钛磁铁矿球团预还原与熔分关系试验研究.pdf
钛磁铁矿球团预还原与熔分关系试验研究 ① 李 林1,2, 郭汉杰1, 孟祥龙2, 王代军1,2, 李永麒1 (1.北京科技大学 冶金与生态工程学院,北京 100083; 2.北京首钢国际工程技术有限公司,北京 100043) 摘 要 以钛磁铁矿、煤粉和氧化钙为原料,研究了矿粉粒度、加水量以及制球压力对球团落下强度、抗压强度的影响,确定了最佳 制球条件。 根据铁矿石的直接还原和熔分原理,研究了热量和金属化率对含碳球团熔分的影响。 900 ℃以下,球团金属化率极低, 只有热量对熔分产生影响;1 000 ℃以上,球团金属化率较高,热量和金属化率共同对熔分产生影响。 钛磁铁矿含碳球团的最佳制 球条件为粒度 0.075~0.106 mm,加入水量 8%,制球压力 4 MPa。 通过对预还原 1 000~1 300 ℃的球团进行熔分试验分析发现,随 预还原温度升高,球团金属化率提高,熔分时间变短。 关键词 钛磁铁矿; 球团; 预还原; 金属化率; 熔融分离 中图分类号 TF562文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2015.03.029 文章编号 0253-6099(2015)03-0106-05 Experimental Research on Effects of Pre⁃reduction and Melting Separation on Titanomagnetite Pellets LI Lin1,2, GUO Han⁃jie1, MENG Xiang⁃long2, WANG Dai⁃jun1,2, LI Yong⁃qi1 (1.School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2.Beijing Shougang International Engineering Technology Co Ltd, Beijing 100043, China) Abstract With titanomagnetite, pulverized coal and CaO as raw materials for pelletizing, effects of particle size, water addition and pelletizing pressure on the falling strength and compressive strength were explored through experiments, resulting in the optimized pelletizing conditions. The influence of heat and metallization rate on the metal⁃slag separation of carbon⁃containing pellets was investigated based on the theories of direct reduction and melting separation for iron ore. It is found that low metallization rate appears at the temperature less than 900 ℃, with melting separation just affected by the heat. However, a high metallization rate will appear at the temperature over 1 000 ℃, with the heat and metallization rate brought a joint effect on the melting separation. Thus, the optimized pelletizing conditions were obtained for the titanomagnetite, including the particle size of 0.075~0.106 mm, water addition of 8%, and pelletizing pressure at 4 MPa. The following melting separation experiment with pellets subjected to the pre⁃reduction at 1 000~ 1 300 ℃ indicated that an increase in the pre⁃reduction temperature could not only increase metallization rate, but also shorten melting separation time. Key words titanomagnetite; pellets; pre⁃reduction; metallization rate; melting separation 钛磁铁矿是炼铁及提取钛产品的重要原料,伴生 有钒、铬、镍等多种有价金属,具有很高的利用价值。 