15～5 mm酒鋼鏡鐵礦石回轉窯焙燒結圈可能性研究

馬 浩 陳鐵軍,2 黃獻寶 丁春江 屈萬剛

(1.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430081；2.冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081)

15～5 mm酒鋼鏡鐵礦石回轉窯焙燒結圈可能性研究

馬 浩1陳鐵軍1,2黃獻寶1丁春江1屈萬剛1

(1.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430081；2.冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430081)

為了開發(fā)利用酒鋼鏡鐵山-15 mm的粉狀鏡鐵礦石，在完成對試樣和還原煤化學成分、軟熔性能分析的基礎上，對回轉窯磁化焙燒工藝窯壁結圈可能性進行了研究。結果表明：試驗原料及各階段產物的軟化溫度均在1 100 ℃以上，當回轉窯內溫度嚴格控制在鏡鐵礦適宜的還原溫度850～900 ℃時，回轉窯內物料不會發(fā)生軟熔和液化；15～5 mm的小塊礦采用直徑為(0.45～0.65) m×9 m燃氣變徑回轉窯處理，在哈密煙煤用量為2%、焙燒溫度為850～900 ℃、窯內停留時間為2.5 h、填充率為10%、焙燒產物水淬冷卻后磨礦細度為-0.074 mm占80%、弱磁選磁場強度為100 kA/m的情況下，可得到鐵品位為55.00%、回收率為83.00%的鐵精礦，且回轉窯內壁360 h未見結圈現(xiàn)象；科學合理的窯型、穩(wěn)定合理的熱制度、適宜的入窯粒度，對減少酒鋼鏡鐵山鏡鐵礦石回轉窯磁化焙燒結圈現(xiàn)象的產生十分有效。

鏡鐵礦 回轉窯 磁化焙燒 結圈

甘肅嘉峪關地區(qū)已探明的鏡鐵礦資源達5.54億t，屬國內最大的鏡鐵礦產區(qū)[1-2]。目前，酒鋼對鏡鐵山100～15 mm鏡鐵礦塊礦采用豎爐磁化焙燒—弱磁選工藝進行處理，可得到鐵品位約為55%、鐵回收率約為73%的鐵精礦；而占采出礦石總量約50%的15～0 mm粉礦則因技術原因未得到開發(fā)利用，造成了資源的嚴重浪費。

文獻[3]表明，15～5 mm塊狀鏡鐵山鏡鐵礦石中添加與礦石質量比2%的哈密煤粉(1～0 mm)、焙燒溫度為810 ℃、焙燒時間為60 min、焙燒產物磨礦細度為-0.074 mm占80%、弱磁選磁場強度為91.56 kA/m情況下，可獲得鐵品位為55.80%、鐵回收率為83.97%的鐵精礦。可見，15～5 mm的塊狀鏡鐵礦石可采用磁化焙燒—磨礦—弱磁選工藝進行開發(fā)利用。大量的研究與實踐表明，該工藝能否實現(xiàn)產業(yè)化，關鍵在于焙燒設備的選取與工藝條件的控制。

在磁化焙燒工藝中，由于沸騰爐的工藝技術及裝置問題沒有得到徹底的解決，因而目前并不具備大規(guī)模應用的條件；豎爐焙燒工藝對加工對象的粒度往往有一定的要求(>15 mm)，因此，小塊狀鏡鐵礦石不適合入豎爐焙燒?；剞D窯焙燒工藝在冶金、水泥、石灰等領域的應用很廣泛，能克服結圈問題的回轉窯焙燒工藝將有望成為此類粉狀鏡鐵礦石磁化焙燒過程的首選工藝[4-6]。

影響回轉窯結圈的因素主要有原料性質、窯型以及操作制度[7]，操作制度則需根據(jù)原料的性質、窯型及焙燒效果而定。因此，本試驗先研究原料性質和窯型對回轉窯結圈的影響。

1 試驗原料

1.1 試 樣

試樣為酒鋼鏡鐵山15～5 mm的粉狀鏡鐵礦石，主要化學成分分析結果見表1。

表1 試樣主要化學成分分析結果

Table 1 Main chemical component analysis of the sample %

成 分TFeFeOSiO2Al2O3CaO含 量31.458.6324.212.241.90成 分MgOMnOSP燒損含 量2.490.960.990.2410.09

