劉 瑛 郭漢杰 郭 磊 李永麒 孫貫永

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；2．鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

·礦物工程·

某海濱鐵砂礦流態(tài)化氣基還原—高溫熔分試驗(yàn)

劉 瑛1郭漢杰1郭 磊2李永麒1孫貫永1

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；2．鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

為了確定印度尼西亞某海濱鐵砂礦的合理開發(fā)利用方案，在模擬流化床的豎直管式爐內(nèi)，以CO與H2的混合氣體為還原劑，對該海濱鐵砂礦進(jìn)行了直接還原試驗(yàn)，并對最佳條件下的還原產(chǎn)物進(jìn)行了熔分條件試驗(yàn)。結(jié)果表明：①反應(yīng)溫度和還原氣氛對還原效果影響顯著，在還原溫度為900 ℃、還原氣體H2和CO的體積比為7∶3、還原時間為80 min情況下，還原產(chǎn)物中鐵的還原度為96.11%、鐵的金屬化率為93.40%。②確定條件下的還原產(chǎn)物適宜的熔分溫度為1 570 ℃、堿度為1.2、熔分時間為15 min，對應(yīng)的鐵回收率為92.99%。因此，流態(tài)化氣基還原—高溫熔分工藝是該海濱鐵砂礦開發(fā)利用的有效工藝。

海濱鐵砂礦 流態(tài)化氣基還原 流化床 高溫熔分 還原度 金屬化率

隨著現(xiàn)代化和新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，我國鋼鐵工業(yè)經(jīng)歷了10余年的高速發(fā)展期，這期間，鐵礦石的需求量增長了近10倍。需求量的快速增長加快了我國中高品位鐵礦石資源枯竭的速度，與此同時，鐵礦石的對外依存度迅速增長[1]，其中，開展海濱鐵砂礦開發(fā)利用研究就是我國嘗試?yán)煤Ｍ赓Y源的一部分[2-4]。

海濱鐵砂礦雖然通常具有儲量大、開采成本低、粒度細(xì)小均勻等特點(diǎn)，但選礦工藝卻不成熟[5-6]。高爐法、回轉(zhuǎn)窯—電爐法、轉(zhuǎn)底爐—電爐法、豎爐—電爐法等均因投資大、流程長、能耗高、污染嚴(yán)重、還原效果不佳等原因而一直未得到高效、合理的利用[7-8]。由于流態(tài)化氣基還原工藝具有氣體與礦砂接觸充分、傳熱快、傳質(zhì)迅速、反應(yīng)溫度均勻、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[9]，因而本試驗(yàn)將探討該工藝還原海濱鐵砂礦的效果。

1 試驗(yàn)原料

1.1 海濱鐵砂礦

試驗(yàn)原料為印度尼西亞某海濱鐵砂礦，磨圓度好、粒度均勻，除渣后試樣的粒度為80～100目占90%，主要礦物相為鈦磁鐵礦，鈦鐵礦少量，鐵、鈦以固溶體的形式存在，物理方法難以分離。試樣主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 試樣主要化學(xué)成分分析結(jié)果

從表1可見，試樣中主要有用元素為鐵、鈦，主要脈石成分為SiO2、Al2O3、MgO、CaO等，有害雜質(zhì)S、P等含量較低。

1.2 還原煤粉

試驗(yàn)用還原劑為印尼當(dāng)?shù)氐暮置?，其工業(yè)分析結(jié)果見表2。

表2 褐煤工業(yè)分析結(jié)果

1.3 助熔劑

試驗(yàn)用助熔劑CaO為分析純，白色粉末狀。

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用還原爐為自主設(shè)計(jì)的、模擬熱態(tài)可視流化床的豎直管式電阻爐(見圖1)，升溫速率和保溫時間可控，其反應(yīng)器為雙層透明石英管，內(nèi)、外徑分別為30和70 mm，內(nèi)管為流化床，從上而下流經(jīng)外管與內(nèi)管夾層的還原氣體在此過程中被預(yù)熱，然后從內(nèi)管下端進(jìn)入，穿過流化床分布板上的小孔和分布板上部的試樣(分布板上的小孔不允許試樣顆粒通過)。通過熱電偶監(jiān)控流化床內(nèi)的還原溫度。電阻爐留有觀察窗口，肉眼可直接觀察床層流化狀態(tài)，同時通過壓力傳感器記錄床層壓差變化。

