回轉窯直接還原工藝處理國外某高磷鮞狀赤鐵礦的工業試驗

王英碩 黃武勝 劉偉然 延 黎 吳世超 孫體昌

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；2.中鋼設備有限公司，北京 100080；3.礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

隨著易選鐵礦石的不斷消耗，鐵品位高、儲量大的高磷鮞狀赤鐵礦越來越受到重視。高磷鮞狀赤鐵礦在世界范圍內分布廣泛、儲量巨大，法國洛林鮞狀鐵礦總儲量達122億t［1-2］；美國伯明翰鮞狀赤鐵礦儲量達53億t［3］；尼日利亞Agbaja地區的鮞狀赤鐵礦儲量有10億t［4］；巴基斯坦的Dilbond鐵礦石儲量約2億t；我國“寧鄉式鐵礦”探明儲量達37.2億t。雖然不同產地的礦石，化學元素含量有所不同，但礦物組成、礦石結構等性質大體相似［5］，鮞狀構造的鮞粒是由赤鐵礦、鮞綠泥石、玉髓、方解石、膠磷礦和黏土礦物圍繞一個中心［6］，層層環狀包裹形成。赤鐵礦是礦石中最主要的金屬礦物，主要以鮞狀結構、單晶和微細粒浸染3種形式存在［7］。磷礦物常呈鮞環狀浸染在赤鐵礦鮞粒中，導致物理的選礦方法不能有效降低高磷鮞狀赤鐵礦的P含量［8-15］，被列為呆礦。磁化焙燒方法雖然能夠提高鐵品位和回收率，使鐵精礦品位在60%左右，但降磷效果仍不理想，磷含量在0.2% 左右［16-18］。

經過大量的實驗證實，直接還原焙燒—磁選工藝［19］是最為有效的高磷鮞狀赤鐵礦提鐵降磷工藝。針對本次工業試驗所用高磷鮞狀赤鐵礦石，已經進行了實驗室直接還原法提鐵降磷的小型試驗，可獲得鐵品位、磷含量、鐵回收率分別為95.91%、0.07%、89.10%的還原鐵［19］。

煤基直接還原在工業生產上有隧道窯工藝、回轉窯工藝和轉底爐工藝3種工藝［20］。李永利等［21］對鄂西高磷鮞狀赤鐵礦石進行了直接還原焙燒同步脫磷隧道窯工業試驗研究，獲得了鐵品位為92.56%、鐵回收率為82.7%、磷含量0.089%的直接還原鐵，但試驗所用碳化硅罐體積小，每天僅能半機械化地焙燒60 t礦石。韓宏亮等［23］利用半工業型轉底爐處理高磷鮞狀赤鐵礦石，在1 280℃、添加10%的CaO的條件下，可以得到TFe品位94.32%、含磷量0.24%的直接還原鐵。總體來看，隧道窯因其處理量低、效率低、污染嚴重等缺點已逐漸被淘汰，轉底爐得到的產品含磷量過高，同樣未能實現工業應用。而回轉窯具有原料適應性強、生產能力大、產品質量穩定及燃料選擇多樣化等優點，是目前直接還原工藝工業生產應用較廣泛的設備。

江蘇某公司目前有包括原料處理—混配造球—烘干—回轉窯焙燒—磨礦磁選的完整工業生產線，為驗證國外某高磷鮞狀赤鐵礦利用回轉窯還原焙燒的可行性，以該高磷鮞狀赤鐵礦為原料在該生產線上進行了工業試驗。

1 試驗原料及準備

工業試驗所用的礦石采自非洲某國，共3 200 t，礦石粒度為-35 mm，破碎到-6 mm作為工業試驗用樣品，該樣品鐵品位55.26%、磷含量為0.55%。鐵主要以磁鐵礦和赤褐鐵礦形式存在，還有少量的菱鐵礦，磷主要以磷灰石形式存在，磷灰石中的磷占52.73%，鐵礦物中的磷占47.27%。脈石礦物以鮞綠泥石為主，還有少量方解石，詳細礦石性質見文獻［22］。還原劑為無煙煤，工業分析其空干基固定碳含量75.36%、灰份16.24%、揮發份6.7%、水分1.7%。脫磷劑為-3 mm的天然石灰石，CaCO3含量為93.25%，主要雜質是SiO2、S和P的含量低，不影響使用。黏結劑為膨潤土和玉米淀粉。膨潤土細度為-0.074 mm占90.03%，膠質價大于95%，吸藍量為25.26%，水分7.72%。淀粉為玉米淀粉，質量符合中國國家標準GB/T 8885-2017的要求。

