梁之凱，黃柱成，易凌云，陸彪，鐘榮海

　　中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院

　　我國低品位鐵礦石資源豐富，但具有特點是：鐵量低且嵌布粒度細、成分復(fù)雜、有害元素含量高、難選難冶 [1-3]。湖南某鐵礦在上世紀六十年代開始被開發(fā)利用，探明鐵礦資源儲量達到5.1億噸，鐵礦品位在28%～37%之間，具有鐵品位低、鐵氧化物晶粒微細、SiO2含量高、礦石熔點低等特點。若采用選礦方法，該低品位鐵礦磨礦細度需達到-600目以上甚至更高，將導(dǎo)致磨礦能耗高，磁選分離難道大，反浮選工藝負荷重，浮選藥劑耗量大，鐵回收率低等問題[4-6]。

　　近年來，處理該種鐵礦還有磁化焙燒-磁選工藝，常用的有豎爐工藝、回轉(zhuǎn)窯工藝和沸騰爐工藝等[7-10]。其中，豎爐工藝入爐尺寸為15～75mm，尺寸粒度較大導(dǎo)致外部燒穿或過磁化，內(nèi)部還沒有燒透或還原而降低磁化率?；剞D(zhuǎn)窯工藝處理25mm以下的細礦或粒礦，回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈問題嚴重。沸騰爐屬流化床工藝，處理1～3mm礦石，存在設(shè)備磨損明顯，焙燒熱耗高，鐵礦粉在爐內(nèi)有嚴重的混流，礦物顆粒不能達到“先進先出”排隊問題，導(dǎo)致不均勻

　　的粉礦焙燒或還原，并最終降低產(chǎn)品的技術(shù)和經(jīng)濟指標。

　　為解決上述問題，中南大學(xué)針對該鐵礦深入研究，對傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝進行創(chuàng)新改進，開發(fā)一種新的低品位鐵礦內(nèi)配碳小球團低溫快速回轉(zhuǎn)窯直接還原新工藝并成功用于工業(yè)試驗。該工藝是將低品位赤鐵礦粉配加粘結(jié)劑及添加劑制成3mm～8mm的內(nèi)配碳小球團，利用回轉(zhuǎn)窯煙氣余熱將其脫除部分水分后直接入回轉(zhuǎn)窯直接還原，在高溫段還原溫度為980℃～1020℃的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)還原90min～120min得到金屬化率較高的直接還原鐵，直接還原鐵再經(jīng)過磨礦-磁選得到較高品位的鐵精礦。

　　因此，本文將回轉(zhuǎn)窯工業(yè)試驗裝置在正常生產(chǎn)運行時，采取緊急停窯-封窯-解剖工作，研究物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)各段的還原行為，探究其還原機理，為大型化工廠設(shè)計和生產(chǎn)提供更優(yōu)的工藝參數(shù)和指導(dǎo)。

　　1原料及試驗

　　1.1 原料性能

　　本試驗所用含鐵原料為湖南某地微細粒嵌布貧赤鐵礦，其化學(xué)成分如表1所示，試驗所使用的內(nèi)配煤及噴煤的工業(yè)分析及灰分成分見表2。由表1和表2可見，工業(yè)試驗所用鐵品位低，僅有31.24%，而SiO2含量高達41.81%。所使用的煤粉固定碳含量為57.56%，揮發(fā)份32.78%，發(fā)熱值為28.38MJ/kg。

　　圖1為所用鐵礦石的背散射電子圖（A）和鐵礦石Fe元素的面掃描圖（B）。該鐵礦石主要含鐵物相為赤鐵礦，主要脈石礦物為石英，鐵礦物主要呈星散浸染狀分布，嵌布粒度極細。經(jīng)工藝礦物學(xué)研究，赤鐵礦結(jié)晶粒度小于37μm占95.73%，小于10μm占39.94%。

 　　表1 低品位赤鐵礦的主要化學(xué)成分/%

 　　表2 煤粉的工業(yè)分析及灰分成分/%

　　1.2 試驗方法

　　含碳球團是通過將低品位赤鐵礦、含鈉添加劑和內(nèi)配煤按照一定質(zhì)量比混合后磨礦至-200目占80%以上，再經(jīng)圓盤造球機（φ2000mm）造球制得3～8mm生球（含水量11～13%），然后經(jīng)圓筒干燥機（φ1500mm×8000mm）脫除部分水分制得，其含水量為8～9%。所得冷固結(jié)球團直接入回轉(zhuǎn)窯（φ1500mm×15000mm）進行還原焙燒，回轉(zhuǎn)窯窯頭進行噴煤提供熱量和部分還原氣體，窯尾的返煤同球團一同加入回轉(zhuǎn)窯。

