低品位難選鐵礦轉底爐直接還原中試研究

劉長正, 曹志成, 彭程, 崔慧君

寶武集團環境資源科技有限公司 轉底爐事業部，上海 201900

引言

近年來，我國粗鋼產量持續增長，鐵礦石長期對外依賴進口的局面沒有明顯改善。然而，我國鐵礦石儲量巨大，資源稟賦呈“低、貧、細、雜”的特點，常規選礦工藝無法有效富集回收其中的鐵元素，因此開發高效利用低品位鐵礦的工藝與設備對于礦產資源綜合利用及發展國民經濟尤為重要[1-3]。北京科技大學采用直接還原—磁選工藝，對低品位高磷鮞狀赤鐵礦、微細粒赤鐵礦等完成了很多小型基礎試驗和中試研究，可獲得鐵品位90%的直接還原鐵粉[4-7]；東北大學、中南大學、武漢科技大學等高校也進行了相關研究，通過直接還原—磁選工藝有效回收了鐵元素[8-11]。轉底爐工藝[12]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。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，但利用轉底爐處理低品位難選鐵礦的研究報道較少。

本文重點介紹了轉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，然后對還原鐵粉壓塊，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200 t低品位難選鐵礦的中試試驗，為低品位難選鐵礦大規模清潔冶煉提供了一種新的工藝。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

轉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，采用常規選礦方法回收鐵元素比較困難。

1.2 分析與檢測

原礦化學多元素分析見表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 原礦化學多元素分析/%

表2是原礦物相分析結果，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。電鏡觀察發現原礦中的鐵礦物粒度很細，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%。粘結劑選用鈉基膨潤土與自制的液體粘結劑。

1.3 試驗方法

采用轉底爐直接還原—磨礦磁選工藝對低品位難選鐵礦進行試驗研究，首先進行小型基礎試驗研究，獲得最佳的配料條件、焙燒還原條件、磨礦磁選條件，之后進行轉底爐中試驗證。

(1)工藝流程

轉底爐直接還原—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，經過混合、壓球、篩分工序，將>8 mm的含碳球團均勻地布入轉底爐爐底，在轉底爐內，爐頂和爐墻固定不動，爐底機械帶動爐底轉動，爐底上的含碳球團隨著爐底轉動依次經過預熱區、還原區和冷卻區，布置在爐墻內環與外環的燒嘴將轉底爐爐氣溫度加熱至1 000 ℃～1 350 ℃，含碳球團被還原成金屬化球團，經由螺旋出料機排出爐外直接掉入水中水淬冷卻，冷卻后的球團被送往球團磨礦磁選系統，得到直接還原鐵粉與尾礦，直接還原鐵粉配加干粉粘結劑送入強力混合機混合均勻，混合料加入海綿鐵壓塊機，經5 mm條篩篩分后送入烘干機烘干得到直接還原鐵塊。

圖3 轉底爐中試處理低品位難選礦

(2)技術指標計算方法

1)含碳球團強度

含碳球團在爐底布料厚度一般為2～3層(20～60 mm)，因此對球團的抗壓強度不作要求，僅測定球團的落下強度。球團落下強度的定義為：球團0.5 m自由落下到鋼板上，第n次碎裂或產生裂紋，則球團落下強度計為n-1次。試驗要求濕球團與干球團強度均大于6次。

2)鐵的金屬化率

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

(1)

3)鋅、鉛、鉀、鈉的揮發率

含碳球團在焙燒過程中，鋅、鉛、鉀、鈉元素從球團中揮發出來，通過煙氣除塵系統得以全部回收。鋅、鉛、鉀、鈉的揮發率用字母B表示，鋅、鉛、鉀、鈉分別在含碳球團中的總金屬量用M表示，在金屬化球團剩余總金屬量用m表示，計算表達式見公式(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，計算表達式見公式(3)。

(3)

(3)主要設備

中試試驗主要設備見表3。

表3 轉底爐中試試驗主要設備

2 結果與討論

轉底爐中試前的基礎試驗研究，得出最佳的配料條件為：m(原礦)m(焦粉)m(膨潤土)m(液體粘結劑)=1003348；模擬轉底爐每圈運行時間42 min，最佳的焙燒制度見表4。最佳的磨礦磁選條件為：一段磨礦細度-0.074 mm占61.64%，一段磁場強度112 kA/m，二段磨礦細度-0.074 mm占54.33%，二段磁場強度112 kA/m，此時還原鐵粉鐵品位94.88%，鐵回收率85.39%。

表4 模擬轉底爐各區溫度與時間參數

轉底爐中試按照小型基礎試驗得出的干基配料比進行，由于轉底爐爐膛內部燒嘴噴出的火焰距離球團約0.6 m，為達到小型基礎試驗的還原效果，結合熱力學模擬計算，轉底爐各區溫度比小型基礎試驗提高50 ℃，轉底爐每圈運行時間42 min，進行了200 t低品位難選鐵礦的大規模中試試驗。

