酒钢镜铁山铁矿石直接还原-磁选试验研究.pdf

酒钢镜铁山铁矿石直接还原⁃磁选试验研究 ① 张志荣１，２， 孙体昌２， 胡天洋２ （１．酒钢选烧厂， 甘肃 嘉峪关 ７３５１００； ２．北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 １０００８３） 摘 要 以高炉除尘灰为直接还原剂，针对镜铁山式难选铁矿石进行了直接还原⁃磁选试验研究。 结果表明，高炉除尘灰有较好的 还原效果，在配比为 ３０％、焙烧温度为 １ ２００ ℃、焙烧时间为 ６０ ｍｉｎ 的条件下，可以获得铁品位 ９３．４５％、铁总回收率为 ８７．１４％的还 原铁粉。 研究表明，酒钢镜铁山矿直接还原制备还原铁粉是可行性的，同时为高炉除尘灰的开发利用找到了一个新的途径。 关键词 高炉除尘灰； 氧化铁矿石； 直接还原焙烧； 还原铁粉 中图分类号 ＴＤ９２５文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１４．０５．０１４ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１４）０５－００５４－０４ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄｉｒｅｃｔ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ⁃Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｒｏｎ Ｏｒｅ ｆｒｏｍ Ｊｉｎｇｔｉｅｓｈａｎ Ｍｉｎｅ ｏｆ ＪＩＳＣＯ ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ⁃ｒｏｎｇ１，２， ＳＵＮ Ｔｉ⁃ｃｈａｎｇ２， ＨＵ Ｔｉａｎ⁃ｙａｎｇ２ （１．Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ Ｐｌａｎｔ ｏｆ ＪＩＳＣＯ， Ｊｉａｙｕｇｕａｎ ７３５１００， Ｇａｎｓｕ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｉｔｈ ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ ｄｕｓｔ ａｓ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ａｇｅｎｔ， ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ ｉｒｏｎ ｏｒｅ ｆｒｏｍ Ｊｉｎｇｔｉｅｓｈａｎ Ｍｉｎｅ ｏｆ ＪＩＳＣＯ ｂｙ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａ ｄｉｒｅｃｔ⁃ｒｅｄｕｃｅｄ ｉｒｏｎ （ＤＲＩ） ｗｉｔｈ ｉｒｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ９３．４５％ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｔ ａ ＴＦｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｏｆ ８７．