2 試驗流程及設備

2.1 回轉窯焙燒部分

焙燒部分包括配料、預混勻、二次混勻、壓球、球干燥、回轉窯焙燒、出料等主要工序，工藝流程和主要設備如圖1所示。具體流程為：將破碎后試樣、無煙煤、石灰石和膨潤土用裝載機2分別裝入儲料斗3、4、5和7，儲料斗帶有計量裝置，不同原料按確定的比例計量后通過皮帶6輸送到雙軸攪拌混勻機9，通過噴淋裝置8添加一定比例的水后進行混勻得到預混合料。預混合料通過裝載機裝入料倉11內，經計量添加一定比例的淀粉后由皮帶運輸機6送入立軸攪拌混勻機進行二次混勻，隨后通過皮帶運輸至料倉14內，混合料經過全懸浮計量皮帶秤15按照給定的處理量給入壓球機16進行壓球，控制球團抗壓強度在15 kg·m/s2以上。壓球機下面有棒條篩17，篩上部分送入鏈篦機18進行烘干，烘干后球團抗壓強度可達2 000 kg·m/s2以上，篩下部分返回混合料倉14。所用回轉窯長70 m，直徑為4.8 m。干球經斗式提升機從回轉窯18窯尾進入，隨回轉窯的轉動向窯頭方向移動，該過程中經過升溫段和恒溫段完成還原，然后通過降溫段，從窯頭排出。物料在窯內的總停留時間為3.0～3.5 h。從回轉窯排出的物料通過溜槽進入水冷池20中水淬冷卻，后用出料機21把物料從冷卻池中取出至堆場22。

2.2 磨礦—磁選

回轉窯的還原效果根據焙燒物料磁選管磁選結果判斷。具體方法為：從焙燒物料堆取樣進行磨礦—磁選，工業試驗過程中，每小時的出料分別堆放，在每個料堆取15個點，每個點取約200 g，共取約3 kg左右，每2 h的樣品混合在一起。經過顎式破碎機、對輥破碎機將焙燒物料破碎至-3 mm。混勻后縮分出30 g試樣進行磨礦磁選，磨礦濃度為67%，兩段磁選管磁選，磁選管磁場強度為960 kA/m。分析磁選管精礦的鐵品位和磷含量。

2.3 試驗參數的確定及控制

預混和二次混合過程中的參數測定有水分、鐵品位、碳含量和磷含量。鐵品位和磷含量用于監測工序每一步的代表性，而主要控制的指標是水分和碳含量，水分影響成球率，根據擴大試驗的造球結果，水分應在7%～8%之間，碳含量定為75%，煤的用量根據所用無煙煤碳的含量換算得出。

預混是分批進行的，從每一批混合好的料堆用舀取法取樣，每個料堆的取樣點均勻分布在料堆的不同部位至少10個，試樣總量不少于5 kg。二次混合料取樣在皮帶運輸機上用截取法取樣，每小時取樣一次，試樣量1 kg左右。如果發現某一指標不合格，要根據不合格指標的情況重新進行混料，然后再取樣化驗，合格后進入到下一工序。

濕球主要測定水分，應與混合料的水分相同：濕球在壓球機排料皮帶處用截取法取樣，具體方法是極迅速將鐵鍬水平伸入壓球機落料處，完全接取3 s內落下的濕球，每2 h取1次，每次取樣量為2～3 kg。干球在鏈篦機排料部分接取，每次取樣量2 kg左右，每2 h取樣1次，測定水分、鐵品位和磷含量。

回轉窯在干球進入回轉窯焙燒之前需要對溫度和氣氛進行控制。因此在混勻壓球的同時進行分階段升溫，分階段升溫可以保證窯內耐火材料的完整，在升溫到200、500和800℃時均需保溫一定的時間，升溫時間為3～4 d。達到要求的溫度后，需要首先將回轉窯內的氣氛調整為還原氣氛，從回轉窯的窯尾添加一定量的無煙煤，調整到氧氣含量小于5%。

為了保證窯內還原過程的可控可監測，對回轉窯的煙氣、溫度進行監測和控制。煙氣監測分析進行在線連續測量，在回轉窯尾部裝有在線氣體分析儀的取樣頭。溫度監測有3個點：在窯頭的上部以及窯尾煙氣罩分別配置熱電偶，可以連續監測窯頭和窯尾溫度；在回轉窯排料處用AR530手持紅外線測溫儀測定每小時的出料溫度。

3 試驗結果與討論

3.1 無煙煤用量15%試驗結果

根據實驗室試驗結果，無煙煤用量超過15%時，粉末還原鐵中磷含量會超過0.1%，所以工業試驗最初將無煙煤用量確定為15%，進料量（濕球）20 t/h。從干球入窯3 h后開始取焙燒物料試樣，連續運行14 h，隨后由于鏈篦機出現故障，回轉窯停止進料。為考察停止給料后氣氛、溫度變化對焙燒效果的影響，停止進料后仍繼續取樣，4 h后，出料量減少，停止取樣，試驗結束。此階段試驗持續時間共18 h，其中連續進料時間14 h，連續取樣時間15 h。圖2為無煙煤用量15%時試驗測試數據。

