基于转底炉含碳球团珠铁工艺的硼铁精矿综合利用基础研究

2018-03-28   作者：佚名   网友评论 0 条

 　王 广，王静松，薛庆国

　　北京科技大学 钢铁冶金新技术国家重点实验室， 北京

　　前言

　　年中国铁矿石进口量为10.24 亿吨，同比增长7.5% [1]。铁矿资源的安全供给及高昂的铁矿价格已成为制约我国钢铁工业可持续发展的重要要素。已探明的中国铁矿资源经济储量为210 亿吨左右，然而我国铁矿资源呈“贫、散、细、杂”等特点，其中有三分之一属共伴生、难选冶的复杂铁矿资源，通过研究开发，使这部分铁矿资源中的铁和非铁元素得到综合利用，将使我国可利用铁矿资源成倍增加，并提高经济效益。

　　硼产品广泛应用于化工、陶瓷、玻璃、冶金、医药、军工、航空航天以及核能等多种领域[2]。我国传统的硼资源-硼镁石矿（亦称“白硼矿”）储量现已接近枯竭，品位下降严重，企业生产成本增加。预计到2020年，中国硼矿缺口将达150～200万吨。辽宁地区拥有大量的低品位硼铁矿（亦称“黑硼矿”），目前，该矿已探明铁矿石储量2.8亿吨，占全国铁矿石储量的1%；B2O3储量2184万吨，占全国总储量的58%，是一座大型的硼、铁、镁、铀复合矿床，可作为硼镁石矿的替代资源。矿石中铁、硼的品位较低：TFe27～30%，B2O36～8%，难以作为单种矿石直接利用[3]。该矿的综合利用对我国硼工业和钢铁工业均具有积极意义。

　　笔者结合硼铁精矿的特点以及含碳球团珠铁工艺的基本原理，提出了基于硼铁精矿含碳球团还原熔分的硼铁精矿综合利用新流程，本文主要介绍新工艺的特点和与之相关的实验室基础研究。

　　硼铁精矿综合利用新工艺的提出

　　硼铁矿综合利用现状

　　硼铁矿主要由磁铁矿、硼镁石、硼镁铁矿以及含硅、镁的脉石矿物（叶蛇纹石、斜硅镁石、石英等）组成，矿相结构复杂，多种有用元素共生，硼镁石和磁铁矿嵌布粒度极细，脉石矿物原生粒度大，相互之间呈交错分布[4]。该矿与钒钛磁铁矿、包头稀土矿相近，亦是一种难选、难冶的复合共生铁矿，其综合利用涉及选矿、冶金、化工等多学科的众多问题。自1958年以来，针对硼铁矿的工艺矿物学、选矿、湿法处理、火法处理、复合处理以及富硼渣的活性控制等进行了较多研究，积累了较多的基础数据。

　　目前，低品位硼铁矿一个比较合理的利用思路是：以硼为主，首先通过选矿实现原矿中硼和铁的初步物理分离，得到硼精矿和硼铁精矿，硼精矿经活化焙烧可以直接作为硼化工工业的优质原料；硼铁精矿通过选择性还原熔分的方法实现铁硼二次分离，得到含硼生铁（或半钢）和富硼渣，含硼生铁（或半钢）作为炼钢原料，富硼渣经活化后作为硼化工工业的原料。由于硼铁精矿中的B2O3约占原矿中B2O3的30%，若不考虑这部分B2O3的回收，则硼铁矿磁选工艺B2O3的综合回收率将不会超过70%。因此，实现硼铁精矿中硼与铁的分离并回收熔分产物中的硼是低品位硼铁矿综合利用的一个关键环节。针对硼铁精矿中硼铁的二次分离，研究者提出了“高炉法”和“直接还原-电炉熔分”两种火法工艺，目前仍处于研究阶段。

　　（1）高炉法

　　针对硼铁矿的化学组成和矿相结构特点，东北大学张显鹏教授通过硼铁矿高温碳热还原熔分试验，研究了还原过程中有价元素Fe、B、Mg、Si的变化规律，形成了高炉法实现硼铁矿硼铁分离的思路，并通过13m3高炉冶炼试验进行了验证，在取得成功后改用硼铁精矿制备的球团矿进行了多次工业试验。高炉法冶炼硼铁矿过程中，炉料中10～15%左右的硼进入铁水，其余进入炉渣，硼铁分离彻底，实现了化工、冶金多重效应。但是，高炉产能下降，焦炭消耗增加，高炉炉衬侵蚀严重，产品含硫高，富硼渣中硼活性低，若通过缓冷提高渣中硼的活性，在技术上难度较大，实现工业化生产尚需进行进一步的工作。

　　（2）直接还原-电炉熔分工艺

　　东北大学赵庆杰教授基于选择性还原的热力学原理，提出了固相还原-熔化分离实现硼铁矿中硼铁分离的工艺，通过回转管外配煤直接还原试验表明，还原温度1025～1100℃、时间2～2.5h时，金属化率一般在80%以上，预还原铁矿通过电阻炉、电弧炉、感应炉及电渣炉等多种型式的电热炉进行熔分，研究表明金属铁和含B2O3的渣相分离良好，分离效果与矿石中铁的金属化率、熔化分离作业温度及时间有关。储满生等基于硼铁矿综合利用的现状和硼铁精矿硼铁高效分离的具体要求，提出了直接还原-电炉熔分实现硼铁精矿硼铁分离的新工艺，通过实验室试验模拟不同还原工艺下硼铁精矿的预还原及预还原矿的电炉熔分，结果表明，富硼渣和生铁的质量均合格。但是，由于种种原因该研究进行到实验室试验、扩大试验后未继续进行。

　　含碳球团珠铁工艺的发展

　　转底炉煤基直接还原是最近三十多年来发展起来的炼铁新工艺，该工艺以含碳球团为炉料，由于球团内的还原剂及矿粉粒度细，碳与铁氧化物密切接触，反应面积大大增加，还原速率加快[8]。目前，转底炉直接还原已较成功地用于处理钢铁厂的含锌粉尘[9]。