塞礦產(chǎn)品物化特性及其應(yīng)用影響分析

曹繼禮

（山鋼集團(tuán)塞拉利昂礦業(yè)有限公司，山東 濟(jì)南250101）

1 前言

中國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)對(duì)鐵礦石有巨大需求，而四大礦山巨頭約占市場(chǎng)份額80%以上，較高的壟斷性極易使鐵礦石達(dá)成易漲難跌的默契。山東鋼鐵集團(tuán)為建立海外鐵礦石基地，2012年參股非洲礦業(yè)有限公司25%的股權(quán)，2015年全資收購非洲礦業(yè)有限公司剩余股權(quán)，成立全資子公司山鋼集團(tuán)塞拉利昂礦業(yè)有限公司，主要產(chǎn)品為塞礦AI32，并生產(chǎn)了少量的塞細(xì)粉。塞礦礦山位于非洲塞拉利昂共和國(guó)中西部山區(qū)，是目前世界上規(guī)模最大的鐵礦石項(xiàng)目（赤鐵礦和磁鐵礦）之一，礦租界面積約為227 km2。礦體主要包括新比利、馬蘭帕、南巴拉和卡薩佛尼四大礦體。沿礦體走向的長(zhǎng)度為21 km，寬度為6.8～9.8 km，礦體呈山包狀，相對(duì)高度300～400 m，資源總量137億t。礦山上層赤鐵礦資源儲(chǔ)量1.26億t，達(dá)到直運(yùn)礦標(biāo)準(zhǔn)，平均鐵品位58.1%。目前一期項(xiàng)目開采的為上層赤鐵礦，共生產(chǎn)了塞礦約4 800萬t，主要產(chǎn)品為塞礦AI32。在開采的過程中，利用尾礦自然沉積的重力作用，剝離出了少量塞細(xì)粉，此產(chǎn)品的品質(zhì)為塞礦二期選礦項(xiàng)目提供了借鑒意義。

本研究對(duì)塞礦AI32和塞細(xì)粉（作為技術(shù)儲(chǔ)備）的物化特性、產(chǎn)品特點(diǎn)及其應(yīng)用影響進(jìn)行分析，以期為產(chǎn)品的生產(chǎn)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

2 塞礦AI32和塞細(xì)粉的物化特性

2.1 塞礦AI32

塞礦原產(chǎn)地年降雨量2 000～5 000 mm，導(dǎo)致礦石含水量大，礦石高鋁，親水性強(qiáng)。礦石水分若超過15%，遠(yuǎn)洋船不予運(yùn)輸。塞礦采用粉礦中配加一定量塊礦的方式，降低水含量。生產(chǎn)的塞礦產(chǎn)品粒度大部分在32 mm以下，產(chǎn)品名稱簡(jiǎn)稱為塞礦AI32（All in 32 mm）。

2.1.1 化學(xué)成分

塞礦屬于高Al低Si鐵礦，S、P、As、K、Na、Pb、Zn、Cu等有害元素含量很低，化學(xué)成分見表1。

表1 塞礦AI32化學(xué)成分 %

2.1.2 水分

自然界中Al2O3不是以單質(zhì)的形式存在，而是以三水鋁石、一水硬鋁石等含水氧化鋁礦物為主，化學(xué)式為Al2O3·n H2O。塞礦為含赤鐵礦和鋁礦石等組成的多礦物混合物，是含有較高結(jié)晶水的赤鐵礦。由于氧化鋁的親水性和塞拉利昂地區(qū)巨大的降雨量，導(dǎo)致塞礦水分較大。礦山通過封閉運(yùn)輸、料場(chǎng)覆蓋篷布等措施，盡量減少下雨等外部環(huán)境因素的影響。每年5—10月為雨季，塞礦產(chǎn)品含水量約為14%；11月到次年4月為旱季，塞礦產(chǎn)品含水量約為13%。

