内蒙某赤铁矿直接还原壳材料试验研究

2011-01-22李宏静王化军

中国矿业 2011年11期

李宏静,王化军,何洋

(北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083)

1 目的与意义

我国钢铁产量和消费量已连续10年突破亿吨，居全球第一[1]。居世界前十位的国家为中国、乌克兰、俄罗斯、澳大利亚、美国、哈萨克、巴西、瑞典、印度和加拿大，占世界总储量的86.6%。而富铁矿集中在南半球的澳大利亚和巴西，其铁矿石储量居世界前列[2]。

由于我国铁矿石“贫、细、杂、难”的特点，铁矿石的生产远远不能满足钢铁生产的需要，致使铁矿石对外依存度逐年加大。同时，上百亿吨菱铁矿、褐铁矿、微细粒矿及鲕状赤铁矿等复杂难选氧化铁矿石，因开发利用技术水平限制而难以工业利用。

煤基直接还原法，主要是利用煤作为还原剂在反应器中使得铁矿石发生还原反应，生成海绵铁，直接用于电炉炼钢的一种工艺方法。其主体工艺设备，有竖炉、转底炉、回转窑以及隧道窑，这些不同的直接还原工艺设备，都有各自的特点。本文着重考虑隧道窑工艺中对于反应罐替代品的研究。隧道窑直接还原工艺投资低、技术成熟、产品质量可靠，适合于有资源优势的地区。但生产效率较低也成为限制隧道窑发展的主要问题。分析可知,导致其生产效率较低的主要原因，是混矿呈松散状且反应罐的摆放占据了大量的空间。另外，台车上反应罐的摆放，也需要有一定经验的工人专门进行，这样不仅设定不必要的工作岗位，增加了劳工成本，而且，工人稍有马虎，就可能致使隧道窑出现倒窑事故，或使隧道窑不能正常运转，降低生产效率。

综上所述，提出了在保证隧道窑的产品质量的同时，提高其生产效率的方法，即是先将混矿压块，并研究出一种壳料，以一定厚度涂于矿块上，在还原焙烧过程中，壳料保持一定的强度以及致密性，使得内部矿块保持良好的还原气氛，达到铁矿石直接还原作用。此种壳料可以在一定程度上克服反应罐的种种弊端，使得隧道窑工艺更加广泛的应用于煤基直接还原技术。

2 原矿性质及分析

本实验原矿是内蒙某赤铁矿，实验室采用多元素分析以及显微镜观察两种方法对原矿进行分析。

多元素分析结果可见表1。原矿中全铁含量为33.25%，品位相对较低，属于贫矿类型。同时，该矿石中有害杂质的种类较多，SiO2的含量达到34.53%，是主要的杂质成分，硫和磷的含量也较高，硫为0.35%，磷为0.34%。

表1 原矿多元素分析结果

对原矿进行显微镜观察分析可得，原矿中的铁矿物主要为赤铁矿，同时有部分褐铁矿。赤铁矿基本为单体独立存在，褐铁矿多和脉石共生在一起。铁矿物晶粒较小，粒径基本都小于0.04 mm，特别是褐铁矿与脉石矿物共生密切，较难分离。

北京科技大学根据已开展的直接还原选矿工艺研究经验，选择正交试验表L9(34)安排正交试验。根据正交试验结果及极差分析可知：试验最佳条件：原矿添加褐煤250 kg/t原矿，助还原剂150 kg/t原矿，1200℃焙烧100min。并对最佳条件进行验证，验证结果如表2所示。

由表2可知，采用直接还原工艺对原矿进行加工，可以得到优质还原铁精粉。原矿直接还原选矿获得的直接还原铁粉，压块后可以作为炼钢原料高效利用。

鉴于以上所做前期实验说明，煤基直接还原技术，对于原矿实验室阶段已经成功。所以，采用涂于矿块表面的壳料代替反应罐的方法成为可能。关键问题就在于寻找一种壳料，可以使得在还原焙烧过程中有致密性并且保持一定强度。

