2011鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心

　　工藝與裝備開發(fā)平臺

　　中期研發(fā)工作進展：

　　“鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心”自2014年10月通過國家獲批認定至今，運行已滿2年。工藝與裝備研發(fā)平臺圍繞鋼鐵行業(yè)關(guān)鍵共性工藝與裝備技術(shù)領(lǐng)域，根據(jù)既定風力風速對照表的平臺頂層設(shè)計總體發(fā)展思路，銳意進取，各方向擬定的任務(wù)得到落實，在冶、鑄、軋等工序新工藝、新技術(shù)、新裝備等方面取得風力風速對照表了良好進展，中心工作取得良好成效。針對工藝與裝備研發(fā)平臺的中期進展情況，本報特組織相關(guān)報道，以饗讀者。

　　復雜難選鐵礦石

　　懸浮磁化焙燒技術(shù)與裝備

　　1前言

　　磁化焙燒是處理復雜難選鐵礦最為有效的技術(shù)，研制出生產(chǎn)效率高、運行穩(wěn)定、能耗低的新型磁化焙燒裝備已成為礦業(yè)科學界和產(chǎn)業(yè)界的共同理想。鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心“鐵礦資源綠色開發(fā)利用”方向提出了“預氧化-蓄熱還原-再氧化”的焙燒理念，形成了難選鐵礦石“預富集-懸浮焙燒-磁選”新工藝，圍繞非均質(zhì)礦石顆粒運動狀態(tài)控制、鐵礦物多相轉(zhuǎn)化精確調(diào)控、懸浮磁化焙燒技術(shù)裝備工業(yè)化應(yīng)用等開展了系統(tǒng)的研究工作，取得的主要研究成果介紹如下。

　　2懸浮焙燒主爐氣固兩相流動數(shù)值模擬

　　采用Euler-Euler雙流體模型并結(jié)合顆粒動力學理論，建立了懸浮焙燒主爐的幾何模型，考察了礦石顆粒懸浮焙燒過程中的流動特性。圖1、圖2和圖3分別給出了不同時刻懸浮焙燒爐內(nèi)顆粒濃度、速度及氣體速度分布狀況。

　　由圖1可知，懸浮焙燒爐內(nèi)顆粒濃度分布表現(xiàn)出強烈的不均勻性。爐內(nèi)底部顆粒濃度高于頂部，邊壁濃度高于中心濃度，在中心形成了一個明顯的氣體通道。由圖2和圖3可知，懸浮焙燒爐內(nèi)的氣相和固相瞬時速度分布非常相似，氣固兩相的速度表現(xiàn)出明顯的跟隨性。在懸浮焙燒爐下部區(qū)域，氣相和顆粒相的速度分布圖在軸向方向呈現(xiàn)出明顯的S型結(jié)構(gòu)。進一步探明了懸浮焙燒爐內(nèi)氣固流動特性，掌握了非均質(zhì)顆粒流動規(guī)律。

　　3懸浮焙燒副爐氣固兩相流動特性研究

　　系統(tǒng)考察了流化風速對懸浮磁化焙燒過程中副爐內(nèi)氣固兩相流動特性的影響規(guī)律并通過試驗測得不同粒級條件下物料的臨界流化速度，建立了爐內(nèi)壓強和壓強脈動的流化風調(diào)控機制，為懸浮焙燒爐內(nèi)物料的還原過程和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

　　3.1流化風速對懸浮磁化焙燒過程中副爐內(nèi)氣固兩相流動特性的影響規(guī)律

　　圖4和圖5分別給出了不同流化風速下副爐軸向壓強分布特征及軸向壓強脈動特性。

　　由圖4可知，隨著軸向高度的增加，軸向壓強線性降低，而這部分壓降正是提供了物料從下向上運動的動力，使得系統(tǒng)得以正常運行。由圖5可知，隨著流化風速的增大，壓強脈動隨之增大，副爐內(nèi)氣固兩相流動的不均勻性逐步增大。

