韓宏亮 姜 曦

鋼渣磁選粉生產(chǎn)直接還原鐵的新方法

韓宏亮 姜 曦

通過鋼渣磁選粉特性基礎(chǔ)的研究，提出了用鋼渣磁選粉生產(chǎn)直接還原鐵的新方法，并進行了理論解析和試驗驗證。采用還原焙燒-磁選的方法可以實現(xiàn)鋼渣磁選粉生產(chǎn)直接還原鐵，在還原溫度為1250℃、C/O為0.8、恒溫時間為20分鐘的條件下，可以得到T.Fe含量94.34%、M.Fe含量92.86%、P含量0.146%、鐵回收率為90.1%的直接還原鐵。此研究為鋼渣磁選粉合理高效利用提供理論支持和技術(shù)依據(jù)。

鋼渣磁選粉 直接還原 金屬鐵

1.引言

鋼渣的回收利用主要應(yīng)用在建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)和玻璃、印染等制造業(yè)，此類應(yīng)用方式附加值低，并不能真正發(fā)揮鋼渣作為二次資源的價值。將鋼渣在冶金工業(yè)中進行資源化再利用，不僅可大大提高鋼渣的利用率，解決環(huán)境問題，同時可節(jié)約冶金原料資源。因此，鋼渣回收利用最便捷經(jīng)濟的途徑應(yīng)該是作為冶金原料在鋼鐵廠自行循環(huán)利用。

由于國內(nèi)的鐵礦石資源緊缺，大部分的鐵礦石都屬于低品位礦，而進口鐵礦石的價格又持續(xù)走高。在這種背景下，含鐵資源的回收利用尤顯迫切和必要。鋼渣中含有約20%-30%的鐵，鐵資源相當(dāng)可觀。因此，綜合回收鋼渣中的鐵資源，對節(jié)約企業(yè)資源、降低環(huán)境污染、增加企業(yè)經(jīng)濟效益，有著重大的現(xiàn)實意義。

目前一般采用先破碎，再磁選分離的方法分離鋼渣中的渣鐵。然而，鋼渣中往往含有很高的磷，且均勻的分布在鋼渣中，鋼渣磁選粉仍然不可避免的存在較高的磷等有害元素，不利于鋼渣中鐵資源的回收利用。為了更好地回收鋼渣中的鐵資源，本研究提出了一種用鋼渣磁選粉生產(chǎn)直接還原鐵的新方法，即通過直接還原將鋼渣磁選粉中的鐵還原成金屬鐵，并保持磷不被還原，仍然存在于渣中，最終通過磁選實現(xiàn)渣鐵分離，從而得到直接還原鐵。

2.工藝流程

實驗流程見圖1所示。選取粒度為200目的鋼渣磁選粉和煤粉，按照一定的C/O原子比進行混料，并配加適量水，將混勻料用預(yù)設(shè)壓力為20MPa的壓樣機壓制成φ22mm×10mm的球團。成型的球團經(jīng)105℃烘干12小時后，放入管式電阻爐中進行焙燒。實驗選取1000℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃和1300℃等溫度分別進行的焙燒實驗，并通過測定還原后球團的金屬化率對鋼渣磁選粉中鐵的還原情況進行探究。在此基礎(chǔ)上，將還原后的球團細磨到200目以下進行磁選，并測定磁選后金屬鐵的全鐵含量、磷含量、金屬鐵含量、鐵回收率等。

圖1 工藝流程圖

3.鋼渣磁選粉的特性

從化學(xué)成分可以看出，鋼渣磁選粉T.Fe含量相對較低，僅有40%，較低的T.Fe含量不利于其在燒結(jié)、球團等煉鐵工序中直接使用；CaO、SiO2和MgO的含量較高，分別在30%、10%和6%的水平；鋼渣磁選粉中的有害元素P含量相對較高，達到0.898%，也不利于其在煉鐵工序中直接使用。從鋼渣磁選粉的組成來看，鐵主要以FeO的形式存在，磷主要以Ca3(PO4)2的形式存在，而其他礦物主要以Ca2SiO4的形式存在。鋼渣磁選粉的化學(xué)成分和礦物組成見表1、圖2。

4.可行性分析

為了驗證鋼渣磁選粉可以通過直接還原焙燒-磁選的方法生產(chǎn)直接還原鐵，本研究對其反應(yīng)進行了熱力學(xué)分析。

表1 鋼渣磁選粉的化學(xué)成分 %

圖2 鋼渣磁選粉的礦物組成

4.1 鐵礦物反應(yīng)的熱力學(xué)分析

鋼渣磁選粉中主要的鐵氧化物為FeO，在還原焙燒過程中，其還原可分為直接還原和間接還原。直接還原和間接還原的反應(yīng)如下。

伴隨著碳素溶損反應(yīng)：

但當(dāng)SiO2存在時，反應(yīng)的熱力學(xué)條件發(fā)生改變：

Fe2SiO4的生成使鐵礦物的還原變得困難，其反應(yīng)開始溫度從719℃提高到了764℃。因此，想要鐵礦物得到充分的還原，其還原溫度要盡可能的高些。

4.2 磷礦物反應(yīng)的熱力學(xué)分析

磷在鋼渣磁選粉中主要以磷酸鈣的形式存在，其與還原劑的反應(yīng)如下所示。

磷酸鈣還原的反應(yīng)溫度為1418℃，在還原焙燒的溫度條件下，磷酸鈣很難被還原。但當(dāng)SiO2存在時，反應(yīng)的熱力學(xué)條件將發(fā)生變化。