2.1.3 粒度

塞礦AI32產(chǎn)品粒度較粗是為了滿足含水量的要求。散裝貨物在遠(yuǎn)洋運(yùn)輸過程中，如果貨物水分超過限值，則可能出現(xiàn)液化的狀況，導(dǎo)致輪船傾覆，是非常大的安全隱患。通過分析，塞礦Al32水分≤15%，即滿足海運(yùn)對(duì)水分的要求，使得塞拉利昂成為了繼澳大利亞和巴西之后第三個(gè)采用修訂后的國(guó)際海事組織國(guó)際海上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸規(guī)則的國(guó)家。塞礦AI32粒度組成見表2。

表2 塞礦AI32粒度組成

2.2 塞細(xì)粉化學(xué)成分

在生產(chǎn)過程中，剝離的尾礦達(dá)不到產(chǎn)品質(zhì)量要求，但是含鐵品位依然在50%以上。剝離的尾礦堆積起來經(jīng)過水分的沖刷，高品位的鐵礦石出現(xiàn)了富集現(xiàn)象，依靠重力作用儲(chǔ)存下來，此部分產(chǎn)品稱為塞細(xì)粉。2016年塞細(xì)粉總產(chǎn)量約50萬t，粒度介于粗粉與鐵精粉之間，化學(xué)成分見表3。

表3 塞細(xì)粉化學(xué)成分 %

塞細(xì)粉產(chǎn)量較小，但是一期鐵礦項(xiàng)目開采完成后，即會(huì)進(jìn)行二期選礦項(xiàng)目，此產(chǎn)品是礦山發(fā)展的一個(gè)方向，對(duì)于二期塞礦的開采使用具有重要參考意義。

3 塞礦AI32特性影響及應(yīng)對(duì)措施

3.1 Al含量偏高的影響

1）對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)的影響。燒結(jié)礦中含有一定量的Al2O3有利于四元系針狀交織結(jié)構(gòu)鐵酸鈣的形成，可以提高燒結(jié)礦強(qiáng)度；但Al2O3太高時(shí)，有利于玻璃質(zhì)的形成，又對(duì)燒結(jié)礦的強(qiáng)度和低溫還原粉化性能不利［1］。

2）對(duì)高爐透氣性及脫硫能力的影響。高Al2O3爐渣的初渣堵塞爐料間的空隙，使料柱透氣性變差，增加煤氣通過時(shí)的阻力。同時(shí)，該爐渣在高爐內(nèi)易在爐腹部位的爐墻結(jié)成爐瘤，引起爐料下降不順，易形成崩料、懸料，破壞冶煉進(jìn)程；由于高Al2O3爐渣過于黏稠，流動(dòng)性差，不利于脫硫反應(yīng)的擴(kuò)散作用，脫硫效果變差。一般當(dāng)Al2O3＞18%時(shí)，爐渣的脫硫能力大大降低。

3）對(duì)高爐順行度的影響。高爐爐渣中Al2O3含量在10%～16%時(shí)，有利于提高爐渣的穩(wěn)定性，但當(dāng)Al2O3含量繼續(xù)升高時(shí)，爐渣的穩(wěn)定性變差。爐溫不足，其流動(dòng)性急劇變差，容易堵塞爐缸，不易從爐缸中流出，會(huì)引起爐墻粘結(jié)與爐缸堆積，使?fàn)t缸壁結(jié)厚，縮小爐缸的體積，造成高爐操作上的困難，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起風(fēng)口的大量燒壞。因此當(dāng)爐溫不足時(shí)，極易引起爐缸的渣鐵堆積。

3.2 高鋁燒結(jié)應(yīng)對(duì)措施

3.2.1 與高Si低Al礦粉搭配使用

由于高爐入爐料主要為燒結(jié)礦，爐渣Al含量基本為燒結(jié)礦帶入，所以控制高爐爐渣Al含量，關(guān)鍵點(diǎn)在于控制燒結(jié)礦Al含量。燒結(jié)中塞礦AI32與高Si低Al礦粉搭配使用，可以降低燒結(jié)礦Al含量，用大渣量來稀釋高爐爐渣Al含量?？刂茻Y(jié)礦Al含量在2.5%以下，高爐爐渣Al含量在16%以下。

