摘 要：以巴西赤鐵精礦為原料，對(duì)“一步法”煤基球團(tuán)直接還原工藝進(jìn)行了研究，優(yōu)化了預(yù)熱球團(tuán)制備、預(yù)熱球團(tuán)直接還原工藝參數(shù)，并與“二步法”工藝進(jìn)行了比較。揭示了還原過(guò)程球團(tuán)強(qiáng)度變化規(guī)律。結(jié)果表明：對(duì)于鐵品位67.52%的巴西赤鐵精礦，采用“一步法”直接還原，最終得到全鐵94.17%、金屬化率93.79%、抗壓強(qiáng)度1973N/個(gè)的優(yōu)質(zhì)直接還原鐵；與“二步法”進(jìn)行比較，還原過(guò)程中，預(yù)熱球團(tuán)還原速度比氧化球團(tuán)還原速度快，抗壓強(qiáng)度上升也快的多，最終的直接還原球團(tuán)抗壓強(qiáng)度也高的多。該研究表明，該巴西赤鐵精礦可采用“一步法”球團(tuán)煤基直接還原工藝制備優(yōu)質(zhì)的直接還原鐵，且 “一步法”優(yōu)于“二步法”。將有利于簡(jiǎn)化工藝流程，節(jié)省投資，降低成本，同時(shí)也為直接還原拓寬原料來(lái)源。

關(guān)鍵詞：赤鐵精礦； 直接還原； 預(yù)熱球團(tuán) ；氧化球團(tuán)

        直接還原鐵（DRI）因質(zhì)地純凈、成分穩(wěn)定，是一種替代廢鋼、冶煉優(yōu)質(zhì)鋼的理想原料[1-2]。世界直接還原鐵發(fā)展迅速，由2003年的4780萬(wàn)噸增加到2010年的7130萬(wàn)噸。但我國(guó)直接還原鐵發(fā)展緩慢，直到2008年，我國(guó)直接還原鐵產(chǎn)量?jī)H為60萬(wàn)噸[3]，多年停滯不前，甚至倒退。我國(guó)2011年的鋼產(chǎn)量達(dá)到69550萬(wàn)噸，已連續(xù)17年居世界首位[4]。直接還原鐵產(chǎn)量與我國(guó)鋼鐵大國(guó)地位嚴(yán)重不相稱(chēng)。目前我國(guó)鋼鐵工業(yè)還不能完全滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，優(yōu)質(zhì)鋼和特殊鋼比例低于10％，以致多種行業(yè)需要的高技術(shù)、高附加值鋼材還必須進(jìn)口。缺乏優(yōu)質(zhì)原料和忽視原料質(zhì)量是限制我國(guó)優(yōu)質(zhì)鋼發(fā)展的主要原因之一。采用直接還原鐵作為電爐煉鋼原料和“稀釋劑”是加速發(fā)展優(yōu)質(zhì)鋼生產(chǎn)的有效途徑，因此我國(guó)需要大力發(fā)展直接還原[1]。

       傳統(tǒng)的煤基直接還原必須以塊礦或氧化球團(tuán)為原料才能生產(chǎn)出合格的直接還原鐵，氧化球團(tuán)直接還原工藝（常簡(jiǎn)稱(chēng)為“二步法”）存在工藝流程長(zhǎng)、耐高溫設(shè)備多、建設(shè)投資大、加工成本高等不足，從而使直接還原工藝的推廣受到很大限制[5-10]，邱冠周等[1]研究了鐵精礦復(fù)合粘結(jié)劑球團(tuán)直接還原法，與傳統(tǒng)的高溫氧化焙燒固結(jié)相比，工藝流程短、投資省、能耗少、成本低。李健[6]研究了磁鐵精礦復(fù)合粘結(jié)劑球團(tuán)直接還原法工藝，得出了全鐵含量 91.48%，金屬化率95.16%，抗壓強(qiáng)度為1676N/個(gè)的良好指標(biāo)。但隨著中國(guó)鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)易采、易選磁鐵礦被大量消耗，磁鐵礦開(kāi)采成本增加，這對(duì)直接還原廠帶來(lái)巨大生產(chǎn)成本壓力。在此，本文作者利用進(jìn)口的高質(zhì)量赤鐵礦為原料進(jìn)行煤基“一步法”球團(tuán)直接還原試驗(yàn)研究，制出優(yōu)質(zhì)直接還原鐵，為直接還原廠拓寬原料來(lái)源；并與“二步法”進(jìn)行對(duì)比，“一步法”可替代“二步法”，將有利于簡(jiǎn)化工藝流程，節(jié)省投資，降低成本。

