彭程, 曹志成, 劉長(zhǎng)正, 崔慧君
寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司 轉(zhuǎn)底爐事業(yè)部,上海 201900
高磷鮞狀赤鐵礦的處理是目前世界公認(rèn)的難題,其難度不僅僅表現(xiàn)在原礦的復(fù)雜性,同時(shí)也表現(xiàn)在提鐵的同時(shí)又要降磷[1, 2]。目前主要使用的脫磷方法包括:高梯度磁選、重選—磁選工藝、氣基或煤基直接還原—磁選或熔化提鐵降磷、浮選、酸浸等[3-5]。工業(yè)規(guī)模試驗(yàn)方面,北京科技大學(xué)孫體昌等人采用隧道窯進(jìn)行了鄂西高磷鮞狀赤鐵礦直接還原—磨礦磁選提鐵降磷的半工業(yè)試驗(yàn),獲得金屬鐵粉中TFe品位90%以上,含P小于0.1%的良好指標(biāo)[6-8],但隧道窯產(chǎn)能低,能耗高,操作環(huán)境差,不能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。轉(zhuǎn)底爐由環(huán)形加熱爐演變而來(lái),其爐頂、爐墻不動(dòng),爐底機(jī)械帶動(dòng)物料旋轉(zhuǎn),依靠爐墻上布置的燒嘴將爐底物料加熱并進(jìn)行直接還原。轉(zhuǎn)底爐工藝以其原料適應(yīng)性強(qiáng)和操作工藝靈活等優(yōu)點(diǎn),引起冶金界高度重視。轉(zhuǎn)底爐從美國(guó)發(fā)源,先在日本推廣,后在中國(guó)得到發(fā)展,迄今已有超過(guò)40年的歷史。目前,轉(zhuǎn)底爐處理含鋅粉塵工藝比較成熟,已在國(guó)內(nèi)多家鋼廠應(yīng)用,包括寶鋼湛江、江蘇沙鋼、安徽馬鋼、 山東萊鋼、臺(tái)灣中鋼、山東日鋼、河北燕鋼等多家鋼廠均有建成投產(chǎn)的轉(zhuǎn)底爐,預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將有6~10條轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)線投產(chǎn),但利用轉(zhuǎn)底爐處理高磷礦的研究尚未見(jiàn)報(bào)道[9-11]。
本文重點(diǎn)介紹了轉(zhuǎn)底爐處理高磷鮞狀赤鐵礦的研究方法,不同于隧道窯的罐裝粉料法。采用配料、壓球、烘干、轉(zhuǎn)底爐直接還原、水淬冷卻、磨礦磁選的方法獲得高品位金屬鐵粉,然后對(duì)金屬鐵粉壓塊,作為優(yōu)質(zhì)的電爐煉鋼原料。該工藝在處理量3 t/h的轉(zhuǎn)底爐上進(jìn)行了100 t高磷鮞狀赤鐵礦的中試試驗(yàn),對(duì)于高磷鮞狀赤鐵礦大規(guī)模清潔冶煉有一定的借鑒意義。
轉(zhuǎn)底爐中試礦樣為某地高磷鮞狀赤鐵礦,原礦化學(xué)多元素分析見(jiàn)表1,其中TFe品位為46.03%,磷含量為0.91%。
表1原礦化學(xué)多元素分析 /%
Table1 Multi-elements analysis results of raw ores
元素TFeFeOSiO2Al2O3CaOMgOK2ONa2OSP含量46.031.3618.976.783.541.520.250.0680.0330.91
由圖1分析結(jié)果可知,原礦中主要有用礦物為赤鐵礦(Fe2O3),脈石礦物是石英(SiO2)、綠泥石((Mg, Fe)2Al(Si,Al)2O5(OH)4)和氟磷灰石(Ca5(PO4)3F)。原礦的鮞狀結(jié)構(gòu)明顯,含磷礦物呈明顯鮞狀結(jié)構(gòu)與含鐵礦物緊密共生??梢?jiàn),赤鐵礦、氟磷灰石和鋁硅酸鹽等脈石礦物之間在鮞狀結(jié)構(gòu)內(nèi)呈緊密共生狀態(tài),采用常規(guī)選礦方法很難實(shí)現(xiàn)鐵的富集。
