轉(zhuǎn)底爐工藝高溫快速還原鐵礦試驗研究

轉(zhuǎn)底爐工藝高溫快速還原鐵礦試驗研究

自20世紀(jì)70年代以來，世界原鐵資源產(chǎn)量和產(chǎn)量的平均每年增加10%，1998年新增3099萬噸鐵。據(jù)Midrex公司預(yù)測,到2000年和2005年世界直接還原鐵的產(chǎn)量將分別達到5500萬t和7000萬t。而據(jù)WorldSteelDynamics雜志預(yù)測,到2010年,DRI/HBI的產(chǎn)量將增長到1.2億t。自1989年以來,世界直接還原鐵產(chǎn)量的增長速度一直快于鋼產(chǎn)量的增長速度,這表明DRI已經(jīng)成為煉鋼生產(chǎn)的重要原料,直接還原鐵生產(chǎn)的發(fā)展已成為世界鋼鐵工業(yè)發(fā)展的熱點之一。轉(zhuǎn)底爐煤基直接還原是最近30年發(fā)展起來的煉鐵新工藝,由于這一工藝無需燃料的制備和原料的深加工,且技術(shù)可靠、設(shè)備運行穩(wěn)定,并對合理利用自然資源、保護人類環(huán)境有積極的作用,因而受到了冶金界的普遍關(guān)注。世界上首家采用轉(zhuǎn)底爐工藝生產(chǎn)DRI的Dynamics法已于1999年4月在美國投產(chǎn),目前運行良好。北京科技大學(xué)冶金噴槍研究中心,針對我國煤炭資源和普通品位的鐵礦石進行了大量研究,以發(fā)展我國的直接還原工業(yè)?，F(xiàn)已成功地實現(xiàn)了用轉(zhuǎn)底爐還原含碳球團得到“高爐型”金屬化球團、粒狀珠鐵、直接還原精選鐵粉以及高品位鐵精礦直接還原鐵壓塊等幾種產(chǎn)品,這幾種產(chǎn)品中的鐵的金屬化率均高達85%～99%,達到了直接還原產(chǎn)品的質(zhì)量要求。1試驗條件1.1還原工藝的發(fā)展滯后我國的煤炭和鐵礦資源雖然十分豐富,但從長遠看卻由于缺乏冶金焦、高品位鐵礦石較少,而共生礦、中低品位鐵礦的儲量大、分布廣、難于富選,直接影響著我國直接還原工藝的發(fā)展。根據(jù)我國的鐵礦和煤炭資源的現(xiàn)狀,選擇幾種在國內(nèi)有代表性的赤鐵礦和磁鐵礦作為試驗的基本含鐵原料,按不同比例混入煙煤、無煙煤,并配以脫硫用的生石灰,經(jīng)充分混勻后造球,含碳球團的粒徑為8～15mm。試驗所用原燃料化學(xué)成分見表1、2。為使礦粉充分接觸、還原反應(yīng)進行完全,將所有原燃料均粉碎至0.147mm以下。1.2造球機及電解電路為真實準(zhǔn)確地模擬轉(zhuǎn)底爐直接還原和產(chǎn)品分離的生產(chǎn)條件,在實驗室設(shè)計購置了以下主要試驗設(shè)備:(1)圓盤造球機,ue001φ650mm,0～60r/min;(2)三段箱式焙燒電爐,900mm×400mm×500mm;(3)棒磨機,ue001φ350mm×500mm;(4)XCRS-74型鼓形濕法弱磁選機,ue001φ400mm×300mm。1.3轉(zhuǎn)底爐工藝流程從理論上講,轉(zhuǎn)底爐工藝適用于處理多種鐵礦石和含鐵廢料,其生產(chǎn)、試驗設(shè)備的選擇也可根據(jù)原理和方案的不同而進行單獨設(shè)計。根據(jù)未來實際生產(chǎn)可能的要求和條件,設(shè)計了適于處理普通品位鐵礦的轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝流程,如圖1所示。而“高爐型”金屬化球團只需由用于高爐的普通精礦造球后、經(jīng)高溫還原即可使用。2容器的制備工藝將鐵礦粉、煙煤、無煙煤和生石灰按照不同的設(shè)計方案配料,制成含碳球團,鋪放于150mm×150mm的容器中,根據(jù)礦物特性和對后續(xù)處理的要求,盡可能在還原階段根據(jù)不同的原料生成已經(jīng)渣鐵分離的粒狀珠鐵、易于破碎的含碳球團或強度很好的金屬化球團。