從圖2（a）可以看出：氣體濃度的變化范圍較大，波動幅度也比較大，此試驗區間CO和H2的濃度基本為0，即試驗期間煙氣中沒有檢測到CO和H2；CO2和O2的濃度變化有一定的規律，即O2濃度降低，CO2濃度升高；O2的濃度大部分在6%～8%之間，最低5.67%，最高8.73%。CO2濃度的變化范圍較大，最低10.02%，最高17.28%。給料對回轉窯內氣氛有明顯的影響，停止給料后O2的濃度明顯升高，CO2的濃度明顯下降，這說明回轉窯內氣氛與給料直接相關。

從圖2（b）可以看出，窯頭溫度變化一直不大，最低為908℃，最高940℃。窯尾的溫度變化稍大些，最低溫度669℃，最高溫度為735℃，且隨時間的延長有下降的趨勢。出料溫度最低1 016℃，最高溫度為1 113℃，停止給料后溫度升高到1 321℃。連續運行14 h后，回轉窯停止進料，這也是圖2（b）中14 h開始出料溫度、窯頭溫度及窯尾溫度明顯下降的原因。

從圖2（c）可知：磁選管選別得到的鐵品位變化很大，最高的可以到86.59%，最低僅有61.72%，磷含量在0.13%～0.18%之間，鐵回收率在52.36%～77.94%之間。從上述結果看，總體還原效果不理想，使用磁選管進行選別，粉末還原鐵的鐵品位很低、磷含量高、回收率比較高，說明主要問題是還原效果不好，經磁選管選別后的鐵品位只有65%左右，說明粉末還原鐵中主要是磁鐵礦而不是金屬鐵。停止給料后，鐵品位顯著降低，磷含量升高。

根據溫度和煙氣的監測結果，還原效果不理想的主要原因是還原氣氛不佳，回轉窯內未充分形成還原氣氛，而回轉窯內氣氛與干球中的無煙煤含量和進料量都有關系。如果只增加干球內無煙煤用量，會造成最終產品中磷含量升高，因此，在后續試驗中，決定對無煙煤含量和進料量同時進行調整。

3.2 無煙煤用量20%試驗結果

由于回轉窯故障，無煙煤用量20%試驗分為2個時段進行。第一時段進行了51 h，進料量（濕球）30 t/h；第二時段連續進行了65 h。圖3為無煙煤用量20%時試驗測試數據。

從圖3（a）可以看出：CO2的濃度開始時波動較大，大約8 h后維持穩定，達到了儀器檢測的上限（20%）；氧氣的濃度波動幅度也較大，特別是前10 h，最低0.3%，最高4.74%；CO的濃度雖有波動，但幅度很低，大部分時間濃度小于0.2%，最高值為1.27%，并且維持時間較短；未檢測到H2的存在。與煤用量15%時的圖2（a）相比，增加無煙煤用量和給料量后，CO2的濃度明顯上升，O2濃度明顯下降，能檢測到CO，但濃度很低，說明增加無煙煤用量和給料量，回轉窯內還原氣氛明顯增強。圖3（a）后半部分是無煙煤用量20%時第2階段回轉窯內氣氛的檢測結果，可以看出，此階段氣體濃度波動較大。CO2的濃度在12%～20%之間波動；O2的濃度大部分時間在2%～8%之間波動；CO的濃度仍然較低，大部分時間小于0.2%，最高值為1.77%，后期CO濃度有升高的趨勢，仍未檢測到H2。CO2濃度和O2濃度的變化有明顯的規律，O2濃度升高，CO2濃度降低，說明無煙煤用量對回轉窯內的氣氛起決定性作用，在第51 h發現窯內有結圈現象，停止給料后，氣氛很快發生明顯變化，O2濃度迅速升高，CO2濃度下降，0.5 h內O2濃度增加到10%以上，CO2濃度下降到只有5%～10%之間，CO的濃度迅速降低到0。

從圖3（b）可以看出：第一階段隨著運行時間延續，前2 h內窯頭溫度基本穩定在900℃左右，而后隨著運行時間的延長，溫度降低到826℃；窯尾溫度基本呈先下降而后又上升的趨勢，且波動較大，開始入料時溫度為742℃，最低值為523℃；出料溫度基本穩定在1 000℃以上。這可能與反應過程有關系，因為試驗過程中的最關鍵因素就是控制出料溫度。第二階段中，開始進料后29～31 h之間以及第51～53 h之間，回轉窯清圈，停止給料，因此在兩個時段區間內，出料溫度和窯頭溫度下降，窯尾溫度上升。除此2個時間段之外，各溫度變化范圍較小，都比較穩定。出料溫度穩定在1 050℃左右，窯頭溫度大部分時間在900～950℃之間，窯尾溫度在600～650℃之間，各溫度的變化之間有一定的規律，出料溫度下降，窯頭溫度也下降，但窯尾溫度上升。

