菱铁矿煤基直接还原-磁选小型实验研究.pdf

第3 4 卷 2 0 1 4 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G D 咂凰I U N G V 0 1 ．3 4 A u g u s t2 0 1 4 菱铁矿煤基直接还原一磁选小型实验研究① 朱德庆1 ，杜永强2 ，潘建1 ，罗艳红1 ，周仙霖1 1 ．中南大学资源加工与生物工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．新疆昌平矿业公司，新疆乌鲁木齐8 3 0 0 1 9 摘要以菱铁矿为原料，烟煤为还原剂，进行菱铁矿直接还原．磁选小型实验制备优质直接还原铁粉的实验研究。研究结果表明， 对菱铁矿采用直接还原一磁选富集可以获得良好的指标。在菱铁矿粒度5 ～1 0m m ，褐煤粒度- 5m m ，煤／矿质量比1 ．5 ，还原温度 10 5 0o C ，还原时间1 2 0m i n 的条件下进行直接还原，还原焙烧矿在磨矿细度一0 ．0 4 3n u n 粒级占7 1 ．1 ％，磁场强度0 ．1T 的条件下磁 选，获得了铁品位9 1 ．5 6 ％、金属化率9 4 ．6 6 ％的优质直接还原铁粉，全流程铁回收率8 8 ．4 6 ％。菱铁矿煤基直接还原一磁选是制备优 质直接还原铁粉的一条有效途径。 关键词菱铁矿；煤基直接还原；磁选；直接还原铁 中图分类号T D 9 2 5文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 8 ．0 2 5 文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 4 0 8 - 0 0 9 9 - 0 5 直接还原铁因其铁品高、杂质含量低，是冶炼优质 钢和特殊钢的理想原料。近年来直接还原铁产量快速 增长，世界直接还原铁年产量2 0 1 2 年达到55 4 4 万 吨，约为世界生铁产量的5 ．4 ％l l j 。然而我国直接还原 铁产量不但没有增长，而且还在下降，2 0 1 3 年直接还 原铁产量仅6 5 万吨左右，与我国钢铁工业大国地位严 重不符。印度直接还原铁年产量已高达近35 0 0 万 吨，占世界直接还原铁产量的3 0 ％左右拉‘3J 。此外，近 年来我国钢铁工业面临节能减排及改善环境的巨大压 力。发展直接还原一电炉炼钢短流程是我国钢铁工业 的重要发展方向。但是，发展我国直接还原的最大障 碍在于优质铁矿资源短缺，原料成本偏高，直接还原生 产厂家无法生存。国内相关单位对菱铁矿直接还原开 展了大量研究，重庆大学朱子宗H 1 等人认为最佳的还 原焙烧条件为还原温度10 5 0 ℃、还原时间4h 、菱铁 矿的粒度为1 0 ～8m m 。在实验室大型焙烧炉内用固 定床罐式法煤基还原铁品位为3 6 ．4 4 ％的菱铁矿，得到 了高金属化率的还原焙烧矿。该矿经球磨．磁选后得 到铁品位大于8 0 ％，硅含量小于6 ％的海绵铁。此外 北京科技大学的闫树芳“ 1 等人以嘉峪关某菱铁矿为 原料，采用直接还原焙烧一磁选工艺，在煤用量为1 5 ％， 助熔剂用量为5 ％，焙烧温度为l2 0 0 ℃，焙烧时间为 6 0m i n 的条件下，用两段磨矿，一段磨矿细度为一0 ．0 7 4 m m 粒级占7 2 ．9 6 ％，二段磨矿细度为- 0 ．0 4 3m m 粒级 占9 5 ．