1 原料性能和研究方法

1.1原料性能

       試驗(yàn)所用原料為巴西赤鐵精礦、膨潤(rùn)土、煙煤和石灰石。赤鐵精礦的化學(xué)成分及物理性能分別見(jiàn)表1和表2。該赤鐵精礦鐵品位高，硫、磷、砷等有害元素含量都很低，適合直接還原。但該鐵精礦成球形差，故造球前需預(yù)處理，改善成球性。

 表1  赤鐵精礦化學(xué)成分（%）

       直接還原所用的還原劑為煙煤，其工業(yè)分析和灰分分析結(jié)果分別如表3和表4所示。還原煤揮發(fā)分為30％左右，屬于反應(yīng)性較好的非結(jié)焦煤，可滿足回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)還原反應(yīng)的要求。

       在煤基回轉(zhuǎn)窯工藝中，回轉(zhuǎn)窯操作溫度越高，還原速率越快，回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)量就越高，但為保證回轉(zhuǎn)窯順行，防止結(jié)圈，對(duì)還原煤灰渣軟熔特性有嚴(yán)格要求。通常要求回轉(zhuǎn)窯操作溫度比煤灰軟化溫度低100～150℃。由表5可見(jiàn)，還原煤灰渣軟化溫度為1 376℃，具有良好的軟化性能，可有效防止結(jié)圈。
 

       本研究所用粘結(jié)劑為膨潤(rùn)土，可以起到調(diào)節(jié)造球原料水分、提高生球強(qiáng)度和生球熱穩(wěn)定性、穩(wěn)定造球操作過(guò)程的作用。其化學(xué)成分如表6所示，物化性能如表7所示。

        赤鐵礦球團(tuán)預(yù)熱焙燒性能差，本研究中巴西赤鐵礦自然堿度為0.011，。故造球過(guò)程中，添加石灰石，將其堿度調(diào)至0.15，改善其預(yù)熱焙燒性能。所用石灰石CaO含量為60.38%，其粒度組成中-200目含91.4%。

1.2研究方法

        煤基直接還原試驗(yàn)研究的流程包括造球、球團(tuán)干燥、預(yù)熱、氧化焙燒和球團(tuán)直接還原，造球試驗(yàn)是在圓盤(pán)造球機(jī)中進(jìn)行的。其主要技術(shù)參數(shù)為：直徑Ф=800mm，轉(zhuǎn)速 38r/min，邊高 h=150mm，傾角 =47°；取部分生球樣測(cè)定其抗壓強(qiáng)度、落下強(qiáng)度、爆裂溫度和生球水分，其余生球用鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行干燥后用于后續(xù)的預(yù)熱固結(jié)球團(tuán)及氧化焙燒固結(jié)球團(tuán)的制備，為直接還原提供不同的原料。

        由于巴西赤鐵精礦粒度較粗，比表面積僅為875 cm2/g，成球性特別差，成球性指數(shù)僅是0.318。采用先球磨后高壓輥磨處理，球磨后比表面積達(dá)1300cm2/g左右（實(shí)測(cè)1335cm2/g），然后高壓輥磨至比表面積1700cm2/g左右。赤鐵礦均用石灰石將堿度調(diào)為0.15，石灰石細(xì)磨到其比表面積為2182cm2/g。

