經(jīng)文波, 李勝利

(1.北京神霧環(huán)境能源科技集團(tuán)股份有限公司研究院， 北京 102200； 2.江蘇省冶金設(shè)計院有限公司北京分公司， 北京 102200)

0 前言

加強二次資源利用是冶金工業(yè)的發(fā)展方向，銅渣含鐵40%，是銅冶煉過程中產(chǎn)生的固體廢棄物。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國銅冶煉企業(yè)每年產(chǎn)生銅渣～1 000萬t[1]，到目前為止，累計總堆存量已達(dá)數(shù)億t。銅渣僅有少量用于充填礦井、作為水泥配料和制作建筑材料，大量棄渣堆存在渣場，不僅造成了鐵資源的浪費，而且還占用土地，對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

近些年國內(nèi)外對直接還原煉鐵技術(shù)有許多研究，論述了一些煤基還原方法[2-5]和處理銅渣的一些方法[6]。胡俊鴿等認(rèn)為非高爐煉鐵成本低，利于環(huán)保[7]。姜銀舉等認(rèn)為精礦粉壓成型后，孔隙率明顯降低，傳熱過程得到改善，溫度梯度減少，還原速度加快[8]。王紅玉和龐建明等對銅渣進(jìn)行了深度還原和低溫還原與晶粒長大新技術(shù)研究[9-10]。周占興等認(rèn)為利用石灰石中CaO與SiO2反應(yīng)生成

CaO·SiO2，銅渣實現(xiàn)鐵硅分離，使FeO還原為Fe后更容易通過磁選分離鐵[11]。王云等進(jìn)行了銅渣不同堿度配比還原試驗，認(rèn)為堿度0.4時較適宜，堿度過高，會帶入過多CaO，減少還原煤與含鐵礦物接觸面積，對還原起阻礙作用[12]。楊慧芬等用配30%褐煤為還原劑,采用直接還原- 磁選方法獲得鐵品位為92.05%、回收率為81.01%的直接還原鐵粉[13]。但是銅渣直接還原煉鐵金屬回收率偏低，一般<85.00%，能耗過高。

本文在上述研究基礎(chǔ)上通過采用銅渣球團(tuán)直接還原煉鐵試驗研究，進(jìn)一步改進(jìn)還原方法，提高產(chǎn)品品位和金屬回收率，擴大煉鐵資源應(yīng)用范圍，減少銅渣排放對環(huán)境污染，節(jié)能減排,降本增效。

1 試驗

1.1 銅渣球團(tuán)直接還原煉鐵

銅渣球團(tuán)直接還原煉鐵流程如圖1所示。

圖1 銅渣球團(tuán)直接還原煉鐵流程

破碎磨細(xì)篩分到-200目的銅渣、還原煤、堿性熔劑等先配料，混勻后造球。

生成的球團(tuán)經(jīng)篩分烘干后，進(jìn)入高溫爐，在爐內(nèi)鋪2～4層，通高純氮氣進(jìn)行保護(hù)，生球在爐內(nèi)還原焙燒溫度為1 200～1 350 ℃，焙燒時間為30～40 min。

主要反應(yīng)是如下所示的鐵氧化物的逐級還原反應(yīng)(1)～(3)、石灰石分解反應(yīng)(4)和CO2與C的溶損反應(yīng)(5)及氧化亞鐵間接還原反應(yīng)(6)。

3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO

(1)

Fe3O4+C=3FeO+CO

(2)

FeO+C=Fe+CO

(3)

CaCO3=CaO+CO2

(4)

CO2+C=2CO

(5)

FeO+CO=Fe+CO2

(6)

生球完成還原過程后生成熱態(tài)DRI球團(tuán)，如圖2所示，水冷烘干后的DRI球團(tuán)如圖3所示。從熱態(tài)DRI形貌來看，球團(tuán)不發(fā)生粉化，也不熔化不粘盤，焙燒狀態(tài)較好。從冷態(tài)DRI形貌來看，球團(tuán)呈現(xiàn)較光滑緊密狀，還原效果較好。

圖2 熱態(tài)DRI球團(tuán)

圖3 冷態(tài)DRI球團(tuán)

冷卻的DRI球團(tuán)送去經(jīng)二段磨磁選法處理，其中：一段磨礦時間20 min，磁場強度2 500 Oe，二段磨礦時間20 min，磁場強度1 200 Oe，通過細(xì)磨實現(xiàn)鐵與脈石的單體解離，再通過磁選烘干的方法回收得到還原鐵粉，最終還原鐵粉壓成塊。

1.2 爐料成分分析

銅渣、還原煤、堿性熔劑等爐料成分分析如表1所示，銅渣中的鐵主要是FeO。

表1 爐料成分分析 %

1.3 粘盤現(xiàn)象

試驗中發(fā)現(xiàn)還原過程中產(chǎn)生大量低熔點產(chǎn)物流動性極好，能夠浸入到耐火盤中，對耐火盤造成嚴(yán)重侵蝕，如圖4所示。

圖4 被低熔點物質(zhì)浸泡后的耐火盤

1.4 直接還原影響因素試驗

對添加劑NCP及焙燒溫度和焙燒時間不同因素變化分別進(jìn)行試驗研究，試驗結(jié)果如表2所示。

1.5 磨磁選試驗

根據(jù)銅渣DRI球團(tuán)試驗結(jié)果做系統(tǒng)的磨磁選試驗，不同的DRI球團(tuán)金屬化率與鐵產(chǎn)品品位和回收率關(guān)系如表3所示。