　　3.2臨界流化速度試驗研究

　　根據(jù)Ergun公式，床層壓降隨著流體速度的增加呈線性增加。不同粒級的床層壓降與流體速度的關(guān)系如圖6所

　　2011鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心工藝與裝備開發(fā)平臺 “鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心”自2014年10月通過國家獲批認定至今，運行已滿2年。工藝與裝備研發(fā)平臺圍繞鋼鐵行業(yè)關(guān)鍵共性工藝與裝備技術(shù)領(lǐng)域，根據(jù)既定的平臺頂層設(shè)計總體發(fā)展思路，銳意進取，各方向擬定的任務(wù)得到落實，在冶、鑄、軋等工序新工藝、新技術(shù)、新裝備等方面取得了良好進展，中心工作取得良好成效。針對工藝與裝備研發(fā)平臺的中期進展情況，本報特組織相關(guān)報道，以饗讀者。中期研發(fā)工作進展示。

　　由圖6可知，隨著風速的增加，不同粒級的顆粒壓降先不斷增大，然后床層壓降值出現(xiàn)拐點，趨于穩(wěn)定。通過風速與壓降曲線圖獲得臨界點，其對應(yīng)的橫坐標便是臨界流化速度風力風速對照表；顆粒終端速度由計算得到。試驗得到的不同粒級的臨界流化速度見表1。

　　4懸浮磁化焙燒過程中鐵礦物物相轉(zhuǎn)化規(guī)律

　　系統(tǒng)考察了焙燒因素（物料粒度、氣體速度、H2濃度、還原溫度、還原時間等）對懸浮磁化焙燒過程中鐵礦物物相轉(zhuǎn)化的影響規(guī)律，建立了焙燒物料磁性和物相調(diào)控機制，為劣質(zhì)鐵礦資源懸浮焙燒應(yīng)用奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

　　為探明懸浮焙燒前后物料中鐵物相的變化規(guī)律，分別進行XRD衍射分析，懸浮焙燒前后還原物料的XRD衍射圖譜如圖7所示。由圖7可知，懸浮焙燒前原料的衍射峰主要由石英、赤鐵礦、方解石、鮞綠泥石組成。經(jīng)懸浮焙燒后物料的衍射圖譜中赤鐵礦的特征峰已完全消失，焙燒物料圖譜中僅有石英和磁鐵礦的衍射峰，表明物料中的赤鐵礦已全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦。

　　圖8為懸浮磁化焙燒前后物料的穆斯堡爾譜分析結(jié)果。由圖8可知，焙燒前物料的穆斯堡爾譜由一組六指峰及兩組四極雙峰疊加而成，六指峰為赤鐵礦亞譜，兩組四極雙峰分別為鮞綠泥石及菱鐵礦亞譜。焙燒后物料的穆斯堡爾譜變化明顯，由三組六指峰亞譜和一組四極雙峰組成，菱鐵礦的峰已完全消失，赤鐵礦的六指峰顯著減弱，并出現(xiàn)兩組磁鐵礦六指峰。焙燒后物料中磁鐵礦相對含量為90.22%。結(jié)果表明，經(jīng)懸浮焙燒可使物料中的弱磁性鐵礦物轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦，焙燒效果較好。

　　為探明冷卻方式對懸浮焙燒物料鐵物相轉(zhuǎn)變的影響，對懸浮焙燒物料進行冷卻試驗。焙燒后的物料在N2氣氛中冷卻至350℃，通入600ml/min的空氣對焙燒物料進行氧化處理，氧化時間為10min，氧化溫度為350℃，氧化完成后在N2氣氛中冷卻至常溫，冷卻后的物料進行穆斯堡爾譜分析，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，冷卻后物料中鐵物相由磁鐵礦、γ-Fe2O3、鮞綠泥石及赤鐵礦組成。表明經(jīng)氧化后懸浮焙燒物料中的部分磁鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe2O3，其含量為34.48%。

