煤基氢冶金绿色短流程制钢新工艺探索性试验研究①

张小兵，王明华，寇明月

（酒泉钢铁（集团）有限责任公司 氢冶金研究院，甘肃 嘉峪关735100）

目前主流的钢铁冶金工艺是以高炉工艺为代表的“碳冶金工艺”，该工艺主要以C、CO为主要还原剂，能源消耗及CO2排放量巨大。根据相关统计，我国钢铁工业CO2排放量占全国CO2排放量的12%［1］。除此之外，该工艺还存在铁水纯净度低、流程长、资源损耗量大、炼钢成本高、依赖焦炭以及固体废弃物、危险性废弃物排放量大等缺陷。

为解决以上问题，酒钢公司自主研发了煤基氢冶金技术［2］和干选技术，并在此技术基础上，集成中频感应炉熔分、余热回收利用和冶金渣制建材等成熟技术，提出了煤基氢冶金绿色短流程制钢新工艺，其流程见图1。新工艺流程主要由铁矿石煤基氢冶金制铁料、干磨制粉料、干选制高纯铁粉和尾粉、冷压制铁块、熔分制半钢水和熔融渣、精炼制合格钢水和钢渣、尾粉和熔融渣制建材及配套的余热回收利用等工艺环节构成。

图1 煤基氢冶金绿色短流程制钢新工艺流程

为验证煤基氢冶金、干选和熔分等新工艺核心技术组合及实施可行性，明确干选、熔分工艺处置煤基氢冶金金属化料过程中相关元素的走向，本文开展了煤基氢冶金金属化料干选试验及实验室熔分探索性试验。

1 干选试验

1.1 试验原料

试验原料为酒钢自产瓦斯灰煤基氢冶金金属料（以下简称“瓦斯灰金属料”）和某地钒钛矿煤基氢冶金金属料（以下简称“钒钛矿金属料”），粒度分别为-0.074 mm粒级占比67.07%和62.55%，铁金属化率分别为93.36%和96.13%，其中，受化学分析过程中重铬酸钾溶液氧化部分低价钛的影响，钒钛矿金属料金属化率偏高［3］。各物料化学成分见表1～2。

表1 瓦斯灰金属料化学成分（质量分数）／%

1.2 试验装备及参数

干选试验采用自主研发的干选概念样机，其主要参数为：皮带传动速度1.30 m／s，鼓风风压6.94 kPa，干选抽风阀开度50%，磁感应强度0.32 T。

1.3 试验方法

原料准备：取原料10 kg，装入干选概念样机上料系统。

布料：启动干选概念样机，调整相关参数，使原料均匀覆盖在皮带表面，并使所有物料在10 s内通过干选系统。

干选：利用空气介质替代水，将物料打散，使无磁性或低磁性物质通过抽风系统排至系统外部，利用磁力、磁团聚效应及皮带摩擦力使磁性物料随皮带输送至出料端。

1.4 试验结果

瓦斯灰金属料和钒钛金属料干选产率分别为53.43%和75.70%，检测结果分别见表3和表4。

表3 瓦斯灰金属料选后化学成分及各元素收得率（残存率）

表4 钒钛矿金属料选后化学成分及各元素收得率（残存率）

1.5 小 结

1）通过自主研发的干选概念样机，瓦斯灰金属料和钒钛金属料选后铁品位分别提高了28.12和16.01个百分点，收得率分别达到83.44%和93.75%。表明干选工艺及干选装置具备金属化物料的磁选分离能力。

2）干选过程中，大部分的SiO2、CaO、MgO、S、K2O、Na2O、Al2O3与铁分离，大部分的ZnO和P进入到铁料中。

3）提纯后的瓦斯灰金属化物料中，SiO2、CaO、MgO残存率均在20%左右，说明该干选概念样机对非磁性物料的选别是均匀的。C残存率较低，主要原因是颗粒碳塑性、强度均较低，在干磨过程中与瓦斯灰金属料剥离度较好，而且颗粒碳质量比表面积较小，在选别过程中更容易受风力作用打散、排出。

2 熔分试验

2.1 试验原料

试验原料为镜铁山矿煤基氢冶金选后金属料、钒钛矿煤基氢冶金金属料和钒钛矿煤基氢冶金选后金属料，铁金属化率分别为92.31%、96.13%和96.59%，粒度均小于0.074 mm。选后金属料具体化学成分见表5～6，钒钛金属料成分同表2。

表2 钒钛金属料化学成分（质量分数）／%

表5 镜铁山矿煤基氢冶金选后金属料化学成分（质量分数）／%

表6 钒钛矿煤基氢冶金选后金属料化学成分（质量分数）／%

2.2 试验装备

镜铁山矿煤基氢冶金选后金属料熔分选用万维微波高温材料处理系统，该系统采用4个磁控管进行微波加热，主要参数为：最高工作温度1 650℃；测温方式：K型热电偶（0～1 200℃）、红外测温（600～1 800℃）；配套坩埚：氧化铝坩埚，升温速度13℃／min，冷却速度10℃／min。

