煤基直接還原工藝在我國(guó)復(fù)雜鐵礦資源利用中的應(yīng)用
2018-04-11
我國(guó)鐵礦資源總量豐富,但絕大部分是低品位、多元素共生的復(fù)雜礦。其中典型的復(fù)雜鐵礦資源包括:釩鈦磁鐵礦、紅土鎳礦、稀土鐵礦、鈮鐵礦、高鎂含硼鐵礦、高磷鮞狀赤鐵礦、高鐵鋁土礦等。
張?jiān)婂鯊V,杜亞星,王靜松,薛慶國(guó)
北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
前言
我國(guó)鐵礦資源總量豐富,但絕大部分是低品位、多元素共生的復(fù)雜礦,具有采礦選礦和冶煉技術(shù)難度大的特點(diǎn)[1]。典型的復(fù)雜鐵礦資源包括:釩鈦磁鐵礦、紅土鎳礦、稀土鐵礦、鈮鐵礦、高鎂含硼鐵礦、高磷鮞狀赤鐵礦、高鐵鋁土礦等。近年來(lái)隨著中國(guó)鋼鐵產(chǎn)能的大幅增長(zhǎng),對(duì)高品位鐵礦石的需求量迅猛增加,國(guó)內(nèi)鐵礦石供應(yīng)嚴(yán)重不足,對(duì)外依存度達(dá)到60%左右,不利于我國(guó)鋼鐵工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展[2]。因此,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鐵礦資源的綜合利用是解決我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)安全問(wèn)題的重要途徑。與傳統(tǒng)高爐工藝處理復(fù)雜鐵礦資源相比,煤基直接還原工藝具有流程短、原料適應(yīng)性強(qiáng)、反應(yīng)速率快、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)[3],能夠?qū)崿F(xiàn)鐵與非鐵元素的高效分離,達(dá)到綜合利用我國(guó)復(fù)雜鐵礦資源的目的。本文主要總結(jié)了煤基直接還原工藝在處理我國(guó)主要復(fù)雜鐵礦資源中的應(yīng)用。
1 煤基直接還原工藝處理釩鈦磁鐵礦
攀枝花釩鈦磁鐵礦是一種伴生釩、鈦、鈷等多種元素的磁鐵礦,其礦石儲(chǔ)量高達(dá)100億噸,居我國(guó)鐵礦儲(chǔ)量第二位,釩、鈦儲(chǔ)量分別占全國(guó)的80%和90%以上。目前,釩鈦磁鐵礦資源的利用主要分為高爐法和非高爐法兩種。高爐法是通過(guò)選礦-燒結(jié)-高爐煉鐵-轉(zhuǎn)爐提釩-半鋼煉鋼一系列工序進(jìn)行釩鈦磁鐵礦冶煉,目前已取得大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。但是,該工藝只回收了鐵精礦中的鐵和釩,而鈦基本都進(jìn)入了高爐渣,渣中TiO2的含量高達(dá)25%,且基本無(wú)回收,從而造成鈦資源的極大浪費(fèi)[4]。與傳統(tǒng)高爐工藝相比,煤基直接還原工藝能夠提高鐵、釩、鈦的回收率,且在能源、環(huán)保、原料適應(yīng)性方面具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。煤基直接還原綜合利用釩鈦磁鐵礦的代表性技術(shù)主要有:回轉(zhuǎn)窯直接還原-電爐熔分法、轉(zhuǎn)底爐直接還原-電爐熔分法等。
回轉(zhuǎn)窯直接還原流程處理釩鈦磁鐵礦,目前已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的代表廠家是南非海威爾德鋼廠和新西蘭鋼鐵公司。從南非和新西蘭的生產(chǎn)流程看,回轉(zhuǎn)窯流程存在以下問(wèn)題:為保證電爐熔分工藝的順行,熔分過(guò)程中需加大量造渣料進(jìn)行調(diào)渣,從而造成TiO2含量從理論的48%以上降低到實(shí)際的35%以下,而對(duì)于TiO2含量30~35%的鈦渣,目前尚無(wú)經(jīng)濟(jì)方法能夠提取回收渣中的鈦,因此該工藝只能回收鐵和釩[5]。
國(guó)內(nèi)應(yīng)用預(yù)還原-電爐熔煉工藝的主要有四川龍蟒集團(tuán)和攀鋼集團(tuán),均采用轉(zhuǎn)底爐(煤基直接還原)-電爐(深還原熔分)工藝。轉(zhuǎn)底爐煤基直接還原-電爐熔分處理釩鈦磁鐵礦工藝,采用轉(zhuǎn)底爐進(jìn)行高溫快速還原,在20~30min使金屬化率達(dá)到75~85%。預(yù)還原的金屬化球團(tuán)在電爐中實(shí)現(xiàn)渣鐵分離,并完成終還原,得到TiO2含量在50%以上的富鈦渣和0.4%左右的含釩生鐵。新流程可以實(shí)現(xiàn)回收率鐵~97%、釩~86%、鈦 98~99%、鉻~80%的較高水平[6,7]。
