高品位磁铁精矿球团煤基直接还原的试验研究

2020-04-13 10:48:39 作者:huangj 来源: 浏览次数:0 网友评论 0

高品位磁铁精矿球团煤基直接还原的试验研究

 朱德庆,潘建,郭正启,杨聪聪,严欣程

中南大学资源加工与生物工程学院

       1 前言

直接还原工艺是非高炉炼铁的主要方法之一,它是铁矿石在低于其熔点的温度条件下,以固态的形式还原成金属铁的工艺。这一工艺所生产的还原铁也被称为直接还原铁(Direct Reduction Iron,简称为DRI)。当DRI的原材料为超纯铁精矿时,所制备的产品性能极佳,其纯度高,可作为电炉炼钢的原料和转炉炼钢的冷却剂。DRI进入钢铁工业后,得到了广泛的认可,甚至被认为将引领21世纪钢铁工业发展方向。近年来,世界DRI的产量逐渐提高,2017年全球DRI产量高达8710万吨[1]。目前, HYL和MIDREX是DRI生产的主要技术, 由这两种工艺生产的直接还原铁的产量占世界DRI总产量的80%以上。

然而,中国直接还原铁产量较低,在世界钢铁协会的《Steel Stastistical Yearbook 2017》中,已经连续7年(2010年至2016年)无中国的直接还原铁产量。但是从20世纪50年代开始,中国就已经开始进行直接还原相关技术的开发和研究工作[2,3]。不过由于天然气短缺的先天性限制,中国对直接还原的研究主要集中在煤基直接还原工艺,比如回转窑、隧道窑、转底炉等。煤基隧道窑罐式法生产工艺技术壁垒低、投资小,适合小规模生产,但是隧道窑法污染较为严重、能耗较高、单机产能较小,且其所得DRI质量相对较差,不能满足当今钢铁行业的需求,难以获得较大的发展前景[4,5]。近年来,转底炉工艺愈发受到我国的关注,建成了多座转底炉,但是,转底炉工艺煤灰会渗入DRI中,使其铁品位降低、S含量增高,难以满足炼钢生产的需求。目前对转底炉的应用主要为复合矿和二次资源的综合利用[6-8]。回转窑工艺技术发展迅速,回转窑是我国最重要的直接还原设备,但对原料要求高,只适用于球团或块矿,同时该工艺对技术要求高,可结合我国煤炭资源丰富,天然气匮乏的特点。回转窑法是目前能够稳定大规模生产直接还原铁的最佳选择。截至2014年底,我国曾建成6条煤基回转窑直接还原生产线,总产能约65万t/年。其中天津钢管的2条生产线是引进英国戴维公司的直接还原回转窑,以块矿或氧化球团为原料,产品质量优良,但2008年10月起由于缺乏优质原料而被迫停产至今[9,10]。若能提高铁精矿原料的性能,煤基回转窑技术制备优质DRI产品具有较大的技术和经济优势。

此外,近些年来,随着我国超纯铁精矿的需求量日渐加大,迫使利用国内铁精矿深加工以研制超纯铁精矿的发展规划提上日程,相继开发了阶段磨矿-阶段磁选、磁选-浮选联合、阶段磨选-弱磁选和磁选柱的双重精选等工艺,破解了铁精矿提纯的难题[11-12]。目前,生产出铁精矿70%以上的铁精矿并非难题。

以直接还原铁为原料的电炉炼钢短流程是冶炼优质钢和特种钢的重要工艺,节能减排优势明显,是《钢铁工业调整升级规划(2016-2020年)》特别指出的钢铁工业发展趋势。结合我国资源特点,大力发展煤基回转窑DRI生产,对完善高炉长流程、发展电炉短流程,推动钢铁工业的绿色发展和产业结构升级调整具有重大意义。本文以某铁品位高达69%的国产超纯磁铁精矿为研究对象,开展了铁精矿球团煤直接还原基础与工艺研究,开发超细超纯磁铁精矿的球团直接还原技术,拓宽球团矿生产原料来源,同时制备高品质的直接还原铁,为电炉冶炼优质钢提供高品质炉料。