１４％， ｗｉｔｈ ｒｅｄｕｃｔａｎｔ ｒａｔｉｏ ｏｆ ３０％， ａｆｔｅｒ ａ ｒｏａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ １２００ ℃ ｆｏｒ ６０ ｍｉｎ， ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ ｄｕｓｔ ｂｒｉｎｇｉｎｇ ａｂｏｕｔ ａ ｇｏｏｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ． Ｉｔ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｔｈａｔ Ｊｉｎｇｔｉｅｓｈａｎ ｉｒｏｎ ｏｒｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｒｅｐａｒｅ ＤＲＩ ｐｏｗｄｅｒ ｂｙ ｄｉｒｅｃｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｔｈｕｓ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ａ ｎｅｗ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ ｄｕｓｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ ｄｕｓｔ； ｉｒｏｎ ｏｘｉｄｅ ｏｒｅ； ｄｉｒｅｃｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ⁃ｒｏａｓｔｉｎｇ； ｄｉｒｅｃｔ⁃ｒｅｄｕｃｅｄ ｉｒｏｎ （ＤＲＩ） 镜铁山铁矿属于寒武纪前奥陶纪沉积变质铁矿， 矿石类型为碧玉型弱磁性复合铁矿石；其以穿越矿区 的北大河为界划分为桦树沟和黑沟两个矿区。 矿石中 铁矿物主要有镜铁矿、镁菱铁矿和褐铁矿，少量磁铁 矿；脉石矿物主要为碧玉、重晶石、铁白云石和石英。 矿体产于浅变质的灰绿千枚岩中，呈层状或层状透镜 体，矿体下盘常有薄层含铁较高的灰黑千枚岩；矿石主 要呈条带状构造；该矿是典型的复杂、难选、氧化贫铁 矿石［１－２］。 其有以下特点矿物组成复杂多样、比例多 变；单矿物纯度低，杂质含量高；其中菱铁矿实际上是 含镁锰菱铁矿，铁品位只有 ３７．７％（菱铁矿理论铁品位 为 ４８．２％）；而脉石和围岩却含铁，其中铁白云石含铁 １０．６％左右，碧玉含铁 １０．５％左右，黑灰色千枚岩含铁 ８．３％左右；主要含铁矿物与脉石矿物之间的比磁化系 数、密度等物理参数有大小相近或交叉的现象，导致采 用强磁选及重选工艺难以分选；矿物嵌布粒度粗细不 均，需要细磨。 镜铁山铁矿石目前采用块矿磁化焙烧⁃弱磁⁃反浮 选、粉矿强磁选的生产工艺流程［３－４］；其中磁化焙烧是 处理该矿最有效的途径，但是弱磁选精矿存在机械夹 杂严重，导致精矿品位低、杂质含量高的问题，经过反 浮选只能达到品位 ６０％左右［５－６］、回收率 ７９％的指标； 粉矿无法磁化焙烧，只能采用强磁选，２０１４ 年 １～２ 月 生产数据表明强磁精矿品位只有 ４６％左右，回收率 ６５％左右。 中国绝大多数铁矿是贫矿，先煤基直接还原、再通 过磁选或直接电炉熔分等方式进行处理是有效的途 径［７－１０］；镜铁山矿直接还原焙烧⁃磁选工艺有研究的 必要。 高炉在冶炼过程中产生大量的除尘灰，Ｆｅ、Ｃ 含量 ①收稿日期 ２０１４－０４－２５ 基金项目 国家自然科学基金资助项目（５１０７４０１６） 作者简介 张志荣（１９７１－），男，陕西神木人，高级工程师，工程硕士，主要从事难选铁矿选矿技术研究工作。 第 ３４ 卷第 ５ 期 ２０１４ 年 １０ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３４ №５ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１４ 较高，各大钢铁公司主要将其作为二次资源返回烧结 流程配料循环使用［１１－１２］，但 Ｚｎ 等元素的循环累积导 致大量的粉尘无法直接回炉。 部分钢厂通过选冶联合 工艺分别选出 Ｆｅ、Ｃ 矿物，并除去有害杂质 Ｚｎ 等［１３］， 但存在流程长、成本高的问题；部分钢厂无法处理高炉 除尘灰，只好堆存，占用土地同时造成环境污染和资源 浪费［１４］。 国内外一直在探索高炉除尘灰的利用途径， 其中高炉除尘灰单独采用转底炉直接还原，取得了较 好的效果［７］。 