內蒙某赤鐵礦直接還原殼材料試驗研究

李宏靜,王化軍,何 洋

(北京科技大學土木與環境工程學院, 北京 100083)

1 目的與意義

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

由于我國鐵礦石“貧、細、雜、難”的特點，鐵礦石的生產遠遠不能滿足鋼鐵生產的需要，致使鐵礦石對外依存度逐年加大。同時，上百億噸菱鐵礦、褐鐵礦、微細粒礦及鮞狀赤鐵礦等復雜難選氧化鐵礦石，因開發利用技術水平限制而難以工業利用。

煤基直接還原法，主要是利用煤作為還原劑在反應器中使得鐵礦石發生還原反應，生成海綿鐵，直接用于電爐煉鋼的一種工藝方法。其主體工藝設備，有豎爐、轉底爐、回轉窯以及隧道窯，這些不同的直接還原工藝設備，都有各自的特點。本文著重考慮隧道窯工藝中對于反應罐替代品的研究。隧道窯直接還原工藝投資低、技術成熟、產品質量可靠，適合于有資源優勢的地區。但生產效率較低也成為限制隧道窯發展的主要問題。分析可知,導致其生產效率較低的主要原因，是混礦呈松散狀且反應罐的擺放占據了大量的空間。另外，臺車上反應罐的擺放，也需要有一定經驗的工人專門進行，這樣不僅設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倒窯事故，或使隧道窯不能正常運轉，降低生產效率。

綜上所述，提出了在保證隧道窯的產品質量的同時，提高其生產效率的方法，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，在還原焙燒過程中，殼料保持一定的強度以及致密性，使得內部礦塊保持良好的還原氣氛，達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罐的種種弊端，使得隧道窯工藝更加廣泛的應用于煤基直接還原技術。

2 原礦性質及分析

本實驗原礦是內蒙某赤鐵礦，實驗室采用多元素分析以及顯微鏡觀察兩種方法對原礦進行分析。

多元素分析結果可見表1。原礦中全鐵含量為33.25%，品位相對較低，屬于貧礦類型。同時，該礦石中有害雜質的種類較多，SiO2的含量達到34.53%，是主要的雜質成分，硫和磷的含量也較高，硫為0.35%，磷為0.34%。

表1 原礦多元素分析結果

對原礦進行顯微鏡觀察分析可得，原礦中的鐵礦物主要為赤鐵礦，同時有部分褐鐵礦。赤鐵礦基本為單體獨立存在，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。

北京科技大學根據已開展的直接還原選礦工藝研究經驗，選擇正交試驗表L9(34)安排正交試驗。根據正交試驗結果及極差分析可知：試驗最佳條件：原礦添加褐煤250 kg/t原礦，助還原劑150 kg/t原礦，1200℃焙燒100min。并對最佳條件進行驗證，驗證結果如表2所示。

由表2可知，采用直接還原工藝對原礦進行加工，可以得到優質還原鐵精粉。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驗說明，煤基直接還原技術，對于原礦實驗室階段已經成功。所以，采用涂于礦塊表面的殼料代替反應罐的方法成為可能。關鍵問題就在于尋找一種殼料，可以使得在還原焙燒過程中有致密性并且保持一定強度。

表2 最佳試驗驗證條件結果

3 研究方法與研究內容

3.1 研究方法

原礦混料為鐵礦石、石灰石、山東某無煙煤，將其均破碎至1mm粒徑后，按一定比例混勻，加原礦質量10%水，在160kN壓力下壓塊。殼料為N，無煙煤與石灰石破碎至0.5mm粒徑，混合均勻加水攪拌后，涂抹至礦塊周圍，自然風干。將風干后礦塊放入馬弗爐中，在1200℃下焙燒3h后水淬冷卻，烘干后，進行兩段磨選得到最終產品。磁選管磁場強度為1400Oe，兩段磨選時間分別為10min與30min。試驗目標為精礦品位以及回收率均可達90%。