3.2.2 提高高爐鼓風(fēng)動(dòng)能

提高鼓風(fēng)動(dòng)能，主要目的是增加風(fēng)量對(duì)爐缸的穿透能力［2］。提高動(dòng)能的措施一是通過風(fēng)口加襯套技術(shù)，在風(fēng)口內(nèi)部加陶瓷襯套，縮小風(fēng)口進(jìn)風(fēng)面積；二是適當(dāng)提高入爐風(fēng)量；三是堵風(fēng)口作業(yè)，在料面較深、頂溫較低的方位，采取堵風(fēng)口操作，進(jìn)一步降低風(fēng)口進(jìn)風(fēng)面積。

3.2.3 確定合理渣系和爐溫

高爐順行與爐渣的流動(dòng)性密切相關(guān)，爐渣的流動(dòng)性受多種因素影響，其中主要因素是爐渣溫度和爐渣的化學(xué)成分。選擇合理渣系，提高渣鐵物理熱，確保渣鐵良好流動(dòng)性，是高爐高鋁冶煉的關(guān)鍵。

1）爐渣堿度的確定。實(shí)踐證明，隨Al2O3的量增加，爐渣礦相結(jié)構(gòu)稍有變化，硅酸鹽玻璃質(zhì)的量明顯增多。對(duì)于1 000 m3的高爐正常爐溫水平下，爐渣堿度控制在1.15左右，鐵中S0.02%～0.03%，控制鐵水Si含量下限在0.4%（鐵水Si含量一定程度上反映了爐溫水平），保證渣鐵有良好的熱量，此時(shí)渣鐵具有良好的流動(dòng)性。

2）提高高爐渣中MgO含量。提高渣中MgO含量可以提高爐渣的脫硫能力、降低爐渣黏度，是高Al2O3含量條件下保證高爐冶煉順行的有效途徑。爐渣處于鎂薔薇輝石區(qū)域時(shí)，爐渣的熔化溫度低、穩(wěn)定性好，此區(qū)域?qū)?yīng)的（MgO）含量最低點(diǎn)為8%，渣中（MgO）含量理論控制范圍應(yīng)為8%～12%。在1 000 m3高爐高鋁冶煉的條件下，控制爐渣MgO/Al2O3為0.5～0.6。

3）適宜的爐溫。要保證渣鐵有良好的流動(dòng)性，必須有足夠的物理熱。對(duì)于1 000 m3的高爐，渣鐵物理熱應(yīng)控制在1 500℃左右［3］。渣鐵物理熱超過1 500℃后，黏度進(jìn)一步降低，但爐溫相對(duì)偏高，不利于降低燃耗。當(dāng)渣溫升至1 500℃時(shí)，爐渣黏度隨渣中Al2O3含量的增加而升高的趨勢(shì)放緩，即使Al2O3含量達(dá)到17%，仍可獲得較低的爐渣黏度。

3.3 水分的影響

由于塞礦水分高達(dá)14%左右，暫不考慮國(guó)內(nèi)北方冬季結(jié)冰問題，港口費(fèi)、港建費(fèi)和運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用全是以濕噸計(jì)算，所以為獲得同等干噸的鐵礦石，塞礦要花費(fèi)更多。塞礦AI32除了水分貶值外，水分過大則主要導(dǎo)致裝卸轉(zhuǎn)運(yùn)困難。使用塞礦的企業(yè)多處于焦炭、國(guó)內(nèi)礦（低鋁鐵礦）具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)的內(nèi)陸地區(qū)，水分過大不利于裝卸。

國(guó)內(nèi)降雨量相對(duì)較少，塞礦AI32在港口卸船后，水分會(huì)有一定的蒸發(fā)。經(jīng)過斗車倒垛、裝車（包括汽運(yùn)和火車），水分再次蒸發(fā)，運(yùn)到廠內(nèi)打堆后，水分可降低至11%以下，可基本消除糊堵漏斗、粘倉、蓬倉等影響，使用過程不存在太大困難。

