李宏靜,王化軍,何 洋

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100083)

1 目的與意義

我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量和消費(fèi)量已連續(xù)10年突破億噸，居全球第一[1]。居世界前十位的國(guó)家為中國(guó)、烏克蘭、俄羅斯、澳大利亞、美國(guó)、哈薩克、巴西、瑞典、印度和加拿大，占世界總儲(chǔ)量的86.6%。而富鐵礦集中在南半球的澳大利亞和巴西，其鐵礦石儲(chǔ)量居世界前列[2]。

由于我國(guó)鐵礦石“貧、細(xì)、雜、難”的特點(diǎn)，鐵礦石的生產(chǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足鋼鐵生產(chǎn)的需要，致使鐵礦石對(duì)外依存度逐年加大。同時(shí)，上百億噸菱鐵礦、褐鐵礦、微細(xì)粒礦及鮞狀赤鐵礦等復(fù)雜難選氧化鐵礦石，因開(kāi)發(fā)利用技術(shù)水平限制而難以工業(yè)利用。

煤基直接還原法，主要是利用煤作為還原劑在反應(yīng)器中使得鐵礦石發(fā)生還原反應(yīng)，生成海綿鐵，直接用于電爐煉鋼的一種工藝方法。其主體工藝設(shè)備，有豎爐、轉(zhuǎn)底爐、回轉(zhuǎn)窯以及隧道窯，這些不同的直接還原工藝設(shè)備，都有各自的特點(diǎn)。本文著重考慮隧道窯工藝中對(duì)于反應(yīng)罐替代品的研究。隧道窯直接還原工藝投資低、技術(shù)成熟、產(chǎn)品質(zhì)量可靠，適合于有資源優(yōu)勢(shì)的地區(qū)。但生產(chǎn)效率較低也成為限制隧道窯發(fā)展的主要問(wèn)題。分析可知,導(dǎo)致其生產(chǎn)效率較低的主要原因，是混礦呈松散狀且反應(yīng)罐的擺放占據(jù)了大量的空間。另外，臺(tái)車(chē)上反應(yīng)罐的擺放，也需要有一定經(jīng)驗(yàn)的工人專門(mén)進(jìn)行，這樣不僅設(shè)定不必要的工作崗位，增加了勞工成本，而且，工人稍有馬虎，就可能致使隧道窯出現(xiàn)倒窯事故，或使隧道窯不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，降低生產(chǎn)效率。

綜上所述，提出了在保證隧道窯的產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，提高其生產(chǎn)效率的方法，即是先將混礦壓塊，并研究出一種殼料，以一定厚度涂于礦塊上，在還原焙燒過(guò)程中，殼料保持一定的強(qiáng)度以及致密性，使得內(nèi)部礦塊保持良好的還原氣氛，達(dá)到鐵礦石直接還原作用。此種殼料可以在一定程度上克服反應(yīng)罐的種種弊端，使得隧道窯工藝更加廣泛的應(yīng)用于煤基直接還原技術(shù)。

2 原礦性質(zhì)及分析

本實(shí)驗(yàn)原礦是內(nèi)蒙某赤鐵礦，實(shí)驗(yàn)室采用多元素分析以及顯微鏡觀察兩種方法對(duì)原礦進(jìn)行分析。

多元素分析結(jié)果可見(jiàn)表1。原礦中全鐵含量為33.25%，品位相對(duì)較低，屬于貧礦類(lèi)型。同時(shí)，該礦石中有害雜質(zhì)的種類(lèi)較多，SiO2的含量達(dá)到34.53%，是主要的雜質(zhì)成分，硫和磷的含量也較高，硫?yàn)?.35%，磷為0.34%。

表1 原礦多元素分析結(jié)果

對(duì)原礦進(jìn)行顯微鏡觀察分析可得，原礦中的鐵礦物主要為赤鐵礦，同時(shí)有部分褐鐵礦。赤鐵礦基本為單體獨(dú)立存在，褐鐵礦多和脈石共生在一起。鐵礦物晶粒較小，粒徑基本都小于0.04 mm，特別是褐鐵礦與脈石礦物共生密切，較難分離。

