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1、新疆某菱铁矿 煤基直接还原-磁选研究 江苏 苏州 2014年11月7日 2014年全国非高炉炼铁学术年会 朱德庆 1，杜永强2，罗艳红1，潘建1，薛子兴1 （1-中南大学资源加工与生物工程学院，2-新疆昌平矿业 有限公司） 提 纲 1.研究背景和意义 3.试验结果与分析 4.结论 2.原料性能与研究方法 菱铁矿 主要成分FeCO3，是重要的铁矿资 源， 在我国的储量约为 18.34亿吨，目前已用于钢 铁冶炼的部分菱铁矿 富矿不足总储 量的10% 。 随着我国钢铁 工业迅速发展，铁 矿石资源短缺的矛盾日益突出，钢 铁企业利润被大量高价进口铁矿 石所吞噬，60%以上需进口。 我国近十年铁矿石进口量
2、及其均价 1 高效合理利用复杂难选杂难选 的菱铁矿对铁矿对 提高我国铁矿铁矿 石自给给率 ，保障我国钢铁钢铁 工业业的健康发发展具有重要意义义。 研究背景 2 直接还原铁是冶炼优、特钢不可缺少的稀释剂 直接还原铁世界总产 量近年稳 步增长，而我国实际 年产量不 足100万吨，严重制约了我国 优、特钢产业 的发展。 近年世界直接还原铁产量变化趋势 我国对直接还原铁的年需求量 巨大，直接还原工艺具有广阔 的发展前景。 研究背景 3 煤基直接还原是我国生产直接还原铁的首要工艺 直接还原铁的生产方法有多种 ，由于我国天然气和优质铁矿 资源缺乏，而非焦煤资源十分 丰富、分布较广。因此，我国 适合发展煤基
3、直接还原。 煤基直接还原产量比例变化趋势 研究背景 发展直接还原-电炉炼钢短流程 是我国钢铁工业的重要发展方 向，对节能减排及改善环境有 积极作用。 常规选矿规选矿 工艺艺 重选选 强磁选选 浮选选 不能使菱铁矿铁矿 得到有效地 分选选，一般只作为为原矿预矿预 处处理或精选选等辅辅助作业业。 磁化焙烧烧-弱磁选选工艺艺 堆积态积态 焙烧烧 流态态化焙烧烧 获获得的精矿铁矿铁 品位小于66%， 只能通过长过长 流程冶炼获炼获 得钢钢 铁产铁产 品，过过程需经过经过 多次高 温焙烧烧-冷却，造成能源浪费费 。 直接还还原-磁选选工艺艺 缩缩短工艺艺流程，有效回避我国天然气和冶金焦资资 源短缺等问题
4、问题 ，拓宽宽直接还还原铁铁的原料来源， 增加菱铁矿资铁矿资 源的利用途径。 研究背景 菱铁矿资源开发的工艺现状 菱铁矿中铁常与钙、锰、镁形成类 质同象系列，与石英、方解石等脉 石嵌布关系复杂，嵌布粒度细。 本课题针对我国铁矿资源短缺及直接还原铁可观 的市场需求，利用我国西部地区丰富低廉的菱铁矿和非焦 煤资源开发“回转窑煤基直接还原-磁选”工艺制备优质直 接还原铁粉，为高效利用菱铁矿资源提供一条新途径。 研究意义 低品位菱铁矿铁矿 的化学成分分析/ 低品位菱铁矿主要矿物嵌布关系 工艺矿物学研 究表明：菱铁矿 铁品位低，结构 致密，脉石矿物 中SiO2、Al2O3 、CaO及MnO含 量较高，且
5、部分 Mg、Mn、Ca与 Fe呈类质同象状 态赋存。白云石 、方解石、石英 等脉石与菱铁矿 伴生在一起，传 统选矿方法不能 有效分选该矿石 。 原料性能及研究方法 菱铁矿 XRD物相组成 新疆褐煤的固定碳含量较较高为为52.99%，挥发挥发 分含量较较高，属变质变质 程 度较较低的煤，空气干燥基全硫含量小于1%，软软融温度较较高，大于 1180，与CO2反应应性高，可满满足直接还还原试验试验 的要求。 褐煤的工业分析/% 煤灰渣软熔特性/ 煤对CO2的化学反应性 脱硫剂的化学组成/% 原料性能及研究方法 还 原 焙 烧 干 式 磁 选 湿 式 球 磨 湿 式 磁 选 非磁性残煤磁性焙烧矿 铁矿