8 9 ％，两段磁选场强均为1 1 1 ．4 4k A ／m 时，可以 得到品位为9 4 ．7 0 ％、回收率为9 0 ．2 8 ％的还原铁粉。 本文以新疆昌平矿业公司开采的菱铁矿为原料，烟煤 为还原剂，进行菱铁矿直接还原一磁选小型实验研究， 优化工艺参数，制备优质直接还原铁粉，为开展扩大试 验提供依据。利用新疆丰富的菱铁矿和煤炭资源，生 产优质直接还原铁粉是解决电炉炼钢短流程原料短缺 的有效途径之一，具有重要的研究价值。 1 原料性能及研究方法 1 ．1 原料性能 菱铁矿样品化学成分如表1 所示，全铁含量为 3 5 ．4 3 ％，铁品位较高，杂质硅、钙、镁、锰、钛等含量较 低，尤其是钾、钠、磷、硫等有害元素含量很低。 表1 菱铁矿化学成分 质量分数 ／％ 将菱铁矿样品中 2 5m m 粒级破碎至- 2 5m m ，并 进行粒度筛分，分为- 5m m ，5 1 0m m ，1 0 ～1 6m m ，1 6 ～2 5n l l n 四个粒级。破碎整粒后菱铁矿的部分物理性 质见表2 。实验中主要使用5 2 5m m 粒级的样品进 行直接还原研究。 试验所用的主要还原剂为新疆昌平矿业提供的褐 煤，表3 ～6 分别为煤的工业分析、煤的热稳定性、煤的 ①收稿日期2 0 1 4 - 0 6 - 2 7 作者简介朱德庆 1 9 6 4 - ，男，湖南人，教授，博士，主要从事铁矿烧结球团与直接还原、资源综合利用。 万方数据 1 0 0矿冶工程 第3 4 卷 表2 破碎整粒后菱铁矿的粒度及密度情况 M l dA dV d a f S t F C ．d焦渣特征 7 ．5 2 ％9 ．9 ％2 9 ．5 9 ％0 ．6 2 ％5 2 ．9 9 ％2 注F c a d 为空气干燥基固定碳；M a d 为空气干燥基水分；A d 为干燥基灰 分；V d a f 为干燥基挥发分。 表4 煤的热稳定性 表6 煤灰分的化学成分分析结果 质量分数 ／％ S i 0 2F e 2 0 3A 1 2 0 3T i 0 2 C a O m g o S 0 3P 2 0 5K 2 0N a 2 0 3 9 ．7 46 ．3 3 2 2 ．3 81 ．2 41 5 ．8 54 ．5 66 ．1 10 ．2 00 ．3 40 ．5 4 软融特性和煤灰分的化学成分分析。该煤的固定碳含 量较高，为5 2 ．9 9 ％，挥发分含量也较高，属于变质程度 较低的煤，且空气干燥基全硫含量小于1 ％，结焦指数 较小，软融温度较高，大于11 8 0 ℃，可满足磁化焙烧 及直接还原试验的要求。 褐煤作为还原剂具有很强的化学活性及很高的反 应性，对铁矿石有很好的还原能力，是回转窑直接还原 的良好能源。褐煤用于回转窑直接还原，提供最佳的 廉价能源，有利于强化生产及降低直接还原铁的生产 成本。 1 ．2 研究方法 试验流程图如图1 所示原矿经过破碎筛分后，进 行直接还原焙烧，得到焙烧矿，焙烧矿经球磨磁选得到 磁选磁铁精矿 直接还原铁粉 。 矿石经采样后用颚式破碎机破碎并筛分成一5 r a i n 、1 0 5m i l l 、1 6 1 0m m 和2 5 1 6r a i n 四个粒级。 将筛分后的矿石在1 0 5o C 的恒温烘箱中烘4h 备用。 将需配入还原煤质量的1 ／3 置于不锈钢吊罐 ①6 5m m 1 0 0m m 底部，然后放入一定量干燥后菱 菱铁矿块矿 精矿尾矿 图1菱铁矿块矿直接还原- 磁选实验流程 铁矿块矿，最后加入剩余2 ／3 的还原煤粉。