北京科技大學(xué)根據(jù)已開(kāi)展的直接還原選礦工藝研究經(jīng)驗(yàn)，選擇正交試驗(yàn)表L9(34)安排正交試驗(yàn)。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析可知：試驗(yàn)最佳條件：原礦添加褐煤250 kg/t原礦，助還原劑150 kg/t原礦，1200℃焙燒100min。并對(duì)最佳條件進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。

由表2可知，采用直接還原工藝對(duì)原礦進(jìn)行加工，可以得到優(yōu)質(zhì)還原鐵精粉。原礦直接還原選礦獲得的直接還原鐵粉，壓塊后可以作為煉鋼原料高效利用。

鑒于以上所做前期實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，煤基直接還原技術(shù)，對(duì)于原礦實(shí)驗(yàn)室階段已經(jīng)成功。所以，采用涂于礦塊表面的殼料代替反應(yīng)罐的方法成為可能。關(guān)鍵問(wèn)題就在于尋找一種殼料，可以使得在還原焙燒過(guò)程中有致密性并且保持一定強(qiáng)度。

表2 最佳試驗(yàn)驗(yàn)證條件結(jié)果

3 研究方法與研究?jī)?nèi)容

3.1 研究方法

原礦混料為鐵礦石、石灰石、山東某無(wú)煙煤，將其均破碎至1mm粒徑后，按一定比例混勻，加原礦質(zhì)量10%水，在160kN壓力下壓塊。殼料為N，無(wú)煙煤與石灰石破碎至0.5mm粒徑，混合均勻加水?dāng)嚢韬?，涂抹至礦塊周?chē)匀伙L(fēng)干。將風(fēng)干后礦塊放入馬弗爐中，在1200℃下焙燒3h后水淬冷卻，烘干后，進(jìn)行兩段磨選得到最終產(chǎn)品。磁選管磁場(chǎng)強(qiáng)度為1400Oe，兩段磨選時(shí)間分別為10min與30min。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為精礦品位以及回收率均可達(dá)90%。

3.2 殼料配比變化試驗(yàn)

3.2.1 無(wú)煙煤配比變化試驗(yàn)

表3所示為殼料中三種材料的比例變化：石灰石∶N∶無(wú)煙煤=A∶B∶C，比例變化分別為固定無(wú)煙煤比殼料總質(zhì)量比例為1、2、3、4。在固定無(wú)煙煤配比后，改變石灰石與N的比例，殼料總質(zhì)量為150g。試驗(yàn)方法如前所述。得出的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3繪制出無(wú)煙煤配比變化對(duì)于精礦產(chǎn)率、品位、回收率影響圖，分別見(jiàn)圖1、圖2和圖3。根據(jù)圖1分析得出，對(duì)于無(wú)煙煤與殼質(zhì)量比例分別為1、2、3、4時(shí)，改變石灰石以及N材料的比例，經(jīng)直接還原-磨礦-磁選所得精礦產(chǎn)率，并沒(méi)有顯著的變化；無(wú)煙煤與殼質(zhì)量比例為1時(shí)，總體較好。根據(jù)圖2分析得出，在石灰石與殼質(zhì)量比例為1、2、3時(shí)，隨著無(wú)煙煤的增加，品位趨勢(shì)為先升后降；在石灰石與殼質(zhì)量比例為4、5時(shí)，精礦品位變化較大，隨著無(wú)煙煤的增加，品位漲幅越小，但均比之前是上升趨勢(shì)。根據(jù)圖3分析得出，在石灰石與殼質(zhì)量比例為1、2、3時(shí)，精礦回收率的變化比較平緩；在石灰石與殼質(zhì)量為比例4時(shí)，精礦回收率出現(xiàn)較大波動(dòng)。無(wú)煙煤與殼質(zhì)量比例為1時(shí)，精礦回收率高，比例為4時(shí)變化不大，而比例為2、3時(shí)，下降幅度較大。綜合考慮，對(duì)于精礦產(chǎn)率、品位、回收率這三個(gè)指標(biāo)，在石灰石∶N∶無(wú)煙煤=1∶8∶1時(shí)，有最好結(jié)果，分別為28.57%、79.96%、76.45%。