2煤基直接還原工藝處理紅土鎳礦
紅土鎳礦是由鎳、鐵、鎂、硅等的含水氧化物組成的疏松的粘土狀礦石,其有價(jià)組分主要有鐵、鎳、鈷和鉻。從節(jié)能減耗的角度出發(fā),對(duì)于含鎳低,鐵多、硅鎂少的褐鐵礦型紅土鎳礦,宜采用濕法浸出工藝,而對(duì)于含鎳較高,鐵低、硅鎂高的硅鎂型紅土鎳礦,宜采用火法工藝。煤基直接還原綜合利用紅土鎳礦的代表性工藝主要有:回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原-電爐熔分工藝、回轉(zhuǎn)窯直接還原-磁選富集鎳鐵工藝、轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原-電爐熔分工藝等[8]。
煤基直接還原綜合利用紅土鎳礦的代表性企業(yè)如北海誠(chéng)德鎳業(yè)有限公司[9],采用回“轉(zhuǎn)窯直接還原-磁選富集鎳鐵”工藝處理紅土鎳礦。生產(chǎn)流程主要包括原料系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯焙燒系統(tǒng)、磁選系統(tǒng)、煙氣除塵系統(tǒng)等工序。針對(duì)鐵含量18%、鎳含量1.8%的印度尼西亞紅土鎳礦,焙燒溫度為1300~1350℃,燒結(jié)礦經(jīng)磨礦磁選-中頻爐融化去渣,得到鎳品位10.5%的鎳鐵,金屬回收率為88%。該工藝用煤代替電作為能耗,能源利用效率更高,有效地降低了鎳鐵生產(chǎn)成本,為企業(yè)創(chuàng)得了可觀的效益。但該工藝也存在燒結(jié)礦破碎難度大、產(chǎn)量偏低、作業(yè)率偏低等問(wèn)題,所以需要進(jìn)一步的完善和發(fā)展。
中南大學(xué)楊慧蘭等人[10],基于“回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原-電爐熔分”工藝(RKEF法),以硅鎂型紅土鎳礦、焦粉和少量熔劑組成的復(fù)合球團(tuán)為原料,綜合考慮鎳的品位和金屬回收率,在200 g礦配入22 g焦粉,22 g石灰石,1550℃時(shí)熔煉50min的最佳熔煉條件下,得到鎳品位為22.8%的鎳鐵合金,合金中S、P 含量分別約為0.4%、0.05%,鎳、鐵的回收率分別為97.6%和46.9%。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、物料適應(yīng)性廣泛、生產(chǎn)易于控制和實(shí)現(xiàn),且產(chǎn)品鎳鐵可用作不銹鋼生產(chǎn)原料。該工藝的缺點(diǎn)是無(wú)法回收鎳礦中的鈷,且耗電量大、渣量大。
東北大學(xué)李曉明等人[11],基于“回轉(zhuǎn)窯直接還原-磁懸富集鎳鐵”工藝(大江山法),以紅土鎳礦、煙煤和少量熔劑組成的復(fù)合球團(tuán)為原料,先將紅土鎳礦中的鎳和鐵還原為金屬,然后對(duì)還原物料進(jìn)行磁選分離,得到粗鎳鐵和爐渣。試驗(yàn)確定的適宜的還原參數(shù)范圍:還原溫度為1275℃~1300℃,C/O比不超過(guò)1.3,CaO添加量為7.5%。該工藝的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備簡(jiǎn)單、綜合能耗低、生成金屬流程短且產(chǎn)品雜質(zhì)含量低;缺點(diǎn)為操作條件苛刻、難于操作和控制、窯內(nèi)容易結(jié)圈、尾渣產(chǎn)量大且渣未能直接利用。
范興祥等[12],基于“轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原-電爐熔分”工藝,針對(duì)鐵品位21.38、鎳品位1.26的紅土鎳礦,進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明在熔劑石灰配比為 25%,還原劑配比為 3.5%,預(yù)還原溫度為1150℃,預(yù)還原時(shí)間為30 min,電爐熔分溫度為1450℃,熔分時(shí)間為15min的條件下,經(jīng)轉(zhuǎn)底爐預(yù)還原電爐熔分后,獲得鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.68%、鎳回收率 97.62%、鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 86.23%的鎳鐵合金,該合金可用作不銹鋼生產(chǎn)原料。