待还原炉 温度达到设定温度后，将不锈钢吊罐放人还原炉中进 行直接还原。还原一定时间后，取出反应罐，盖煤冷 却，然后用磁铁进行一次简单的干式磁选得到直接还 原焙烧矿。 球磨磁选还原焙烧产品经人工破碎 一1m m ， 每次取2 0g ，在型号X M Q 2 4 0 x 9 0 锥形球磨机中进行 湿式球磨 矿浆浓度5 0 ％ ，然后在X C G S 一7 3 型磁选 管 直径为5 0n l l n ，磁场强度可调 中磁选后得到最终 铁精矿产品。 产品分析对球磨磁选得到的精矿和尾矿过滤，用 真空干燥箱在7 0 ℃下烘干，称重。对产品取样进行化 学分析，得到其全铁含量、金属铁含量，计算金属化率 和铁回收率。 2 结果与分析 2 ．1 还原温度 菱铁矿粒度5 1 0m m ，褐煤- 5m m ，C ／F e 2 ．2 4 ， 还原时间1 0 0m i n ，磨矿细度- 0 ．0 7 4n l r n 粒级占9 2 ．5 ％， 磁场强度0 ．1T ，还原温度对菱铁矿直接还原的影响见 图2 。 还原温度／℃ 图2 还原焙烧温度对菱铁矿直接还原的影响 手～；内 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月 朱德庆等菱铁矿煤基直接还原氆选小型实验研究 l O l 由图2 可见，还原温度对分选效果影响很大，随还 原温度上升，精矿铁品位、金属化率和铁回收率都得到 显著提高。温度升至11 0 0 ℃，各项指标变化不大。 在实际生产中，还原温度越高就意味着对设备性能的 要求越高，能耗也相应会更高。综合考虑，菱铁矿煤基 直接还原的适宜温度推荐为l0 5 0o C 。 2 ．2 C ／F e 比 图3 为菱铁矿粒度5 1 0m m ，褐煤粒度- 5r a i n ，焙 烧温度10 5 0 ℃，焙烧时间1 0 0m i n ，焙烧矿磨矿细度 一0 ．0 7 4m l n 粒级占9 2 ．5 ％，磁选磁场强度为0 ．1T 时碳 铁比对分选产品指标的影响。由此可见，在低碳铁比 阶段，随碳铁比增加，精矿铁品位和金属化率变化不 大，但的回收率增幅明显，当碳铁比超过2 ．2 4 时，精矿 中的各项指标波动较小，碳铁比为3 ．7 4 时，精矿铁品 位和金属化率出现了小幅下降。在此实验中，碳铁比 超过2 ．2 4 即为过量，继续增加碳的用量并不能使精矿 指标提高，故而选定碳铁比为2 ．2 4 为最佳，此时精矿 的铁品位为8 9 ．0 9 ％，金属化率为9 2 ．2 0 ％，铁回收率为 9 2 ．4 2 ％。 图3C ／F e 比对菱铁矿直接还原的影响 2 ．3 还原时间 菱铁矿粒度5 1 0l a i n ，褐煤粒度- 5t u n a ，焙烧温 度10 5 0 ℃，C ／F e 2 ．2 4 ；焙烧矿磨矿细度- 0 ．0 7 4m i l l 粒级占9 2 ．5 ％，矿浆浓度为5 0 ％，磁选磁场强度为0 ．1 T 时，还原时间对菱铁矿直接还原的影响见图4 。从图 4 可看出，时间对菱铁矿直接还原效果影响显著，还原 时间为6 0m i n 时，焙烧矿金属化率只有6 9 ．5 0 ％，精矿 金属化率也只有8 8 ．6 5 ％，铁的回收率为7 7 ．5 2 ％，随还 原时间的增加，精矿金属化率和回收率都大幅增加，到 1 4 0m i n 后，精矿的金属化率出现较大幅度下降。考虑 生产效率，结合精矿各项指标，推荐还原时间1 2 0m i n 作为最佳条件，此时，精矿品位8 8 ．