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1、褐铁矿在钢铁厂的应用（褐铁矿冶金特性）胡本坚（武钢钢铁研究院高级工程师）一、 褐铁矿是世界公认的炼铁原料之一。铁矿物种类繁多，目前已发现的铁矿物和含铁矿物约300余种，其中常见的有170余种。但在当前的技术条件下，用于炼铁的主要只有四类矿石，即磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和钛铁矿。褐铁矿（类）是其中之一。 世界比较著名的褐铁矿产地有澳大利亚、法国洛林、德国的巴伐尼亚、瑞典等地。 针状褐铁矿是澳大利亚产量较大的铁矿石品种，占澳大利亚铁矿石产量的30%左右，该矿主要产自罗布河（Robe River）。针状褐铁矿的主要特点是结晶水含量在10%左右。含铁量虽然只有57.5%58.5%，但焙烧后品位达到63%
2、。针状褐铁矿储量较大，在高品位铁矿中占27%，而且绝大多数含磷低，目前该矿产量约4500万吨/年以上。罗布河公司褐铁矿生产能力3000万吨/年以上，BHP扬迪矿褐铁矿生产能力2500万吨/年以上，哈默斯利扬迪褐铁矿有2000万吨/年的生产能力。日本对罗布河褐铁矿使用技术的研究处于世界领先地位，其国内主要钢铁厂普遍使用25%30%的罗布河褐铁矿，因此近60%的罗布河矿出口到日本。西欧大型鲕状褐铁矿-菱铁矿矿床，它贯穿于法国洛林、德国西部及卢森堡境内。法国储量约90亿吨，德国约30亿吨，卢森堡约2亿吨。法国洛林地区鲕状铁矿石储量占法国铁矿总储量的90%左右。其一般含铁量30%左右，经过选矿后可得到
3、品位为40%45%的精矿。我国褐铁矿探明储量12.3亿吨，在铁矿总储量中占有量不大，开发和利用研究较晚，以至一些铁厂比较陌生，甚至不大愿意使用。但经过最近几年的研究开发，褐铁矿选矿厂林立，其精矿品位也在不断提高。得到了相当一部分铁厂的认可，尝到了甜头。全国特大型钢铁厂宝钢不锈钢分公司通过术攻关,用价格相对低廉的褐铁矿大比例替代高品级铁矿石。二、褐铁矿品位的特殊性。在矿产工业要求要求参考手册中，用来炼铁的矿物含铁量： 磁铁矿(Fe3O4) 含Fe 72.4% 赤铁矿(Fe2O3) 含Fe 70.0% 镜铁矿(Fe2O3) 含Fe 70.0%褐铁矿(Fe2O3nH2O) 含Fe 4862.9% 菱
4、铁矿(FeCO3) 含Fe 48.2% 针铁矿(Fe2O3H2O) 含Fe 62.9%这就说明，在没有其它杂质的情况下，含铁4862.9%的褐铁矿，在其脱水之后，就是含铁70.0%的赤铁矿。因此，看待褐铁矿的品位不能等同于赤铁矿和磁铁矿，在含有同等杂质（除水以外）的情况下，褐铁矿的化验品位要低得多，但经过烧结后，褐铁矿的冶炼品位才显现出来。这也是炼铁厂愿意使用含铁品位较低的褐铁矿的一个重要原因。 在铁矿选矿技术（邱俊等编著，2009年版）一书中，指出：褐铁矿是含水氧化铁矿石，是由其它矿石风化后生成的。其化学式为nFe2O3mH2O (n=13 ，m=14)。褐铁矿实际上是由针铁矿（FeOOH）
5、、水针铁矿（FeOOHnH2O）、纤铁矿（FeOOH）、水纤铁矿（FeOOHnH2O）和含不同结晶水的氧化铁以及泥质物质的混合物所组成的，因为这些矿物颗粒细小，难于区分，故统称为“褐铁矿”。显然，在这部书中把针铁矿划归于褐铁矿。这是目前通用的说法。 不难看出，纯净针铁矿含铁62.9%，脱水后含铁70.0%，计算纯净针铁矿含结晶水10.14%；当纯净褐铁矿含铁仅为48%时，完全脱水后含铁也是70.0%，按褐铁矿通式计算含结晶水31.43%。今假设一般褐铁矿按算术平均含结晶水量计，即20.875%，以此计算，51%品位的褐铁矿精矿在焙烧脱水后其实际精矿品位达到60.172%。56%品位的褐铁矿精矿
