基于褐鐵型紅土鎳礦的燒結試驗研究

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，回轉窯預還原-電爐熔煉工藝(RKEF)是最廣泛應用的紅土鎳礦冶煉工藝，但是隨著印尼等國家禁止鎳礦資源出口，高品位紅土鎳礦的價格持續走高，采購愈發困難，而價格較低的褐鐵礦型紅土鎳礦更適合采用燒結-高爐工藝冶煉[2-3]。但是褐鐵礦中結晶水含量高，燒結過程中結晶水的分解氣化和褐鐵礦的高同化性和流動性造成燒結礦的大孔薄壁結構，使得燒結礦強度降低，只有通過增加配碳量來增加成品率，因此造成了燒結礦中FeO 含量嚴重過高，還原性極差的問題，并且褐鐵礦的最低同化溫度遠低于赤鐵礦和國內磁鐵礦，故在燒結溫度一定時，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]。對以褐鐵礦型紅土鎳礦為燒結原料的燒結廠的產品質量及產能造成了極大的影響[5]。

由于目前對冶煉低鎳高鐵紅土鎳礦工藝流程的基礎性研究尚不完善，無法對實際生產做出精確指導，因此，對褐鐵礦型紅土鎳礦燒結行為的研究顯得很有必要。本文將以燒結杯試驗模擬褐鐵礦型紅土鎳礦。

1 原料成份

試驗所用原料包括來自菲律賓的紅土礦、高爐返礦、重力除塵灰、燒結除塵灰、無煙煤、焦粉、生石灰、燒結內返礦等。原料化學成分見表1。從表1中可以看出，紅土礦鐵品位為46.67%，SiO2、MgO及Al2O3質量分數高，分別為5.82%、3.10%和5.78%，Ni質量分數低，為0.76%，Cr2O3質量分數為3.70%，紅土鎳礦燒損高達14.66%，是典型的褐鐵礦型紅土鎳礦。

表1 原料化學成分 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 燒結杯試驗

2.1 試驗方案

本次試驗以某燒結廠給出的某日實際生產數據為基準，制定了相應的燒結配料方案，采用控制變量法進行單因素燒結杯實驗，研究布料方式、煤粉配比、堿度及煤粉粒度對燒結過程的影響。燒結杯試驗基準配料方案見表2。

表2 燒結杯試驗原料配比基準 單位：%

2.2 燒結杯試驗流程

原料經配料后進行一次混合與二次混勻制粒，布入燒結杯后經點火保溫、抽風燒結、冷卻后進行單輥破碎，再進行燒結礦粒度組成、轉鼓強度測試，考察各工藝參數調節對燒結礦強度的影響。實驗室的燒結杯試驗流程如圖2所示。

2.3 試驗參數控制

為了提高混勻效果，一混總時間為6 min，二混總時間為6 min，由于紅土鎳礦吸水能力強，若一混加水會導致水分被表層紅土鎳礦吸收，水分無法滲透到下層，因此實驗室一混不加水，二混加滴狀水提高制粒效果。燒結杯的料層高度為770 mm，燒結過程中由于紅土鎳礦燒損大、燒結過程大量收縮，料層下降20～25 cm，致使燒結礦產量低，且燒結杯中心料層與四周料層垂直燒結速度不同步，燒結橫向不均勻性嚴重，導致燒結礦強度差；點火溫度為1100 ℃，點火溫度低于1100 ℃時會導致表層點火強度不夠，實驗中發現燒結杯中上層燒結礦比下層燒結礦的強度明顯低，因此控制保溫時間為3 min；點火負壓為-5 kPa，燒結負壓為-10 kPa，負壓過高會導致燃燒帶移動速度過快，燒結礦欠燒，燒結礦強度變差。燒結過程見圖3。

圖3 燒結杯料面

3 試驗結果分析

3.1 無煙煤配比的影響

無煙煤作為燒結過程中的主要燃料，其配比對燒結礦成品的質量影響非常大，選擇合適的燃料配比有助于提高燒結礦成品率[5]。從圖4可以看出，隨著無煙煤配比的增加，燒結礦成品率、轉鼓強度及利用系數呈現增長的趨勢，固體燃耗呈現先略微減少后增加的趨勢。

圖4 無煙煤配比對燒結性能的影響

無煙煤配比為5.2%時，由于褐鐵礦型紅土鎳礦物理水和結晶水含量高，水分的脫除需要消耗大量的熱量，燒結過程中液相量少，因而燒結礦的指標較差。當無煙煤配比從5.2%提高到7.2%時，燒結礦成品率由60.04%提高到72.64%，轉鼓強度由44.27%提高到58.24%，利用系數由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，混合料上層由于熱量供應不足，液相產生量不足，燒結礦產質量難以保障。若無煙煤配比繼續提高，會導致固體燃耗增加，且無煙煤配比過高會導致燒結礦中的FeO含量升高，對后續高爐生產造成不利的影響，綜合考慮成品率、轉鼓強度及利用系數，推薦無煙煤配比為7.2%。