　　在赤鐵礦懸浮焙燒過程中，可發(fā)現(xiàn)磁鐵礦對赤鐵礦還原過程有強化作用，故又對磁鐵礦對赤鐵礦懸浮焙燒還原過程強化機理進行探究。分別對磁鐵礦比例占0%、8%、16%的赤鐵礦進行動力學研究，結(jié)果如圖10所示。由圖可知，赤鐵礦還原反應(yīng)過程可以分為3個階段，第一階段為650-700K，在該階段時，赤鐵礦開始進行還原反應(yīng)，反應(yīng)速率比較慢；第二階段為700-830K，在此階段為赤鐵礦主要的還原反應(yīng)發(fā)生階段，還原反應(yīng)速率較大；第三階段為830K至反應(yīng)結(jié)束，這段時間內(nèi)，赤鐵礦的還原反應(yīng)基本完成，反應(yīng)速率逐漸降低。相同還原溫度下，添加磁鐵礦體系轉(zhuǎn)化率明顯高于單一赤鐵礦體系，表明磁鐵礦對赤鐵礦懸浮焙燒還原反應(yīng)具有強化作用。

　　5工業(yè)化進展

　　目前，鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心與沈陽鑫博工業(yè)技術(shù)股份有限公司、中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)綜合利用研究所、鞍鋼礦業(yè)集團、酒泉鋼鐵集團等多家單位合作，完成了東鞍山鐵礦石、鞍鋼東部綜合尾礦、酒鋼粉礦等國內(nèi)典型的難選鐵礦資源的預富集-懸浮磁化焙燒-磁選連續(xù)擴大試驗，均取得了良好的焙燒效果和分選指標，且設(shè)備運行穩(wěn)定。

　　5.1東鞍山鐵礦石

　　東鞍山鐵礦石是我國典型的貧雜赤鐵礦，具有鐵礦物結(jié)晶粒度細、氧化程度深、礦物組成復雜等特點。為實現(xiàn)東鞍山鐵礦石的高效開發(fā)利用，東北大學針對東鞍山鐵礦石特點提出采用“預富集-懸浮磁化焙燒-磁選”新工藝處理東鞍山鐵礦石，并開展了系統(tǒng)的試驗研究。采用磁選預富集工藝進行預先選別，在原礦鐵品位31.74%的條件下，經(jīng)過一段弱磁選、一段強磁筒式磁選機粗選、一段立環(huán)高梯度磁選機掃選，可獲得鐵品位為42.02%、回收率為90.02%的磁選混合精礦。

　　東鞍山鐵礦石預富集的混合磁選精礦采用懸浮磁化焙燒-磁選試驗流程進行試驗，預選精礦懸浮磁化焙燒連續(xù)試驗，累計穩(wěn)定運行72h，處理礦樣10t。懸浮磁化焙燒產(chǎn)品經(jīng)磁選可獲得精礦鐵品位66.55%，鐵總回收率77.01%的優(yōu)異技術(shù)指標。與現(xiàn)有分選工藝相比精礦品位提高2個百分點，回收率提高15個百分點以上。

　　5.2 鞍鋼東部尾礦懸浮磁化焙燒

　　目前，尾礦綜合利用已成為我國冶金礦山行業(yè)的重要發(fā)展方向。國內(nèi)鐵礦尾礦累計堆存量巨大，成為我國礦業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題。鞍鋼礦業(yè)集團目前尾礦累計堆存量已達6億噸以上，且每年新增尾礦4000多萬噸。鞍鋼東部尾礦硅含量高、鐵礦物含量低，需采用強磁選技術(shù)預富集鐵礦物。通過系統(tǒng)試驗，確定鞍鋼東部尾礦預富集工藝。采用該工藝處理東部尾礦，獲得了混合磁選精礦TFe品位為29.84%，鐵回收率為61.58%的分選指標。