目前,钛磁铁矿的主要处理方法是将其筛选后作为高 炉护炉添加剂配入普通铁矿石进行高炉冶炼。 优质含 铁原料供应紧张和环保要求日益严格,使得原料适应 性强、流程简化、环境友好的直接还原技术得到快速发 展,将先进非高炉技术应用于钛磁铁矿还原的研究对 创新炼铁技术、综合矿产资源利用具有重大意义[1-2]。 以钛磁铁矿精矿粉、煤粉和氧化钙为原料,进行钛磁铁 矿含碳球团还原的基础试验研究对未来工业化至关 重要[3]。 1 钛磁铁矿含碳球团制备及性能检测 1.1 试验目的 生球性能直接影响后续还原、熔分工序及最终产 品质量。 对生球性能加强检测可为后续工序创造良好 条件。 生球性能评价指标主要包括生球水分、粒度、抗 压强度、落下强度及高温破裂性能等。 试验通过抗压 强度、生球落下强度等机械性能指标来检测分析矿粉 粒度、造球压力和水分对生球性能的影响,从而得出球 ①收稿日期 2014-12-16 作者简介 李 林(1979-),男,河北涿州人,工程师,博士研究生,主要研究方向为非高炉炼铁新理论与新工艺。 第 35 卷第 3 期 2015 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.35 №3 June 2015 团制备的最佳试验条件,为后续还原与熔分试验做 准备。 1.2 试验原料 试验原料有印尼海砂矿、工业煤粉和分析纯氧化 钙,其中氧化钙可溶于水形成氢氧化钙胶体,具备一定 粘结性。 矿粉和煤粉的原料成分见表 1~2[4-5]。 表 1 钛磁铁矿主要成分(质量分数) / % TFeFeOTiO2SiO2Al2O3MgOCaO 49.3226.489.3810.503.946.412.42 表 2 煤粉工业分析结果(质量分数) / % 固定碳灰分挥发分S 65.4510.4822.360.91 配碳量计算方法如下 设原矿中全铁含量为 ωTFe,%;FeO 含量为 ωFeO,%;Fe3O4含量为 ωFe3O4,%; 全氧含量为 ωO,%;碳氧摩尔比(C/ O)为 n;在检测出 ωTFe和 ωFeO的条件下,则有 ωFe3O4=(ωTFe- 56 72 ω FeO ) 232 168 (1) ωO= 16 72 ω FeO+ 64 232 ω Fe3O4 (2) 单位质量原矿配碳量 ωC为 ωC=n 12 16 ω O (3) CaO 添 加 量 计 算 为 设 原 矿 中 SiO2含 量 为 ωSiO2,%;CaO 含量为 ωCaO,%;碱度为 R,在检测出 ωSiO2 的条件下,单位质量原矿 CaO 添加量 ωCaO为 ωCaO=R ωSiO2 -ω CaO (4) 配碳量计算中仅考虑煤粉中固定碳含量,而未计 入挥发分中还原剂量;碱度计算未计入煤粉灰分中 CaO 和 SiO2的量[6-7]。 试验用球团矿数据为n=1.2,R=1.3,ωTFe=43.92%, ωFeO=26.48%,ωSiO2=10.50%,ωCaO=2.42%,将数据代入 式(1) ~(4),得出单位质量原矿配碳量为 15.15%,单 位质量原矿 CaO 添加量为11.23%,由于煤粉中固定碳 含量为65.45%,得出混合料组成为74.41%钛磁铁矿、 17.23%煤粉和 8.36% CaO[8-9]。 通过控制变量对影响生球性能的条件进行控制, 在保证其他条件不变的情况下,通过改变单一变量来 探究该条件对生球性能评价指标的影响。 1.3 试验分析 将矿粉分成 0.18~0.25 mm、0.15~0.18 mm、0.106~ 0.15 mm、0.075~0.106 mm 和-0.075 mm 共 5 个等级。 按照 n=1.2,R= 1.3 进行配料。 按矿粉粒度分 5 组试 验,每组都按原料配比进行配料混匀,加入 8%去离子 水搅拌均匀,在 4 MPa 下压球后保压2 min,得到直径 27 mm、高 122 mm 的椭圆形球团,在 105 ℃ 下烘干 2 h,使球团脱水率达 90%以上。 不同粒级生球各取 3 个,从 500 mm 高处落到 10 mm 厚钢板上,球团出现裂缝或破裂成块时,落下次 数规定为落下强度指标(包括出现裂缝或破裂的这一 次在内),取其算数平均值;不同粒级生球各取 3 个, 测试生球开始出现破裂变形时所对应最大压力,取其 算数平均值。 