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(jìn)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(rèn)定至今低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高度是多少，運(yùn)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)域低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高度是多少，根據(jù)既定的平臺頂層設(shè)計總體發(fā)展思路，銳意進(jìn)取，各方向擬定的任務(wù)得到落實(shí)，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(jìn)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(jìn)展情況，本報特組織相關(guān)報道，以饗讀者。

　　復(fù)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(fù)雜難選鐵礦最為有效的技術(shù)，研制出生產(chǎn)效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、能耗低的新型磁化焙燒裝備已成為礦業(yè)科學(xué)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(yù)氧化-蓄熱還原-再氧化”的焙燒理念，形成了難選鐵礦石“預(yù)富集-懸浮焙燒-磁選”新工藝，圍繞非均質(zhì)礦石顆粒運(yùn)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(xué)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(qiáng)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(jìn)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(fēng)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(yàn)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(qiáng)和壓強(qiáng)脈動的流化風(fēng)調(diào)控機(jī)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(yùn)行奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

　　3.1流化風(fēng)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(fēng)速下副爐軸向壓強(qiáng)分布特征及軸向壓強(qiáng)脈動特性。

　　由圖4可知，隨著軸向高度的增加，軸向壓強(qiáng)線性降低，而這部分壓降正是提供了物料從下向上運(yùn)動的動力，使得系統(tǒng)得以正常運(yùn)行。由圖5可知，隨著流化風(fēng)速的增大，壓強(qiáng)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(yàn)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(rèn)定至今，運(yùn)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(jìn)取，各方向擬定的任務(wù)得到落實(shí)，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(jìn)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(jìn)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(jìn)展示。

　　由圖6可知，隨著風(fēng)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(diǎn)，趨于穩(wěn)定。通過風(fēng)速與壓降曲線圖獲得臨界點(diǎn)，其對應(yīng)的橫坐標(biāo)便是臨界流化速度低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高度是多少；顆粒終端速度由計算得到。試驗(yàn)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(jī)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(jìn)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(jìn)行冷卻試驗(yàn)。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(jìn)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(jìn)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(qiáng)化作用，故又對磁鐵礦對赤鐵礦懸浮焙燒還原過程強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行探究。分別對磁鐵礦比例占0%、8%、16%的赤鐵礦進(jìn)行動力學(xué)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(jìn)行還原反應(yīng)，反應(yīng)速率比較慢低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高度是多少；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(qiáng)化作用。

　　5工業(yè)化進(jìn)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(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所、鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)、酒泉鋼鐵集團(tuán)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(yù)富集-懸浮磁化焙燒-磁選連續(xù)擴(kuò)大試驗(yàn)，均取得了良好的焙燒效果和分選指標(biāo)，且設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

　　5.1東鞍山鐵礦石

　　東鞍山鐵礦石是低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高度是多少我國典型的貧雜赤鐵礦，具有鐵礦物結(jié)晶粒度細(xì)、氧化程度深、礦物組成復(fù)雜等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)東鞍山鐵礦石的高效開發(fā)利用，東北大學(xué)針對東鞍山鐵礦石特點(diǎn)提出采用“預(yù)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(yàn)研究。采用磁選預(yù)富集工藝進(jìn)行預(yù)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(qiáng)磁筒式磁選機(jī)粗選、一段立環(huán)高梯度磁選機(jī)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(yù)富集的混合磁選精礦采用懸浮磁化焙燒-磁選試驗(yàn)流程進(jìn)行試驗(yàn)，預(yù)選精礦懸浮磁化焙燒連續(xù)試驗(yàn)，累計穩(wěn)定運(yùn)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(biāo)。與現(xiàn)有分選工藝相比精礦品位提高2個百分點(diǎn)，回收率提高15個百分點(diǎn)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(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題。鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)目前尾礦累計堆存量已達(dá)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(qiáng)磁選技術(shù)預(yù)富集鐵礦物。通過系統(tǒng)試驗(yàn)，確定鞍鋼東部尾礦預(yù)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(biāo)。

　　對鞍鋼東部尾礦預(yù)富集的混合磁選精礦進(jìn)行了懸浮磁化焙燒-磁選擴(kuò)大連續(xù)試驗(yàn)，試驗(yàn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)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(biāo)。在擴(kuò)大連續(xù)試驗(yàn)取得的研究成果基礎(chǔ)上，鞍鋼礦業(yè)集團(tuán)目前已完成東部尾礦2850萬t/a PSRM項(xiàng)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(dá)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(tuán)選燒廠主要原料基地。礦石中鏡鐵礦嵌布粒微細(xì)、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(yàn)研究工作。采用“預(yù)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(biāo)。

　　連續(xù)試驗(yàn)樣品的磁性轉(zhuǎn)化率和分選指標(biāo)如圖11和圖12所示。連續(xù)懸浮焙燒試驗(yàn)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(yàn)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(kuò)大連續(xù)試驗(yàn)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(rèn)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(fēng)險分析及控制措施基本到位，深度達(dá)到可研要求（圖13）。2016年6月酒鋼粉礦PSRM項(xiàng)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(yù)定2017年10月底建成投產(chǎn)，標(biāo)志著懸浮焙燒項(xiàng)目步入工業(yè)化建設(shè)階段（圖14）。項(xiàng)目全部建成投產(chǎn)后，據(jù)估算，酒鋼集團(tuán)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(jì)效益巨大，同時該工程被列為2017年甘肅省重大項(xiàng)目。

　　酒鋼難選鐵礦資源預(yù)富集-懸浮焙燒-分選技術(shù)工程項(xiàng)目的開工建設(shè)表明，復(fù)雜難選鐵礦石預(yù)富集-懸浮焙燒-分選技術(shù)已經(jīng)成熟，是復(fù)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(xì)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(jī)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。