       在最佳造球參數(shù)條件下造出生球，生球干燥后進(jìn)行預(yù)熱焙燒條件實(shí)驗(yàn)，預(yù)熱球團(tuán)制備的最佳工藝參數(shù)是：預(yù)熱溫度1150℃，預(yù)熱時(shí)間為4min，抗壓強(qiáng)度達(dá)1111N/個(gè)。氧化球團(tuán)制備的最佳工藝參數(shù)是：預(yù)熱溫度1000℃,預(yù)熱時(shí)間4min，焙燒溫度1300℃，焙燒時(shí)間12min，抗壓強(qiáng)度達(dá)2708N/個(gè)。制備的預(yù)熱球團(tuán)及氧化球團(tuán)分別用于下述對(duì)比研究。

       球團(tuán)預(yù)熱和直接還原是在回轉(zhuǎn)管中進(jìn)行，回轉(zhuǎn)管管芯內(nèi)徑為120mm，預(yù)熱球團(tuán)還原方法是：取適量干球（500g左右）裝入回轉(zhuǎn)管中，對(duì)干球進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱一定時(shí)間后，加入相應(yīng)質(zhì)量的煤進(jìn)行還原，還原煤分3次加入，加入煤的比例為4:3:3，還原后用通氮?dú)饫鋮s，冷卻后進(jìn)行干式磁選分離得到直接還原鐵，氧化球團(tuán)直接還原方法是將制備好的氧化球團(tuán)直接加入達(dá)到還原溫度的回轉(zhuǎn)管預(yù)熱4min，其余操作與預(yù)熱球團(tuán)還原一致。冷卻后直接還原鐵以鐵品位、金屬化率、抗壓強(qiáng)度作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 赤鐵精礦造球

        由圖1可知，隨著膨潤(rùn)土用量從0.3%提高到1.2%，生球落下強(qiáng)度大幅增加，從1.4次/0.5m提高到7.8次/0.5m，但爆裂溫度卻隨之急劇下降，由505℃降低到330℃，生球的抗壓強(qiáng)度均大于13N/個(gè)。膨潤(rùn)土是一種高分散性物質(zhì)，填充在生球的顆粒之間，使赤鐵礦顆粒之間粘結(jié)力增大；隨著膨潤(rùn)土用量增加，爆裂溫度反而急劇降低，這主要是因?yàn)榕驖?rùn)土使生球內(nèi)部的毛細(xì)管徑變小，干燥時(shí)生球內(nèi)部壓力增加，生球因承受不住內(nèi)壓力沖擊而破裂。

 
圖1 膨潤(rùn)土用量對(duì)生球質(zhì)量的影響(生球水分9%，造球時(shí)間12min)

       生球水分對(duì)生球質(zhì)量的影響見(jiàn)圖2。隨著生球水分的提高，赤鐵礦球團(tuán)生球落下強(qiáng)度明顯提高，從2.7次/0.5m提高到8.2次/0.5m，但是，生球爆裂溫度確明顯下降，從460℃下降到390℃，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度均大于12N/個(gè)。當(dāng)水分較少時(shí)，增加水分可以增大毛細(xì)管內(nèi)水的填充率，進(jìn)而落下強(qiáng)度上升。但是隨著水分的增加，球團(tuán)內(nèi)的水分不能及時(shí)脫除，球團(tuán)因內(nèi)壓力增大而爆裂，所以爆裂溫度降低。綜合上所述，造球水分在9.8%左右較為適宜。

 
圖2 生球水分對(duì)生球質(zhì)量的影響（膨潤(rùn)土0.9%,造球時(shí)間12min）

2.2 赤鐵精礦球團(tuán)預(yù)熱固結(jié)

       在赤鐵礦球團(tuán)直接還原工藝中，為有效的防止回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈和提高回轉(zhuǎn)窯的窯容利用系數(shù)，生球在還原之前，需預(yù)熱或者預(yù)熱焙燒固結(jié)，提高入窯球團(tuán)強(qiáng)度。堿度對(duì)預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖3所示。隨著預(yù)熱溫度升高，預(yù)熱球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度迅速上升。隨著堿度的提高，預(yù)熱球強(qiáng)度升高，當(dāng)堿度為0.35－0.45時(shí)，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最高。隨后球團(tuán)強(qiáng)度下降。提高赤鐵礦球團(tuán)堿度，由于固相擴(kuò)散反應(yīng)生成低熔點(diǎn)鐵酸鈣體系的化合物及其共熔混合物，形成一定量的液相。促使鐵晶粒長(zhǎng)大，加快固結(jié)速度，抗壓強(qiáng)度升高。但當(dāng)球團(tuán)內(nèi)CaO含量過(guò)多時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多液相，使已聚集成大晶體的固結(jié)“粉碎化”，球團(tuán)相互粘結(jié)變形，不利于球團(tuán)預(yù)熱固結(jié)。
 

