邢 偉 楊海龍 席振偉
(中冶北方工程技術有限公司,遼寧 大連 116600)
近年來國內鋼鐵企業(yè)從節(jié)能環(huán)保出發(fā),積極發(fā)展優(yōu)質球團廠的建設。然而用于生產優(yōu)質球團的高品位鐵精礦的產能存在巨大缺口,促使進口鐵精礦的數量逐年增長。據中國海關數據顯示,2019年累計進口鐵精礦10.68 億t,對外依存度高達80%。目前進口鐵精礦鐵品位高、不需選別作業(yè),但若作為優(yōu)質球團原料,大部分鐵精礦粒度偏粗,還需進一步細磨[1]。
細磨工程的主要影響因素有礦石性質、設備性能、建設投資和生產成本,特別是礦石性質。因此,針對全球采購的某種鐵精礦,須對其細磨工藝深入研究。選用一種更可靠、更實用的工藝流程,確保其磨礦、過濾等作業(yè)指標穩(wěn)定,材料消耗、電耗和藥劑消耗等生產成本處于一個合理區(qū)間,實現(xiàn)建設投資和生產成本最優(yōu)。
全球優(yōu)質鐵礦資源主要分布在澳大利亞、巴西、俄羅斯和非洲地區(qū)。淡水河谷、力拓、必和必拓和FMG對全球優(yōu)質鐵礦石資源高度壟斷,四大礦商在2019年生產的鐵礦石產量近乎全球產量的半數。
中國進口鐵精礦主要來源于澳大利亞、巴西、印度、南非等地,種類繁雜。進口鐵精礦的化學成分均不相同。由表1可知,進口鐵精礦的TFe品位在57.39%~67.50%,區(qū)間范圍變化不大,除澳大利亞的楊迪粉和羅布河粉外,大部分鐵礦石TFe品位均大于63.45%,SiO2含量小于4.40%。這類鐵礦石只需采用磨礦作業(yè),將粒度磨到比表面積符合球團原料要求即可,不需要選別作業(yè)。同時,將選別作業(yè)作為備選環(huán)節(jié),除了建設投資高和生產費用大的原因外,還因為嚴格的環(huán)保政策、土地資源的限制和棘手的尾礦處理等原因。進口典型鐵礦石的化學成分分析見表1。
表1 進口典型鐵礦石的化學成分分析結果(質量分數) /%
進口鐵精礦的粒度組成不同。由表2可知,澳大利亞Sino粉的比表面積符合球團原料要求不需要細磨,澳大利亞PB粉、巴西粗粉、毛里塔尼亞礦粉等的粒度特征更適宜于作為燒結原料,若作為球團原料則不滿足粒度要求,需進一步細磨。典型進口鐵精礦粒度分析結果見表2。
表2 進口典型鐵礦石粒度分析結果(質量分數) /%
受地質作用、礦石結構和破磨工藝等因素的影響,不同國家或地區(qū)的進口鐵精礦球磨功指數差別巨大。由表3可見,進口鐵精礦的球磨功指數各不相同。根據邦德功理論,礦石的比功耗與球磨功指數成正比關系。在某特定細磨工藝中需要嚴格控制入磨礦石性質,否則直接導致兩種嚴重結果,要么在保證磨礦產品粒度的條件下磨機產能嚴重下降,要么在不調整磨機新給料量的情況下磨礦產品粒度嚴重不達標。因此,球磨功指數是影響細磨工藝選擇的最重要因素。進口典型鐵精礦的球磨功指數見表3。
表3 進口典型鐵礦石的球磨功指數
傳統(tǒng)鐵礦選廠的礦源穩(wěn)定,礦石性質基本穩(wěn)定,磨礦目的是使礦石中的有用礦物充分單體解離,并能達到選別作業(yè)要求的粒度,盡量避免“過磨”現(xiàn)象,為選別作業(yè)有效地回收礦石中的有用礦物創(chuàng)造條件。
進口鐵精礦的細磨與傳統(tǒng)鐵礦選廠的磨礦相比,細磨原礦來源于全球采購,不同國家地區(qū)的礦石性質迥異,礦石的化學性質、粒度分布、球磨功指數等參數均不相同,礦石性質在一段時間內穩(wěn)定,細磨目的是增加鐵精礦的比表面積,使其滿足球團原料特征,產品粒度均勻,避免“過磨”現(xiàn)象。根據球團廠生產經驗,球團原料粒度宜為-0.045 mm含量不小于70%,比表面積宜為1 800~2 200 cm2/g??梢姡M口鐵精礦細磨工程的設計難點在于,針對全球采購的鐵精礦,設計一種對原礦適應性強、產品能滿足球團原料要求的工藝流程,并在工業(yè)生產上力求流程簡化。