從表1可看出，試樣鐵品位為31.45%，SiO2含量為24.21%，Al2O3、CaO、MgO等常見低熔點礦物的含量不高。

1.2 還原煤

試驗用還原煤為哈密煙煤，粒度為1～0 mm，其工業(yè)分析結果見表2。

表2 還原煤工業(yè)分析結果

Table 2 Industrial indexes analysis of reducing coal %

成 分水 分灰 分揮發(fā)分固定碳硫含 量9.8110.0537.6452.500.08

從表2可看出，該還原煤的揮發(fā)分含量較高，有利于還原反應的進行，灰分和硫含量較低，因此，該還原煤是一種較理想的還原劑?；曳种饕瘜W成分分析結果見表3。

從表3可看出，哈密煙煤煤灰的主要成分是SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3。

表3 灰分主要化學成分分析結果

Table 3 Main chemical component analysis of coal ash %

成 分SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgO含 量44.8912.5115.8016.404.48成 分K2ONa2OTiO2SP含 量1.330.930.720.650.063

2 試驗結果與分析

2.1 原料的軟熔性能

原料的軟熔性能對液相生成有直接影響。當焙燒溫度達到原料中某成分的軟化溫度時，該成分就會液化，導致粉狀礦物黏結結圈[8]。因此，還原焙燒溫度與原料的軟化溫度間應保持一定的安全距離。根據(jù)化學成分分析可知，試樣和還原煤灰分中均存在易生成低熔點物質的成分，其可能生成物的軟化溫度見表4[9]。

表4 幾種易熔物的軟化溫度

軟熔性能測定參考了煤灰熔融性的測定方法(GB219—74)[10]，試驗首先對煤灰和試樣的軟熔性能分別進行了測定，結果見表5。

表5 煤灰和試樣的軟熔性能

從表5可看出，煤灰和試樣的軟化溫度均明顯超過實驗室試驗確定的試樣還原溫度(810 ℃)。因此，理論上煤灰和試樣在還原溫度附近不會發(fā)生軟熔、結圈現(xiàn)象。

2.2 焙燒狀態(tài)的影響

2.2.1 試樣不同還原階段的軟熔性能

鏡鐵礦石經過磁化焙燒，其中的鏡鐵礦相不斷轉化為磁鐵礦相，同時伴生著FeO相的生成。由于該試樣與還原劑哈密煙煤的質量比為50∶1、還原產物中FeO含量為15%左右時還原效果較好，因此設計了下面的礦相變化階段體系的軟熔性能試驗，結果見表6。

表6 不同還原程度的軟熔性能

從表6可看出，隨著還原程度的加深(FeO含量上升)，還原體系的軟化溫度有所下降，但均不低于1 120 ℃。因此，理論上試樣在不同的還原階段均不會發(fā)生軟熔、結圈現(xiàn)象。

2.2.2 煤灰的量對體系軟熔性能的影響

為了研究煤灰的量對體系軟熔性能的影響，試驗分別在試樣和最佳還原產物(FeO含量占還原產物的15%)中加入2%的還原煤(產生的灰分很少，可忽略不計)和不同比例的煤灰，體系的軟熔性能測定結果見表7。

表7 煤灰對軟熔性能的影響

從表7可看出，在弱還原性氣氛下，配加與礦物質量比不高于10%的煤灰,體系的軟化溫度變化不大,均在1 100 ℃以上。因此，理論上煤灰含量的變化不會引發(fā)試樣或還原產物發(fā)生軟熔、結圈現(xiàn)象。

2.3 塊度的影響

回轉窯在生產過程中，不可避免地會產生窯壁局部溫度過高的現(xiàn)象，高溫窯壁接觸到的細粒礦石，由于比表面積大，短時間內單位質量吸收的熱量較多，因而升溫較快，極易導致這些細粒軟熔，或者產生固相反應，從而引發(fā)結圈。因此，細粒是造成結圈的重要原因[11]。

固相反應速率K與反應物顆粒粒徑r的平方成反比[12]

K=Cr-2，

即顆粒越細，固相反應速率越大；同時，由于固相反應發(fā)生在兩固體接觸面上，細粒越多，顆粒接觸的機會也越頻繁，其產生固相反應的可能性也越大。因此在回轉窯生產過程中嚴格控制細粒礦石入窯有利于控制或減少結圈現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4 窯型的影響

細粒礦石在窯壁的高溫區(qū)短時間內單位質量吸收的熱量過多，會引發(fā)結圈現(xiàn)象的發(fā)生。因此，縮短細粒礦石與高溫區(qū)接觸的時間和控制細粒礦石入窯一樣，可減少軟熔和結圈現(xiàn)象的發(fā)生。而縮短細粒礦石與高溫區(qū)接觸時間的有效手段是確定合適的窯型。

2.4.1 變徑窯

變徑窯結構如圖1所示。采用變徑窯后，回轉窯轉速一定時，由于窯頭高溫段的直徑大于窯尾低溫段的直徑。因此，物料在高溫段與窯壁的相對運動線速度就大于低溫段，與高溫段窯壁接觸的時間也相對縮短，有利于避免細粒過熱。同時，低溫段直徑相對較小，其實際填充率相對較高，導致低溫段還原氣氛好于高溫段，利于還原反應的進行。