　　在回轉(zhuǎn)窯工業(yè)試驗正常生產(chǎn)運轉(zhuǎn)時，采取如下措施進行停窯-封窯-解剖工作。首先，停止窯尾給料和噴煤，關(guān)閉所有風(fēng)機；第二步，向回轉(zhuǎn)窯窯頭股入氮氣，并從二次風(fēng)機口倒入液氮進一步阻止氧化的發(fā)生；第三步，采用水泥將回轉(zhuǎn)窯身各處孔洞和窯頭、窯尾口封閉；第四步，等待窯內(nèi)溫度降至室溫后，打開窯頭和窯尾，進行人工取樣。

　　試驗中，各物質(zhì)成分的分析采用化學(xué)分析方法，顯微結(jié)構(gòu)及物相分析采用掃描電鏡能譜波譜儀SEM（JSM-6490LV）及XRD衍射儀（Bruker D8），煤的工業(yè)分析采用SUNDY（SDTGA 5000）分析儀。

 

 （A）鐵礦石背散射電子圖（×1200）

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 小球團在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的還原特性

　　回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)各點的球團鐵品位和金屬化率變化情況如圖2所示，曲線a為球團鐵品位變化曲線，曲線b為球團金屬化率變化曲線。

　　從圖2可以看出，曲線a可分為四段：第一段（Ⅰ），15.0～11.5m，球團金屬化率在該段內(nèi)由15.0m時的0%迅速提高到14.5m時的3.41%，并在14.5m～11.5m范圍內(nèi)，球團金屬化率緩慢提高到5.86%，該段長度約占窯身長度的23%，該段金屬鐵生成量占金屬鐵總生成量的6.88%。第二段（Ⅱ），11.5～7.5m段，球團金屬化率迅速提高，從5.86%迅速提高到79.47%，該段長度占窯身長度的27%，該段金屬鐵生成量占金屬鐵總生成量的86.45%。第三段（Ⅲ），球團金屬化率在7.5～4.5m段內(nèi)緩慢增加，由79.47%逐步提高到85.15%，該段長度占窯身長度的20%，該段金屬鐵生成量占金屬鐵總生成量的6.67%。第四段（Ⅳ），從4.5m至窯頭，球團金屬化率基本保持不變，該段長度占窯身長度的30%，該段沒有新生金屬鐵相?？芍?，球團內(nèi)金屬鐵大量生成主要發(fā)生在第二階段（11.5～7.5m），該段的金屬鐵產(chǎn)生量占到了金屬鐵總產(chǎn)生量的86.45%，將球團在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)向前移動的速度認為是一個常數(shù)，則球團在該回轉(zhuǎn)窯內(nèi)主要發(fā)生還原反應(yīng)的時間僅占其在窯內(nèi)停留時間的27%。同時，球團在第四階段已經(jīng)不再有新生金屬鐵生成，因此可知，球團在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的“有效”還原時間占其在窯內(nèi)停留時間的70%。

　　曲線b也出現(xiàn)了類似于曲線a的變化趨勢，曲線b也可以分為四段：第一段（Ⅰ’），15.0～12.5m，該段球團鐵品位基本保持不變。第二段（Ⅱ’），12.5～8.0m，該段球團鐵品位急劇提高，從26.65%迅速提高到35.45%。第三段（Ⅲ’），8.0～5.5m，該段球團鐵品位急劇提高，從35.45%緩慢提高到36.05%。第四段（Ⅳ’），5.5～0m，該段球團鐵品位基本不再發(fā)生變化。球團鐵品位的增加主要是由球團內(nèi)配煤固定碳、揮發(fā)分的損失以及鐵氧化物的還原失氧造成的。結(jié)合曲線a和b可以看出，兩者在第二階段較為吻合，可知小球團在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的還原反應(yīng)主要發(fā)生在12.5～7.5m段，由于球團在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)總的還原時間為90～120min，因此小球團在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)完成主要還原反應(yīng)所需時間僅為30～40min。

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