3.4 結(jié)晶水的影響

塞粉AI32產(chǎn)品有7.5%的燒損，其中絕大部分為結(jié)晶水。水分在燒結(jié)過程中主要有3個(gè)作用：分別是造球、傳熱和提高小球光潔度增大透氣性，燒結(jié)所需要的水分一般為7.0%～7.5%，使用高燒損（結(jié)晶水）的礦料燒結(jié)時(shí)，可以適當(dāng)降低燒結(jié)混勻料的配加水分，即低含量結(jié)晶水的混合料（結(jié)晶水＜5%）不會(huì)造成燒結(jié)固體燃料額外增加。

物理水100℃蒸發(fā)，結(jié)晶水900℃以上才蒸發(fā)，在燒結(jié)過程中結(jié)晶水具有同等性能的傳熱作用。傳熱水分是要大于混勻造球水分的。當(dāng)含結(jié)晶水的礦料滿足傳熱要求后，混合機(jī)只需加入滿足造球的最小水量即可，燒結(jié)過程中可以滿足傳熱速度與燃燒速度的匹配。含結(jié)晶水的塞礦AI32粒度偏大，透氣性較好，與低燒損的高Si低Al鐵礦粉混合使用后，有利于實(shí)現(xiàn)厚料層操作，進(jìn)一步提高燒結(jié)礦各項(xiàng)指標(biāo)。

3.5 粒度的影響及應(yīng)對(duì)措施

塞礦AI32中含有15%的塊礦，篩分后，粉礦燒結(jié)，塊礦單獨(dú)配加入爐，會(huì)增加一部分篩分費(fèi)用。為避免篩分操作的難度和節(jié)省篩分費(fèi)用，包括山鋼自用的塞礦AI32，都是不篩分直接使用的，會(huì)帶來一些使用過程成本升高的問題。

3.5.1 樣品成分波動(dòng)及應(yīng)對(duì)措施

塞礦中的塊礦在取制樣時(shí)，很容易摻入混勻料和燒結(jié)礦樣品中，造成燒結(jié)配加溶劑、高爐校核終渣堿度時(shí)判斷失誤，致使燒結(jié)礦成分和高爐波動(dòng)，會(huì)帶來燃耗成本升高、鐵水質(zhì)量波動(dòng)等一系列成本增加的問題。

通過改進(jìn)取制樣方法，混勻料和燒結(jié)礦人工取制樣時(shí)，只需仔細(xì)挑除塊礦，成分即不會(huì)出現(xiàn)異常波動(dòng)。因燒結(jié)礦中含有少量的塊礦，高爐在校核終渣堿度時(shí)，適當(dāng)上調(diào)修正值，也不會(huì)使高爐因堿度而波動(dòng)。實(shí)踐表明，直接使用塞礦AI32，高爐燃料比并沒有因用了含極少量塊礦的燒結(jié)礦而升高。

3.5.2 燒結(jié)燃耗、動(dòng)力能源浪費(fèi)及應(yīng)對(duì)措施

塊礦為直接入爐的爐料，不需要進(jìn)入燒結(jié)工序。而塞礦AI32中的塊礦基本上不參與燒結(jié)過程，經(jīng)過料場(chǎng)、配料室、燒結(jié)機(jī)、篩分等一系列流程后，最終進(jìn)入高爐冶煉。由于塞礦AI32為低品位的高鋁礦，配加量一般在20%以下（混合料中的塊礦含量在3%以下），而其中的塊礦比例較小，實(shí)際上造成的影響也非常小。

3.5.3 返礦率升高及應(yīng)對(duì)措施

理論上因塊礦影響燒結(jié)液相發(fā)展，增加燒結(jié)返礦率。配加塞礦A32產(chǎn)品，當(dāng)配比在10%以下時(shí)，基本覺察不到返礦率的變化，少量塊礦影響鐵酸鈣液相形成、凝結(jié)的作用微乎其微，塊礦影響返礦率主要為理論上有影響，實(shí)際作用遠(yuǎn)不如燒結(jié)布料、點(diǎn)火、擋板漏風(fēng)、邊緣效應(yīng)、掉爐條風(fēng)洞的影響。塞礦AI32配加量＞10%以后，可以通過工藝手段控制，主要方法為提高料溫、低水低碳厚料層燒結(jié)、適當(dāng)壓料和適宜的燃料粒度等措施，返礦率一般可以控制在合理水平。

