菱铁矿煤基直接还原焙烧—磁选工艺及机理研究.pdf

中图分类号 U D C 硕士学位论文 学校代码 密级 1 0 5 3 3 菱铁矿煤基直接还原焙烧一磁选工艺及机理研究 K e s e a r C nO np r o c e s sa n dm e c n a n l S mO tc o a lb a s e d 1 一 ●●●，’11 r e d u c t i o na n dm a g n e t i cs e p a r a t l O no tS l o e r l t e ●● ●● ● 1●． 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 薛子兴 矿业工程 矿物加工工程 资源加工与生物工程学院 潘建副教授 朱德庆教授 论文答辩日期垫l 主 皇兰I 答辩委员会主 中南大学 二O 一三年五月 原创性声明 1 1 i l l l l l l l l l l l l I I I I I i l l l l l I I I l l I l l U I l l l I l l I Y 2 4 2 2 5 6 7 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 j f 作者签名 鞋童堂 日期型年』月』日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者躲强导师签名速塾日期．丝年』月』日 菱铁矿煤基直接还原焙烧．磁选工艺及机理研究 摘要随着钢铁工业的快速发展，我国铁矿石供需矛盾越来越突 出，钢铁企业利润被大量高价进口铁矿石吞噬，合理利用国内菱铁 矿资源意义重大。本文以新疆某菱铁矿为研究对象，开展煤基直接 还原焙烧一磁选工艺及机理研究，为高效利用菱铁矿资源提供了一条 新途径。 菱铁矿煤基直接还原按F e C 0 3 一F e 3 0 4 _ F e O _ F e 反应历程进 行，矿石内层各反应环节均滞后于外层。在菱铁矿热分解和还原过程 中，矿石的微观结构发生了明显变化F e C 0 3 向F e 3 0 4 转变时体积变 小，形成微细孔洞和狭小裂缝；F e 3 0 4 向F e O 转变时体积膨胀，孔洞 增加，裂缝变大；F e O 向F e 转变时体积缩小，孔洞继续增大，新生 金属铁结构相对松散，但铁晶粒容易长大连晶，整个反应过程中，矿 石保持整体结构完整，不易粉化。 以2 5 ～5 m m 菱铁矿和褐煤为原料进行煤基回转窑直接还原焙烧． 磁选工艺参数优化研究，确定了回转窑最佳还原焙烧制度为焙烧温 度1 0 5 0 ℃、焙烧时间1 4 0 m i n 、C ／F e 为1 ．8 6 、脱硫剂用量3 ％，焙烧 产品干式磁选 O ．1 5 T 后，将焙烧矿进行一段湿式球磨 - 0 。0 7 4 m m 占8 5 ．9 2 ％ 和一段湿式磁选 O ．1 T ，可获得铁品位为9 2 ．0 6 ％、铁金 属化率9 0 ．5 2 ％、硫含量O ．1 6 ％的还原铁粉，全流程铁回收率达8 5 ．9 4 ％。 由于热分解及还原过程菱铁块矿不易粉化，焙烧产品中．3 m m 粉末量 仅为8 ．7 1 ％，试验过程回转窑未出现结圈现象。 对各产品性能分析表明，残煤固定碳含量5 0 ．3 6 ％，具有巨大潜 在再利用价值，直接还原铁粉铁可用作电炉炼钢原料，湿式磁选尾矿 可用作水泥工业原料。图4 1 幅，表1 9 个，参考文献6 7 篇。 关键词菱铁矿；煤基直接还原；回转窑；反应历程；微观结构 分类号T D 9 8 1 I I R e s e a r c ho n p r o c e s sa n dm e c h a n i s mo f c o a lb a s e dr e d u c t i o na n d m a g n e t i cs e p a r a t i o no f s i d e r i t e A b s t r a c t W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi r o na n ds t e e li n d u s t r y , C h i n ai S f a c e dw i t has e r i o u sp r o b l e mo fr a wm a t e r i a ls h o r t a g e ，t h ep r o f i to f s t e e l m a k e r sa r es q u e e z e db yl a r g ea m o u n to f e x p e n s i v ei m p o r t e di r o no r e ． T h e r e f o r e ，d o m e s t i cr e f r a c t o r yi r o no r e sl i k es i d e r i t eh a v et ob er a t i o n a l l y u t i l i z e dt og u a r a n t e et h eh e a l t h yd e v e l o p m e n to fi r o na n ds t e e li n d u s t r yi n C h i n a ．I nt h i sp a p e r , s i d e r i t ef r o mX i n j i a n gw a su s e da sr a ws a m p l e st o s e tan e wW a yt ou t i l i z es i d e r i t ea n dl a u n c ht h er e s e a r c ho np r o c e s sa n d m e c h a n i s mo fc o a lb a s e dd i r e c tr e d u c t i o n ．m a g n e t i cs e p a r a t i o no fs i d e r i t e ． C o a lb a s e dd i r e c tr e d u c t i o nc o u r s eo fs i d e r i t ew a sF e C 0 3 一F e 3 0 4 _ F e O F e ，f o re a c hs t e po ft h ec o u r s e ．