為此設(shè)計了在工業(yè)生產(chǎn)中能夠?qū)崿F(xiàn)的幾種還原焙燒、冷卻及分離方案,還原的時間和溫度可以表征轉(zhuǎn)底爐的生產(chǎn)情況。2.1“高爐型”金屬化球團的制備將用普通精礦制成的含碳球團在1300～1350℃下還原15～25min,粒層保持約30mm,得到金屬化率基本在80%～90%、強度較高、可根據(jù)后續(xù)工序的要求運輸或堆放、適合于熔分處理的“高爐型”金屬化球團(表3)。2.2還原后分散、整理試驗時,保持20～50mm的料層,含碳球團在箱式電爐中分三段(1200℃、1350℃、1250℃)還原焙燒15～50min。還原后經(jīng)水淬得到的粒狀珠鐵基本上在2～10mm之間,后續(xù)處理簡單,很容易篩分富集,可以擠壓或粘結(jié)后進電爐。試驗得到的珠鐵由于礦種的不同而形狀各異,外部顏色也由于冷卻方式的不同而有變化。經(jīng)初步篩分后,粒度大于0.5mm的珠鐵回收率及化學(xué)成分見表4。2.3紅礦葉片磁選分離結(jié)果在高溫1300℃、料層40～50mm時還原焙燒25～40min,得到較為疏松易碎的金屬化球團。此時,球團內(nèi)部的金屬鐵和渣的存在狀態(tài)已發(fā)生了很大變化,很容易將它們磁選分離,鐵粉同樣可以粘結(jié)或壓塊處理。紅礦E1的含碳球團還原后磁選結(jié)果見表5。磁選制度為還原得到的成品球經(jīng)破碎、篩分、棒磨至2mm以下,在磁選機中先進行磁分試驗,中磁選(3.5A,約1.54πA/m)1.54πA/m)得到尾砂和中間產(chǎn)品,再將中間產(chǎn)品進行中弱磁選(2.0A,約0.54πA/m)0.54πA/m),最終得到品位不同的精選鐵粉、中間含鐵渣(或中間含渣鐵)、尾砂。2.4煤粉金屬化回收技術(shù)轉(zhuǎn)底爐還原還可以采取煤、礦分層鋪料的方式(本實驗均為1300℃、60min,煤中無石灰),得到指標(biāo)較好的餅狀金屬鐵;煤已灰化,只需篩分處理即可。但這種方法受到原料品位的限制,礦層還原后渣、鐵一體,產(chǎn)品的雜質(zhì)含量偏高。試驗表明,該產(chǎn)品的粒度很大,適于壓塊保存,以便下一步送電爐熔分;這種壓塊的全鐵量可達90%～95%,金屬回收率接近100%。但因還原過程中的傳熱問題尚未得到很好地解決,金屬化率僅能達到80%左右。試驗數(shù)據(jù)見表6。3分析與討論3.1還原工藝條件對原水資源量的影響從試驗結(jié)果和巖相分析中可以看到,含碳球團直接還原過程的金屬化率與還原溫度、時間、配碳量、冷卻方式之間的關(guān)系符合直接的一般規(guī)律,但同時也有轉(zhuǎn)底爐還原的特殊點。即在一定的試驗條件下,限定溫度、時間、配碳量等因素的合適范圍,含碳球團的金屬化率隨著溫度的升高,時間的延長和配碳量的增加而提高;控制不同的工藝條件可以得到不同的還原產(chǎn)品。溫度和時間對產(chǎn)品的還原程度和金屬化率有重要影響。溫度在1250℃以下時,還原速度較慢,鐵礦物在20min內(nèi)約有50%左右被還原,還原后的金屬鐵以細小的單體顆粒存在或少部分長大,殘?zhí)己芏?礦物未熔融。1300℃以上時,含碳球團還原速度加快,基本在15min完成。在1350℃以上還原,隨時間增加,成品球中的金屬顆粒增多,粒度也增大,對渣鐵分離有利。而溫度越高,渣鐵熔融分離也越好。配碳量對金屬化率有一定的影響,但隨著配碳量的增加,生成的碳化鐵含量有所增加。產(chǎn)品的殘?zhí)剂侩S配碳量增高而增多,隨溫度和時間增加而減少。冷卻方式對不同產(chǎn)品的金屬化率影響不同。