赤铁矿球团煤基回转窑直接还原研究

2013-08-29   作者：佚名   网友评论 0 条

摘 要：以巴西赤铁精矿为原料，对“一步法”煤基球团直接还原工艺进行了研究，优化了预热球团制备、预热球团直接还原工艺参数，并与“二步法”工艺进行了比较。揭示了还原过程球团强度变化规律。结果表明：对于铁品位67.52%的巴西赤铁精矿，采用“一步法”直接还原，最终得到全铁94.17%、金属化率93.79%、抗压强度1973N/个的优质直接还原铁；与“二步法”进行比较，还原过程中，预热球团还原速度比氧化球团还原速度快，抗压强度上升也快的多，最终的直接还原球团抗压强度也高的多。该研究表明，该巴西赤铁精矿可采用“一步法”球团煤基直接还原工艺制备优质的直接还原铁，且 “一步法”优于“二步法”。将有利于简化工艺流程，节省投资，降低成本，同时也为直接还原拓宽原料来源。

关键词：赤铁精矿； 直接还原； 预热球团 ；氧化球团

        直接还原铁（DRI）因质地纯净、成分稳定，是一种替代废钢、冶炼优质钢的理想原料[1-2]。世界直接还原铁发展迅速，由2003年的4780万吨增加到2010年的7130万吨。但我国直接还原铁发展缓慢，直到2008年，我国直接还原铁产量仅为60万吨[3]，多年停滞不前，甚至倒退。我国2011年的钢产量达到69550万吨，已连续17年居世界首位[4]。直接还原铁产量与我国钢铁大国地位严重不相称。目前我国钢铁工业还不能完全满足国民经济发展的需要，优质钢和特殊钢比例低于10％，以致多种行业需要的高技术、高附加值钢材还必须进口。缺乏优质原料和忽视原料质量是限制我国优质钢发展的主要原因之一。采用直接还原铁作为电炉炼钢原料和“稀释剂”是加速发展优质钢生产的有效途径，因此我国需要大力发展直接还原[1]。

       传统的煤基直接还原必须以块矿或氧化球团为原料才能生产出合格的直接还原铁，氧化球团直接还原工艺（常简称为“二步法”）存在工艺流程长、耐高温设备多、建设投资大、加工成本高等不足，从而使直接还原工艺的推广受到很大限制[5-10]，邱冠周等[1]研究了铁精矿复合粘结剂球团直接还原法，与传统的高温氧化焙烧固结相比，工艺流程短、投资省、能耗少、成本低。李健[6]研究了磁铁精矿复合粘结剂球团直接还原法工艺，得出了全铁含量 91.48%，金属化率95.16%，抗压强度为1676N/个的良好指标。但随着中国钢铁工业的迅速发展，国内易采、易选磁铁矿被大量消耗，磁铁矿开采成本增加，这对直接还原厂带来巨大生产成本压力。在此，本文作者利用进口的高质量赤铁矿为原料进行煤基“一步法”球团直接还原试验研究，制出优质直接还原铁，为直接还原厂拓宽原料来源；并与“二步法”进行对比，“一步法”可替代“二步法”，将有利于简化工艺流程，节省投资，降低成本。

1 原料性能和研究方法

1.1原料性能

       试验所用原料为巴西赤铁精矿、膨润土、烟煤和石灰石。赤铁精矿的化学成分及物理性能分别见表1和表2。该赤铁精矿铁品位高，硫、磷、砷等有害元素含量都很低，适合直接还原。但该铁精矿成球形差，故造球前需预处理，改善成球性。

 表1  赤铁精矿化学成分（%）

       直接还原所用的还原剂为烟煤，其工业分析和灰分分析结果分别如表3和表4所示。还原煤挥发分为30％左右，属于反应性较好的非结焦煤，可满足回转窑窑内还原反应的要求。

       在煤基回转窑工艺中，回转窑操作温度越高，还原速率越快，回转窑产量就越高，但为保证回转窑顺行，防止结圈，对还原煤灰渣软熔特性有严格要求。通常要求回转窑操作温度比煤灰软化温度低100～150℃。由表5可见，还原煤灰渣软化温度为1 376℃，具有良好的软化性能，可有效防止结圈。
 

