朱德慶，潘建，郭正啟，楊聰聰，嚴欣程

中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院

       1 前言

直接還原工藝是非高爐煉鐵的主要方法之一，它是鐵礦石在低于其熔點的溫度條件下，以固態(tài)的形式還原成金屬鐵的工藝。這一工藝所生產(chǎn)的還原鐵也被稱為直接還原鐵（Direct Reduction Iron，簡稱為DRI）。當(dāng)DRI的原材料為超純鐵精礦時，所制備的產(chǎn)品性能極佳，其純度高，可作為電爐煉鋼的原料和轉(zhuǎn)爐煉鋼的冷卻劑。DRI進入鋼鐵工業(yè)后，得到了廣泛的認可，甚至被認為將引領(lǐng)21世紀鋼鐵工業(yè)發(fā)展方向。近年來，世界DRI的產(chǎn)量逐漸提高，2017年全球DRI產(chǎn)量高達8710萬噸[1]。目前， HYL和MIDREX是DRI生產(chǎn)的主要技術(shù)， 由這兩種工藝生產(chǎn)的直接還原鐵的產(chǎn)量占世界DRI總產(chǎn)量的80%以上。

然而，中國直接還原鐵產(chǎn)量較低，在世界鋼鐵協(xié)會的《Steel Stastistical Yearbook 2017》中，已經(jīng)連續(xù)7年（2010年至2016年）無中國的直接還原鐵產(chǎn)量。但是從20世紀50年代開始，中國就已經(jīng)開始進行直接還原相關(guān)技術(shù)的開發(fā)和研究工作[2,3]。不過由于天然氣短缺的先天性限制，中國對直接還原的研究主要集中在煤基直接還原工藝，比如回轉(zhuǎn)窯、隧道窯、轉(zhuǎn)底爐等。煤基隧道窯罐式法生產(chǎn)工藝技術(shù)壁壘低、投資小，適合小規(guī)模生產(chǎn)，但是隧道窯法污染較為嚴重、能耗較高、單機產(chǎn)能較小，且其所得DRI質(zhì)量相對較差，不能滿足當(dāng)今鋼鐵行業(yè)的需求，難以獲得較大的發(fā)展前景[4,5]。近年來，轉(zhuǎn)底爐工藝愈發(fā)受到我國的關(guān)注，建成了多座轉(zhuǎn)底爐，但是，轉(zhuǎn)底爐工藝煤灰會滲入DRI中，使其鐵品位降低、S含量增高，難以滿足煉鋼生產(chǎn)的需求。目前對轉(zhuǎn)底爐的應(yīng)用主要為復(fù)合礦和二次資源的綜合利用[6-8]?；剞D(zhuǎn)窯工藝技術(shù)發(fā)展迅速，回轉(zhuǎn)窯是我國最重要的直接還原設(shè)備，但對原料要求高，只適用于球團或塊礦，同時該工藝對技術(shù)要求高，可結(jié)合我國煤炭資源豐富，天然氣匱乏的特點。回轉(zhuǎn)窯法是目前能夠穩(wěn)定大規(guī)模生產(chǎn)直接還原鐵的最佳選擇。截至2014年底，我國曾建成6條煤基回轉(zhuǎn)窯直接還原生產(chǎn)線，總產(chǎn)能約65萬t/年。其中天津鋼管的2條生產(chǎn)線是引進英國戴維公司的直接還原回轉(zhuǎn)窯，以塊礦或氧化球團為原料，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，但2008年10月起由于缺乏優(yōu)質(zhì)原料而被迫停產(chǎn)至今[9,10]。若能提高鐵精礦原料的性能，煤基回轉(zhuǎn)窯技術(shù)制備優(yōu)質(zhì)DRI產(chǎn)品具有較大的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢。

此外，近些年來，隨著我國超純鐵精礦的需求量日漸加大，迫使利用國內(nèi)鐵精礦深加工以研制超純鐵精礦的發(fā)展規(guī)劃提上日程，相繼開發(fā)了階段磨礦-階段磁選、磁選-浮選聯(lián)合、階段磨選-弱磁選和磁選柱的雙重精選等工藝，破解了鐵精礦提純的難題[11-12]。目前，生產(chǎn)出鐵精礦70%以上的鐵精礦并非難題。

以直接還原鐵為原料的電爐煉鋼短流程是冶煉優(yōu)質(zhì)鋼和特種鋼的重要工藝，節(jié)能減排優(yōu)勢明顯，是《鋼鐵工業(yè)調(diào)整升級規(guī)劃（2016-2020年）》特別指出的鋼鐵工業(yè)發(fā)展趨勢。結(jié)合我國資源特點，大力發(fā)展煤基回轉(zhuǎn)窯DRI生產(chǎn)，對完善高爐長流程、發(fā)展電爐短流程，推動鋼鐵工業(yè)的綠色發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級調(diào)整具有重大意義。本文以某鐵品位高達69%的國產(chǎn)超純磁鐵精礦為研究對象，開展了鐵精礦球團煤直接還原基礎(chǔ)與工藝研究，開發(fā)超細超純磁鐵精礦的球團直接還原技術(shù)，拓寬球團礦生產(chǎn)原料來源，同時制備高品質(zhì)的直接還原鐵，為電爐冶煉優(yōu)質(zhì)鋼提供高品質(zhì)爐料。