氮氣條件下,各種成品均無再氧化現(xiàn)象;水中快速冷卻,再氧化現(xiàn)象相對較少,但金屬顆粒的粒度越小時金屬化率有所下降;在空氣中冷卻時,疏松易碎的成品球金屬化率有一定的降低,珠鐵則影響較小。3.2轉(zhuǎn)底爐還原紅礦對資源利用的影響因轉(zhuǎn)底爐的還原溫度較現(xiàn)有其他直接還原方法高,因而其還原產(chǎn)品的金屬化率、鐵分回收率較高,生產(chǎn)效率也較高。這就可以在設(shè)備投資較少、生產(chǎn)成本較低的轉(zhuǎn)底爐中生產(chǎn)適合于高爐或豎式爐冶煉的煤基自熔性金屬化球團——“高爐型”金屬化球團,從而解決高爐的爐料品位和焦比能耗問題,使高爐冶煉過程發(fā)生根本性的變化,這也更符合我國的資源條件。從表4、5中可以看出,無論精礦還是紅礦,都可以還原得到金屬化率很高的粒狀珠鐵或精選鐵粉。精礦還原獲得的粒狀珠鐵雜質(zhì)含量少,鐵分回收率明顯高于紅礦;但因精礦成本高,原礦富選時鐵分已有損失,若珠鐵的鐵分回收率低于高爐生產(chǎn)中鐵的回收率就不合算;因而對于精礦,轉(zhuǎn)底爐工藝更適合于生產(chǎn)珠鐵,否則再次進行磁選更增加成本。而紅礦可根據(jù)礦物成分的特點來生產(chǎn)珠鐵或精選鐵粉,且由于成本低,其產(chǎn)品篩分、磁分均可。雖然珠鐵和精選鐵粉都難于避免渣鐵摻雜共存,但由于鐵品位較高,可以粘結(jié)或壓塊后送入電爐處理。表5的數(shù)據(jù)表明,紅礦含碳球團還原后、再經(jīng)磁選分離獲得精選鐵粉,其鐵分回收率已超過了選礦廠的常規(guī)指標(biāo),成分也基本滿足電爐煉鋼的要求;精選鐵粉的鐵品位和鐵分回收率可以互為取舍,要提高鐵品位即可降低回收率。同時,三種產(chǎn)物的硫含量也說明了磁選的作用,這是解決煤基直接還原產(chǎn)品中硫含量的一個措施。試驗中發(fā)現(xiàn),紅礦的還原性能優(yōu)于磁鐵精礦。這樣,轉(zhuǎn)底爐還原紅礦可以在溫度較低、煤耗較少的情況下生產(chǎn)出質(zhì)量合格的直接還原鐵,而且金屬化率和金屬回收率指標(biāo)均好。從試驗結(jié)果看,轉(zhuǎn)底爐也宜于處理難于磁選、品位偏低、價格便宜的非高爐用礦。用轉(zhuǎn)底爐處理多金屬共生礦的研究已開始進行。在我國儲量大、分布廣的中貧礦可以采用這一轉(zhuǎn)底爐新工藝——先還原、后篩分、磁分或熔分,能夠解決這類礦石多年來既不能選礦富集又不能直接入高爐冶煉的技術(shù)問題。試驗證明,中等品位紅礦還原后,產(chǎn)品的金屬化率和金屬回收率均好;但對貧礦還原的研究探索還有待進一步深入。3.3轉(zhuǎn)底爐還原—經(jīng)濟分析以國內(nèi)正在籌建的、采用轉(zhuǎn)底爐—熔分爐(高爐)工藝為主的兩個項目為例,經(jīng)詳細核算和論證后,其單位投資、成本以及轉(zhuǎn)底爐還原—磁選分離工藝路線進行的全流程估算結(jié)果見表7。4轉(zhuǎn)底爐直接還原鐵鐵產(chǎn)品的“高爐型”金屬化球團(1)溫度、氣氛、還原時間對轉(zhuǎn)底爐含碳球團的直接還原過程影響很大。溫度越高、還原性氣氛越強、還原時間適宜的情況下,金屬化率越高。(2)采用轉(zhuǎn)底爐新工藝,1300℃適宜生產(chǎn)還原鐵粉,而1350℃是形成粒狀珠鐵的必要條件,其直接還原產(chǎn)品的金屬化率可以在90%～95%;采用先篩分后磁分的工序,金屬鐵的回收率可達80%以上。轉(zhuǎn)底爐還可以生產(chǎn)低成本、低能耗的“高爐型”金屬化球團。(3)產(chǎn)品的硫含量可控制在0.05%～0.10%,但因采用的是煤基直接還原,硫含量很難脫到太低。(4)在轉(zhuǎn)底爐還原之后加上篩分或磁分工藝,對較低品位的鐵礦和許多