1）厚料層燒結(jié)。由于配加了塞礦AI32的混勻料粒度粗，料層透氣性較好，燒結(jié)機(jī)負(fù)壓低，垂直燒結(jié)速度過快，所以布料時(shí)適當(dāng)增加料層厚度，對(duì)表面增加平料器配重，增加表面密實(shí)度，增強(qiáng)自動(dòng)蓄熱作用，達(dá)到節(jié)約燃料和提高成品率的目的。

2）提高料溫。提高混合料溫度有返礦預(yù)熱、白灰消化預(yù)熱、配加熱水、混合機(jī)加蒸汽預(yù)熱、小礦槽預(yù)熱等多種方式，其中維持一定小礦槽料位加蒸汽的方式效果比較好，控制混合料溫度為50～70℃，大大減弱了過濕層的影響，提高了透氣性，降低燒結(jié)燃耗。生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)混合料料溫和結(jié)晶水含量，在布料厚度等參數(shù)不變的情況下，選擇合適的加水量，使傳熱速度匹配燃燒速度。

3）適宜的燃料粒度。燃料粒度過細(xì)會(huì)導(dǎo)致燃燒速度過快，高溫保持時(shí)間短，液相不足，燒結(jié)礦強(qiáng)度差，成品率降低。為了提高爐渣鎂鋁比，燒結(jié)過程中配加了鎂質(zhì)溶劑，也需要提高燒結(jié)溫度和高溫保持時(shí)間來保證礦化反應(yīng)完全，以形成足夠的鐵酸鈣液相量?；靹蛄现信浼恿巳VAI32，可以降低燒結(jié)燃料-3 mm粒度比例，放寬到65%～75%即可滿足混勻料燒結(jié)的需求。

4 塞細(xì)粉的燒結(jié)特性

塞細(xì)粉Al含量已經(jīng)在4%以下，品位接近主流礦粉，化學(xué)成分沒有很突出的缺陷。燒結(jié)過程中主要為粒度偏細(xì)，適宜搭配一些低Al的粗粉使用，使混勻料達(dá)到合理的粒度組成。溶劑可以選擇用一部分石灰石粉替代石灰，降低溶劑成本。石灰對(duì)粒度較細(xì)的全精粉或以精粉為主的礦料強(qiáng)化燒結(jié)的效果較好，對(duì)粗粉或塞細(xì)粉的強(qiáng)化燒結(jié)作用有限。燒結(jié)燃燒層溫度可達(dá)1 300℃，在石灰石粉粒度合適的情況下，燒結(jié)礦化作用能夠順利進(jìn)行，可以獲得較好的使用效果。

5 結(jié)語

通過對(duì)塞礦產(chǎn)品的物化特性分析，塞礦AI32產(chǎn)品具有較大的差異性，但其低硅高鋁的特點(diǎn)，加上有效合理的燒結(jié)冶煉方法，使之有一定的使用價(jià)值。作為山東鋼鐵集團(tuán)的海外礦石基地，礦山得到了塞拉利昂共和國(guó)政府的大力支持，給予了包括公司所得稅、產(chǎn)品和服務(wù)稅、進(jìn)口稅等多項(xiàng)稅收優(yōu)惠，為塞拉利昂礦業(yè)有限公司進(jìn)行后續(xù)的二期選礦項(xiàng)目（塞細(xì)粉）提供了良好的經(jīng)營(yíng)環(huán)境。礦山露天采礦，開采成本低，綜合成本中主要為運(yùn)輸成本，可以以低廉的價(jià)格參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)降低鐵水成本具有極大的促進(jìn)作用，可以進(jìn)一步探討塞礦產(chǎn)品應(yīng)用，充分發(fā)掘塞礦產(chǎn)品的利用價(jià)值。