r e a c t i o ni nt h ei n n e rl a y e ro ft h e o r ed e l a y e dw i t ht h a to fo u t e rl a y e r ．D u r i n gd e c o m p o s i t i o na n dr e d u c t i o n o fs i d e r i t e ，t h em i c r o s t r u c t u r eo fo r ec h a n g e dr e m a r k a b l y , t i n yh o l e sa n d i n t e r s t i c e s i n i t i a l l ya p p e a r e dd u r i n gt h ec r y s t a lt r a n s f o r m a t i o nf r o m F e C 0 3t oF e 3 0 4 ，w h e nF e 3 0 4w a st r a n s f o r m e dt oF e O ，t h eh o l e sw a s s q u e e z e da n db e c a m el a r g e r , w h e nF e Ow a st r a n s f o r m e dt oF e ，t h eh o l e s w a se v e nl a r g e ra n dm e t a l l i ci r o nw a ss c a t t e r e du n t i lt h ei r o ng r a i n sg r e w a n dc o n n e c t e d ．B u tt h eo r es t a y e di n t e g r a ld u r i n gt h ew h o l ec o u r s ea n d w a sl e s sl i k e l yt op u l v e r i z e ． T e c h n o l o g i c a le x p e r i m e n to fc o a l b a s e dd i r e c tr e d u c t i o n - m a g n e t i c s e p a r a t i o no fs i d e r i t ew a sl a u n c h e di nar a t o r yk i I nw i t hs i d e r i t ea n d l i g n i t es i z e df r o m2 5i r l i nt o5m i l l ．T h eb e s tr e s u l t sw a sm e ta tr o a s t i n g t e m p e r a t u r ea t 10 5 0 ℃，r o a s t i n gt i m ea t1 4 0 m i n ．C ／F ea t1 ．8 6a n d d e s u l f u r i z e r d o s a g e a t3 ％．A f t e rt h er o a s t e d p r o d u c t w a s d r y l y m a g n e t i c a l l ys e p a r a t e dw i t hf e l di n t e n s i t ya t0 ．15 T , t h er o a s t e do r ew a s w e t l yg r i n d e dt o8 5 ．9 2 ％p a s s i n gO ．0 7 4 m ma n ds e p a r a t e dw i t hf i e l d i n t e n s i t ya t0 ．1T ，a n di r o np o w d e rw i t h9 2 ．0 6 ％i nF ec o n t e n t ，9 0 ．5 2 ％i n m e t a l l i z a t i o nr a t e ，0 ．16 ％i nSc o n t e n tw a sp r e p a r e d ，8 5 ．9 4 ％o fF ew a s r e c o v e r e d ．S i n c et h eo r ew a s1 e s s l i k e l y t o p u l v e r i z ed u r i n g d e c o m p o s i t i o na n dr e d u c t i o no fs i d e r i t e ，t h er o a s t e dp r o d u c tc o n t a i n so n l y 8 ．71 ％o f p o w d e r , a n d r i n g - f o r m i n gw a sn o tf o u n di nt h er o t a r yk i l n ． A n a l y s i so nf i n a lp r o d u c t sh a ss h o w nt h a tr e s i d u a lc o a lc o n t a i n s 5 0 ．3 6 ％o ff i x e dc a r b o na n dw a sp e r f e c tm a t e r i a lf o rs e m i c o k e ．m a k i n g ． I I I i r o np o w d e rc o u l db ep r o v i d e dt oE A Fs t e e l m a k i n g ，a n dr a i l i n g sc o u l db e u s e da sr a wm a t e r i a lf o rc e m e n t m a k i n g ． K e y w o r d s s i d e r i t e ，c o a lb a s e dd i r e c tr e d u c t i o n ，r o t a r yk i l n ，r e a c t i o n p r o c e s s ，m i c r o s t r u c t u r e ． C l a s s i f i c a t i o n T D 9 81 I V 硕士学位论文目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V 1 文献综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 我国钢铁工业发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 我国菱铁矿资源的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．