從圖3（c）可以看出，隨著試驗時間的延續，焙燒效果逐漸變好。第1階段開始后第6 h的樣品磨礦磁選后樣品鐵品位第1次達到了90%，但磷含量仍比較高。隨著焙燒時間的延續，粉末還原鐵的鐵品位也上升，磷含量下降。第12 h以后，較多的合格產品出現，且結果比較穩定，粉末還原鐵中鐵品位最高到達了93.84%，此時磷含量為0.09%，此階段的結果初步說明，用工業回轉窯進行高磷鮞狀赤鐵礦焙燒以達到提鐵降磷的效果是可行的，可以得到符合要求的粉末狀還原鐵。從該圖中還可以看出，粉末還原鐵中鐵品位和磷含量呈反比，即鐵品位提高，磷含量下降，只要鐵品位超過了90%，磷含量就會降至0.1%以下，這說明還原過程中磷沒有進入到金屬鐵中，可以通過磨礦—磁選進行分離。

3.3 無煙煤用量23%試驗結果

無煙煤用量為20%的試驗雖然得到了品位90%以上的粉末還原鐵，但是回收率過低，為增加窯內還原氣氛以達到提高回收率的目的，把無煙煤用量提高到23%，進料量保持30 t/h不變，在該條件下進行試驗，該階段的試驗穩定連續運行48 h。圖4為無煙煤用量23%時試驗測試數據。

從圖4（a）可以看出：此階段CO2的濃度比較高，除個別時間外，都在20%以上；O2濃度比較低，大部分時間低于1%，CO的濃度比較高，大部分時間在1%以上，最高值達到了3.58%，特別是焙燒進行17 h以后，均保持在1%以上，說明此階段還原氣氛明顯好于其他試驗階段，證明增加無煙煤用量對增強回轉窯內的還原氣氛有利。

從圖4（b）可以看出，第8～10 h停止進料，對回轉窯進行清圈，因此出料溫度和窯頭溫度有所下降，而窯尾溫度明顯上升。從其他時間段的結果可以看出，此階段試樣回轉窯溫度比較穩定，出料溫度基本保持在1 050℃左右，最低為1 019℃，最高為1 070℃，最后一個小時回轉窯停止給料，出料溫度明顯偏低，降到了926℃，此時窯頭溫度在900℃左右，窯尾溫度在610℃左右。

從圖4（c）可以看出，在前半段時間內，絕大部分產品指標良好且穩定，TFe品位全部控制在90%以上，P品位控制在0.1%以下，只有在第6～8 h階段由于進行清圈，產品指標發生了小幅波動，但產品指標仍符合要求。后半段時間內，磁選管最終精礦的P含量有所增加，個別產品超過0.1%，這說明在保證P含量符合要求的前提下，無煙煤用量最高為23%，在該條件下，TFe品位和回收率達到最高。對該階段第13～47 h的磁選管精礦進行混勻、縮分后進行分析，該產品鐵品位為96.24%、鐵回收率為78.40%、磷含量為0.07%，金屬化率為96.05%。

4 結 論

（1）利用回轉窯進行的還原焙燒—磨礦—磁選的工藝流程處理高磷鮞狀赤鐵礦可以滿足工業上不間斷生產粉末狀直接還原鐵的需要。以回轉窯為主體設備，在技術上可行。本次工業試驗最佳條件為無煙煤用量23%、石灰石用量28%，焙燒溫度在1 050℃以上，經過兩段磨礦兩段磁選，可以得到鐵品位96.24%，磷含量0.07%，鐵回收率78.40%、金屬化率96.05%的粉狀還原鐵。

（2）與在馬弗爐內還原焙燒不同的是，回轉窯還原焙燒需要還原劑用量更高。23%的無煙煤用量條件下，可以穩定獲得TFe品位90%以上的海綿鐵，但是否為最佳條件仍需進一步驗證。脫磷劑石灰石的用量可以直接沿用小型試驗和擴大試驗的指標，但還原劑用量與擴大試驗時有顯著區別，原因需要進一步研究。

（3）回轉窯內還原氣氛、焙燒溫度和時間是影響粉狀還原鐵品位的直接因素，其中控制窯內還原氣氛對磷含量的影響尤為關鍵，而控制窯內還原氣氛的主要手段為調整無煙煤用量。無煙煤用量越大，還原氣氛越好，精礦指標也越好。

（4）利用回轉窯直接還原工藝處理高鱗鮞狀赤鐵礦雖然在技術上可行，但是由于礦石數量的限制，仍未確定最佳的還原劑配比條件，得到的直接還原鐵回收率低，需要細磨才能單體解離。