6、在焙烧脱水后实际精矿品位达到67.10%。就是赤铁矿精矿，甚至磁铁矿精矿达到这个品位也是相当相当抢手的。当然，实际情况要作具体分析，氧化焙烧到700摄氏度一个小时就知道准确的具体结果。因此有人将褐铁矿精矿焙烧提高品位后再进入市场卖钱。三、 褐铁矿的还原性能是最好的（冶炼还原特性）。褐铁矿较为疏松的结构和含结晶水的特性决定其良好的还原性能。 按照物质氧化还原的原理。 铁矿石的还原性是指铁矿石被还原性气体C0或H2还原的难易程度。它是一项评价铁矿石质量的重要指标。铁矿石的还原性好，有利于降低焦比。影响铁矿石还原的因素主要有矿物组成、矿物结构的致密程度，粒度和气孔率等。一般磁铁矿因结构致密，最难还原
7、。赤铁矿有中等的气孔率，比较容易还原。褐铁矿和菱铁矿容易还原，因为这两种矿石分别失去结晶水和去掉CO2后，矿石气孔率增加。其冶炼还原性能最好。根据前述含结晶水量的计算，纯净褐铁矿10%到30%的结晶水含量，推知1000克褐铁矿石中脱去的结晶水达100至300克，所占容积为100至300毫升，其气孔率之大是显而易见的。加上焙烧过程中，水汽的排出更进一步增加铁矿石的疏松度。下面是文献中记载的各类炼铁用铁矿石的还原特性：铁矿石的分类及其特性在进口铁矿中，褐铁矿的冶金性能也是很好的。进口铁矿石典型值及冶金性能国别品种化学成分 %冶金性能FeSiO2Al2O3PLoi澳洲纽曼粉62.54.52.20.0
8、82.5赤铁矿，烧结性能较好澳洲PB粉61.53.62.30.085部分褐铁矿，烧结性能较好澳洲麦克粉61.53.62.20.075部分褐铁矿，烧结性能较好澳洲火箭粉58.54.22.20.059.5褐铁矿，烧结性能较好澳洲扬迪粉5851.70.058.5褐铁矿，烧结性能较好澳洲罗布河粉575.72.70.029.5褐铁矿，烧结性能较好巴西南部粉64.541.50.051.5赤铁矿，烧结性能较好巴西卡拉加斯粉661.210.041赤铁矿，烧结性能较差巴西CVRD粉653.510.041.5赤铁矿，烧结性能很好印度果凹粉61.53.52.50.062.5赤铁矿，烧结性能较好南非伊斯科粉6541.
9、50.071.5赤铁矿，烧结性能一般澳洲PB块62.831.50.074褐铁矿，还原性好，热强度一般澳洲纽曼块642.61.30.061.5赤铁矿，还原性好，热强度较好澳洲扬迪块59.541.50.058.5褐铁矿，还原性好，热强度较差巴西巴西块66.52.510.051赤铁矿，还原性好，热强度尚可南非南非块662.51.30.071赤铁矿，还原性好，热强度一般这就是炼铁厂乐意使用褐铁矿原料的又一重要原因。四、褐铁矿的烧结球团特性 褐铁矿实际上是一种含结晶水的赤铁矿,品位较低,疏松多孔,堆密度小,表面粗糙,吸水性强,在烧结过程受热脱除结晶水和游离水时会发生爆裂现象,而且结晶水分解会导致更多孔隙
10、的形成,增加反应接触面积,表现出强的同化性和液相流动性,同时含有大量的挥发物,烧损大,收缩率大。烧结此种矿石燃料用量大,液相有较大发展,烧结矿严重熔化、孔隙率大(约70%以上),易形成大孔薄壁结构,因而高配比褐铁矿烧结通常出现烧结生产率低、烧结矿强度差、成品率低及固体燃耗高等情况。为了充分利用褐铁矿资源，世界各国做了大量的试验研究工作，针对褐铁矿的烧结特性和烧结工艺技术要求，在大量配入褐铁矿的条件下,研究探讨适宜的烧结工艺参数,在生产中通过采取一些技术措施,使高配比褐铁矿条件下烧结生产、质量指标和冶金性能均满足高炉冶炼要求。日本的各大钢厂及韩国浦项的褐铁矿(扬迪矿、罗布河矿)的配比一般在30%