3 2 ％，金属化率 9 4 ．9 5 ％，铁回收率9 4 ．2 9 ％。 图4 还原焙烧时间对菱铁矿直接还原的影响 2 ．4 菱铁矿粒度 在还原温度10 5 0 t 2 ，还原时间1 0 0m i n ，还原煤粒 度一5r a i n ，C ／F e 2 ．2 4 ，焙烧矿磨矿细度- 0 ．0 7 4l a i n 粒 级占9 2 ．5 ％，矿浆浓度为5 0 ％，磁选磁场强度为0 ．1T 的条件下，考查了菱铁矿粒度对直接还原效果及分选 指标的影响，结果见表7 。 表7 菱铁矿粒度对菱铁矿直接还原的影响 菱铁矿粒度在5 1 6m m 范围内对直接还原及磁 选影响不大，但当其粒度达到1 6 2 5m m 时，金属化 率、精矿铁品位及铁回收率下降。主要原因是菱铁矿 粒度越大，传质传热阻力越大，直接还原所需时间越 长。因此，在固定的还原时间和还原温度条件下，还原 及磁选效果必然下降。 2 ．5 还原煤粒度 在菱铁矿粒度5 ～1 0m m ，焙烧温度10 5 0o C ，还原 时间1 2 0m i n ，C ／F e 2 ．2 4 ，焙烧矿磨矿细度- 0 ．0 7 4m m 粒级占9 2 ．5 ％，矿浆浓度为5 0 ％，磁选磁场强度为0 ．1 T 的条件下，考查了还原煤粒度对还原及分选指标的 影响，结果见表8 。 表8 还原煤的粒度对菱铁矿直接还原的影响 万方数据 矿冶工程第3 4 卷 由表可见，褐煤粒度对菱铁矿直接还原的影响微 弱，但对磁选效果影响较大。尤其是当褐煤粒度超过 5m m 后铁回收率明显下降。这可能是因为还原煤粒 度越粗，粒层孔隙率越高，反应罐边缘气氛不易保持， 导致部分产生再氧化，铁的回收率下降。 2 ．6 磨矿细度和磁场强度 在菱铁矿粒度5 ～1 0m m ，褐煤粒度- 5n l i n ，还原 温度10 5 0 ℃，碳铁比2 ．2 4 ，还原时间1 2 0m i n 的条件 下制备一大批还原焙烧矿，对这批焙烧矿进行下统一 处理，把破碎后得到的一1m i l l 的产品缩分至每份2 0g ， 用来做磨矿细度试验和磁场强度试验。 2 ．6 ．1 蘑矽细葭 固定磁场强度0 ．1T ，考查不同的磨矿时间 对应 的磨矿细度见表9 对磁选效果的影响如图5 所示。 表9 磨矿时间与还原焙烧矿磨矿细度的对应关系 图5 磨矿时间对磁选指标的影响 由图5 可以看出，随磨矿时间的延长，磨矿细度增 加，精矿铁品位逐渐提高，金属化率变化不大，铁回收 率总体呈现下降趋势。这是因为增加磨矿细度时，微 细粒金属铁颗粒单体解离充分，精矿铁品位升高，但被 解离出去的颗粒中仍会夹带微量的单质铁，它会随着 非磁性物进入尾矿，增加了铁损失，因而使得精矿的铁 回收率下降。当磨矿细度进一步增加时，还原铁产品 品位基本不变，一方面，可能随着磨矿细度增加，在磁 选时由于磁团聚的作用，非磁性物质容易夹杂在精矿 中，另一方面，还原产品中可能存在极微细颗粒与单质 铁共生或类质同象，用磨矿磁选的方法无法使之分离。 综合考虑，认为8r a i n 是合理的磨矿时间，此时磨矿细 度达到- 0 ．0 4 3m m 粒级占7 1 ．1 ％，- 0 ．0 7 4r a i n 粒级占 9 6 ．8 0 ％，精矿品位达到了9 1 ．5 6 ％，金属化率9 4 ．6 6 ％， 回收率为9 3 ．7 0 ％。 2 ．6 ．2 磁场强度 磁场强度对还原焙烧矿磁选指标的影响如图6 所 示。