圖1高磷鮞狀赤鐵礦XRD分析和鮞狀結(jié)構(gòu):(a) 原礦XRD分析; (b) 高磷鮞狀赤鐵礦鮞狀結(jié)構(gòu)
Fig. 1 XRD analysis and oolitic structure of high phosphorus oolitic hematite ore: (a) XRD analysis of raw ores; (a) raw ores XRD analysis; (b) oolitic structure of high phosphorus oolitic hematite ore
中試試驗(yàn)采用的還原煤為無(wú)煙煤,空干基固定碳含量為72.65%,全硫含量為0.43%。石灰石中氧化鈣含量為52.37%。
(1)首先進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)底爐的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究,與常規(guī)試驗(yàn)相比有以下特點(diǎn):①基礎(chǔ)試驗(yàn)用的爐子加熱元件吊在爐頂,模擬了轉(zhuǎn)底爐的燒嘴頂部輻射加熱方式;②焙燒容器采用耐火材料盤(pán)代替石墨坩堝,避免了石墨中碳的影響;③通入氮?dú)鉅I(yíng)造弱還原或中性氣氛,防止球團(tuán)再氧化;④升溫方式采用從低溫到高溫的階段升溫方式,模擬轉(zhuǎn)底爐布料從低溫到高溫的還原過(guò)程;⑤烘干的含碳球團(tuán)代替罐裝粉料法鋪在預(yù)熱好的耐火材料盤(pán)進(jìn)行還原。
(2)轉(zhuǎn)底爐中試試驗(yàn)
在確定了配料和還原條件后,試驗(yàn)按照轉(zhuǎn)底爐中試方案進(jìn)行,包括配料、混料、壓球、烘干、轉(zhuǎn)底爐還原、水淬冷卻、磨礦磁選、鐵粉壓塊工序。轉(zhuǎn)底爐中試處理高磷鮞狀赤鐵礦的工藝流程見(jiàn)圖2。
圖2轉(zhuǎn)底爐中試處理高磷鮞狀赤鐵礦
Fig. 2 Pilot-scale treatment of high phosphorus oolitic hematite in the rotary hearth furnace
其工藝過(guò)程為:破碎后的原礦、還原煤、石灰石以及脫磷劑、粘結(jié)劑按照基礎(chǔ)試驗(yàn)確定的配比進(jìn)行配料,配好的物料經(jīng)由皮帶送入強(qiáng)力混合機(jī),干混的過(guò)程中加水同時(shí)進(jìn)行濕混,實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)出料?;旌狭线M(jìn)入壓球工序,壓制好的球團(tuán)篩分,篩分后的球團(tuán)進(jìn)入烘干機(jī)進(jìn)行烘干,烘干后的干球團(tuán)再次篩分后被送往轉(zhuǎn)底爐上部料倉(cāng)進(jìn)行布料,兩次篩分后的物料均返回原料混合壓球系統(tǒng)。轉(zhuǎn)底爐頂部的布料器均勻地將球團(tuán)布到轉(zhuǎn)底爐的爐床上,轉(zhuǎn)底爐內(nèi)部爐頂、爐墻、燒嘴固定不動(dòng),物料被爐底機(jī)械帶動(dòng)經(jīng)由預(yù)熱區(qū)、中溫區(qū)、高溫還原區(qū)實(shí)現(xiàn)含碳球團(tuán)的高溫快速還原。從轉(zhuǎn)底爐排出的直接還原鐵(DRI)直接掉入水封拉鏈機(jī)進(jìn)行冷卻,冷卻后的球團(tuán)破碎后進(jìn)入磨礦磁選流程,采用階段磨礦階段磁選的工藝流程可以最終獲得高品位的金屬鐵粉。磨選所得鐵粉過(guò)濾后直接加入粘結(jié)劑混合,采用海綿鐵壓塊機(jī)進(jìn)行壓塊,壓制好的鐵塊烘干后作為優(yōu)質(zhì)煉鋼原料。
轉(zhuǎn)底爐中試試驗(yàn)主要設(shè)備包括混料機(jī)、對(duì)輥壓球機(jī)、網(wǎng)帶烘干機(jī)、轉(zhuǎn)底爐、球磨機(jī)、磁選機(jī)、濃密機(jī)與真空過(guò)濾機(jī),詳見(jiàn)表2。