根據生產經驗,球團原料的水份需嚴格控制在8%~10%。水份偏高會導致生球粘結、變形、粒度不均勻及強度不達標,偏低會影響生球的成球性。進口鐵精礦采用干磨流程或濕磨流程都能得到粒度合格的球團原料。干磨流程是指先將原礦干燥至含水1%以下,磨機與風力分級機組成閉路,粗粒返回磨機,細粒送至球團廠。濕磨流程是將原礦加水制成礦漿,磨機與旋流器組成閉路,粗粒返回磨機,細粒脫水后進入球團廠。
不論采用干磨流程或濕磨流程,在球團工藝總流程上都有干燥作業(yè),但干燥目的和生產成本不同,其主流程結構分別為干燥—干磨—球團和濕磨—干燥—球團。干磨流程的干燥作業(yè)是將含水約8%的原礦干燥至含水小于1%,根據球團原料的要求,干磨成品還需要補水至8%~10%,干燥生產成本基本是穩(wěn)定。對濕磨流程而言,細磨產品性質和過濾設備的性能會極大影響細磨鐵精礦的水分。一般情況下,如果過濾設備采用圓盤真空過濾機或陶瓷過濾機,濾餅水分一般在10%左右,與球團原料的水分要求8%~10%有些差距,但差距不大,干燥生產成本不多;如果過濾設備采用板框壓濾機,濾餅水分小于10%,滿足球團原料要求,所以濕磨的干燥作業(yè)只有在濕磨成品水分不達標時才使用??紤]到干磨流程的除塵存在極大問題,環(huán)保不易過關。目前已建成的進口鐵精礦細磨工程均采用濕磨流程,濕磨流程也比較成熟,因此,以下探討的流程均為濕磨流程。
2.3.1 一段閉路磨礦流程A
一段閉路磨礦流程A適用于粒度較粗、原礦粒度≤15 mm的進口鐵精礦,原礦先進入一段磨機磨礦,磨機排礦經泵給入一次分級,沉砂返回磨機構成閉路磨礦,溢流經濃縮-過濾,濾餅為最終成品。此流程可控制合格產物中的最大粒度,減少過粉碎現(xiàn)象,從而提高磨礦效率。工藝流程如圖1所示。
2.3.2 一段閉路磨礦流程B
一段閉路磨礦流程B適用于粒度較細、P80<1 mm的進口鐵精礦,原礦制成礦漿后泵送至一次分級,分級沉砂返回一段磨機磨礦,構成閉路磨礦,分級溢流經濃縮-過濾脫水后,濾餅為最終成品。此流程可提前去除磨機給礦中的粒度合格的產物,從而增加磨機的生產能力。工藝流程如圖2所示。
圖1 一段閉路磨礦流程A
圖2 一段閉路磨礦流程B
圖3 兩段閉路磨礦流程C
圖4 兩段閉路磨礦流程D
2.3.3 兩段閉路磨礦流程C
兩段閉路磨礦流程C適用于原礦粒度變化大、原礦粒度≤15 mm的進口鐵精礦,原礦經一段閉路磨礦后,一段分級溢流進入二段閉路磨礦進行磨礦,二段分級溢流為最終磨礦成品,然后經濃縮-過濾脫水后,濾餅為最終成品。此流程簡潔,調整余地大,適應性強。工藝流程如圖3所示。
2.3.4 兩段閉路磨礦流程D
兩段閉路磨礦流程D,是一種調整性強的兩段閉路磨礦流程。在實際生產中可采取三種生產流程來應對原礦礦石性質的變化。具體生產流程如下:首先,如果原礦粒度較粗、粒度≤15 mm,采用常規(guī)的二段閉路磨礦流程。原礦經一段閉路磨礦磨礦后,一次分級溢流進入二段閉路磨礦進行磨礦,二次分級溢流為最終成品。第二,如果原礦粒度較粗、粒度≤15 mm,原礦經過一段閉路磨礦即可得到合格產品,則一段分級溢流為最終成品。第三,如果原礦粒度很細、-0.074 mm占≥50%,原礦可直接進入二段球磨閉路作業(yè),二次分級溢流為最終磨礦成品。工藝流程如圖4所示。
從表3看出,進口鐵精礦的球磨功指數由5.671 7~7.318 4 kW·h/t,區(qū)間范圍變化很大,說明磨礦的難易程度差別巨大。業(yè)主采購的礦石是根據市場價格來決定的,因此細磨原礦的礦石性質僅能在一段時間內穩(wěn)定。多系列布置的優(yōu)點是可根據礦石性質的不同,靈活組織生產。因此,在場地允許的條件下,細磨工程以2~4系列為宜。