由图可知，在磁场强度超过0 ．5 6T 的情况下，磁 选强度对磁选效果影响很小。综合考虑，本文认为， 0 ．1T 是适宜的磁场强度，此时精矿铁品位为9 1 ．5 6 ％， 金属化率为9 4 ．6 6 ％，铁回收率为9 3 ．7 0 ％。 磁场强度／T 图6 磁场强度对磁选指标的影响 2 ．7 综合试验 直接还原- 磁选小型实验推荐的适宜工艺制度为 菱铁矿粒度5 1 0m m ，还原剂粒度- 5I T I I T I ，还原温度 10 5 0 ℃，还原时间1 2 0m i n ，C ／F e 比2 ．2 4 ，还原焙烧 矿磨矿细度- 0 ．0 7 4m m 粒级占9 2 ．5 ％，- 0 ．0 4 3m m 粒 级占7 1 ．1 ％，磁场强度0 ．1T 。在此最佳条件下的全流 程试验结果如表1 0 所示。 表1 0 磁选作业选矿指标 对在最佳工艺条件下还原焙烧矿的磁选产品进行 化学分析，结果见表1 l 。分析表明，菱铁矿经还原焙 烧- 磁选后，铁在精矿中富集，S i 、m 、C a 等元素在尾矿 中富集，M g 、M n 和S 虽在尾矿中也得到了一定程度的 富集，但仍有部分进人精矿，尤其是有害元素硫含量偏 高，这在一定程度上影响了精矿质量。在下一步的扩 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月 朱德庆等菱铁矿煤基直接还原．磁选小型实验研究1 0 3 大试验中应考虑使用脱硫剂降硫。 表1 1 磁选产品多元素分析 质量分数 ／％ 3 结论 1 对菱铁矿采用直接还原一磁选富集可以获得良 好的指标。原矿在煤／矿质量比1 ．5 ，还原温度10 5 0 ℃，还原时间1 2 0m i n 的条件下进行直接还原，还原产 品在磨矿细度- 0 ．0 7 4m m 粒级占9 1 ．4 ％，磁场强度0 ．1 T 的条件下磁选，得到了铁品位8 9 ．7 3 ％、金属化率 9 4 ．2 6 ％、作业回收率为9 2 ．5 8 ％的直接还原铁粉。 2 通过优化磨矿和磁选工艺参数，当还原焙烧矿 磨至一0 ．0 4 3m m 粒级占7 1 ．1 ％，在0 ．1T 磁场强度下磁 选，获得了铁品位9 1 ．5 6 ％，金属化率9 4 ．6 6 ％的优质直 接还原铁粉，作业回收率为9 3 ．7 0 ％，全流程回收率 8 8 ．4 6 ％。 3 对直接还原铁粉进行多元素分析发现，有害元 素硫含量偏高，在下一步的扩大试验中，应添加脱硫 剂，固化还原煤中的硫，阻止直接还原铁对硫的吸收。 参考文献 周渝生，齐渊洪，洪益成，等．我国非高炉炼铁探寻科学发展路 [ J ] ．中国冶金报，2 0 1 3 6 9 - 1 2 ． 王太炎．聚焦全球直接还原铁生产挑战未来[ c ] ∥直接还原生产工 艺、产品应用及市场找推介2 0 1 4 交流会论文集．天津，2 0 1 4 1 7 2 0 ． 陶江善．2 0 1 3 年中国直接还原铁企业调查情况概述[ c ] ∥直接还 原生产工艺、产品应用及市场找推介2 0 1 4 交流会论文集．天津， 2 0 1 4 2 6 3 0 ． 朱子宗，张丙怀．煤基还原贫菱铁矿冶炼海绵铁的实验研究[ J ] ． 重庆大学学报，1 9 9 8 3 1 0 1 1 0 5 ． 闫树芳，孙体昌，寇珏，等．某菱铁矿直接还原焙烧磁选工艺 研究[ J ] ．金属矿山，2 0 1 1 5 8 9 - 9 2 ． 1{1j 1 J l 二 心 ∽ H ∞ 万方数据