不同粒级生球落下强度与抗压强度结果见图 1。 从图 1 可以看出,随矿粉粒度降低,生球落下强度逐渐 增加,其抗压强度先增后降。 原料粒度越细,抗压强度 应呈增高趋势。 造成图 1 结果的主要原因是造球时间 短。 当原料黏性较大时,原料粒度越细,就越趋于均匀, 但粒度过细,无大颗粒作骨架,反而使抗压强度下降。 竖炉工业生产要求生球落下强度不低于 1~2 次/ 个,抗 压强度不低于 49 N/ 个。 根据试验结果及竖炉生产要 求,最佳粒度为 0.075~0.106 mm。 100 80 60 40 20 0 0.18 0.25 0.15 0.18 0.106 0.15 0.075 0.106 -0.075 58,* - 28,N - 0/440mm 58, 28, 图 1 不同粒级生球落下强度与抗压强度 按相同试验标准进行配料混匀加水搅拌后,分别 用压球机在不同压力下造球并保压 2 min,得到球团后 烘干脱水。 取不同压力条件下的球团各 6 个,分别进 行落下强度和抗压强度试验,结果如图 2 所示。 图 2 显示,随造球压力增加,落下强度和抗压强度均呈微弱 上升趋势。 压力 2 MPa 时球团抗压强度不符合竖炉 工业生产要求,其余压力下落下强度和抗压强度均符 合要求。 但当造球压力大于 4 MPa 后,随压力增加, 落下强度和抗压强度增大幅度不大。 从技术要求和操 作方便等方面考虑,造球压力选 4 MPa 为宜。 按相同试验标准进行配料混匀后,分别加入不同 量的去离子水搅拌均匀,在 4 MPa 压力下进行压球, 701第 3 期李 林等 钛磁铁矿球团预还原与熔分关系试验研究 得到球团后烘干脱水。 分别取不同水分条件下的球团 6 个,进行落下强度和抗压强度试验,结果见图 3。 70 60 50 40 30 20 10 0 58,* - 28,N - B94MPa 2 4 6 8 10 58, 28, 图 2 不同压力下生球落下强度与抗压强度 60 50 40 30 20 10 0 58,* - 28,N - 0;4 4 6 8 10 12 58, 28, 图 3 不同加水量下生球落下强度和抗压强度 图 3 表明,落下强度和抗压强度均随水分增加而 先升后降。 含水 4%和 12%时,抗压强度不符合竖炉 生产要求;含水 6%和 8%时,制球条件较干燥,导致产 出球团表面粗糙;含水 12%的条件下,压球时有明显 水分被压出;而在 10%时,落下强度和抗压强度均理 想,生球质量很高。 2 钛磁铁矿预还原与熔分试验研究 直接还原反应机理可看作间接还原反应和碳气化 反应的组合。 当体系中有微量 CO 时,即可还原金属 氧化物 MO,生成 CO2,CO2可与 C 反应生成 2 倍 CO, 再与 MO 反应生成 2 倍 CO2,使 CO 还原能力加倍。 直 接还原反应最终消耗的是 C 而非 CO[10]。 1 300 ℃时,铁氧化物还原过程为 Fe3O4 +C → FeO+CO(5) FeO+C→ Fe+CO(6) 当完全由碳直接还原时,n = 1 即可实现铁的还 原;CO 环境下,铁氧化物还原反应还有 Fe3O4+CO→ FeO+CO2(7) FeO+CO→ Fe+CO2(8) 还原平衡曲线中,在 1 300 ℃条件下,CO 生成后 会与 Fe3O4发生反应,但 FeO 还原是放热反应,此温度 下 CO 要达到高浓度才能使 FeO 还原,试验并不能提 供如此条件,导致金属铁仍由碳素直接还原产生。 原 矿中尚含其他可被还原物质,球团表面的碳素会与空 中氧气发生燃烧反应,配碳计算只考虑铁氧化物中的 氧元素,这些原因导致最佳配碳量超出理论计算值。 2.1 试验目的 通过测量未经预还原的球团和经不同温度不同时 间预还原球团的金属化率、熔分时间,观察熔分过程, 探究预还原温度和金属化率对熔分的影响,从而确定 最佳试验条件。 图 4 为主要预还原试验设备高温电阻炉剖面。 120 mm 180 mm 400 mm 500 mm 620 mm 2, 650 600 550 500 450 400 350 300 250 t 20 min t 30 min t 40 min 9,;0s 图 6 预还原温度与熔分时间关系 球团金属化率与预还原时间关系见图 7。 由图 7 可见,在不同预还原温度下,球团金属化率均随预还原 时间延长呈先增后降趋势。 理论上说,随预还原时间 推移,球团逐渐被还原,球团内部积累热量逐渐增多并 达一定程度时,球团金属化率应保持平衡,但此处球团 金属化率反而降低,原因可能是球团冷却时被氧化;对 比 4 条曲线可知,温度越高球团金属化率达到峰值所 需时间越短,原因是预还原温度越高,球团还原反应进 行越快[17-18]。 取预还原时间为 30 min,观察各预还原温度下球 团金属化率随温度变化曲线,结果见图 8。 