3 菱铁矿资源开发的工艺现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 ．1 常规选矿工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 ．2 磁化焙烧工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．3 还原焙烧工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 煤基直接还原的主要工艺现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．4 ．1 国外煤基直接还原主要工艺现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 ．2 我国煤基直接还原主要工艺现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．5 菱铁矿热分解及铁氧化物直接还原机理研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．5 ．1 菱铁矿热分解机理研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．5 ．2 铁氧化物煤基直接还原机理研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 1 ．6 研究目的意义和内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 1 ．6 ．1 研究目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 1 ．6 ．2 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 原料性能与研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．1 原料性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 ．1 菱铁矿原矿⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．1 ．2 高纯菱铁矿⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 2 ．1 ．3 还原煤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．1 ．4 脱硫剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．2 试验研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．2 ．1 试验流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．2 ．2 试验研究方法与设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．2 ．3 机理研究方法与设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 菱铁矿煤基直接还原的热力学研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．1 中性气氛下菱铁矿分解热力学⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 ．1 菱铁矿分解平衡热力学基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1 ．2 非平衡体系中菱铁矿的分解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 V 硕士学位论文目录 3 ．1 ．3 平衡体系与非平衡体系中菱铁矿热分解差异⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．2 固体碳还原菱铁矿的热力学基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3 褐煤作用下菱铁矿的热分解特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 菱铁矿煤基直接还原制度优化及机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 4 ．1 菱铁矿煤基直接还原制度优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．1 ．1 温度对焙烧矿铁金属化率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 4 ．1 ．2 还原剂用量对焙烧矿铁金属化率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．1 ．3 矿石粒度对焙烧矿铁金属化率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．1 ．4 还原剂粒度对焙烧矿铁金属化率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．2 菱铁矿煤基直接还原过程机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 ．1 还原焙烧过程矿石的化学成分和物相变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．2 ．