钒钛矿煤基氢冶金金属料和钒钛矿煤基氢冶金选后金属料熔分选用1 700℃立式高温管式炉，该装置采用U型硅钼棒进行加热，主要参数为：最高工作温度1 700℃；测温方式：B型热电偶；配套坩埚：氧化镁坩埚；升温速度：0～800℃范围内8℃／min、800～1 200℃范围内4℃／min、1 200～1 700℃范围内3℃／min；冷却速度：1 700～900℃范围内5℃／min、900～0℃范围内10℃／min。

2.3 试验过程

原料准备：为避免熔分过程中液相物料喷溅出坩埚，每次试验用物料量为50 g。

熔分温度确定：采用Factsage7.3软件模拟测算值再加上一定过热度的方式来确定熔分温度。相关测算结果及计划熔分温度见表7。

表7 各物料熔分温度测算及确定表

熔分：将装好物料的坩埚放置在熔融舱内，启动设备，按照设备加热制度，以最大加热速度进行加热，到达计划熔分温度后保温一定时间，再按照降温制度以最大降温速度进行降温。根据软件测算及已有研究结论［4］，所有试验保温时间均采用30 min。

2.4 试验结果

熔分温度1 550℃时镜铁山矿煤基氢冶金选后金属料试验主要结果为：熔融后增重1.71 g；未实现铁、渣分离。由于本次试验渣铁未分离，未进行化学检验。

熔分温度1 600℃时镜铁山矿煤基氢冶金选后金属料试验主要结果为：熔融后增重0.39 g；铁、渣自然分开（见图2），界面清晰。铁块24.03 g，渣料26.36 g，相关化学成分见表8～9。

图2 1 600℃下镜铁山矿煤基氢冶金选后金属料熔分冷却后状态

表8 镜铁山煤基氢冶金选后金属料熔分检测结果

表9 镜铁山煤基氢冶金选后金属料熔分渣料检测结果（质量分数）／%

熔分温度1 700℃时钒钛矿煤基氢冶金金属料熔分试验主要结果为：熔融后增重0.39 g；铁、渣基本分离（见图3）。铁块31.03 g，渣料19.36 g，相关化学成分见表10～11。

表10 钒钛矿煤基氢冶金金属料熔分检测结果

图3 钒钛矿煤基氢冶金金属料熔分冷却后状态

熔分温度1 700℃时钒钛矿煤基氢冶金选后金属料熔分试验主要结果为：熔融后增重0.27 g；铁、渣自然分开，界面清晰（见图4）。铁块43.33 g，渣料6.94 g，其中含有大量结晶体。相关化学成分见表12～13。

表12 钒钛矿煤基氢冶金选后金属料熔分检测结果

图4 钒钛矿煤基氢冶金选后金属料熔分冷却后状态

表11 钒钛矿煤基氢冶金金属料熔分渣料检测结果（质量分数）／%

表13 钒钛矿煤基氢冶金选后金属料熔分渣料检测结果（质量分数）／%

2.5 小 结

1）保温30 min左右的纯物理熔分条件下，镜铁山矿煤基氢冶金选后金属料、钒钛矿煤基氢冶金金属料和钒钛矿煤基氢冶金选后金属料分别在熔分温度1 600℃、1 700℃和1 700℃时实现铁、渣分离，表明采用纯物理熔分方式能够实现金属化物料的铁、渣分离。

2）提高熔分温度有利于铁、渣分离。随着铁渣分离效果增强，渣层厚度增加，减少了铁被氧化的概率。相同条件下，钒钛矿煤基氢冶金选后金属料熔分后铁、渣分离效果优于钒钛矿煤基氢冶金金属料，表明提高熔分物料中铁含量、减少相关杂质，有利于熔分过程中铁渣分离。

3）大部分Ti、V、Si、Mn、Ca、Mg、Ba和Al等元素及其化合物可通过熔分工艺与铁分离，大部分P、S、C等元素进入铁料中。

3 结 语

1）某钒钛磁铁矿经煤基氢冶金、干选和熔分等新工艺核心技术组合处理后，产出了含铁率96.71%的铁水，表明煤基氢冶金、干选和熔分等新工艺核心技术组合处理铁矿，进而构建以煤基氢冶金技术为基础的制钢短流程的新工艺路线是可行的。

2）通过计算，在煤基氢冶金工艺、干选工艺和熔分工艺组合作用下，物料中大部分Ti、V、SiO2、CaO、MgO、Al2O3、C、S、K2O、Na2O将分离至干选渣和熔融渣中，但仍会有50%以上的P和30%左右的S进入铁水中。为进一步提高钢水洁净度，新工艺应在熔分、精炼工艺阶段增加合适的脱硫、脱磷措施或工序。