表2轉(zhuǎn)底爐中試試驗(yàn)主要設(shè)備
Table2 Main equipments for pilot-scale test of the rotary hearth furnace
序號(hào)設(shè)備名稱設(shè)備型號(hào)、參數(shù)設(shè)備用途臺(tái)數(shù)1XLH型混料機(jī)Y180L-4V1,22kW,380V原料混合12對(duì)輥壓球機(jī)GY650-220C, 最大線壓比11 t/h含碳球團(tuán)制備13網(wǎng)帶烘干機(jī)三層網(wǎng)帶烘干機(jī)傳動(dòng)功率:2.2kW濕球團(tuán)烘干14中試轉(zhuǎn)底爐轉(zhuǎn)底爐外徑10 m,爐底寬2 m轉(zhuǎn)底爐直接還原15球磨機(jī)MQG1224金屬化球團(tuán)磨礦26磁選機(jī)DCIB600*600鐵粉磁選27濃密機(jī)NZSG3尾礦脫水181#真空過(guò)濾機(jī)GW-13尾礦脫水192#真空過(guò)濾機(jī)GW-5磁選鐵粉脫水1
高磷鮞狀赤鐵礦轉(zhuǎn)底爐直接還原的難點(diǎn)在于選擇性還原,即多還原鐵,少還原或不還原磷。因此如何控制轉(zhuǎn)底爐還原氣氛顯得尤為重要。中試前基礎(chǔ)試驗(yàn)表明:原料配比是m(原礦)m(還原煤)m(石灰石)m(脫磷劑)=10020151,焙燒溫度1 150 ℃,還原時(shí)間60 min,布料厚度2~3層(約55~65 mm),轉(zhuǎn)底爐中試試驗(yàn)按照干基配料不變,考慮傳熱的影響,高溫還原區(qū)溫度選擇1 200~1 250 ℃,焙燒時(shí)間選擇60~70 min,進(jìn)行了100 t原礦的大規(guī)模中試試驗(yàn)。
(1)原料破碎及配料:采用兩段一閉路破碎系統(tǒng)將高磷鮞狀赤鐵礦、還原煤、石灰石破碎到-1 mm占100%(工業(yè)生產(chǎn)可考慮采用立式磨機(jī)),將物料倒運(yùn)至配料倉(cāng),同時(shí)將破碎好的原料現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水分,并取綜合樣送檢測(cè)。按照基礎(chǔ)試驗(yàn)確定的原料配比,將物料裝入底開(kāi)式料鐘,中試每罐配料重為1~1.2 t,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)。
(2)混料壓球:物料送到混料機(jī)進(jìn)行混料,加入1.25%的膨潤(rùn)土和3%的自配有機(jī)粘結(jié)劑TS,混合好的物料送到高壓對(duì)輥機(jī)壓制成球團(tuán),對(duì)球團(tuán)取樣測(cè)定球團(tuán)的落下強(qiáng)度(指球團(tuán)0.5 m自由落下到厚度20 mm的鋼板上不出現(xiàn)裂紋或碎裂的次數(shù)),圖3為壓球穩(wěn)定階段10個(gè)批次球團(tuán)的含水率和球落下強(qiáng)度??梢钥闯銮驁F(tuán)含水率在6%~8%,落下強(qiáng)度在7次以上,完全滿足轉(zhuǎn)底爐原料處理系統(tǒng)球團(tuán)倒運(yùn)中轉(zhuǎn)的工藝要求。
圖3濕球團(tuán)含水率與落下強(qiáng)度
Fig. 3 Moisture content and falling strength of the wet pellets
(3)球團(tuán)烘干:壓制好的球團(tuán)送往烘干機(jī)烘干,烘干溫度控制在250 ℃左右,烘干時(shí)間30~40 min,烘干后球團(tuán)含水率小于1%。烘干后的球團(tuán)經(jīng)過(guò)篩分,小于3 mm的物料返回壓球系統(tǒng),合格球團(tuán)被送往轉(zhuǎn)底爐頂?shù)牧蟼}(cāng)。