 
圖3 不同預(yù)熱溫度下堿度對(duì)預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度的影響（預(yù)熱時(shí)間為7min）

       堿度和預(yù)熱時(shí)間對(duì)預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖4。延長(zhǎng)時(shí)間對(duì)提高預(yù)熱球強(qiáng)度明顯有效。在還原時(shí)間為13分鐘時(shí)，堿度從0.011提高到0.35時(shí)，球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度從605N/個(gè)增加到1672N/個(gè)，堿度從0.35繼續(xù)提高到0.90時(shí)，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度由1672 N/個(gè)降低到638 N/個(gè)，抗壓強(qiáng)度在堿度0.35時(shí)達(dá)到最高峰。

 
圖4 不同預(yù)熱時(shí)間時(shí)堿度對(duì)預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度的影響（預(yù)熱溫度為1100℃）

2.3 球團(tuán)直接還原工藝參數(shù)優(yōu)化

        由圖5 和圖6可見(jiàn)，隨著還原溫度的升高，金屬化率和球團(tuán)抗壓強(qiáng)度均升高，但預(yù)熱球團(tuán)直接還原的抗壓強(qiáng)度明顯高于氧化球團(tuán)直接還原。當(dāng)溫度到1050℃時(shí)，預(yù)熱球團(tuán)直接還原鐵金屬化率達(dá)93.52%、抗壓強(qiáng)度達(dá)2203N/個(gè)。但繼續(xù)升高溫度，預(yù)熱球團(tuán)金屬化率反而降低。這是由于預(yù)熱球團(tuán)在高溫初期還原，迅速還原并形成致密的金屬鐵外殼，阻礙了反應(yīng)的進(jìn)行。

 
圖5 還原溫度對(duì)DRI產(chǎn)品質(zhì)量的影響（還原時(shí)間為90min，C/Fe為1）

圖6  還原溫度對(duì)DRI產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度的影響（還原時(shí)間為90min，C/Fe為1）

        還原時(shí)C/Fe對(duì)赤鐵礦球團(tuán)還原的影響如圖7和圖8，由圖可知，隨著C/Fe的提高，還原球團(tuán)金屬化率均先提高后趨于穩(wěn)定，當(dāng)C/Fe到0.75時(shí)，預(yù)熱球團(tuán)和氧化球團(tuán)還原鐵金屬化率均達(dá)94%以上。預(yù)熱球團(tuán)和氧化球團(tuán)還原球的抗壓強(qiáng)度隨著C/Fe的變化不大。但預(yù)熱球團(tuán)還原球的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于氧化球團(tuán)，有利于減少粉末形成，減少回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈隱患。

       由圖9可以看出，預(yù)熱球團(tuán)和氧化球團(tuán)均能迅速還原，還原30min左右時(shí)金屬化率大于85%，還原70min時(shí)，金屬化率均達(dá)94%以上，并趨于穩(wěn)定。預(yù)熱球團(tuán)的還原速度略比氧化球團(tuán)還原速度快。由圖8可知，預(yù)熱球團(tuán)還原和氧化球團(tuán)還原均有相同規(guī)律，即亞鐵的高峰對(duì)應(yīng)抗壓強(qiáng)度的低谷。但是預(yù)熱球團(tuán)的“低谷區(qū)”（抗壓強(qiáng)度<500N/個(gè)）時(shí)間比氧化球團(tuán)的“低谷區(qū)”短。預(yù)熱球團(tuán)直接還原過(guò)程中其抗壓強(qiáng)度上升得也快得多，最后的直接還原球團(tuán)抗壓強(qiáng)度也要高的多。預(yù)熱球團(tuán)還原30min時(shí)，直接還原鐵的抗壓強(qiáng)度達(dá)628N/個(gè)；而氧化球團(tuán)還原70min時(shí)才達(dá)638N/個(gè)?？s短球團(tuán)抗壓強(qiáng)度處于“低谷區(qū)”的時(shí)間，可使煤基直接還原生產(chǎn)過(guò)程中球團(tuán)粉末率降低。因此“一步法”可減少球團(tuán)粉化，確保回轉(zhuǎn)窯安全運(yùn)行。