表2 最佳试验验证条件结果

3 研究方法与研究内容

3.1 研究方法

原矿混料为铁矿石、石灰石、山东某无烟煤，将其均破碎至1mm粒径后，按一定比例混匀，加原矿质量10%水，在160kN压力下压块。壳料为N，无烟煤与石灰石破碎至0.5mm粒径，混合均匀加水搅拌后，涂抹至矿块周围，自然风干。将风干后矿块放入马弗炉中，在1200℃下焙烧3h后水淬冷却，烘干后，进行两段磨选得到最终产品。磁选管磁场强度为1400Oe，两段磨选时间分别为10min与30min。试验目标为精矿品位以及回收率均可达90%。

3.2 壳料配比变化试验

3.2.1 无烟煤配比变化试验

表3所示为壳料中三种材料的比例变化：石灰石∶N∶无烟煤=A∶B∶C，比例变化分别为固定无烟煤比壳料总质量比例为1、2、3、4。在固定无烟煤配比后，改变石灰石与N的比例，壳料总质量为150g。试验方法如前所述。得出的试验结果如表3所示。

根据表3绘制出无烟煤配比变化对于精矿产率、品位、回收率影响图，分别见图1、图2和图3。根据图1分析得出，对于无烟煤与壳质量比例分别为1、2、3、4时，改变石灰石以及N材料的比例，经直接还原-磨矿-磁选所得精矿产率，并没有显著的变化；无烟煤与壳质量比例为1时，总体较好。根据图2分析得出，在石灰石与壳质量比例为1、2、3时，随着无烟煤的增加，品位趋势为先升后降；在石灰石与壳质量比例为4、5时，精矿品位变化较大，随着无烟煤的增加，品位涨幅越小，但均比之前是上升趋势。根据图3分析得出，在石灰石与壳质量比例为1、2、3时，精矿回收率的变化比较平缓；在石灰石与壳质量为比例4时，精矿回收率出现较大波动。无烟煤与壳质量比例为1时，精矿回收率高，比例为4时变化不大，而比例为2、3时，下降幅度较大。综合考虑，对于精矿产率、品位、回收率这三个指标，在石灰石∶N∶无烟煤=1∶8∶1时，有最好结果，分别为28.57%、79.96%、76.45%。

3.2.2 壳层加厚实验

考虑在壳层实验中壳的致密性，即维持壳层内部还原气氛的能力与壳层材料的厚度有关系，故做壳层加厚实验。通过前面系列实验得出的最好实验数据，即石灰石质量∶N质量∶无烟煤质量=1∶8∶1，壳料质量为150g。试验数据如表4所示，由数据所绘制壳层加厚实验效果图如图4所示。

表3 无烟煤配比变化试验结果

图1 无烟煤配比变化精矿产率影响图

图2 无烟煤配比变化精矿品位影响图

图3 无烟煤配比变化精矿回收率影响图

表4壳层加厚实验结果

温度外壳质量/g焙烧时间/h磨选时间/min磁场强度/Oe精矿产率/%精矿品位/%精矿回收率/%1200100310+3014002703775670161200150310+3014002857799676451200200310+3014002792851679571200250310+301400335380409022

图4 壳层加厚实验影响图

根据表4及图4分析可得，随着壳料质量的增加，即壳层厚度的增加，经过直接还原-磨矿-磁选后精矿的产率、品位以及回收率均为逐渐上升的变化趋势。对产率、品位、回收率三个产品指标综合考虑，认为在200g壳质量下，即壳厚度为8mm时，原矿有较好还原效果，即精矿产率、品位、回收率分别为33.53%、80.40%、90.22%。

3.2.3 壳料粘结剂试验

为提高壳层的致密性，添加水玻璃作为黏结剂进行试验。添加水玻璃的量为原矿质量的20%，其余试验条件不变。直接还原-磨矿-磁选后试验结果如表5所示，并根据表5绘制试验效果图如图5所示。