(1)實(shí)際運(yùn)行時(shí)工藝參數(shù):轉(zhuǎn)底爐的爐底劃分為五個(gè)區(qū)域,包括預(yù)熱區(qū)、中溫區(qū)、高溫一區(qū)、高溫二區(qū)和冷卻區(qū)。實(shí)際運(yùn)行時(shí),各區(qū)的壓力、溫度和氣氛、布料厚度見(jiàn)表3。
表3轉(zhuǎn)底爐還原各區(qū)工藝參數(shù)
Table3 Parameters of each zone in the rotary hearth furnace
參數(shù)預(yù)熱區(qū)中溫區(qū)高溫一區(qū)高溫二區(qū)冷卻區(qū)各區(qū)溫度(℃)1 150-1 2301 250±201 250±201 250±20<800CO含量(10-6)>10 000>30 000>40 000>40 000壓力(Pa)正壓正壓正壓正壓正壓轉(zhuǎn)底爐每圈時(shí)間(min/r)60~70布料厚度(mm)55-65 mm(2~3層)
(2)轉(zhuǎn)底爐運(yùn)行過(guò)程討論
對(duì)于高磷鮞狀赤鐵礦,考慮到焙燒火焰與物料傳熱距離的問(wèn)題,中試實(shí)際還原溫度要比基礎(chǔ)試驗(yàn)溫度高出50~80 ℃。由于溫度高時(shí)不僅會(huì)還原高磷礦中的鐵,同時(shí)會(huì)還原礦石中的磷,因此中試前期先不按照表3給出的參數(shù)運(yùn)行,而是先將高溫區(qū)溫度設(shè)定為1 200 ℃,現(xiàn)場(chǎng)取樣后發(fā)現(xiàn)球團(tuán)還原效果較差,實(shí)際取樣測(cè)定的金屬化率不高,后將高溫區(qū)溫度提高到1 250 ℃,轉(zhuǎn)底爐運(yùn)行一周的時(shí)間由60 min調(diào)整為70 min,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取得的球團(tuán)破碎磨礦磁選獲得金屬鐵粉,球團(tuán)金屬化率、金屬鐵粉中鐵回收率都得到了提高?,F(xiàn)場(chǎng)20個(gè)批次樣品指標(biāo)詳見(jiàn)圖4。
圖4焙燒溫度對(duì)球團(tuán)金屬化率與磨選鐵粉中鐵回收率的影響
Fig. 4 Effect of roasting temperature on the metallization rate and iron recovery of iron powder
從圖中可以得出以下規(guī)律:(1)1 250 ℃的球團(tuán)金屬化率在85%~93%之間,1 200 ℃的球團(tuán)金屬化率在75%~83%之間;(2)無(wú)論還原溫度是1200 ℃還是1 250 ℃,球團(tuán)的金屬化率的變化趨勢(shì)都和該球團(tuán)磨礦磁選所得金屬鐵粉中鐵的回收率一致;而且鐵粉中鐵的回收率都比球團(tuán)金屬化率略低1%~2%。(3)說(shuō)明中試試驗(yàn)中還原溫度的提高可以有效地提高球團(tuán)的金屬化率,同時(shí)也提高了磨選鐵粉中鐵的回收率。中試試驗(yàn)測(cè)定的鐵粉中磷含量都比較低,在0.02%~0.06%之間,中試高溫還原區(qū)溫度選定1 250 ℃。
為了考察轉(zhuǎn)底爐金屬化球團(tuán)和磨選后金屬鐵粉裸露在空氣中被氧化的程度,現(xiàn)場(chǎng)取60 kg金屬化球團(tuán)樣品,30 kg水淬后平鋪在地面上,每隔12 h測(cè)定球團(tuán)的金屬化率;另外30 kg金屬化球團(tuán)破碎磨礦磁選過(guò)濾得到含水的金屬鐵粉,將金屬鐵粉裸露在空氣中,每隔12 h測(cè)定其金屬化率。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖中可以得出以下結(jié)論:(1)不論是水淬后的金屬化球團(tuán)還是磨選后的金屬鐵粉,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),金屬化率都有不同程度的下降,但在144 h(6 d)的時(shí)間里金屬化率都下降不大;(2)正常工業(yè)生產(chǎn)時(shí)一般不會(huì)積料,生產(chǎn)的金屬化球團(tuán)當(dāng)天就能處理完;金屬鐵粉過(guò)濾后進(jìn)行壓塊,采用失氧廢氣烘干,也不存在氧化問(wèn)題。