 
圖7  C/Fe對(duì)DRI產(chǎn)品質(zhì)量的影響（還原溫度1050℃，還原時(shí)間均為90min）

圖8 C/Fe對(duì)DRI產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度的影響（還原溫度1050℃，還原時(shí)間均為90min）

2.4 直接還原鐵產(chǎn)品性能

       將生球(R=0.15)在1150℃預(yù)熱固結(jié)4min后,對(duì)熱球進(jìn)行煤基直接還原，直接還原條件如下：還原溫度1050℃、還原時(shí)間90min、C/Fe比為0.75，其產(chǎn)品化學(xué)分析見(jiàn)表8，性能見(jiàn)表9。由表可知，該直接還原鐵品位高達(dá)94.17%，金屬化率達(dá)93.79%，有害雜質(zhì)少，屬于優(yōu)質(zhì)海綿鐵產(chǎn)品，是電爐的優(yōu)質(zhì)原料。
 

 
圖9 還原時(shí)間對(duì)DRI產(chǎn)品質(zhì)量的影響（還原溫度1050℃，C/Fe為0.75）

圖10 還原時(shí)間對(duì)DRI產(chǎn)品質(zhì)量的影響（還原溫度1050℃，C/Fe為0.75）

2.5 預(yù)熱球團(tuán)還原能譜分析

       在還原溫度1050℃、還原時(shí)間90min、C/Fe比為0.75的條件下，對(duì)預(yù)熱球團(tuán)還原后金屬化球團(tuán)進(jìn)行掃描電鏡能譜分析。對(duì)金屬鐵晶粒進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖11所示，表明其組成以金屬Fe元素，金屬鐵晶粒純度極高。

 
圖11 預(yù)熱球團(tuán)還原球中金屬鐵晶粒（白色）的掃面電鏡能譜圖

        對(duì)金屬鐵顆粒周?chē)}石礦物區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖12，表明其主要以Si、Al、O、Ca為主，有少量的Na、Mn等元素，少量脈石包含在金屬鐵中。

 

圖12 預(yù)熱球團(tuán)還原球中金屬鐵晶粒中脈石成分（灰色）的掃面電鏡能譜圖

3 結(jié)論

       3.1以巴西赤鐵精礦為原料制備兩種球團(tuán)：預(yù)熱球團(tuán)和氧化球團(tuán)。巴西赤鐵礦球團(tuán)在1150℃下預(yù)熱固結(jié)4min，預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度達(dá)1111N/個(gè)；球團(tuán)在預(yù)熱溫度1000℃預(yù)熱時(shí)間4min，焙燒溫度1300℃及焙燒時(shí)間12min，氧化球團(tuán)抗壓強(qiáng)度達(dá)2708N/個(gè)。

        3.2預(yù)熱球團(tuán)和氧化球團(tuán)在還原溫度為1050℃、C/Fe比為0.75、還原時(shí)間為90min的條件下直接還原。預(yù)熱球團(tuán)直接還原能得到總鐵含量94.17%，金屬化率為93.79%，抗壓強(qiáng)度為1973N/個(gè)的直接還原鐵；氧化球團(tuán)直接還原得到全鐵含量94.32%，金屬化率為94.80%，抗壓強(qiáng)度為869N/個(gè)的直接還原鐵。

        3.3 以巴西赤鐵精礦和煙煤為原料，可采用“一步法”球團(tuán)煤基直接還原工藝制備優(yōu)質(zhì)的直接還原鐵，并與二步法進(jìn)行比較，“一步法”優(yōu)于“二步法”。將有利于簡(jiǎn)化工藝流程，節(jié)省投資，降低成本，同時(shí)也為直接還原拓寬原料來(lái)源。

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