3.2 堿度的影響

堿度對燒結性能的影響見圖5，隨著堿度的提高，成品率先增大后略微減小，轉鼓強度呈現先提高后不變的趨勢，利用系數呈現先增加后減少的趨勢，固體燃耗呈現降低的趨勢，堿度的增加有助于燒結液相量的生成，也有利于燒結礦中復合鐵酸鈣的生成，從而有利于燒結礦性能的提高。但堿度過高時會導致燒結過程中液相量過多，從而使得燒結過程的高溫透氣性變差，從而影響燒結礦的性能。堿度在1.6時，利用系數到達最高，利用系數為0.91 t·m-2·h-1，其他指標也處于較高的水平。綜合考慮燒結礦的各項指標，燒結礦適宜堿度為1.6。

圖5 堿度對燒結性能的影響

3.3 布料方式的影響

常規布料是將混合料直接倒入燒結杯中,實驗室偏析布料是將混合料通過篩孔為5 mm篩子進行預先篩分，將大于5 mm粗顆粒鋪在燒結杯下層，小于5 mm細顆粒鋪在燒結杯上層。圖6是研究兩種布料方式對燒結性能的影響。

圖6 布料方式對燒結性能的影響

實驗結果表明，在兩種布料方式中，偏析布料的各項指標最佳，分析原因可知，與常規布料相比，偏析布料將粗顆粒鋪在下層，細顆粒鋪在上層，減輕了混合料中粉末料充填到大粒級縫隙中破壞原始燒結料層透氣性的現象，整個料層的透氣性得到改善，使得無煙煤與空氣接觸幾率增大，無煙煤燃燒更加充分，且燒結過程中的自動蓄熱作用使位于燒結杯下層的粗顆粒融化程度增大，使難燒難熔融粗顆粒反應更加完全，避免了大粒級料燒不透以及與周圍顆粒不黏結而帶來的燒結礦質量波動、產量下降,因而在偏析布料時的燒結指標最好。

3.4 煤粉粒度對燒結過程的影響

無煙煤不同的粒級是通過篩分得到的，隨著無煙煤粒級由0～3 mm提高到3～5 mm，成品率和轉鼓強度逐漸提高，利用系數呈現先增大后減小的趨勢，固體燃耗呈現先降低后升高的趨勢。當無煙煤粒級為0～3 mm時，無煙煤的粒度偏細，燒結過程中燃燒速度快，燃燒前沿速度快于傳熱前沿速度，高溫維持時間短，燒結礦礦化時間短，導致燒結礦的性能指標變差；當無煙煤粒級為1～3 mm時，無煙煤粒度相對提高，燒結過程中燃燒速度變慢，高溫維持時間延長，燒結礦礦化時間延長，燒結礦的性能指標變好；當無煙煤粒級為1～5 mm時，無煙煤粒度進一步提高，燒結過程中燃燒速度變慢，高溫維持時間延長，燒結礦礦化時間延長，燒結礦的性能指標變好；但當無煙煤粒級為3～5 mm時，無煙煤粒度過粗，無煙煤分布不均勻，料層中碳的分布點變少，且布料時粗顆粒煤粉易于偏析在料層下部，導致燃燒帶變厚，料層高溫透氣性變差，燒結礦的性能指標惡化。無煙煤粒級在1～5 mm時，固體燃耗最低，固體燃耗為131.74 kg·t-1，且其他指標也相對較好，利用系數為0.91 t·m-2·h-1，轉鼓強度為58.02%，成品率為75.06%。因此建議生產實踐中提高1～5 mm無煙煤粒級的含量，減少-1 mm和+5 mm無煙煤粒級的含量。

圖7 無煙煤粒級對燒結性能的影響

無煙煤粒度增大延長了燒結過程的高溫維持時間，燒結礦的礦化時間延長，燒結礦的固結條件得到改善，且堿度的提高有利于燒結過程中復合鐵酸鈣(SFCA)的形成，因此，優化后的燒結性能得到提升。

4 結論

通過燒結杯試驗，該燒結廠使用褐鐵型紅土礦為燒結原料時，布料方式、煤粉配比、堿度、煤粉粒度等參數均對燒結過程有較大影響，生產過程中較適宜的工藝參數為：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，燒結成品率和燒結礦質量有較大提升，可獲得成品率為75.06%，轉鼓指數為58.02%的燒結礦，利用系數為0.89 t·m-2·h-1，固體燃耗為131.74 kg/t。