圖5金屬化球團(tuán)和金屬鐵粉金屬化率隨時(shí)間變化的關(guān)系
Fig. 5 Relationship between metallization rate of metalized pellets and iron powder with time
磨礦磁選試驗(yàn)是在處理是60 kg/h的直接還原鐵(DRI)的兩段磨礦磁選設(shè)備中試線上進(jìn)行的,按照基礎(chǔ)試驗(yàn)確定的磨礦段數(shù)、細(xì)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行中試試驗(yàn)。結(jié)果表明,最佳的磨礦細(xì)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度為一段磨礦細(xì)度為-0.074 mm占61.78%,一段磁選的磁場(chǎng)強(qiáng)度為87.51 kA/m,二段磨礦細(xì)度為-0.043 mm占70.34%,二段磁選的磁場(chǎng)強(qiáng)度為63.64 kA/m。獲得的最終指標(biāo):金屬鐵粉平均產(chǎn)率42.35%,鐵品位92.56%,鐵回收率84.26%,磷含量0.04%,試驗(yàn)取得了較好的效果。
金屬鐵粉過(guò)濾后的含水率在8%~10%,加入TS作為粘結(jié)劑混料后,選用壓塊機(jī)壓制成直徑120 mm高80~100 mm的圓柱形金屬鐵塊,壓制后鐵塊含水率小于2%,密度為5.02 t/m3,2 m高落在水泥地上8次以上不碎裂,完全可以滿足后續(xù)煉鋼的要求。
試驗(yàn)中為了縮短還原時(shí)間,采用高溫短時(shí)間還原高磷鮞狀赤鐵礦,但是發(fā)現(xiàn)此時(shí)獲得的金屬鐵粉磷含量較高;而采用較低溫度時(shí),就需要較長(zhǎng)的還原時(shí)間才能保證鐵的品位和回收率,同時(shí)金屬鐵粉中的磷含量也比較低。為進(jìn)一步弄清楚溫度對(duì)高磷鮞狀赤鐵礦直接還原的影響,采用卡爾蔡司鎢絲燈掃描電鏡(型號(hào)ZEISS EVO18德國(guó))對(duì)不同溫度產(chǎn)出的金屬化球團(tuán)磨選后所得金屬鐵粉的微觀形貌進(jìn)行了掃描電鏡(SEM)分析。
圖61 300 ℃ 高溫金屬化球團(tuán)磨選金屬鐵粉和能譜分析(a)1 300 ℃時(shí)的焙燒產(chǎn)物;(b)(a)圖中A點(diǎn)能譜;(c)(a)圖中B點(diǎn)能譜
Fig. 6 Metal powder obtained by the grinding of metallized pellets with the temperature of 1 300 ℃ and energy spectrum analysis. (a) roasted product with the temperature of 1 300 ℃ ; (b) energy spectrum analysis of A in Fig.(a); (c) energy spectrum analysis of B of Fig.(a)