2.1 含碳球團制備

按照基礎試驗得出的配料條件進行配料，-1 mm原礦、-1 mm焦粉、膨潤土通過料倉下部的星型給料機配加到底開式料鐘中，將料鐘通過行車吊運加入強力混合機中，先干混6 min，再加入液體粘結劑，為了防止加入粘結劑造成結塊，需將粘結劑緩慢噴灑到混合機中，再濕混4 min，液體粘結劑固體含量為0.5%，因此混料工序無需額外加水。一般先加入計劃粘結劑量的70%，預先放出一小部分混合料試壓球，觀察物料結塊情況、是否粘結輥皮、球團強度是否合格來進行調整。將混合料通過斗式提升機運送至對輥壓球機上部料倉，均勻地給入壓球機，壓球機排出濕球團進入烘干機，進入烘干機廢氣溫度210 ℃，球團在烘干機滯留時間1～1.5 h。濕球團與干球團形貌見圖4，為了考察球團混合的均勻程度，取20個批次有代表性的濕球團測定含水率與含碳量，同時測定球團烘干前后的落下強度，詳見圖5。

圖4 濕球(左)與干球(右)形貌

從圖4球團形貌顯示，含碳球團外形光滑，少有半球，整體比較均勻，表明對輥壓球效果較好。圖5結果表明，濕球團含水介于5%～6%，濕球團落下強度介于6～9次之間，干球團落下強度介于13～18次之間，球團碳含量在18%～19%之間波動。球團含水率、碳含量波動范圍較小，說明物料混合比較均勻，有利于后續轉底爐直接還原，濕球團與干球團落下強度均大于6次，滿足轉底爐工序要求。

圖5 球團落下強度、含水率及碳含量

2.2 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。中試轉底爐內部爐底到爐頂高度1.3 m，布置在內外爐墻上的燒嘴火焰中心距離球團約0.6 m，受傳熱的影響，根據以往中試經驗，同樣的球團要獲得相同金屬化率指標，中試實際爐氣溫度要比基礎試驗溫度高出約50～60 ℃。實際運行時，各區的壓力、溫度和氣氛見表5。

表5 轉底爐還原各區工藝參數

(2)轉底爐布料厚度的影響

在還原溫度、還原時間固定的條件下，布料厚度對轉底爐產量影響較大，為此分別進行了30 mm、60 mm和90 mm布料厚度的中試試驗。對還原所得球團金屬化率、球團磨礦磁選所得還原鐵粉的品位與回收率進行了對比分析，詳見圖6。

圖6結果表明，料層厚度對還原指標影響較大，隨著料層厚度的增加，球團金屬化率有降低的趨勢，主要的原因是料層厚度增加導致底層球團受熱變差，因此金屬化率降低；料層厚度分別為30 mm、60 mm、90 mm時，球團金屬化率分別為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%。可見，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時球團金屬化率僅為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 料層厚度對指標的影響

2.3 磨礦磁選與壓塊試驗

對中試金屬化球團采用兩段磨礦兩段磁選的工藝進行擴大試驗，通過調整二段磨礦細度及磁場強度進一步優化技術指標。獲得最佳的磨礦磁選條件為：一段磨礦細度-0.074 mm占60.15%，一段磁場強度112 kA/m，二段磨礦細度-0.074 mm占52.83%，二段磁場強度112 kA/m， 此時獲得的還原鐵粉鐵品位94.39%，鐵回收率為83.34%，相對于金屬化球團產率為46.43%，相對于原礦產率為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。相比基礎試驗鐵品位變化不大，回收率略有降低，在工業生產中需要進一步優化。

采用海綿鐵壓塊機將鐵品位為94.39%的金屬鐵粉進行壓塊試驗，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的需要。

2.4 產品分析

對還原鐵粉與最終尾礦進行化學多元素分析，分別見表6和表7。

表6 還原鐵粉化學多元素分析/%

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到95.69%，可作為優質的煉鋼原料。表7結果表明，尾礦的主要成分是二氧化硅，碳含量達到16.92%，在生產中可通過選礦回收再利用。

通過檢測含碳球團與金屬化球團的鉀、鈉、鉛、鋅含量，計算出鉀、鈉、鉛、鋅的脫除率分別為51.11%、66.83%、100%和99.80%。

3 結 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，大多在10 μm以下，選礦回收難度較大。

(2)轉底爐中試結果表明，m(原礦)m(焦粉)m(膨潤土)m(液體粘結劑)=1003348，還原溫度1 250 ℃～1 330 ℃，轉底爐運行一周時間為42 min，布料厚度3層(約60 mm)，最終獲得的球團平均金屬化率83.44%，還原鐵粉產率39.52%，鐵品位94.39%，鐵回收率83.34%。對獲得的還原鐵粉進行壓塊，壓塊密度為4.78 t/m3，可以滿足后續煉鋼的要求。