3煤基直接還原工藝處理白云鄂博稀土礦
白云鄂博礦是以鐵、稀土、釷、鈮等為主的多元素共生礦,其中稀土的儲(chǔ)量居世界第一,遠(yuǎn)景儲(chǔ)量1.35億噸,工業(yè)儲(chǔ)量4350萬(wàn)噸,占全國(guó)工業(yè)儲(chǔ)量的83%。白云鄂博稀土礦每年開(kāi)采的稀土氧化物(RE2O3)總量近60萬(wàn)噸,能夠滿足全世界稀土氧化物的需要。但資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重,稀土回收率不到10%,其余隨選礦尾礦或者高爐渣進(jìn)入尾礦壩堆存[13]。白云鄂博礦石具有鐵品位低,堿金屬含量高的特點(diǎn)。因此高爐冶煉白云鄂博礦石會(huì)加劇燒結(jié)礦還原粉化、引起球團(tuán)礦異常膨脹、造成高爐結(jié)瘤、加劇爐襯侵蝕等問(wèn)題,給高爐的長(zhǎng)壽高效帶來(lái)不利的影響,無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)意義上還是從高爐順行角度都不適合直接入高爐冶煉。煤基直接還原綜合利用白云鄂博稀土礦具有代表性的技術(shù)主要有:直接還原-磁選法、轉(zhuǎn)底爐直接還原-熔分法等。
東北大學(xué)韓越新、高鵬等人[14],提出用“直接還原-選礦”的方法來(lái)處理白云鄂博礦,直接還原采用內(nèi)配碳煤基還原工藝,基于熱力學(xué)性質(zhì)的差異,鐵的氧化物被還原成金屬鐵,而稀土則以氧化物的形式存在,破碎后通過(guò)磁選分離鐵和稀土渣。試驗(yàn)結(jié)果表明:在還原溫度為1225℃、還原時(shí)間為30min、配碳比為2的條件下,得到了全鐵品位為93.33%、金屬化率為94.18%、鐵回收率為88.93%的鐵粉。該工藝實(shí)現(xiàn)了鐵的有效富集,但該流程明顯的問(wèn)題在于海綿鐵中的鐵主要以金屬鐵形式存在,而且破碎難度極大,此外破碎后的直接還原鐵粉粒度較細(xì)、容易被氧化,且沒(méi)有回收稀土元素,造成了稀土元素的極大浪費(fèi)。
北京科技大學(xué)丁銀貴等人[15],基于“轉(zhuǎn)底爐珠鐵”工藝,提出了選擇性還原熔分-渣中有價(jià)組分選擇性析出與解離的新工藝,以此實(shí)現(xiàn)鐵和稀土的分離富集而達(dá)到綜合利用的目的。試驗(yàn)確定了最佳的工藝參數(shù):還原熔分溫度在1400℃,焙燒時(shí)間為12min。該條件下渣鐵能夠較好的分離,得到C、S含量分別為3.45%和1.48%的珠鐵以及稀土氧化物含量為14.19%的富稀土渣,珠鐵中鐵的收得率為97.26%,稀土元素幾乎全部進(jìn)入渣相,且渣中主要結(jié)晶物為稀土相(鈰氟硅石)、氟化鈣和槍晶石,物相構(gòu)成十分簡(jiǎn)單,從而有利于稀土元素的分離回收。 1起球團(tuán)礦異常膨脹、造成高爐結(jié)瘤、加劇爐襯侵蝕等問(wèn)題,給高爐的長(zhǎng)壽高效帶來(lái)不利的影響,無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)意義上還是從高爐順行角度都不適合直接入高爐冶煉。煤基直接還原綜合利用白云鄂博稀土礦具有代表性的技術(shù)主要有:直接還原-磁選法、轉(zhuǎn)底爐直接還原-熔分法等。
東北大學(xué)韓越新、高鵬等人[14],提出用“直接還原-選礦”的方法來(lái)處理白云鄂博礦,直接還原采用內(nèi)配碳煤基還原工藝,基于熱力學(xué)性質(zhì)的差異,鐵的氧化物被還原成金屬鐵,而稀土則以氧化物的形式存在,破碎后通過(guò)磁選分離鐵和稀土渣。試驗(yàn)結(jié)果表明:在還原溫度為1225℃、還原時(shí)間為30min、配碳比為2的條件下,得到了全鐵品位為93.33%、金屬化率為94.18%、鐵回收率為88.93%的鐵粉。該工藝實(shí)現(xiàn)了鐵的有效富集,但該流程明顯的問(wèn)題在于海綿鐵中的鐵主要以金屬鐵形式存在,而且破碎難度極大,此外破碎后的直接還原鐵粉粒度較細(xì)、容易被氧化,且沒(méi)有回收稀土元素,造成了稀土元素的極大浪費(fèi)。
