煤基直接还原技术应用现状研究

2016-02-10改造者李俊翰

中国科技信息 2016年6期

改造者：李俊李俊翰孙宁

煤基直接还原技术应用现状研究

改造者：李俊李俊翰孙宁

本文介绍了煤基直接还原技术在钒钛铁精矿、钛精矿、红土镍矿、铬铁矿、海滨砂矿、冶金固废产物等矿产资源综合回收方面的研究和应用现状，并展望了该技术未来的发展方向。

直接还原炼铁工艺是指其在低于矿石的熔化温度下，通过在固态下还原，把铁矿石炼制成金属铁的工艺过程，其产物叫做直接还原铁（海绵铁）或者金属化球团，它可以用来作为冶炼优质钢、特殊钢的纯净原料，也可以作为铸造、铁合金、粉末冶金等工艺的含铁原料。该工艺分成气基还原和煤基还原两种，按主体设备又可以分为竖炉、回转窑、转底炉、反应罐、管式炉和流化床等。目前，世界上90%以上的直接还原铁都是用气基还原法生产出来的，但是天然气资源有限、价格较高，生产量增长不快。用煤作为还原剂的话，可以用块矿、球团矿或者粉矿作为含铁原料（如竖炉、流化床、转底炉和回转窑等），因此该技术在冶金工业领域得到了迅速发展。本文重点阐述了煤基直接还原技术在冶金资源与废弃物利用方面的应用，对提高资源的综合利用水平，发展循环经济以及节能减排具有重要的意义。

煤基直接还原技术的应用

钒钛铁精矿

攀枝花学院和四川龙蟒集团联合研发了“钒钛磁铁矿转底炉煤基直接还原～电炉熔分”新工艺技术，其成果在攀枝花进行了产业化转化，建成了规模为7万t/a的工业示范装置，进行了工业化试验，生产出了第一炉渣铁。金属化球团经过电炉熔分后，得到了含钒生铁和TiO2含量达50%以上的熔分钛渣，实现了从钒钛磁铁矿中全面回收铁钒钛铬的目标，具有广阔的推广应用前景。

钛精矿

中南大学范晓慧等人以攀枝花的钛精矿为原料，采用新型的添加剂技术，对预焙烧球团进行了煤基回转窑直接还原制取富钛料的实验，成功实现了铁与钛的分离，获得了二氧化钛含量大于74%的富钛料。

攀枝花市尚亿科技有限责任公司将攀枝花钛精矿、焦碳（12%～22%）、硼酸钠（2%～5%）、硅酸钠（1%～2%）、CMC（1%～3%）和水（6%～8%）按一定的比例混合后造球，将球团装入耐火罐后送入隧道窑内进行还原，还原温度约1150℃，还原时间为110min。还原球团自然冷却后，经破碎、粉碎和磁选后分离出了铁和富钛料。Fe的回收率达到92%，富钛料中Ti的品位为77%，Ti的回收率达到91%，成功地实现了Fe与Ti的分离，较好的促进了Fe与Ti资源的高效综合利用，为攀枝花钛精矿的综合利用提供了一条新途径。

红土镍矿

张国兴等人以红土镍矿为原料，将红土镍矿、焦炭或无烟煤、熔剂按100：（8～15）：（8～15）的配比混匀造球，以天然气为燃料，在转底炉中进行焙烧预还原，温度900～1300℃，时间15～40min，随后进入还原炉进行还原熔分，温度控制在1500～1650℃，得到了熔渣和含镍铁水。

攀枝花学院、攀枝花泓兵钒镍有限公司以低品位的红土镍矿（含镍＜1.8%）为原料，制备出了镍铁合金。生产出的镍铁合金的品质较好，主要的关键技术指标均达到国内的先进水平，所得的镍铁符合国际高碳低磷低硫镍铁标准。

海滨砂矿

北京科技大学高本恒等人采用直接还原技术，研究了印尼某海滨砂矿经弱磁选后得到的精矿的综合利用。该研究结果表明：在 NCP为 7.5%，烟煤为17.5%，还原温度为1 150 ℃，还原时间为 90 min 的条件下，该精矿经煤基直接还原～磨选～弱磁选所得的铁精矿粉的全铁品位可达到91.06%，回收率达到 97.27%。同时，得到了富钒钛渣，为进一步利用其中的钒和钛创造了有利条件，从而最终实现了对钒钛磁铁矿中有价元素进行综合利用的目的。