反應(yīng)（7）、（8）和（9）的反應(yīng)溫度分別為1161℃、1269℃和1287℃。即隨著SiO2含量的增加，磷酸鈣還原的反應(yīng)溫度從1418℃下降到1161℃。因此，為了避免磷酸鈣還原成磷進入到金屬鐵中，需通過降低還原溫度、添加其它易與SiO2反應(yīng)的氧化物以解決。

總之，從熱力學(xué)分析來看，可以通過還原焙燒-磁選的方法實現(xiàn)鋼渣磁選粉生產(chǎn)直接還原鐵。

5.鋼渣磁選粉還原焙燒-磁選試驗研究

5.1 還原溫度的影響

在溫度為1000℃-1300℃、C/O為1.0、恒溫時間為30分鐘的條件下，對鋼渣磁選粉進行了還原焙燒-磁選的實驗研究，實驗結(jié)果見表2。

隨著溫度的增加，還原后試樣的金屬化率增加，當(dāng)還原溫度超過1250℃時，還原后試樣的金屬化率很高，達到93%以上，能夠滿足生產(chǎn)直接還原鐵的條件。

從磁選后試樣的實驗結(jié)果可以看出，隨著還原溫度的升高，所得到直接還原鐵試樣中的T.Fe、M.Fe和鐵回收率增加，但試樣中的磷含量先降低后升高，且在1250℃時達到最低。這是因為隨著溫度的升高，有利于鋼渣磁選粉中鐵氧化物的還原；但當(dāng)溫度超過1250℃時，磷酸鈣的還原也開始加速，還原出來的磷進入到直接還原鐵中，不利于磷的去除。

綜合考慮鐵回收率、直接還原鐵的金屬化率以及直接還原鐵中磷的含量，較適宜的還原溫度為1250℃。

5.2 配碳量的影響

在溫度為1250℃、恒溫時間為30分鐘的條件下，進行了不同C/O的鋼渣磁選粉還原焙燒-磁選的實驗研究，實驗結(jié)果見表3。

表2 不同溫度下實驗結(jié)果 %

表3 不同配碳量下實驗結(jié)果 %

隨著配碳量的增加，還原后試樣的金屬化率增加，但當(dāng)C/O達到0.8及以上時，金屬化率的增加幅度較小，僅從92.6%增加到93.9%。

隨著配碳量的增加，磁選后所得到直接還原鐵試樣中的T.Fe、M.Fe和鐵回收率先增加后降低，且在C/O為0.8和1.0時相對較高；磁選后試樣中的磷含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，且在C/O為0.8時磷含量最低。

綜合考慮，比較適宜的C/O為0.8。

5.3 恒溫時間的影響

在溫度為1250℃、C/O為0.8的條件下，進行了不同恒溫時間的鋼渣磁選粉還原焙燒-磁選的實驗研究，實驗結(jié)果見表4。

表4 不同恒溫時間下實驗結(jié)果 %

隨著配碳量的增加，還原后試樣的金屬化率增加，但當(dāng)恒溫時間超過20分鐘時，金屬化率的增加幅度很小，僅增加了0.2個百分點。

當(dāng)恒溫時間小于20分鐘時，磁選后所得到直接還原鐵試樣中的T.Fe、M.Fe和鐵回收率相對較低；而當(dāng)恒溫時間超過20分鐘時，試樣中的T.Fe、M.Fe和鐵回收率相對較高且相差很小，但磷含量在恒溫20分鐘時相對最低。

綜合考慮能耗和成本，以及直接還原鐵的質(zhì)量，較適宜的恒溫時間為20分鐘。

6.結(jié)論

（1）鋼渣磁選粉TFe含量相對較低，僅有40%，主要以FeO的形式存在；有害元素P含量相對較高，達到0.898%，主要以Ca3(PO4)2的形式存在。從組成來看，鋼渣磁選粉很難在煉鐵工序中直接使用。

（2）從熱力學(xué)分析來看，可以采用還原焙燒-磁選的方法，通過控制溫度、添加易于SiO2反應(yīng)的氧化物的方式實現(xiàn)鋼渣磁選粉生產(chǎn)直接還原鐵。

（3）在還原溫度為1250℃、C/O為0.8、恒溫時間為20分鐘的條件下，鋼渣磁選粉通過還原焙燒-磁選可以得到T.Fe含量94.34%、M.Fe含量92.86%、P含量0.146%、鐵回收率為90.1%的直接還原鐵。本研究為鋼渣磁選粉合理高效地利用提供理論支持和技術(shù)依據(jù)。

（作者單位：中國科學(xué)院過程工程研究所綠色過程與工程重點實驗室、中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會/鋼鐵研究總院先進鋼鐵流程及材料國家重點實驗室）