3.2.2 殼層加厚實(shí)驗(yàn)

考慮在殼層實(shí)驗(yàn)中殼的致密性，即維持殼層內(nèi)部還原氣氛的能力與殼層材料的厚度有關(guān)系，故做殼層加厚實(shí)驗(yàn)。通過(guò)前面系列實(shí)驗(yàn)得出的最好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即石灰石質(zhì)量∶N質(zhì)量∶無(wú)煙煤質(zhì)量=1∶8∶1，殼料質(zhì)量為150g。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，由數(shù)據(jù)所繪制殼層加厚實(shí)驗(yàn)效果圖如圖4所示。

表3 無(wú)煙煤配比變化試驗(yàn)結(jié)果

圖1 無(wú)煙煤配比變化精礦產(chǎn)率影響圖

圖2 無(wú)煙煤配比變化精礦品位影響圖

圖3 無(wú)煙煤配比變化精礦回收率影響圖

表4殼層加厚實(shí)驗(yàn)結(jié)果

溫度外殼質(zhì)量/g焙燒時(shí)間/h磨選時(shí)間/min磁場(chǎng)強(qiáng)度/Oe精礦產(chǎn)率/%精礦品位/%精礦回收率/%1200100310+3014002703775670161200150310+3014002857799676451200200310+3014002792851679571200250310+301400335380409022

圖4 殼層加厚實(shí)驗(yàn)影響圖

根據(jù)表4及圖4分析可得，隨著殼料質(zhì)量的增加，即殼層厚度的增加，經(jīng)過(guò)直接還原-磨礦-磁選后精礦的產(chǎn)率、品位以及回收率均為逐漸上升的變化趨勢(shì)。對(duì)產(chǎn)率、品位、回收率三個(gè)產(chǎn)品指標(biāo)綜合考慮，認(rèn)為在200g殼質(zhì)量下，即殼厚度為8mm時(shí)，原礦有較好還原效果，即精礦產(chǎn)率、品位、回收率分別為33.53%、80.40%、90.22%。

3.2.3 殼料粘結(jié)劑試驗(yàn)

為提高殼層的致密性，添加水玻璃作為黏結(jié)劑進(jìn)行試驗(yàn)。添加水玻璃的量為原礦質(zhì)量的20%，其余試驗(yàn)條件不變。直接還原-磨礦-磁選后試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，并根據(jù)表5繪制試驗(yàn)效果圖如圖5所示。

表5 殼料加水玻璃試驗(yàn)結(jié)果

圖5 添加水玻璃后試驗(yàn)效果圖

通過(guò)表4、表5分析可知，對(duì)于加入水玻璃后相同試驗(yàn)條件下，精礦產(chǎn)率以及品位有顯著提高，并在殼料為200g時(shí)達(dá)到試驗(yàn)要求。對(duì)于三個(gè)產(chǎn)品指標(biāo)值和圖5分析后可知，加入水玻璃后，隨著殼料質(zhì)量的增加，精礦產(chǎn)率呈上升趨勢(shì)，在殼質(zhì)量200g 時(shí)為最好；精礦品位總體趨勢(shì)升高，但在殼質(zhì)量200g 時(shí)有小幅下降。

4 結(jié)論

通過(guò)一系列試驗(yàn)，得出達(dá)到精礦品位以及回收率均90%以上的最好條件為：殼料中石灰石與N材料與無(wú)煙煤比例為1∶8∶1，殼料質(zhì)量為200g，并加入20%水玻璃。在該種條件下，可以達(dá)到精礦產(chǎn)率31.99%、精礦品位90.17%、精礦回收率96.54%的優(yōu)良結(jié)果。

[1] 王海軍，郭彤荔，薛亞洲.關(guān)于我國(guó)鐵礦石戰(zhàn)略儲(chǔ)備的思考[J].中國(guó)礦業(yè)，2007，16(3)：7-9.

[2] US Bureau of Mines. Mineral Commodity Summaries[R].Washington, D.C.204029328, 1999：88-89.