張詩瀚，王廣，杜亞星，王靜松，薛慶國

　　北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室

　　
　　前言

　　我國鐵礦資源總量豐富，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[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。近年來隨著中國鋼鐵產(chǎn)能的大幅增長，對高品位鐵礦石的需求量迅猛增加，國內(nèi)鐵礦石供應(yīng)嚴重不足，對外依存度達到60%左右，不利于我國鋼鐵工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展[2]。因此，實現(xiàn)復(fù)雜鐵礦資源的綜合利用是解決我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)安全問題的重要途徑。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、反應(yīng)速率快、設(shè)備簡單、操作靈活等優(yōu)點[3]，能夠?qū)崿F(xiàn)鐵與非鐵元素的高效分離，達到綜合利用我國復(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，其礦石儲量高達100億噸，居我國鐵礦儲量第二位，釩、鈦儲量分別占全國的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。高爐法是通過選礦-燒結(jié)-高爐煉鐵-轉(zhuǎn)爐提釩-半鋼煉鋼一系列工序進行釩鈦磁鐵礦冶煉，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，而鈦基本都進入了高爐渣，渣中TiO2的含量高達25%，且基本無回收，從而造成鈦資源的極大浪費[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)性方面具有較強競爭力。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)窯流程存在以下問題：為保證電爐熔分工藝的順行，熔分過程中需加大量造渣料進行調(diào)渣，從而造成TiO2含量從理論的48%以上降低到實際的35%以下，而對于TiO2含量30~35%的鈦渣，目前尚無經(jīng)濟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和攀鋼集團，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)底爐進行高溫快速還原，在20~30min使金屬化率達到75~85%。預(yù)還原的金屬化球團在電爐中實現(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，其有價組分主要有鐵、鎳、鈷和鉻。從節(jié)能減耗的角度出發(fā)，對于含鎳低，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)率偏低等問題，所以需要進一步的完善和發(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)點是生產(chǎn)效率高、物料適應(yīng)性廣泛、生產(chǎn)易于控制和實現(xiàn)，且產(chǎn)品鎳鐵可用作不銹鋼生產(chǎn)原料。該工藝的缺點是無法回收鎳礦中的鈷，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)合球團為原料，先將紅土鎳礦中的鎳和鐵還原為金屬，然后對還原物料進行磁選分離，得到粗鎳鐵和爐渣。試驗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1.3，CaO添加量為7.5%。該工藝的優(yōu)點在于設(shè)備簡單、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，針對鐵品位21.38、鎳品位1.26的紅土鎳礦，進行了試驗研究。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)還原時間為30 min，電爐熔分溫度為1450℃，熔分時間為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)量分數(shù)為8.68%、鎳回收率 97.62%、鐵質(zhì)量分數(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，其中稀土的儲量居世界第一，遠景儲量1.35億噸，工業(yè)儲量4350萬噸，占全國工業(yè)儲量的83%。白云鄂博稀土礦每年開采的稀土氧化物（RE2O3）總量近60萬噸，能夠滿足全世界稀土氧化物的需要。但資源浪費十分嚴重，稀土回收率不到10%，其余隨選礦尾礦或者高爐渣進入尾礦壩堆存[13]。白云鄂博礦石具有鐵品位低，堿金屬含量高的特點。因此高爐冶煉白云鄂博礦石會加劇燒結(jié)礦還原粉化、引起球團礦異常膨脹、造成高爐結(jié)瘤、加劇爐襯侵蝕等問題，給高爐的長壽高效帶來不利的影響，無論是從經(jīng)濟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，破碎后通過磁選分離鐵和稀土渣。試驗結(jié)果表明：在還原溫度為1225℃、還原時間為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。該工藝實現(xiàn)了鐵的有效富集，但該流程明顯的問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、容易被氧化，且沒有回收稀土元素，造成了稀土元素的極大浪費。

　　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-渣中有價組分選擇性析出與解離的新工藝，以此實現(xiàn)鐵和稀土的分離富集而達到綜合利用的目的。試驗確定了最佳的工藝參數(shù)：還原熔分溫度在1400℃，焙燒時間為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)成十分簡單，從而有利于稀土元素的分離回收。       1起球團礦異常膨脹、造成高爐結(jié)瘤、加劇爐襯侵蝕等問題，給高爐的長壽高效帶來不利的影響，無論是從經(jīng)濟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，破碎后通過磁選分離鐵和稀土渣。試驗結(jié)果表明：在還原溫度為1225℃、還原時間為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。該工藝實現(xiàn)了鐵的有效富集，但該流程明顯的問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、容易被氧化，且沒有回收稀土元素，造成了稀土元素的極大浪費。

　　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-渣中有價組分選擇性析出與解離的新工藝，以此實現(xiàn)鐵和稀土的分離富集而達到綜合利用的目的。試驗確定了最佳的工藝參數(shù)：還原熔分溫度在1400℃，焙燒時間為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量達660萬噸，占我國總儲量的95%以上，鈮礦物共有18種，具有存儲量大、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，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題：工藝復(fù)雜、流程較長、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)方覺等[17]，根據(jù)包頭礦高鐵低鈮的特點提出“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。選擇性還原的目標是將鐵從氧化物中還原出來，鈮則仍保持氧化狀態(tài)，使鐵和鈮在熔分過程中分別進入金屬相和渣相，達到鐵鈮分離的目的。張家元等[18]用此工藝對含Nb2O51.82%的鈮精礦在1050℃保溫60min的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進行選擇還原，在1600℃的管式電阻爐內(nèi)進行熔分，并在電弧爐內(nèi)進行冶煉，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)品的品位和冶煉過程中鈮的收得率。然而，回轉(zhuǎn)窯焙燒過程對球團的強度要求較高，且易發(fā)生回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈，同時大量粘結(jié)劑得加入易導(dǎo)致渣量增大。此外，電爐冶煉過程中，存在點弧困難、電耗高的問題。

　　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TFe品位為58%，Nb2O5品位為1.19%的含鈮鐵精礦進行了研究。實驗結(jié)果表明：焙燒溫度為1300℃，無煙煤的用量20%，助熔劑石灰石用量為10%，焙燒時間 60 min，得到還原鐵產(chǎn)品中鈮含量達到1.75%，回收率94%， 90%的鈮礦物富集進入了還原鐵產(chǎn)品中。該工藝法可使提鈮工藝簡化，具有低能耗、鈮回收率高的優(yōu)點，但該工藝只能冶煉低級鈮鐵。

　　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TFe品位為35.5%，Nb2O5品位為4.32%的含鈮鐵精礦進行了試驗研究。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℃，還原時間為20min。在此條件下，金屬鐵顆粒聚集長大，Nb以TiNbO4的形式鑲嵌在渣中，同時生成少量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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