圖1 豎直管式電阻爐

2.2 試驗(yàn)方法

將60 g試樣置于流化床的分布板上，給豎直管式電阻爐升溫，同時通入保護(hù)性氣體N2。當(dāng)流經(jīng)試樣的氣體溫度達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定溫度后，在質(zhì)量流量計(jì)的調(diào)配下將通入1.7 L/min的還原性氣體(高純CO、H2或這2種氣體的混合氣體)。還原一定時間后即關(guān)閉加熱系統(tǒng)，并將還原氣體切換成N2，在N2保護(hù)下使?fàn)t內(nèi)溫度降至室溫。然后測定還原產(chǎn)物的全鐵、金屬鐵和亞鐵含量，計(jì)算還原度和金屬化率，并使用日本理學(xué)Rigaku DMAX-RB 12kW 旋轉(zhuǎn)陽極衍射儀分析還原前后試樣的物相。

還原度及金屬化率的計(jì)算公式分別為

(1)

(2)

式中，R為還原產(chǎn)物中鐵的還原度，%；a1為還原產(chǎn)物中亞鐵的含量，%；a2為還原產(chǎn)物中金屬鐵的含量，%；a為還原產(chǎn)物中全鐵的含量，%；η為還原產(chǎn)物中鐵的金屬化率，%。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 氣基還原試驗(yàn)

3.1.1 還原氣體成分對還原效果的影響

還原氣體為H2和CO，H2與CO組成對還原效果影響試驗(yàn)的還原時間為80 min,還原溫度為850 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 還原氣體成分對還原效果影響試驗(yàn)結(jié)果

從圖2可以看出，隨著H2占比的提高，還原產(chǎn)物中鐵的還原度和鐵的金屬化率均先上升后下降，高點(diǎn)均在H2占70%時，即H2和CO的體積比為7∶3時，還原產(chǎn)物中鐵的還原度和鐵的金屬化率分別為86.60%和78.54%。

提高H2占比，還原產(chǎn)物指標(biāo)上升的主要原因是，高溫下H2的還原能力和利用率高于CO，且H2的擴(kuò)散能力比CO大得多，此外H2O比CO2容易從反應(yīng)界面上脫附，這就使得H2的還原動力學(xué)條件大大優(yōu)于CO；但當(dāng)H2的占比超過某一極限后，還原產(chǎn)物中鐵的還原度和鐵的金屬化率將下降，這與H2的還原反應(yīng)屬吸熱反應(yīng)，H2的比熱低于CO，帶入的顯熱少，且還原產(chǎn)物H2O的比熱高于CO2，帶出的顯熱多有關(guān)[10]。因此，還原氣體中H2的占比過高會引起爐內(nèi)供熱不足，導(dǎo)致反應(yīng)速率下降，使還原不充分，還原產(chǎn)物中鐵的還原度和鐵的金屬化率下降。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定還原氣體中H2與CO的體積比為7∶3。

3.1.2 還原溫度對還原效果的影響

還原溫度對還原效果影響試驗(yàn)的還原氣體H2與CO的體積比為7∶3，還原時間為80 min，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 還原溫度對還原效果影響試驗(yàn)結(jié)果

從圖3可以看出，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨著還原溫度的升高，還原產(chǎn)物中鐵的還原度和鐵的金屬化率顯著提高，900 ℃時，還原產(chǎn)物中鐵的還原度和鐵的金屬化率分別達(dá)96.11%和93.40%。

還原溫度升高，還原氣體的分子活躍度提高、擴(kuò)散速度加快，化學(xué)反應(yīng)的ΔG?的負(fù)值越大，反應(yīng)向產(chǎn)物方向進(jìn)行的程度越大，因此，溫度升高可以使還原產(chǎn)物中鐵的還原度和鐵的金屬化率增加。當(dāng)然，還原溫度也不宜過高，否則會影響礦粉在床內(nèi)的流化狀態(tài)，甚至使部分礦粉發(fā)生黏結(jié)。因此，確定還原溫度為900 ℃。

3.1.3 還原時間對還原效果的影響

還原時間對還原效果影響試驗(yàn)的還原氣體H2與CO的體積比為7∶3，還原溫度為900 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見圖4,確定還原時間下焙燒產(chǎn)物的XRD圖譜見圖5。

從圖4可以看出，在試驗(yàn)還原時間內(nèi)，隨著還原時間的延長，還原產(chǎn)物中鐵的還原度和鐵的金屬化率均小幅上升，還原時間從80 min延長至120 min，還原產(chǎn)物中鐵的還原度和鐵的金屬化率分別從96.11%和93.40%提高至99.50%和97.43%，升幅十分有限。因此，確定還原時間為80 min。

圖4 還原時間對還原效果影響試驗(yàn)結(jié)果

圖5 確定條件下還原產(chǎn)物的XRD圖譜

從圖5可以看出，在H2和CO的體積比為7∶3，還原溫度為900 ℃，還原時間為80 min情況下，還原產(chǎn)物的XRD圖譜中主要是金屬鐵和二氧化鈦的衍射峰。

3.2 高溫熔分試驗(yàn)