　　對鞍鋼東部尾礦預富集的混合磁選精礦進行了懸浮磁化焙燒-磁選擴大連續(xù)試驗，試驗連續(xù)穩(wěn)定運行72h。懸浮磁化焙燒產(chǎn)品通過磁選可獲得鐵精礦TFe品位65.69%、焙燒物料磁選作業(yè)回收率89.85%的技術(shù)指標。在擴大連續(xù)試驗取得的研究成果基礎(chǔ)上，鞍鋼礦業(yè)集團目前已完成東部尾礦2850萬t/a PSRM項目的初步設(shè)計。

　　5.3酒鋼粉礦

　　甘肅嘉峪關(guān)地區(qū)已探明的鏡鐵礦資源達5.54億噸，屬國內(nèi)最大的鏡鐵礦產(chǎn)區(qū)，是酒泉鋼鐵集團選燒廠主要原料基地。礦石中鏡鐵礦嵌布粒微細、褐鐵礦與菱鐵礦含量高，其可選性極差，資源利用效率較低。為使該礦石能獲得高效利用，針對酒鋼粉礦開展了系統(tǒng)的試驗研究工作。采用“預富集-懸浮磁化焙燒-磁選”工藝處理酒鋼粉礦。在原礦TFe品位32.50%的條件下，可獲得精礦TFe品位60.37%、總回收率77.53%的分選指標。

　　連續(xù)試驗樣品的磁性轉(zhuǎn)化率和分選指標如圖11和圖12所示。連續(xù)懸浮焙燒試驗過程中，樣品的磁性轉(zhuǎn)化率均在76%以上，平均值為79.25%；鐵精礦平均品位為56.92%；鐵回收率平均值為86.61%。

　　懸浮焙燒系統(tǒng)關(guān)鍵部位溫度和壓力監(jiān)測結(jié)果表明，整個試驗過程中懸浮焙燒系統(tǒng)關(guān)鍵部位的壓力、溫度保持穩(wěn)定，反應(yīng)器內(nèi)的還原溫度可以穩(wěn)定在530-550℃范圍內(nèi)。

　　在擴大連續(xù)試驗取得的研究成果基礎(chǔ)上，形成了《酒鋼粉礦懸浮磁化焙燒選礦改造工程可研報告》。該報告2016年5月通過審查，評審委員會一致認為：該技術(shù)合理可行，主要工藝裝備論證比較充分，主體工藝風險分析及控制措施基本到位，深度達到可研要求（圖13）。2016年6月酒鋼粉礦PSRM項目一期工程已正式開工建設(shè)，投資4.8億元，建設(shè)一條年處理粉礦165萬噸的懸浮焙燒選礦生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線預定2017年10月底建成投產(chǎn)，標志著懸浮焙燒項目步入工業(yè)化建設(shè)階段（圖14）。項目全部建成投產(chǎn)后，據(jù)估算，酒鋼集團噸鐵礦石成本可降低57.98元，每年降低生鐵成本3.01億元，經(jīng)濟效益巨大，同時該工程被列為2017年甘肅省重大項目。

　　酒鋼難選鐵礦資源預富集-懸浮焙燒-分選技術(shù)工程項目的開工建設(shè)表明，復雜難選鐵礦石預富集-懸浮焙燒-分選技術(shù)已經(jīng)成熟，是復雜難選鐵礦資源高效開發(fā)利用領(lǐng)域的重大突破。

　　本文摘選自本報2017年第27期B04部分內(nèi)容，若要詳細了解更多相關(guān)行業(yè)和技術(shù)信息，請關(guān)注本報紙質(zhì)報紙每期A版和B版內(nèi)容，或者登陸本報手機APP客戶端，或者本報網(wǎng)站新址：https://www.worldmetals.com.cn/電子報閱讀全文。轉(zhuǎn)載請注明出處。