11、以上,高的达4045%,甚至50%。为了最大限度的降低烧结矿成本，我们国家近几年来也作了大量的研究工作，适宜的配方和适当的碱度，可以实现高配比褐铁矿的烧结，获得良好的高炉冶炼性能，并在全国大、中、小型炼铁厂得到了成功的应用。我国特大型钢铁企业上海宝钢炼铁厂烧结分厂与宝钢研究院环资所共同研究了“高褐铁矿配比、高生产率的烧结技术”，从理论和操作两方面不断优化配矿设计和试验分析方法设计。褐铁矿配比从提高到条件下生产的不稳定因素得到有效控制。工业化试验中不断调整配矿结构，反复优化燃料粒度等操作参数，以降低料层高度，提高烧结机速度为突破口提高生产效率，某烧结机的运行速度从原来每分钟米提高到米以上，生产效
12、率提高到吨立方米天。安钢集团永通球墨铸管有限责任公司在将褐铁矿配比由10%逐步增加到40%的生产实践中,对生产工艺参数进行调整,烧结矿碱度确定为2. 100. 12,燃料的配碳比为4. 1%4. 4% ,水分8. 0% 9. 0% ,料层厚度为500mm550 mm,使配加40%褐铁矿下利用系数为1. 987tm-2h-1,转鼓指数达76. 05%,烧结矿粒度组成均匀,化学成分稳定,烧结矿品位达到56. 03%,FeO的质量分数低于11%,还原度(RI)和低温还原粉化率(RDI)下降幅度不大,各指标均能满足高炉用料要求。重庆大学还研究开发了褐铁矿冷固球团，测定了褐铁矿冷固球团矿的冶金性能，其物
13、理化学性质优于生矿。高炉冶炼试验证明，合理使用这种球团矿，有利于高炉顺行和降低焦比。武汉科技大学周国凡、毕学工教授与武钢烧结厂翁德明合作进行了“全褐铁矿烧结的实验研究”，得出如下结论：1）在本次全褐铁矿烧结的实验中,适宜的烧结条件为:煤粉配比9 %、混合料的水分6.5 %、抽风负压控制在6.0 kPa左右,此时烧结矿的转鼓强度可达到58. 94 %,烧结的生产率为1. 1t/(m2h )左右。(2)本次实验用的焦粉和煤粉两种燃料,与武钢煤粉相比理化性能都较差,特别是粒度的过破碎,使烧结各项技术经济指标大幅降低,欲要取得较好的烧结效果及降低煤耗,应采用比目前煤质更好一些、粒度更粗一点的燃料。(3
14、)用全褐铁矿烧成的烧结矿,在冶金性能上能够满足小型高炉炼铁生产的要求。实验研究和生产实践证实：褐铁矿可应用于大型钢铁厂，配料使用量可达51%；小型高炉炼铁甚至可用全褐铁矿。五、 褐铁矿用于炼铁的经济性褐铁矿价格较低和其品位的特殊性，决定了褐铁矿用于炼铁的经济性。品位51%的褐铁矿精矿的价格只有品位60%以上磁铁矿精矿的1/21/3，褐铁矿矿品位即使达到56%，价格也没有太大提高。而实际上如前所述，品位51%56%的褐铁矿精矿在其焙烧脱水后就可能达到60%67%，至少也可以达到58%63%。可以测算出，作为炼铁原料而言，单位铁金属的原料成本仅为磁铁矿精矿的1/2，或者还不到1/2。因此，国内外许
15、多钢铁厂竟相利用褐铁矿作原料，并最大限度的提高褐的使用比例，为企业降低成本，提高经济效益。这是褐铁矿能普遍用于炼铁的原因之三。宝钢公司早就对褐铁矿进行配矿应用，配量为34%。为了进一步提高使用比例，2007年，不锈钢分公司褐铁矿的高比例使用成为首批六西格玛黑带项目之一。在分公司领导的关心下,炼铁厂设立旬会制度,建立了跨部门的攻关协作团队,对每一堆混匀粉矿的有关数据及时进行汇总、分析和跟踪。通过对冶炼过程控制参数的重新匹配,设定了最佳匹配方案,使褐铁矿的使用比例迅速攀升到了目前的41。“今年来,不锈钢分公司烧结利用系数比去年同期上升了两个百分点。1至7月份,在褐铁矿使用比例大幅上升的情况下,炼铁厂比去年