圖1 變徑窯結構示意

2.4.2 長徑比

回轉窯從窯尾到窯頭，從長度方向上可分為低溫預熱段和高溫反應段。生產過程中，物料從低溫段的窯尾給入，隨著回轉窯的轉動不斷向高溫段的窯頭移動，并最終排出窯體。

當回轉窯長徑比偏小時，往往造成低溫預熱段長度不足。此時，為了確保還原焙燒效果，必然會采取提高反應段溫度的方式去補救。但是，反應段溫度的提高，將大大提高結圈發(fā)生的可能性，影響生產的順利進行。因此，適當提高回轉窯的長徑比，保證足夠的預熱段長度，使原料充分預熱，并在此階段完成部分反應，就可以在確保還原焙燒效果的前提下，控制高溫段的溫度、減少原料在高溫段的停留時間，降低結圈產生的可能性。

3 回轉窯中試試驗

回轉窯中試試驗采用直徑為(0.45～0.65) m×9 m燃氣變徑回轉窯，鏡鐵礦石粒度為15～5 mm，試驗確定的煙煤與礦石的質量比為2%、焙燒溫度為850～900 ℃、窯內停留時間為2.5 h、填充率為10%，焙燒產物直接水淬冷卻后磨至-0.074 mm占80%，經弱磁選選別(磁場強度為100 kA/m)得到鐵品位達55.00%、鐵回收率達83.00%的鐵精礦?；剞D窯360 h的連續(xù)試驗結果表明，窯內壁無結圈現(xiàn)象，焙燒礦中無黏結顆粒。因此，15～5 mm的鏡鐵礦石可采用回轉窯進行磁化焙燒。

4 結 論

(1)試驗原料及各階段產物的軟化溫度均在1 100 ℃以上，當回轉窯還原焙燒溫度嚴格控制在850～900 ℃時，回轉窯內物料不會發(fā)生軟熔、液化現(xiàn)象。

(2)15～5 mm的酒鋼鏡鐵山鏡鐵礦石采用直徑為(0.45～0.65) m×9 m燃氣變徑回轉窯處理，在哈密煙煤用量為2%、焙燒溫度為850～900 ℃、窯內停留時間為2.5 h、填充率為10%、焙燒產物水淬冷卻后磨至-0.074 mm占80%、弱磁選磁場強度為100 kA/m的情況下，得到了鐵品位為55.00%、回收率為83.00%的鐵精礦，回轉窯內壁未見結圈現(xiàn)象。

(3)試驗結果表明，科學合理的窯型、穩(wěn)定合理的熱制度、適宜的入窯粒度對減少酒鋼鏡鐵山鏡鐵礦石回轉窯磁化焙燒結圈現(xiàn)象的產生十分有效。

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(責任編輯 羅主平)

Study on the Ringing Possibility of Specularite Particles Ranging from 5 to 15 mm in Rotary Kiln in Jiusteel

Ma Hao1Chen Tiejun1,2Huang Xianbao1Ding Chunjiang1Qu Wangang1

(1.College of Resource and Environment Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources，Wuhan 430081，China)

In order to exploit and utilize the powdery specularite at -15 mm in Jingtie Mountain of Jiusteel，the ringing possibility during magnetizing and roasting process in rotary kiln was studied based on the analysis of chemical component and softening melting performance of the ore and the reducing coal.The results showed that when the reduction temperature was strictly controlled at range of 850 ℃ to 900 ℃，the softening phenomenon of the ore did not happen，since the softening and melting temperature of the ore and the stage products is at 1 100 ℃ or above.The ore particles ranging from 15 mm to 5 mm are roasted by gas variable diameter kiln with the size from 0.45 m×9 m to 0.65 m×9 m.Under the condition of carbon powder content of 2.0%，roasting temperature at 850～900 ℃ for 2.5 h，charge ratio at 10%，grinding fineness of 80% -0.074 mm and low intensity magnetic separation field intensity of 100 kA/m，iron concentrate with iron grade of 55% and the recovery of 83% was

，and the ringing phenomenon did not appear in 360 h.Scientific and rational kiln type，stable and reasonable thermal system，and appropriate particle size，can effectively reduce the ringing formation during magnetizing and roasting process of specularite in the rotary kiln in Jingtie Mountain，Jiusteel.

Specularite，Rotary kiln，Magnetization roasting，Ringing

2014-07-21

馬 浩(1989—)，男，碩士研究生。通訊作者 陳鐵軍(1973—)，男，教授。

TF046

A

1001-1250(2014)-11-092-04