       本研究所用粘结剂为膨润土，可以起到调节造球原料水分、提高生球强度和生球热稳定性、稳定造球操作过程的作用。其化学成分如表6所示，物化性能如表7所示。

        赤铁矿球团预热焙烧性能差，本研究中巴西赤铁矿自然碱度为0.011，。故造球过程中，添加石灰石，将其碱度调至0.15，改善其预热焙烧性能。所用石灰石CaO含量为60.38%，其粒度组成中-200目含91.4%。

1.2研究方法

        煤基直接还原试验研究的流程包括造球、球团干燥、预热、氧化焙烧和球团直接还原，造球试验是在圆盘造球机中进行的。其主要技术参数为：直径Ф=800mm，转速 38r/min，边高 h=150mm，倾角 =47°；取部分生球样测定其抗压强度、落下强度、爆裂温度和生球水分，其余生球用鼓风干燥箱进行干燥后用于后续的预热固结球团及氧化焙烧固结球团的制备，为直接还原提供不同的原料。

        由于巴西赤铁精矿粒度较粗，比表面积仅为875 cm2/g，成球性特别差，成球性指数仅是0.318。采用先球磨后高压辊磨处理，球磨后比表面积达1300cm2/g左右（实测1335cm2/g），然后高压辊磨至比表面积1700cm2/g左右。赤铁矿均用石灰石将碱度调为0.15，石灰石细磨到其比表面积为2182cm2/g。

       在最佳造球参数条件下造出生球，生球干燥后进行预热焙烧条件实验，预热球团制备的最佳工艺参数是：预热温度1150℃，预热时间为4min，抗压强度达1111N/个。氧化球团制备的最佳工艺参数是：预热温度1000℃,预热时间4min，焙烧温度1300℃，焙烧时间12min，抗压强度达2708N/个。制备的预热球团及氧化球团分别用于下述对比研究。

       球团预热和直接还原是在回转管中进行，回转管管芯内径为120mm，预热球团还原方法是：取适量干球（500g左右）装入回转管中，对干球进行预热，预热一定时间后，加入相应质量的煤进行还原，还原煤分3次加入，加入煤的比例为4:3:3，还原后用通氮气冷却，冷却后进行干式磁选分离得到直接还原铁，氧化球团直接还原方法是将制备好的氧化球团直接加入达到还原温度的回转管预热4min，其余操作与预热球团还原一致。冷却后直接还原铁以铁品位、金属化率、抗压强度作为衡量产品质量的指标。

2 结果与分析

2.1 赤铁精矿造球

        由图1可知，随着膨润土用量从0.3%提高到1.2%，生球落下强度大幅增加，从1.4次/0.5m提高到7.8次/0.5m，但爆裂温度却随之急剧下降，由505℃降低到330℃，生球的抗压强度均大于13N/个。膨润土是一种高分散性物质，填充在生球的颗粒之间，使赤铁矿颗粒之间粘结力增大；随着膨润土用量增加，爆裂温度反而急剧降低，这主要是因为膨润土使生球内部的毛细管径变小，干燥时生球内部压力增加，生球因承受不住内压力冲击而破裂。

 
图1 膨润土用量对生球质量的影响(生球水分9%，造球时间12min)

       生球水分对生球质量的影响见图2。随着生球水分的提高，赤铁矿球团生球落下强度明显提高，从2.7次/0.5m提高到8.2次/0.5m，但是，生球爆裂温度确明显下降，从460℃下降到390℃，球团抗压强度均大于12N/个。当水分较少时，增加水分可以增大毛细管内水的填充率，进而落下强度上升。但是随着水分的增加，球团内的水分不能及时脱除，球团因内压力增大而爆裂，所以爆裂温度降低。综合上所述，造球水分在9.8%左右较为适宜。