6、 石脱硫剂褐煤 还原铁粉尾矿 焙 烧 矿 原料的粒度组成/% 原料性能及研究方法 煤基直接还原-磁选试验流程 试验结果与分析 煤基直接还原试验 还原温度对直接还原-磁选的影响 试验条件：C/Fe比为2.24、还原时间 140min，磨选制度为：磨矿细度- 0.074mm占83.14%、磁选管磁场强度 1000Gs。 不同还原温度下焙烧矿XRD图 Q-SiO2，F-2FeOSiO2，W-FeO，I-Fe 菱铁矿在1050和1100下还原 140min后，焙烧矿中依然有少量铁以 浮士体和铁橄榄石形式存在，造成回 收率降低。通过XRD比较发现 ，在 1100下得到的焙烧矿中铁橄榄石生 成量略高于10
7、50。 铁晶粒随温度升高长大 试验结果与分析 煤基直接还原试验 温度的升高能加快菱铁矿热 分解，提高煤的反应性，促进铁 晶粒长大 。实际 生产时 ，温度越高，能耗越高，且容易存在结圈隐患，对设备 的要求也更为严 格，一般采用回转窑进行直接还原时，还原温度一般 要低于煤灰软化温度100150，因此，1050为最佳的还原温度。 试验结果与分析 还原时间对直接还原-磁选的影响 试验条件：还原温度1050，C/Fe比为 2.24，磨矿细度-0.074mm占83.14%，磁选 管磁场强度1000Gs。 还原时间较长时 ，延长还原 时间对还 原效果影响并不显 著。还原温度1050时，还原 时间为 80mi
8、n，即已达到较好 的磁选指标，精矿铁品位为 89.79%，作业回收率为 93.87%。还原末期，菱铁矿 块矿内部的浮士体和铁橄榄 石往往被已还原的金属铁包裹 ，还原速度缓慢，因此，延长 焙烧时间 ，磁选指标提高幅 度缓慢，甚至出现了波动，焙 烧时间为 140min时，磁选指 标达到最优，此时精矿铁品 位91.83%，铁作业回收率 94.68%。 煤基直接还原试验 试验结果与分析 C/Fe比对直接还原-磁选的影响 试验条件：温度1050，时间140min ，磨矿细度-0.074mm占83.14%，磁选 管磁场强度1000Gs。 u 精矿铁品位与回收率随C/Fe比 的增加而缓慢增加，C/Fe比为
9、1.86时，磁选指标最好，还原 铁粉铁品位为92.08%，铁回 收率为94.60%。 u 相对现有的直接还原工业实 践，C/Fe比为1.86时，还原剂 用量相对较高，但随着工业 试验规 模的扩大，配煤量可 能进一步降低。此外，配煤量 越多，干式磁选分选后的非磁 性残煤固定碳含量越高，潜在 利用价值越高。 煤基直接还原试验 试验结果与分析 脱硫剂用量对直接还原-磁选的影响 脱硫剂用量增加，精矿铁品位 和铁回收率略有下降，添加3% 的脱硫剂后，硫含量由不添加 时的0.30%降到0.21%，当脱硫 剂用量增至7%时，硫含量降为 0.13%。由于脱硫剂粒度小于 5mm，用量大易带来结圈隐患 ，且增加脱
10、硫成本。综合考虑 ，脱硫剂用量为3%较为适合 ，既能有效降低还原铁粉中的 硫含量，又不会对正常生产带 来太大影响。此时，铁精矿铁 品位为91.46%，硫含量0.21% ，铁作业回收率94.15%。 煤基直接还原试验 试验条件：温度1050，时间 140min，磨矿细度-0.074mm占 83.14%，磁选管磁场强度1000Gs。 试验结果与分析 磨矿细度对精矿指标的影响 随着磨矿细度增加，精矿铁 品位与硫含量变化显著，磨 矿细度-0.074mm占69.15%时 ，由于还原的金属铁晶粒与 杂质尚未充分解离，精矿铁 品位只有86.09%，硫含量高达 0.42%，磨矿细度-0.074mm占 85.9
11、2%时，精矿铁品位达到 最高，为92.06%，硫含量下降 到0.16%。磨矿细度进一步增 加后，铁作业回收率出现小 幅下滑，综合考虑，磨矿细 度-0.074mm占85.92%时，磁 选指标最优。 磨矿磁选试验 试验条件：温度1050，时间140min， 脱硫剂3%，磁选管磁场强度1000Gs。 试验结果与分析 磁场强度对精矿指标的影响 u 在500-2000Gs的磁场 强度范围内，磁场强 度对精矿各项指标影 响不大。 u 确定最优的磨选制度 为磨矿细度-0.074mm 占85.92%，磁场强度 1000Gs。 磨矿磁选试验 试验条件：温度1050，时间140min，脱 硫剂3%，磨矿细度-0.