熔分條件確定采用正交試驗(yàn)方法，焙燒產(chǎn)物加還原煤粉量按氧碳物質(zhì)的量之比1∶1添加(避免已金屬化的鐵在熔分時被再次氧化)，按一定的堿度加CaO，混合均勻后加入坩堝內(nèi)，在電阻爐內(nèi)進(jìn)行高溫熔化分離試驗(yàn)。

3.2.1 試驗(yàn)因素水平安排

在前期探索試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定的熔分溫度A、堿度B、熔分時間C均取3水平，各水平具體取值見表3。

表3 正交試驗(yàn)因素水平安排

3.2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)因素水平安排，按正交表L9(33)進(jìn)行正交試驗(yàn)，由于不同條件下熔融鐵的鐵含量均在90%以上，差異較小，因此，將鐵回收率指標(biāo)作為優(yōu)選條件的依據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果見表4，對表4中數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表5，各條件下的渣鐵的分離情況見圖6。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

表5 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

從表4可以直觀地看出，因素組合為A3B2C3時的回收率最高，即熔分溫度為1 570 ℃、堿度為1.2、熔分時間為15 min時，鐵回收率為92.99%。

從表5可以看出，對于鐵回收率而言，熔分時間引起的極差最大，達(dá)7.00，表明該因素對鐵回收率的影響最顯著；熔分溫度引起的極差次之，為4.12；堿度引起的極差最小，為2.72，表明該因素對鐵回收率的影響最小。因素的優(yōu)化組合為A3B2C3，即熔分溫度為1 570 ℃、堿度為1.2、熔分時間為15 min，這與表4的直觀結(jié)果一致。

圖6 渣鐵分離情況照片

從圖6可以看出，正交試驗(yàn)編號為6、7的2個試驗(yàn)的渣鐵分離效果較好，鐵餅表面光潔無渣，2、9號次之，其余5個試驗(yàn)的渣鐵分離效果相對較差，鐵餅表面粗糙程度不一，以3號試驗(yàn)的為最盛，呈現(xiàn)渣鐵界限不清晰情況。2、6、7號試驗(yàn)渣鐵分離效果較好主要與熔分時間最長有關(guān)，3號試驗(yàn)渣鐵分離效果較差則主要由熔分溫度最低、熔分時間最短決定。

4 結(jié) 論

(1)利用熱態(tài)可視流化床對印尼某海濱鐵砂礦進(jìn)行還原，可以得到含一定單質(zhì)Fe的還原熟料。還原溫度和還原氣體成分對海濱鐵砂礦的還原程度影響最大，還原溫度提高，還原產(chǎn)物鐵的還原度和金屬化率明顯增加；在一定范圍內(nèi)提高H2與CO的體積比有助于提高還原產(chǎn)物中鐵的還原度和金屬化率；在一定范圍內(nèi)延長還原時間，對鐵的還原度和金屬化率影響不大。

(2)該海濱鐵砂礦的最佳還原溫度為900 ℃、還原氣體H2和CO的體積比為7∶3、還原時間為80 min，對應(yīng)產(chǎn)物中鐵的還原度為96.11%、鐵的金屬化率為93.40%。

(3)最佳還原條件下的產(chǎn)物適宜的熔分溫度為1 570 ℃、堿度為1.2、熔分時間為15 min，對應(yīng)的鐵回收率為92.99%。

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(責(zé)任編輯 羅主平)

Fluidized Gas Reduction-High Temperature Smelting Tests of a Beach Iron Placer

Liu Ying1Guo Hanjie1Guo Lei2Li Yongqi1Sun Guanyong1

(1.SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China; 2.StakeKeyLaboratoryofAdvancedMetallurgy，Beijing100083，China)

In order to find a reasonable development and utilization program for a beach placer in Indonesia，the direct reduction experiments using CO-H2gas mixture as reducing gas were conducted in a vertical tubular resistance furnace.Smelting tests on products obtained at optimum condition were conducted.The results revealed that ① both reaction temperature and reduction circumstances can dramatically influence the reaction efficiency，reduction products with iron reduction degree of 96.11% and metallization ratio of 93.40% was obtained at conditions of volume ratio of H2to CO 7∶3，and reducing temperature at 900 ℃ for 80 min.② under the optimum smelting temperature 1 570 ℃，alkalinity 1.2，smelting time 15 min for the reduction products，the recovery of iron reached 92.99%.To sum up，the fluidized gas reduction-high temperature smelting process is an efficient process in developing the beach placer.

Beach iron placer，F(xiàn)luidized gas reduction，F(xiàn)luidized bed，High temperature smelting，Reduction degree，Metallization ratio

2014-05-27

劉 瑛(1988—)，男，碩士研究生。通訊作者 郭漢杰(1957—)，男，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師。

TD925.7

A

1001-1250(2014)-09-043-05