂層球團到底層球團，氟磷灰石的還原程度越來越弱。

由上述分析可知，料層厚度導致不同層球團的傳熱具有差異，所以還原鐵指標亦有差異。 當總布料厚度為4 層球團時，各層金屬化球團分別進行了掃描電鏡分析，結果見圖7。

圖7 各層金屬化球團SEM 照片

圖7 中，白色顆粒是金屬鐵（如圖中點1），黑色和灰色顆粒是脈石礦物（如圖中點2）。 不同層的金屬化球團內部結構不同，底層金屬化球團的鮞狀結構雖然有所破壞但保存較完整；頂層的金屬化球團鮞狀結構基本被破壞，并且金屬鐵顆粒有明顯聚集長大的現象，且與脈石礦物相較于其他層的球團有明顯的界限。

頂層球團距離加熱元件最近，還原較充分，而底層球團因傳熱變差，還原較弱。 因此頂層球團中鐵氧化物還原較好，鐵顆粒聚集長大形成鐵連晶，而底層球團的鐵顆粒與脈石礦物膠結互生，無鐵連晶的生成，這也是頂層球團磨礦磁選所得直接還原鐵回收率高于底層的原因。

3 結 論

1） 采用頂部輻射加熱的還原爐，通過還原容器、升溫方式、布料厚度模擬高磷鮞狀赤鐵礦含碳球團轉底爐直接還原過程，實現提鐵降磷的目的。

2） 模擬轉底爐最佳的焙燒條件為：轉底爐高溫區焙燒溫度1 150 ℃、轉底爐轉動一周時間60 min、料層厚度為2 層（約36 mm），在此條件下進行了轉底爐工業化實驗，可獲得Fe 品位92.34%、Fe 回收率82.26%、P 含量0.08%的直接還原鐵。

3） 機理分析結果表明，從頂層到底層的金屬化球團，其礦物組成由單一的金屬鐵變成復雜的多相，而球團中氟磷灰石呈現由大部分還原到幾乎不還原的規律，這也是從頂層到底層金屬化球團磁選所得直接還原鐵中鐵回收率和磷含量均逐漸降低的原因。