但是将其作为铁矿石直接还原剂，鲜有 研究和报道。 本文以国内外知名的、难选的镜铁山式 弱磁性铁矿石为原矿，以高炉除尘灰为还原剂，进行了 直接还原焙烧试验研究，以寻找高炉除尘灰的利用途 径和镜铁山矿直接还原的可行性。 直接还原⁃磁选具有原料和能源的灵活性大、生产 成本较低、环境污染少等优势［７］，原料上对矿物类型 适应广，能源上可采用非焦煤，世界各地均有大量产 出，价格也比较低［１６－１７］。 该工艺技术对于酒钢镜铁山 铁矿石提高利用水平有着重要的启发。 该技术工业化 后可以将弱磁性难选铁矿石的长流程“磁化焙烧⁃弱磁 选⁃浮选⁃烧结⁃炼铁⁃炼钢”转化为短流程“直接还原焙 烧⁃弱磁选⁃炼钢”，同时可以省去中间的焦炭制备，对 于西部贫氧化难选矿的利用有着现实意义。 １ 试验原料与研究方法 １．１ 原矿性质 试验用矿石为酒钢镜铁山 ２０１３ 年 ９ 月下旬生产 用矿石，以下简称原矿；按照产出的矿区分别称桦树沟 矿和黑沟矿，其中桦树沟矿经过干式预选［２］，以下简 称为预选矿。 原矿中主要有用元素为铁，预选矿和黑 沟矿品位分别为 ３２．４０％、３８．５０％。 主要杂质元素为 硅、镁、钡和钙等，其中硅、钡和有害元素硫的含量较 高，但磷元素的含量不高。 原矿的矿物分析表明，铁的 主要矿物形式为镜铁矿、褐铁矿和菱铁矿的混合矿，另 有少量磁铁矿。 铁矿石的嵌布粒度粗细不均，从 ０．５ ｍｍ 至数微米不等，部分矿石含类质同象元素镁和锰； 主要脉石矿物为碧玉和重晶石［１］。 １．２ 高炉灰的性质及来源 试验用还原剂为酒钢高炉重力和布袋除尘灰，晾 干后按照 １∶１的比例混匀作为还原剂，以下简称高炉 灰，其粒度为－１ ｍｍ 粒级占 ９０％以上。 成分分析表 明铁品位 ２６．７％，固定碳 ３８％，全硫 ０．９６％，ＳｉＯ２为 ７􀆱 ２９％，ＣａＯ 为 ６．００％，ＺｎＯ 为 ３．７９％。 １．３ 研究方法 试验所用工艺流程如图 １ 所示。 图 １ 试验所用原则流程 设定不同还原剂配比（原矿与高炉灰的质量比）， 将高炉灰与原矿混合均匀放在石墨坩埚中，然后放进马 弗炉中进行还原焙烧，分别进行焙烧温度、还原剂用量、 焙烧时间工艺参数的条件试验。 焙烧产物冷却后，进行 选矿试验和化学分析，确定最佳工艺流程及指标。 由于 高炉灰含铁，以下回收率计算过程中一并给予考虑。 ２ 研究结果与讨论 ２．１ 高炉灰的还原效果 由于预选矿和黑沟矿矿石品位差异较大，分别进 行试验研究。 高炉灰用量３０％，焙烧时间６０ ｍｉｎ，预选 矿和黑沟矿在不同焙烧温度下的试验结果见图 ２。 其 中磁选磁场强度为 １４４ ｋｍ／ Ａ，下同。 图 ２ 焙烧温度对还原铁粉品位和回收率的影响 （ａ） 预选矿；（ｂ） 黑沟矿 ５５第 ５ 期张志荣等 酒钢镜铁山铁矿石直接还原⁃磁选试验研究 从图 ２ 可以看出，焙烧温度对预选矿、黑沟矿磁选 后还原铁粉的品位和回收率影响都很大，随着温度提 高，品位和回收率均呈现提高趋势，１ ２５０ ℃时品位和 回收率都达到最高。 焙烧温度继续提高，焙烧后会产 生明显的结块现象，焙烧产品很难从坩埚中取出，所以 焙烧温度不能高于 １ ２５０ ℃。 ２．２ 还原剂用量试验 焙烧温度 １ ２００ ℃，焙烧时间 ６０ ｍｉｎ，不同高炉灰 用量试验结果见图 ３。 图 ３ 还原剂用量对还原铁粉品位和回收率的影响 （ａ） 预选矿；（ｂ） 黑沟矿 从图 ３ 可以看出，还原剂用量对焙烧结果影响也 较大，提高还原剂用量可增加还原铁粉产率，提高铁回 收率，但使得还原铁粉品位下降。 综合品位和回收率， 高炉灰用量在 ３０％比较适宜。 从焙烧温度、还原剂用量试验来看，预选矿、黑沟 矿的试验规律和条件基本相近；考虑到生产实际过程 中预选矿和黑沟矿大体按照 １ ∶１的比例输出，所以后 续试验过程中对两种原矿样按照 １ ∶１的比例配矿形成 镜铁山原矿综合样进行试验。 ２．３ 焙烧时间试验 为考察还原时间的影响，进行了焙烧时间的试验， 结果见图 ４。 从图 ４ 可以看出，随着焙烧时间延长，还 原铁粉品位不断提高；焙烧时间在 ６０ ｍｉｎ 以上时，还 原铁粉品位和回收率保持稳定状态。 