2 原料性能及研究方法

2.1 原料性能

2.1.1 高品位鐵精礦

所使用的高品位鐵精礦均產(chǎn)自甘肅地區(qū)，由甘肅某公司提供。鐵精礦化學(xué)成分分析列于表1。由表可知，OGM鐵品位為69.42%，SiO2含量為1.23%，P、S、Pb、Zn和Cu等有害含量極低，從化學(xué)成分看，是一種優(yōu)質(zhì)的DRI原料。

 

高品位鐵精礦的粒度組成及物理性能見表2及3。該磁鐵精礦粒度極細，其中-200目超過99%，-325目超過63%，從粒度組成上看可以直接用于造球。OGM鐵精礦成球性指數(shù)K為0.29，屬于弱成球性成球性鐵精礦。由表3可知，該磁鐵精礦的比表面積僅為1231cm2/g，不能滿足后續(xù)的造球要求，因此需要進一步的高壓輥磨預(yù)處理。 

 

2.1.2還原煤

本文使用神府煤作為還原劑，還原煤均為外配。神府煤工業(yè)分析結(jié)果見表4，還原煤灰渣軟熔特性見表5，化學(xué)成分見表6。由表可知，神府煤的固定炭含量高達52%，揮發(fā)分30.41%，灰分不到5%，硫含量僅為0.34%。直接還原用煤要求固定炭含量高于50%，揮發(fā)分30%左右，灰分小于10%，全S含量低于1%，焦渣特征數(shù)不大于2。神府煤具有較高的固定炭含量，適宜的揮發(fā)分，較低的灰分和硫含量，適合作為直接還原用煤。此外，神府煤灰分熔點較高，可以有效避免還原過程中回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈問題。

 

2.1.3粘結(jié)劑

為不降低DRI產(chǎn)品的鐵品位，本研究采用有機粘結(jié)劑和膨潤土聯(lián)合強化鐵精礦造球。由表可知，膨潤土的吸藍量為37.45g/100g，蒙脫石含量為84.73%(超過60%)，吸水率569%，遠高于一級品120的要求，膨脹倍數(shù)也高達14 ml/g，是一種優(yōu)良的膨潤土。本研究采用了有機添加劑-聚丙烯酰胺（PAM），取代部分膨潤土。PAM是一種線型高分子聚合物，呈顆粒狀，分子量500萬以上。本研究采用的有機粘結(jié)劑為聚丙烯酰胺分析純試劑。

 

2.2 研究方法

鐵精礦直接還原試驗主要分為造球、干燥、預(yù)熱和焙燒、直接還原等步驟。

造球：鑒于OGM鐵精礦比表面積較小，成球性較差，可對其進行高壓輥磨預(yù)處理，以提高其成球性能。分別以PAM、F粘結(jié)劑及膨潤土作為添加劑，加入干重為3.5kg的OGM鐵精礦，將原料混勻后以圓盤造球機造球。造球機傾角為45°、直徑為1m、邊高為0.3m及轉(zhuǎn)速為25r/min。取合格生球檢測其生球性能，確定適宜的添加劑及其配比。確定適宜造球參數(shù)后，制備合格生球。

氧化球團制備：本文模擬鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯制備氧化球團。均以CWQ-55臥式管爐（加熱室尺寸φ40×300mm）作為預(yù)熱焙燒及氧化焙燒的設(shè)備。生球先在烘箱中105℃ 溫度下干燥4小時，干球裝在長6cm，寬3cm，高2cm的剛玉瓷舟中進行預(yù)熱（氧化）焙燒試驗。模擬鏈篦機制備預(yù)熱球團進行預(yù)熱焙燒一段試驗；模擬鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯制備氧化球團進行預(yù)熱焙燒及氧化焙燒二段試驗。氧化球團一般以球團抗壓強度作為評價指標(biāo)。生球經(jīng)預(yù)熱焙燒或氧化焙燒后冷卻至室溫，使用壓力機測其抗壓強度，壓力機采用中南大學(xué)研制的ZQYC-智能抗壓測量儀，測量8個粒徑在10~12.5mm之間的預(yù)熱（氧化）球團抗壓強度，取其平均值。

直接還原：本文直接還原是以KSY-12-18馬弗爐（加熱室尺寸35×40×52cm）模擬進行，由硅碳棒發(fā)熱外部供熱。每次實驗，取60g預(yù)熱或氧化球團，按照C/Fe質(zhì)量比計算并配入還原煤。并將1/3的還原煤均勻放置在剛玉坩堝中，隨后裝入球團，在上面覆蓋剩余的2/3還原煤。裝料完成后，將坩堝放入已升至目標(biāo)溫度的馬弗爐內(nèi)進行還原。還原結(jié)束后，迅速取出坩堝，并將坩堝埋入煤堆里，以防止再氧化。冷卻后的直接還原球團非常容易便可與殘?zhí)挤蛛x，經(jīng)過干式磁選與篩分，在進行簡單的清理便可獲得質(zhì)地純凈的金屬化球團。使用ZQYC-智能抗壓測量儀測量冷卻后還原球團的抗壓強度。

3.結(jié)果與討論

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