對(duì)焙燒溫度1 300 ℃、焙燒時(shí)間30 min的金屬化球團(tuán)磨礦磁選,獲得的金屬鐵粉進(jìn)行電子掃描電鏡(SEM)分析。圖6(a)是焙燒溫度1 300 ℃時(shí)金屬鐵粉的電鏡圖,可以看出白色的鐵顆粒聚集明顯,呈團(tuán)塊狀;(b)圖是白亮鐵顆粒中部的能譜分析,可以清楚的看出其中單質(zhì)磷的能譜較為明顯;(c)圖是白亮鐵顆粒邊緣的能譜分析,其中也包含了部分單質(zhì)磷。鐵粉的面分布圖見(jiàn)圖7,進(jìn)一步說(shuō)明磷非常均勻地分布在鐵粉中,鐵顆粒、鐵顆粒的邊緣、脈石中均含有磷。說(shuō)明有大量的磷被還原成單質(zhì)進(jìn)入鐵粉中。僅僅通過(guò)物理選礦方法脫除磷的可能性幾乎為零。
圖71 300 ℃時(shí)鐵粉面分布圖
Fig. 7 Distribution diagram of iron powder surface at 1 300 ℃
對(duì)焙燒溫度1 250 ℃、焙燒時(shí)間70 min下的DRI磨礦磁選,獲得的金屬鐵粉進(jìn)行電子掃描電鏡(SEM)分析。圖8中(a)圖是焙燒溫度1 250 ℃時(shí)金屬鐵粉的電鏡圖,可以看出白色的鐵顆粒聚集較焙燒溫度1 300 ℃的鐵粉要??;(b)圖是白亮鐵顆粒的能譜分析,可以清楚的看出其中沒(méi)有單質(zhì)磷的存在;(c)圖是鐵粉中脈石的能譜分析,其中發(fā)現(xiàn)有含鐵的鋁硅酸鹽類(lèi)礦物等。說(shuō)明磷幾乎全部留在了尾礦中,脫磷效果較好。
分析結(jié)果表明,對(duì)于高磷鮞狀赤鐵礦直接還原,控制相對(duì)較低溫度還原可以有效抑制高磷鮞狀赤鐵礦中
(1)對(duì)100 t高磷鮞狀赤鐵礦進(jìn)行了大規(guī)模轉(zhuǎn)底磷灰石的還原,防止磷被還原出來(lái)進(jìn)入的鐵相中。爐中試,配料條件是m(原礦)m(還原煤)m(石灰石)m(脫磷劑)=10020151,還原溫度控制在1 150 ℃~1 250 ℃,轉(zhuǎn)底爐運(yùn)行一周時(shí)間為70 min,轉(zhuǎn)底爐布料厚度2~3層(約55~65 mm),最終獲得的球團(tuán)平均金屬化率88.97%,金屬鐵粉產(chǎn)率42.35%,鐵品位92.56%,鐵回收率84.26%,磷含量0.04%。對(duì)獲得的金屬鐵粉進(jìn)行壓塊,壓塊密度為5.02 t/m3,可以滿足后續(xù)煉鋼的要求,轉(zhuǎn)底爐中試取得了較好的效果。
圖81 250 ℃低溫焙燒產(chǎn)物磨選金屬鐵粉和能譜分析:(a)1 250 ℃時(shí)的焙燒產(chǎn)物;(b)(a)圖中C點(diǎn)能譜(c)(a)圖中D點(diǎn)能譜
Fig. 8 Metal powder obtained by the grinding of metallized pellets with the temperature of 1 250 ℃ and energy spectrum analysis. (a) roasted product with the temperature of 1 250 ℃ ; (b) energy spectrum analysis of C in Fig.(a); (c) energy spectrum analysis of D of Fig.(a)
(2)暴露在空氣中的氧化試驗(yàn)表明:不論是水淬后的金屬化球團(tuán)還是磨選后的金屬鐵粉,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),金屬化率都有不同程度的下降,但在144 h(6 d)的時(shí)間里金屬化率都下降不大;金屬化球團(tuán)水淬后金屬化率下降小于3%,金屬鐵粉金屬化率下降小于2%。
(3)機(jī)理分析表明:高溫短時(shí)間(1 300 ℃,30 min)焙燒產(chǎn)物磨選所得金屬鐵粉中的磷非常均勻地分布在鐵粉中,僅僅通過(guò)物理選礦方法脫除磷的可能性幾乎為零;低溫長(zhǎng)時(shí)間(1 250 ℃,70 min)焙燒產(chǎn)物磨選所得金屬鐵粉中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)單質(zhì)磷的存在。