細磨工程的關鍵設備體現(xiàn)了工程總體設計水平,對工程建設投資和工程達產進度等方面影響很大,設備選型時還需考慮操作維護是否方便、生產加工成本高低等因素。
磨機是細磨工程最關鍵的設備,直接影響項目的建設投資和生產運營成本。磨機選型主要根據建設規(guī)模、礦石性質(如可磨性、球磨功指數、給礦粒度等)、產品粒度和設備性能等因素,經比較擇優(yōu)選用。磨機在設備投資中占比很高,其電耗約占總電耗的45%~65%,磨礦介質和襯板的生產消耗在生產成本中占很大比例。細磨工程的一段磨礦多采用溢流型球磨機,二段磨礦可采用溢流型球磨機或塔磨機。對于嵌布粒度偏細的鐵精礦,采用塔磨機更節(jié)省能耗,普遍認為塔磨機的產品粒度P80范圍為74~20 μm,比溢流型球磨機能節(jié)省約30%~40%的能耗。另外,塔磨機具有運行噪音低、設備基礎簡單、自動化水平高的優(yōu)點,還能優(yōu)化磨礦粒度分布,防止過磨。
過濾機是細磨工藝的另一關鍵設備。水分是球團原料的關鍵參數,通常需控制在8%~10%。球團原料的水分不僅影響生球的成球性,還與球團廠的干燥作業(yè)有關。如果能有效控制濾餅水分,就能降低干燥作業(yè)能耗,從而降低了噸礦的生產成本。常用的過濾機有圓盤真空過濾機、陶瓷過濾機和板框壓濾機,圓盤過濾機利用真空泵形成負壓脫水,陶瓷過濾機利用毛細現(xiàn)象脫水,這兩種過濾機較難達到很高的過濾壓力,因而在處理透氣性不好的礦物時,濾餅水分很難達到8%~10%的指標要求。壓濾機采用在固定容積的腔體內加壓過濾,同時有壓縮空氣吹風干燥,基本上可達到球團原料的水分要求。
國內某球團原料細磨工程年處理巴西某赤鐵礦粉500 萬t(考慮使用0~30%磁鐵精礦的可能),原料TFe品位67.25%、粒度-0.045 mm≥60%。
通過球團條件試驗確定了適宜造球的礦粉比表面積為1 500 cm2/g。選礦試驗結果表明,當鐵精粉粒度磨到-0.045 mm達95%時達到比表面積1 500 cm2/g,此粒度的球磨功指數為21.316 kW·h/t;該原料具有難磨、較易過濾的特點??紤]到該項目的原料鐵品位高、粒度較細,設計采用一段閉路磨礦流程,把-0.045 mm≥60%原礦磨至-0.045 mm≥95%。同時考慮其外購原料的種類可能經常波動,為使磨礦工藝的適應性更強,可以根據外購原料性質的不同靈活地組織生產,采用4個磨礦系列,每個系列對應1臺MQY50110濕式溢流型球磨機與1臺Φ500×10旋流器組組成的磨礦閉路。同時,采用2臺Φ45 m濃縮池和14臺96 m2盤式過濾機進行脫水作業(yè)。最終鐵精粉產品粒度-0.045 mm≥95%、水分10.3%,滿足此項目球團原料要求。項目投產后,因其工藝流程簡單,多系列運行平穩(wěn),并由于球團原料的質量提高,降低了煉鐵消耗,優(yōu)化了球團廠的配料,效益顯著。磨礦工藝流程如圖5 所示。
圖5 某500 萬t球團細磨工程工藝流程
球團原料對鐵精礦比表面積有嚴格的要求,細磨工藝是增加進口鐵精礦比表面積的一種手段。出于對環(huán)保要求的考慮,進口鐵精礦細磨工程大多采用濕磨流程,一般以1~4系列為宜。當原礦粒度較粗、Dmax≤15 mm時,可采用兩段閉路磨礦工藝流程;當原礦粒度較細、P80<1 mm時,可采用一段閉路磨礦工藝流程。一段磨機常采用溢流型球磨機,二段磨礦多采用溢流型球磨機或塔磨機,塔磨機更節(jié)省能耗。同時,磨礦產品過濾性較好時,過濾設備可采用圓盤真空過濾機或陶瓷過濾機;磨礦產品過濾性較差時需采用壓濾機進行脫水。
考慮到不同國家地區(qū)的礦石性質迥異,具體到某細磨工程工藝流程和設備選型的設計時, 須通過試驗研究和技術經濟比較而定。