所以焙烧时间 ６０ ｍｉｎ 是合适的。 图 ４ 焙烧时间对还原铁粉品位和回收率的影响 ２．４ 磨矿时间试验 还原剂用量 ３０％，焙烧温度 １ ２００ ℃，焙烧时间 ６０ ｍｉｎ；一段磨矿浓度 ６７％，一段弱磁选，磁场强度 １８８ ｋＡ／ ｍ。 磨矿设备为 ＲＫ／ ＢＭ－棒磨机，筒容积１．１ Ｌ， 装 有 １０ 根 Φ１５ ｍｍ１１５ ｍｍ 钢棒，充填率 １９％，筒转速 １９２ ｒ／ ｍｉｎ。 一段磨矿时间试验结果见图 ５。 图 ５ 一段磨矿时间对还原铁粉品位和回收率的影响 从图 ５ 可以看出，磨矿时间延长后，还原铁粉品位 呈提高趋势，回收率呈下降趋势。 一段磨矿就可使直 接还原铁品位提高到 ９０％以上。 一段磨矿 ５ ｍｉｎ 的条件下，对一段磁选产品进行 二段磨矿试验，考察磨矿细度对直接还原焙烧选别指 标的影响，结果见图 ６。 图 ６ 二段磨矿时间对还原铁粉品位和回收率的影响 ６５矿 冶 工 程第 ３４ 卷 从图 ６ 可以看出，二段磨矿时间延长后，还原铁粉 品位呈提高趋势，回收率呈下降趋势。 实验室一段磨 矿时间 ５ ｍｉｎ，二段磨矿 ４ ｍｉｎ，就可使直接还原铁品位 提高到 ９２％以上，且可保证较高的回收率。 ２．５ 最佳条件试验 直接还原最佳条件试验数质量流程见图 ７。 图 ７ 镜铁山矿直接还原最佳条件试验数质量流程 ２．６ 最终产品分析 对稳定试验的最终还原铁粉进行多元素分析，结 果见表 １。 表 １ 镜铁山还原铁粉多元素分析结果（质量分数） ／ ％ ＦｅＺｎＯＳｉＯ２Ａｌ２Ｏ３ＣａＯＭｇＯＭｎＯ２ ９３．４５０．０６１０．５２０．１２０．０９０．０７０．０５ ＳＢａＯＰ ＴｉＯ２Ｋ２ＯＮａ２Ｏ ０．３０４０．０６０．０２０．０１０．０７９０．０４１ 从表 １ 可以看出，最终还原铁粉中 ＺｎＯ 含量较 低，表明其在加热过程中已经挥发，可以从烟气中回 收；Ｓ 含量较高，主要由重晶石和还原剂带入。 ３ 结 论 １） 高炉除尘灰含有较高的铁和碳，试验表明其可 以作为酒钢镜铁山铁矿石直接还原焙烧⁃磁选的还原 剂使用，且对该类型弱磁性复合难选铁矿石有较好的 还原效果。 ２） 还原剂用量为 ３０％，焙烧温度 １ ２００ ℃，焙烧 时间 ６０ ｍｉｎ，一段磨矿 ５ ｍｉｎ，二段磨矿 ４ ｍｉｎ，镜铁山 矿直接还原焙烧⁃磁选获得的最终指标为还原铁粉产 率 ３０．９４％，铁品位 ９３．４５％，回收率 ８７．１４％。 最终还 原铁粉中有害元素 Ｓ 偏高，需要进一步研究脱硫措施。 参考文献 ［１］ 罗立群，管俊芳，曹佳宏． 酒钢目前入选粉矿的矿石性质研究［Ｊ］． 金属矿山，２００７（４）２６－２９． ［２］ 张志荣，刘千帆． 酒钢桦树沟红铁矿预选研究及应用［Ｊ］． 矿冶工 程，２００７（２）３３－３６． ［３］ 姜 华． 不断改进的酒钢 选矿厂竖炉焙烧工艺［Ｊ］． 金属矿山， ２００６（７）４４－４７． ［４］ 唐晓玲，陈毅琳，高泽宾，等． 酒钢选矿厂焙烧磁选铁精矿阳离子 反浮选生产实践［Ｊ］． 金属矿山，２００８（１１）４３－４５． ［５］ 葛英勇，朱鹏程，陈毅琳，等． 中和度和 Ｃａ ２＋ 、Ｍｇ ２＋ 对 ＧＥ－６０９ 浮选 酒钢焙烧矿的影响［Ｊ］． 矿冶工程，２００９（６）３９－４２． ［６］ 罗立群，高远扬，陈 雯． 提高酒钢焙烧磁选精矿质量的试验研究 ［Ｊ］． 矿冶工程，２００１（１）２９－３２． ［７］ 刘松利，白晨光． 直接还原技术的进展与展望［Ｊ］． 钢铁研究学 报，２０１１（３）１－５． ［８］ 高照国，曹耀华，刘红召，等． 某难选褐铁矿直接还原焙烧⁃磁选工 艺研究［Ｊ］． 矿冶工程，２０１３（４）４９－５１． ［９］ 高本恒，王化军，曲 媛，等． 印尼某海滨砂矿精矿直接还原⁃磨 矿⁃磁选提铁试验研究［Ｊ］． 矿冶工程，２０１２（５）４４－４６． ［１０］ 何 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