铬铁矿

中南大学李建臣等人以含碳铬铁矿为原料进行了成球和还原实验，研究了其固态还原特性。研究结果表明：还原温度、配碳量对该还原球团的金属化指标具有显著的影响；当还原温度高于1200℃时，该还原球团的金属化率呈现了明显增加；当温度高于1300℃时，该含碳铬铁矿球团的还原时间较短，小于1h；在低温状态下，铁的还原优先于铬，还原反应较长，大致需要3～4h。该研究为铬铁矿粉在铬铁合金生产中的利用奠定了基础。

冶金固废产物

提钒尾渣

攀枝花学院吴恩辉等人将煤粉、提钒尾渣、生石灰混匀制成球团，并在竖炉内进行了直接还原，得到了金属化球团。该研究表明，当提钒尾渣∶煤粉∶氧化钙∶黏结剂=100：25：15：2时，提钒尾渣内配碳球团的抗压强度可达到48.7N/球，落下强度可达到14次/球。同时，随着温度和配碳量的提高金属化率也随着升高。该研究初步了解了提钒尾渣内配碳球团进行直接还原的相关规律，为还原球团进行电弧炉冶炼提供了一定的依据和参考。

高炉瓦斯灰

钢铁研究总院郭玉华等人对以高炉瓦斯灰和氧化铁皮为原料制得的含碳球团进行了煤基直接还原研究。研究结果表明：当碳氧比高于1.2时，含碳球团的金属化率呈上升趋势。当还原温度为1350℃、还原时间为30min时，含碳球团的金属化率可达到96.94%；当还原温度为1400℃、还原时间为30min、还原介质为空气时，含碳球团中还原出的铁与渣可完全分离。球团金属化率的变化趋势表明：含碳球团在还原反应开始时，其还原速率主要是由化学反应控速环节控制，而后期逐步向扩散控制过渡。

转炉炼钢污泥

北京科技大学丁银贵等人以转炉细灰、转炉污泥为原料，制备了含碳球团，并研究了该含碳球团在1473～1573 K 的氮气保护气氛下进行还原的冶金性能。所制备的金属化球团中，其全铁含量达67%以上，金属化率可达72%以上，该金属化球团可作为高炉冶炼的原料，为转底炉处理钢铁厂粉尘等废弃物提供了理论依据。

唐钢矿业有限公司杨福军等人以炼钢污泥、高炉灰等冶金废料为主要原料，生产低品质金属化球团进行了初步探索。该研究已初步取得了阶段性的成果，其金属化球团的品位为：TFe72%、 MFe 50%、S 0.5%。同时，以该金属化球团为原料，生产出了合格的炼钢生铁，该生铁指标具体为：Si 1.6%～1.9%、S 0.03%～0.08%。

发展趋势

煤基直接还原冶炼技术在充分利用低品位铁矿石和共伴生矿资源、处理冶金尘泥等固体废弃物资源方面具有工艺十分简单、技术非常先进、对原料的要求较低、作业率较高、资源回收率较高、投资较小等优点，但还存在着一些重要的技术难点有待进一步攻克。

（1）整个工艺流程均涉及到含碳球团的输运、加热、还原，因此，含碳球团应满足工业上要求的物理性能和力学性能。为解决这个问题，急需研发出高效廉价的黏结剂，以降低企业的生产成本。传统的圆盘造球对原料粒度要求较高，需要配套的磨料设备，而压球对原料粒度要求相对较低，生产率较高，球团强度较高，是未来含碳球团成型技术的发展方向。

（2）经高温还原后的金属化球团在空气中容易氧化，虽然可进行煤粉或惰性气体保护冷却，但不利于金属化球团进行大规模的工业化生产，应设计金属化球团冷却的专用设备。

（3）由于含碳球团和料层的传热效率直接影响着球团的还原效果，因而应加强对含碳球团在高温快速还原过程中所涉及的传热传质理论研究。

（4）直接还原铁具有巨大的市场需求，因而在开发新工艺，设计新设备，提高工艺效率，节能降耗等方面应加大投入力度。

（5）加大煤基直接还原技术的产业化示范力度，加速市场化推广和普及，对提高矿产资源的综合利用水平、实现资源的可持续发展具有重要的意义。