2 結(jié)果討論

2.1 粘盤物質(zhì)分析

粘盤物質(zhì)光譜分析如表4所示，與原礦對比，低熔點物質(zhì)以SiO2為主，亞鐵和氧化鈣含量較高，K、Na有富集現(xiàn)象，因此控制低熔點產(chǎn)物的量，必須做到迅速降低產(chǎn)物中的亞鐵含量和快速去除K、Na。

2.2 影響金屬化率的因素

2.2.1 NCP的影響

在相同焙燒溫度和焙燒時間條件下，含NCP銅渣DRI球團(tuán)金屬化率偏低。主要是由于含NCP的銅渣球團(tuán)易形成低熔點混合物熔化，影響后續(xù)的還原反應(yīng)。去掉NCP，提高球團(tuán)熔點，允許提高還原溫度，還原效果改善，銅渣DRI球團(tuán)金屬化率提高。

表2 不同影響因素直接還原試驗

表3 磨磁選試驗結(jié)果

當(dāng)還原煤用量過多時，會使固態(tài)渣相疏松多孔，阻礙金屬鐵顆粒聚集長大[1]，而還原煤用量不足時，還原不充分，形成FeO渣，易熔化，降低了還原效果。

2.2.2 焙燒溫度

(1)鐵直接還原反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，焙燒溫度適當(dāng)提高后，還原煤的反應(yīng)活性提高，還原性氣氛提高，直接還原反應(yīng)速度加快，銅渣DRI球團(tuán)金屬化率提高。

表4 低熔點物質(zhì)光譜分析結(jié)果 %

(2)焙燒溫度過高，將生成難還原的2FeO·SiO2，并產(chǎn)生軟化和熔化，在銅渣DRI球團(tuán)外表形成渣皮，減少球團(tuán)透氣性，惡化了反應(yīng)動力學(xué)條件，從而降低鐵礦石還原率及金屬化率。另外金屬鐵相過快成長，在鐵相不斷兼并長大過程中，易發(fā)生金屬相夾渣現(xiàn)象，不利于在后續(xù)磨礦中渣鐵分離，導(dǎo)致金屬鐵粉鐵品位下降。

因此焙燒溫度控制在低于熔點30℃以下為宜，便于加快直接還原反應(yīng)速度，迅速降低還原產(chǎn)物中FeO含量，提高銅渣DRI球團(tuán)金屬化率。

2.2.3 焙燒時間

焙燒時間適當(dāng)延長，還原反應(yīng)向中心延伸，球團(tuán)中心部位還原改善，還原反應(yīng)更充分，銅渣DRI球團(tuán)整體金屬化率得到提高，但時間不宜過長，防止碳消耗過多，DRI球團(tuán)出爐時鐵被二次氧化。

2.3 影響還原鐵產(chǎn)品的因素

銅渣DRI球團(tuán)金屬化率提高，鐵還原較多，磨磁選時有助于促進(jìn)渣鐵更好分離，改善磨磁選效果，還原鐵品位和金屬回收率均提高。

3 優(yōu)化試驗

根據(jù)以上分析，調(diào)整還原煤消耗，逐步優(yōu)化銅渣球團(tuán)直接還原的試驗。不考慮還原煤氣及DRI球團(tuán)物理熱損失，試驗數(shù)據(jù)及能耗和CO2排放指標(biāo)計算如表5所示，由其中最終優(yōu)化結(jié)果即優(yōu)化序號5、6可知，DRI球團(tuán)金屬化率>92%，金屬回收率>89%，每噸鐵：能耗<350 kgce，CO2排放<1 t，爐料成本<440元。按95%鐵品位折算每噸鐵：能耗<380 kgce，CO2<排放1.1 t，爐料成本<490元。

按中鋼協(xié)會員2015年統(tǒng)計能耗：燒結(jié)47.20 kgce/t、球團(tuán)27.65 kgce/t、焦化99.66 kgce/t和高爐387.29 kgce/t，高爐礦耗按1.7 t/t鐵(配比：燒結(jié)70%、球團(tuán)20%和生礦10%)，煉鐵系統(tǒng)能耗491.16 kgce/t。

按中鋼協(xié)會員2015年高爐數(shù)據(jù)統(tǒng)計：入爐焦比、煤比、焦丁比分別為358.41 kg/t、142.17 kg/t、25.93 kg/t，C含量分別按84%、77%、81%，CO2排放量1.58 t/t鐵，煉鐵爐料成本950元/t鐵以上。

4 結(jié)論

(1)若要控制低熔點產(chǎn)物的量，必須做到迅速降低產(chǎn)物中的亞鐵含量和快速的去除K、Na。

(2)去掉NCP、適當(dāng)提高焙燒溫度和延長焙燒時間，提高銅渣球團(tuán)直接還原金屬化率及還原鐵粉品位和金屬回收率。

表5 銅渣球團(tuán)直接還原煉鐵優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)及指標(biāo)

(3)通過優(yōu)化試驗，DRI球團(tuán)金屬化率>92%，金屬回收率>89%，按95%鐵品位折算每噸鐵：能耗<380 kgce，CO2排放<1.1 t，爐料成本<490元。

(4)利用銅渣作為二次資源直接還原煉鐵，提高銅渣資源利用，擴大煉鐵資源應(yīng)用范圍，減少銅渣對環(huán)境污染影響，相對于煉鐵系統(tǒng)節(jié)能減排和降本增效效果顯著。

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