3.2 殼料配比變化試驗

3.2.1 無煙煤配比變化試驗

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

根據表3繪制出無煙煤配比變化對于精礦產率、品位、回收率影響圖，分別見圖1、圖2和圖3。根據圖1分析得出，對于無煙煤與殼質量比例分別為1、2、3、4時，改變石灰石以及N材料的比例，經直接還原-磨礦-磁選所得精礦產率，并沒有顯著的變化；無煙煤與殼質量比例為1時，總體較好。根據圖2分析得出，在石灰石與殼質量比例為1、2、3時，隨著無煙煤的增加，品位趨勢為先升后降；在石灰石與殼質量比例為4、5時，精礦品位變化較大，隨著無煙煤的增加，品位漲幅越小，但均比之前是上升趨勢。根據圖3分析得出，在石灰石與殼質量比例為1、2、3時，精礦回收率的變化比較平緩；在石灰石與殼質量為比例4時，精礦回收率出現較大波動。無煙煤與殼質量比例為1時，精礦回收率高，比例為4時變化不大，而比例為2、3時，下降幅度較大。綜合考慮，對于精礦產率、品位、回收率這三個指標，在石灰石∶N∶無煙煤=1∶8∶1時，有最好結果，分別為28.57%、79.96%、76.45%。

3.2.2 殼層加厚實驗

考慮在殼層實驗中殼的致密性，即維持殼層內部還原氣氛的能力與殼層材料的厚度有關系，故做殼層加厚實驗。通過前面系列實驗得出的最好實驗數據，即石灰石質量∶N質量∶無煙煤質量=1∶8∶1，殼料質量為150g。試驗數據如表4所示，由數據所繪制殼層加厚實驗效果圖如圖4所示。

表3 無煙煤配比變化試驗結果

圖1 無煙煤配比變化精礦產率影響圖

圖2 無煙煤配比變化精礦品位影響圖

圖3 無煙煤配比變化精礦回收率影響圖

表4殼層加厚實驗結果

溫度外殼質量/g焙燒時間/h磨選時間/min磁場強度/Oe精礦產率/%精礦品位/%精礦回收率/%1200100310+3014002703775670161200150310+3014002857799676451200200310+3014002792851679571200250310+301400335380409022

圖4 殼層加厚實驗影響圖

根據表4及圖4分析可得，隨著殼料質量的增加，即殼層厚度的增加，經過直接還原-磨礦-磁選后精礦的產率、品位以及回收率均為逐漸上升的變化趨勢。對產率、品位、回收率三個產品指標綜合考慮，認為在200g殼質量下，即殼厚度為8mm時，原礦有較好還原效果，即精礦產率、品位、回收率分別為33.53%、80.40%、90.22%。

3.2.3 殼料粘結劑試驗

為提高殼層的致密性，添加水玻璃作為黏結劑進行試驗。添加水玻璃的量為原礦質量的20%，其余試驗條件不變。直接還原-磨礦-磁選后試驗結果如表5所示，并根據表5繪制試驗效果圖如圖5所示。

表5 殼料加水玻璃試驗結果

圖5 添加水玻璃后試驗效果圖

通過表4、表5分析可知，對于加入水玻璃后相同試驗條件下，精礦產率以及品位有顯著提高，并在殼料為200g時達到試驗要求。對于三個產品指標值和圖5分析后可知，加入水玻璃后，隨著殼料質量的增加，精礦產率呈上升趨勢，在殼質量200g 時為最好；精礦品位總體趨勢升高，但在殼質量200g 時有小幅下降。

4 結論

通過一系列試驗，得出達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材料與無煙煤比例為1∶8∶1，殼料質量為200g，并加入20%水玻璃。在該種條件下，可以達到精礦產率31.99%、精礦品位90.17%、精礦回收率96.54%的優良結果。

[1] 王海軍，郭彤荔，薛亞洲.關于我國鐵礦石戰略儲備的思考[J].中國礦業，2007，16(3)：7-9.

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