2 原料性能及研究方法

2.1 原料性能

2.1.1 高品位铁精矿

所使用的高品位铁精矿均产自甘肃地区,由甘肃某公司提供。铁精矿化学成分分析列于表1。由表可知,OGM铁品位为69.42%,SiO2含量为1.23%,P、S、Pb、Zn和Cu等有害含量极低,从化学成分看,是一种优质的DRI原料。

 

高品位铁精矿的粒度组成及物理性能见表2及3。该磁铁精矿粒度极细,其中-200目超过99%,-325目超过63%,从粒度组成上看可以直接用于造球。OGM铁精矿成球性指数K为0.29,属于弱成球性成球性铁精矿。由表3可知,该磁铁精矿的比表面积仅为1231cm2/g,不能满足后续的造球要求,因此需要进一步的高压辊磨预处理。 

 

2.1.2还原煤

本文使用神府煤作为还原剂,还原煤均为外配。神府煤工业分析结果见表4,还原煤灰渣软熔特性见表5,化学成分见表6。由表可知,神府煤的固定炭含量高达52%,挥发分30.41%,灰分不到5%,硫含量仅为0.34%。直接还原用煤要求固定炭含量高于50%,挥发分30%左右,灰分小于10%,全S含量低于1%,焦渣特征数不大于2。神府煤具有较高的固定炭含量,适宜的挥发分,较低的灰分和硫含量,适合作为直接还原用煤。此外,神府煤灰分熔点较高,可以有效避免还原过程中回转窑结圈问题。

 

2.1.3粘结剂

为不降低DRI产品的铁品位,本研究采用有机粘结剂和膨润土联合强化铁精矿造球。由表可知,膨润土的吸蓝量为37.45g/100g,蒙脱石含量为84.73%(超过60%),吸水率569%,远高于一级品120的要求,膨胀倍数也高达14 ml/g,是一种优良的膨润土。本研究采用了有机添加剂-聚丙烯酰胺(PAM),取代部分膨润土。PAM是一种线型高分子聚合物,呈颗粒状,分子量500万以上。本研究采用的有机粘结剂为聚丙烯酰胺分析纯试剂。

 

2.2 研究方法

铁精矿直接还原试验主要分为造球、干燥、预热和焙烧、直接还原等步骤。

造球:鉴于OGM铁精矿比表面积较小,成球性较差,可对其进行高压辊磨预处理,以提高其成球性能。分别以PAM、F粘结剂及膨润土作为添加剂,加入干重为3.5kg的OGM铁精矿,将原料混匀后以圆盘造球机造球。造球机倾角为45°、直径为1m、边高为0.3m及转速为25r/min。取合格生球检测其生球性能,确定适宜的添加剂及其配比。确定适宜造球参数后,制备合格生球。

氧化球团制备:本文模拟链篦机-回转窑制备氧化球团。均以CWQ-55卧式管炉(加热室尺寸φ40×300mm)作为预热焙烧及氧化焙烧的设备。生球先在烘箱中105℃ 温度下干燥4小时,干球装在长6cm,宽3cm,高2cm的刚玉瓷舟中进行预热(氧化)焙烧试验。模拟链篦机制备预热球团进行预热焙烧一段试验;模拟链篦机-回转窑制备氧化球团进行预热焙烧及氧化焙烧二段试验。氧化球团一般以球团抗压强度作为评价指标。生球经预热焙烧或氧化焙烧后冷却至室温,使用压力机测其抗压强度,压力机采用中南大学研制的ZQYC-智能抗压测量仪,测量8个粒径在10~12.5mm之间的预热(氧化)球团抗压强度,取其平均值。

直接还原:本文直接还原是以KSY-12-18马弗炉(加热室尺寸35×40×52cm)模拟进行,由硅碳棒发热外部供热。每次实验,取60g预热或氧化球团,按照C/Fe质量比计算并配入还原煤。并将1/3的还原煤均匀放置在刚玉坩埚中,随后装入球团,在上面覆盖剩余的2/3还原煤。装料完成后,将坩埚放入已升至目标温度的马弗炉内进行还原。还原结束后,迅速取出坩埚,并将坩埚埋入煤堆里,以防止再氧化。冷却后的直接还原球团非常容易便可与残碳分离,经过干式磁选与筛分,在进行简单的清理便可获得质地纯净的金属化球团。使用ZQYC-智能抗压测量仪测量冷却后还原球团的抗压强度。

3.结果与讨论


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