12、074mm占85.92%。 试验结果与分析 u 回转窑直接还原-磁选最佳工艺制度为：焙烧温度1050、焙烧时间 140min 、C/Fe比为1.86、脱硫剂用量3%，湿式球磨细度-0.074mm占85.92%，湿式磁 选磁场强度1000Gs，可获得铁品位为92.06%、金属化率90.52%、硫含量 0.16%的还原铁粉，全流程铁回收率85.94%。 全流程铁平衡图 试验结果与分析 精矿中硫的物相分析/% 湿式磁选产品化学成分分析/% 焙烧矿经 湿式磁选后，铁元素在精矿中大大富集，精矿铁品位高达92.06% ，金属化率90.52%，是一种优质的直接还原铁粉。Mg、Mn、Ca和S含量稍 高，尤其是
13、有害元素硫。对硫进行物相分析表明，硫主要以硫酸盐的形式存 在。在回转窑直接还原的工业试验 中，体系中的含硫气体有30%-50%会通过 废气排走，而在实验室小型试验中，硫酸盐在还原气氛下分解产生SO2，由 于体系相对密闭，SO2分压大，不利于硫酸盐的分解。 当磨矿细度-0.074mm占85.92%时，Ca、Mg、Mn、S等杂质元素以极微细的状态 分布，一味增加磨矿细度不能将这些元素脱除以提高精矿铁品位，这与磨矿细度 试验所得结论一致，当进一步增加磨矿细度时，铁品位和回收率反而出现下降。 试验结果与分析 扫扫描电镜电镜 及元素特征面扫扫描图图像 B A C A点能谱 B点能谱 焙烧矿细 磨后金属铁
14、粒 度一般大于30m，B点和 C点成分相似，都是以浮 士体为主，并夹带了少 量Si、Ca、Mg、Mn、Al 等杂质元素，它们被金 属铁包裹或以微细颗粒 夹杂在浮士体中与金属 铁紧密伴生，这部分杂 质通过优化磨选制度较 难脱除。 试验结果与分析 精矿的扫描电镜 能谱图 通过实验过实验 室小型试验试验 研究，对对菱铁矿块矿铁矿块矿 直接还还原进进行扩扩大试验试验 （ 回转转窑1000500 mm），通过过工艺艺参数优优化，最佳工艺艺制度为为： 菱铁矿铁矿 粒度525mm，还还原剂剂褐煤粒度525mm，C/Fe比为为1.0，脱硫剂剂 6%，还还原温度1050，还还原时间时间 120min，干式磁选选
15、0.15T，一段磨矿矿 细细度-0.074mm在50%左右，湿式磁选选磁场场强度0.08T；二段磨矿细矿细 度- 0.074mm在90%左右，二段湿式磁选选磁场场强度0.043T。在此条件下，可 获获得铁铁品位92.62%，金属化率93.51%，磁选选作业业回收率91.86%，全流 程回收率82.98%的良好指标标。 扩试直接还原铁粉化学成分/% 试验结果与分析 u菱铁矿块矿铁 品位低，含硅、钙等主要杂质 和有害元素硫；矿石 中菱铁矿 与石英、白云石、方解石伴生，嵌布粒度细，菱铁矿 中 铁与钙、镁、锰呈类质 同象系列，常规选矿 富集难度大。 u煤基回转窑直接还原焙烧-磁选工艺能够有效利用菱铁矿
16、 ，通过工 艺参数优化，确定最佳工艺制度为：焙烧温度1050、焙烧时间 140min、C/Fe比为1.86、脱硫剂用量3%，湿式球磨细度-0.074mm 占85.92%，磁选磁场强度1000Gs，可获得铁品位为92.06%、金属 化率90.52%、硫含量0.16%的还原铁粉，全流程铁回收率85.94%。 u产品成分分析和微观结 构分析表明，精矿中Ca、Mg、Mn、S等杂 质元素呈微细粒嵌布，被金属铁包裹或夹杂 在浮士体中与金属铁 紧密伴生，增加磨矿细 度也无法进一步脱除，进一步说明常规工 艺很难处 理菱铁矿 。通过直接还原工艺，金属铁晶体长大至30m 以上，利用磨矿-弱磁选工艺能有效富集。 结论 谢谢各位专家学者！