 
图2 生球水分对生球质量的影响（膨润土0.9%,造球时间12min）

2.2 赤铁精矿球团预热固结

       在赤铁矿球团直接还原工艺中，为有效的防止回转窑结圈和提高回转窑的窑容利用系数，生球在还原之前，需预热或者预热焙烧固结，提高入窑球团强度。碱度对预热球抗压强度的影响见图3所示。随着预热温度升高，预热球团的抗压强度迅速上升。随着碱度的提高，预热球强度升高，当碱度为0.35－0.45时，球团抗压强度均达到最高。随后球团强度下降。提高赤铁矿球团碱度，由于固相扩散反应生成低熔点铁酸钙体系的化合物及其共熔混合物，形成一定量的液相。促使铁晶粒长大，加快固结速度，抗压强度升高。但当球团内CaO含量过多时，会产生较多液相，使已聚集成大晶体的固结“粉碎化”，球团相互粘结变形，不利于球团预热固结。
 

 
图3 不同预热温度下碱度对预热球抗压强度的影响（预热时间为7min）

       碱度和预热时间对预热球抗压强度的影响见图4。延长时间对提高预热球强度明显有效。在还原时间为13分钟时，碱度从0.011提高到0.35时，球团的抗压强度从605N/个增加到1672N/个，碱度从0.35继续提高到0.90时，球团抗压强度由1672 N/个降低到638 N/个，抗压强度在碱度0.35时达到最高峰。

 
图4 不同预热时间时碱度对预热球抗压强度的影响（预热温度为1100℃）

2.3 球团直接还原工艺参数优化

        由图5 和图6可见，随着还原温度的升高，金属化率和球团抗压强度均升高，但预热球团直接还原的抗压强度明显高于氧化球团直接还原。当温度到1050℃时，预热球团直接还原铁金属化率达93.52%、抗压强度达2203N/个。但继续升高温度，预热球团金属化率反而降低。这是由于预热球团在高温初期还原，迅速还原并形成致密的金属铁外壳，阻碍了反应的进行。

 
图5 还原温度对DRI产品质量的影响（还原时间为90min，C/Fe为1）

图6  还原温度对DRI产品抗压强度的影响（还原时间为90min，C/Fe为1）

        还原时C/Fe对赤铁矿球团还原的影响如图7和图8，由图可知，随着C/Fe的提高，还原球团金属化率均先提高后趋于稳定，当C/Fe到0.75时，预热球团和氧化球团还原铁金属化率均达94%以上。预热球团和氧化球团还原球的抗压强度随着C/Fe的变化不大。但预热球团还原球的抗压强度远高于氧化球团，有利于减少粉末形成，减少回转窑结圈隐患。

       由图9可以看出，预热球团和氧化球团均能迅速还原，还原30min左右时金属化率大于85%，还原70min时，金属化率均达94%以上，并趋于稳定。预热球团的还原速度略比氧化球团还原速度快。由图8可知，预热球团还原和氧化球团还原均有相同规律，即亚铁的高峰对应抗压强度的低谷。但是预热球团的“低谷区”（抗压强度<500N/个）时间比氧化球团的“低谷区”短。预热球团直接还原过程中其抗压强度上升得也快得多，最后的直接还原球团抗压强度也要高的多。预热球团还原30min时，直接还原铁的抗压强度达628N/个；而氧化球团还原70min时才达638N/个。缩短球团抗压强度处于“低谷区”的时间，可使煤基直接还原生产过程中球团粉末率降低。因此“一步法”可减少球团粉化，确保回转窑安全运行。

 
图7  C/Fe对DRI产品质量的影响（还原温度1050℃，还原时间均为90min）

图8 C/Fe对DRI产品抗压强度的影响（还原温度1050℃，还原时间均为90min）

2.4 直接还原铁产品性能

       将生球(R=0.15)在1150℃预热固结4min后,对热球进行煤基直接还原，直接还原条件如下：还原温度1050℃、还原时间90min、C/Fe比为0.75，其产品化学分析见表8，性能见表9。由表可知，该直接还原铁品位高达94.17%，金属化率达93.79%，有害杂质少，属于优质海绵铁产品，是电炉的优质原料。
 