北京科技大學(xué)丁銀貴等人[15],基于“轉(zhuǎn)底爐珠鐵”工藝,提出了選擇性還原熔分-渣中有價(jià)組分選擇性析出與解離的新工藝,以此實(shí)現(xiàn)鐵和稀土的分離富集而達(dá)到綜合利用的目的。試驗(yàn)確定了最佳的工藝參數(shù):還原熔分溫度在1400℃,焙燒時(shí)間為12min。該條件下渣鐵能夠較好的分離,得到C、S含量分別為3.45%和1.48%的珠鐵以及稀土氧化物含量為14.19%的富稀土渣,珠鐵中鐵的收得率為97.26%,稀土元素幾乎全部進(jìn)入渣相,且渣中主要結(jié)晶物為稀土相(鈰氟硅石)、氟化鈣和槍晶石,物相構(gòu)成十分簡(jiǎn)單,從而有利于稀土元素的分離回收。
4煤基直接還原工藝處理鈮鐵礦
白云鄂博礦床的鈮資源儲(chǔ)量達(dá)660萬(wàn)噸,占我國(guó)總儲(chǔ)量的95%以上,鈮礦物共有18種,具有存儲(chǔ)量大、嵌布粒度小、分散程度高、含鈮品位低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等主要特征[16]。包鋼根據(jù)自身的特點(diǎn),提出了高爐-轉(zhuǎn)爐-電爐-電爐工藝流程,并作為之后提鈮的主要工藝。但該工藝存在以下問(wèn)題:工藝復(fù)雜、流程較長(zhǎng)、設(shè)備成本高、鈮回收率較低、得到的含鈮氧化物只能冶煉低級(jí)鈮鐵,目前已被廢棄。煤基直接還原綜合利用白云鄂博鈮鐵礦具有代表性的技術(shù)主要有:直接還原-磁選法、轉(zhuǎn)底爐直接還原-熔分法。
東北大學(xué)方覺(jué)等[17],根據(jù)包頭礦高鐵低鈮的特點(diǎn)提出“回轉(zhuǎn)窯直接還原-電爐熔分冶煉工藝”。該工藝以包頭氧化球團(tuán)為原料,能夠以較高的回收率綜合提取包頭礦中的Nb、Fe和Mn等元素。選擇性還原的目標(biāo)是將鐵從氧化物中還原出來(lái),鈮則仍保持氧化狀態(tài),使鐵和鈮在熔分過(guò)程中分別進(jìn)入金屬相和渣相,達(dá)到鐵鈮分離的目的。張家元等[18]用此工藝對(duì)含Nb2O51.82%的鈮精礦在1050℃保溫60min的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行選擇還原,在1600℃的管式電阻爐內(nèi)進(jìn)行熔分,并在電弧爐內(nèi)進(jìn)行冶煉,可獲得含Nb>40%、Nb/P>15.2的鈮鐵,全流程的鈮收得率為83.2%。該工藝可以更好的控制冶煉條件,提高鈮鐵產(chǎn)品的品位和冶煉過(guò)程中鈮的收得率。然而,回轉(zhuǎn)窯焙燒過(guò)程對(duì)球團(tuán)的強(qiáng)度要求較高,且易發(fā)生回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈,同時(shí)大量粘結(jié)劑得加入易導(dǎo)致渣量增大。此外,電爐冶煉過(guò)程中,存在點(diǎn)弧困難、電耗高的問(wèn)題。
北京科技大學(xué)蔣曼等[19],基于“煤基直接還原焙燒-磁選”工藝,針對(duì)TFe品位為58%,Nb2O5品位為1.19%的含鈮鐵精礦進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:焙燒溫度為1300℃,無(wú)煙煤的用量20%,助熔劑石灰石用量為10%,焙燒時(shí)間 60 min,得到還原鐵產(chǎn)品中鈮含量達(dá)到1.75%,回收率94%, 90%的鈮礦物富集進(jìn)入了還原鐵產(chǎn)品中。該工藝法可使提鈮工藝簡(jiǎn)化,具有低能耗、鈮回收率高的優(yōu)點(diǎn),但該工藝只能冶煉低級(jí)鈮鐵。
東北大學(xué)劉立剛等[20],基于“直接還原-電爐熔分-磁選”工藝,針對(duì)TFe品位為35.5%,Nb2O5品位為4.32%的含鈮鐵精礦進(jìn)行了試驗(yàn)研究。鈮鐵精礦最佳的直接還原參數(shù)為:C/O=0.9,還原溫度為1200℃,還原時(shí)間為20min。在此條件下,金屬鐵顆粒聚集長(zhǎng)大,Nb以TiNbO4的形式鑲嵌在渣中,同時(shí)生成少量NbC,這樣的分布形態(tài)為磁選分離制備富鈮渣創(chuàng)造了有利條件。熔分得到的富鈮渣鈮含量為4.3%,鈮回收率僅為69.40%。磨樣3min,磁選分離得到的富鈮渣鈮品位為5.16%,鈮回收率為89%,富鈮渣可用于電爐還原生產(chǎn)鈮鐵合金。
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