图 8 表明, 球团金属化率与预还原温度成正比关系。 901第 3 期李 林等 钛磁铁矿球团预还原与熔分关系试验研究 1;/5 B/B;0min 95 85 75 65 55 45 35 25 15 10 20 30 40 50 60 70 80 1000 1100 1200 1300 图 7 金属化率与预还原时间关系 90 80 70 60 50 40 30 20 10 1000 1100 1200 1300 1;/5 B/B, 图 8 金属化率与预还原温度关系 3 结 论 1) C/ O 摩尔比为 1.2、碱度为 1.3 的球团最佳制 球条件为 矿样粒度 0. 075 ~ 0. 106 mm, 造球压力 4 MPa,加水量 8%。 2) CaO 含量对达到最大金属化率的时间影响不 大。 综合考虑 CaO 的作用,造球选用碱度为 1.3。 3) 预还原温度越高,球团金属化率越高,达到金 属化率峰值所需时间越短。 金属化率随预还原时间延 长呈先升后降趋势。 4) 900 ℃及更低温度条件下,钛磁铁矿煤基直接 还原难以进行。 1 000~1 300 ℃条件下,球团预还原金 属化率较高,能大幅缩短球团熔融还原时间。 1 550 ℃ 高温条件下,可实现含碳球团渣铁熔融分离。 参考文献 [1] 沙永志,滕 飞,曹 军. 我国炼铁工艺技术的进步[J]. 炼铁, 2012,31(2)11-14. [2] 郭培民,赵 沛,庞建明,等. 熔融还原炼铁技术分析[J]. 钢铁钒 钛,2009,30(3)8-12. [3] Li Lin, Zhang Fu⁃ming, Meng Xiang⁃long. Feasibility Study on HIsmelt Technology in China[C]∥Asia Steel Conference, Beijing, 2012268. [4] 李 林,彭 劼,孟祥龙,等. 钛磁铁矿预还原后渣铁熔融分离影 响因素试验研究[J]. 矿冶工程,2014,34(8)378-380. [5] 曹明明,张建良,薛 逊,等. 钒钛磁铁矿冷压含碳球团的粘结剂 选择[J]. 矿冶工程,2012,32(5)68-71. [6] 史成斌,郭汉杰,丁汝才,等. CaO⁃SiO2⁃MgO⁃Al2O3渣系与碳饱和 铁液间硫分配比的热力学模型[J]. 过程工程学报,2010,10(1) 160-164. [7] 张 盟,郭汉杰,丁汝才,等. CaO⁃SiO2⁃MgO⁃Al2O3炼铁渣系硫化 物容量的热力学模型[J]. 北京科技大学学报,2011,33(9)1082 -1086. [8] 王 飞,郭汉杰,杨学民. 基于最小 Gibbs 自由能原理的 CaO⁃SiO2 炉渣和 Si⁃Ca 金属两项体系平衡热力学模型[J]. 中国有色金属 学报,2012,22(6)1786-1790. [9] 刘松利,白晨光,胡 途,等. 钒钛铁精矿内配碳球团直接还原的 动力学[J]. 钢铁研究学报,2011,23(4)6-10. [10] 李 林,李永麒,郭汉杰. 钛磁铁矿球团预还原影响因素的实验 研究[J]. 矿冶工程,2014,34(3)81-82. [11] 王玉明. 钛铁矿碳热还原动力学[J]. 矿冶工程,2011,31(5)66-68. [12] 郈亚丽,王 华,卿 山. 钛铁矿和高磷铁矿混合矿氧化顶吹熔 融还原炼铁的工艺条件[J]. 过程工程学报,2011,11(6)1026- 1029. [13] 汪云华. 内配碳固态还原钒钛磁铁矿试验研究[J]. 矿冶工程, 2013,33(4)92-93. [14] 张友平,薛正良,李正邦,等. 含碳铬矿球团的预还原和熔分研究 [J]. 钢铁,2005,40(6)19-23. [15] 薛正良,杨 叠,周利刚,等. Wcomet 直接还原法渣铁分离影响 因素研究[J]. 武汉科技大学学报,2009,32(1)3-7. [16] 王亚利,倪 文,李克庆,等. 难选赤铁矿熔融还原炼铁及熔渣制 备微晶玻璃[J]. 北京科技大学学报,2008,30(9)1034-1037. [17] 郭汉杰. 金属镁粒铁水脱硫过程动力学[J]. 钢铁,2007,42(5) 40-43. [18] 郭汉杰,刘正波. 颗粒镁铁水脱硫率与镁利用率研究[J]. 北京 科技大学学报,2007,29(1)130-133. (上接第 105 页) 参考文献 [1] 柏 凌. 高炉内碱金属的富集循环[J]. 钢铁研究学报,2008(9) 5-8. [2] 张世忠. 碱金属在烧结过程的行为规律[J]. 内蒙古科技大学学 报,2010(2)108-111. [3] 庞建明. 回转窑处理含锌、铅高炉灰新技术实践[J]. 中国有色冶 金,2013(3)19-23. 011矿 冶 工 程第 35 卷