 
图9 还原时间对DRI产品质量的影响（还原温度1050℃，C/Fe为0.75）

图10 还原时间对DRI产品质量的影响（还原温度1050℃，C/Fe为0.75）

2.5 预热球团还原能谱分析

       在还原温度1050℃、还原时间90min、C/Fe比为0.75的条件下，对预热球团还原后金属化球团进行扫描电镜能谱分析。对金属铁晶粒进行能谱分析，结果如图11所示，表明其组成以金属Fe元素，金属铁晶粒纯度极高。

 
图11 预热球团还原球中金属铁晶粒（白色）的扫面电镜能谱图

        对金属铁颗粒周围脉石矿物区域进行能谱分析，结果如图12，表明其主要以Si、Al、O、Ca为主，有少量的Na、Mn等元素，少量脉石包含在金属铁中。

 

图12 预热球团还原球中金属铁晶粒中脉石成分（灰色）的扫面电镜能谱图

3 结论

       3.1以巴西赤铁精矿为原料制备两种球团：预热球团和氧化球团。巴西赤铁矿球团在1150℃下预热固结4min，预热球团抗压强度达1111N/个；球团在预热温度1000℃预热时间4min，焙烧温度1300℃及焙烧时间12min，氧化球团抗压强度达2708N/个。

        3.2预热球团和氧化球团在还原温度为1050℃、C/Fe比为0.75、还原时间为90min的条件下直接还原。预热球团直接还原能得到总铁含量94.17%，金属化率为93.79%，抗压强度为1973N/个的直接还原铁；氧化球团直接还原得到全铁含量94.32%，金属化率为94.80%，抗压强度为869N/个的直接还原铁。

        3.3 以巴西赤铁精矿和烟煤为原料，可采用“一步法”球团煤基直接还原工艺制备优质的直接还原铁，并与二步法进行比较，“一步法”优于“二步法”。将有利于简化工艺流程，节省投资，降低成本，同时也为直接还原拓宽原料来源。

参考文献
[1] 邱冠周，姜涛，徐经沧等.冷固结球团直接还原[M].长沙：中南大学出版社，2001:1-4,41
[2] 方觉等.非高炉炼铁工艺与理论[M].北京：冶金工艺出版社，2003:1-2
[3] World steel in Figures 2011 [EB/OL] [2011-11-18] http://www.worldsteel.org
[4]World crude steel output increases by 6.8% in 2011 [EB/OL]. [2012-01-23]. http://www.worldsteel.org
[5] 李永全，陈宏，周渝生，等.BL法直接还原工艺研究和开发[J].钢铁，1999，,34（9）:6-10
[6] 赵庆杰，王治卿，史占彪，等.链篦机-回转窑直接还原的适宜焙烧温度[J].钢铁，1999,34（7）:12-14
[7] 刘国根，王淀佐，邱冠周.国内外直接还原现状及发展[J].矿产综合利用，2001（5）：20-25
[8] Sum S, Lu W K. A theoretical investigation of kinetics and mechanisms of iron ore reduction in an ore/coal composite [J]. ISIJ International, 1999, 39(2):123-129
[9] QIU Guan-zhou, JIANG Tao, ZHU De-qing, et al. Characterization of preparing cold bonded pellets for direct reduction using an organic binder[J].ISIJ International,2003,43(1):20-25
[10]  白国华，庄剑鸣，王龙千，等.低品位难选铁矿在直接还原过程中渣铁分离的研究[J].烧结球团，1996,21（4）:17-20.
[11]  李建.铁精矿复合粘结剂球团直接还原法工艺及机理研究（D）.长沙：中南大学，2007
[12]  陈耀明，李健.氧化球团矿中Fe2O3的结晶规律[J].中南大学学报，2007,38（1）:70-73