2 还原焙烧过程矿石的宏观结构变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．2 ．3 还原焙烧过程矿石的微观结构变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 菱铁矿煤基回转窑直接还原焙烧．磁选工艺研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．1 煤基直接还原焙烧制度研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．1 ．1 焙烧温度对精矿指标的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 ．1 ．2 焙烧时间对精矿指标的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 5 ．1 ．3 配煤量对精矿指标的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 5 ．1 ．4 脱硫剂用量对精矿指标的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．2 磨选制度研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 ．1 磨矿细度对精矿指标的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．2 ．2 磁场强度对精矿指标的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．3 最佳工艺的全流程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．3 ．1 全流程铁物料平衡计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．3 ．2 干式磁选产品性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．3 ．4 湿式磁选产品性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 攻读硕士期间研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 V I 硕士学位论文1 文献综述 1 文献综述 1 ．1 我国钢铁工业发展现状 钢铁是重要的战略资源，近十年来，我国钢铁工业取得了前所未有的发展， 据世界钢铁协会统计数据【l 】，我国粗钢产量从2 0 0 2 年的1 ．8 0 亿t 增长到2 0 1 2 年 的7 ．1 7 亿t ，占世界粗钢产量的比例由2 0 ．4 0 ％增至4 6 ．3 0 ％。我国铁矿资源丰富， 但贫矿多，富矿少，9 7 ％的铁矿石铁品位低于3 0 ％E 2 1 ，为满足钢铁工业的发展需 要，每年进口大量铁矿石，然而国际铁矿石垄断局面难改，在国际铁矿石贸易中 话语权的缺失，致使我国钢铁企业利润被铁矿石进口价格迅猛上涨所吞噬p 】。我 国近十年铁矿石进口量及其均价见图1 ．1 。开发利用好国内复杂难选铁矿资源， 为保证我国钢铁工业健康发展具有重要战略意义。 0 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 102 0 112 0 122 0 13 年份 图1 ．1 我国近十年铁矿石进口量及其均价 F i g ．1 lT h ea m o u n to f i m p o r t e di r o no r ea n d i t sa v e r a g ep r i c ei nl a s tt e ny e a r s 1 ．2 我国菱铁矿资源的特点 菱铁矿是我国复杂难选的铁矿资源中最具代表性的一种，其主要成分为 F e C 0 3 ，但由于F e C 0 3 与M n C 0 3 和M g C 0 3 可形成完全类质同象系列，与C a C 0 3 形成不完全类质同象系列，因而M n 、M g 、C a 常能替代F e C 0 3 中F e ，形成变种 的锰菱铁矿，镁菱铁矿和钙菱铁矿。 我国菱铁矿探明储量为1 8 ．3 4 亿t 1 4 j ，主要分布在陕西、云南、新疆、湖北、 山东、四川、山西、贵州、广西、吉林等省 区 。其中陕西、新疆、青海、甘肃、 营迥v霭口斓博诂举 7 6 5 4 3 2 1 ∞ ∞ ∞ 约 ∞ ∞ ∞ 们 幻 营＼唳粼v露口划博奄誊 硕士学位论文1 文献综述 和云南等5 个省的菱铁矿矿床储量都超过1 亿t ，陕西省柞水县大西沟菱铁矿矿 床储量超过3 亿t 【5 | 。 菱铁矿相对密度3 ．7 ．4 ．0 ，比磁化系数为 3 5 ～15 0 xl O 母m 3 几唱，磁性比镜铁矿 和赤铁矿弱；其表面零电点p H 7 ．3 ，可浮性类似于赤铁矿【6 ，刀，而单独的菱铁矿 资源很少，主要与赤铁矿、磁铁矿伴生。对于大部分赤铁矿一菱铁矿复合型矿石， 采用强磁、重选、浮选等单一或联合工艺，即采用常规选矿工艺，铁品位难以提 高，而且回收率也低，经济效益差。 相对于赤铁矿、磁铁矿为主的铁矿石而言，菱铁矿的铁品位较低，理论含铁 量只有4 8 ．2 7 ％，加之菱铁矿采选和冶炼均比较困难，目前己用于钢铁冶炼的菱 铁矿多为优质菱铁矿，其用量不足总储量的1 0 ％t 8 1 。但菱铁矿矿石具有自身的特 点，选择适当的温度，在中性气氛或弱氧化气氛条件下焙烧后，释放出C 0 2 和 C O 气体，生成强磁性的磁铁矿 F e 3 0 4 ，经弱磁选后可获得满足冶炼要求的高品 位铁精矿；而在强还原气氛下焙烧，则被还原成金属铁，经磁选富集可获得优质 铁粉，用作电炉炼钢或粉末冶金的原料。 1 ．3 菱铁矿资源开发的工艺现状 1 ．3 ．1 常规选矿工艺 1 重选 重选是选别单一菱铁矿的常用方法，南斯拉夫、奥地利、德国、加拿大等国 广泛使用重介质法来处理菱铁矿【7 1 。与国外相比，我国采用跳汰预选工艺的选矿 厂相对较多，如宣钢龙烟铁矿、湖南湘东铁矿雷垅里选矿厂等采用梯型跳汰机处 理含菱铁矿的鲕状赤铁矿石。由于重选方法只能最大限度地恢复矿石地质品位， 适用于富矿和粗粒嵌布矿石的预选，因此单一重选工艺所选出的精矿已逐渐不能 满足冶炼的需求。 2 强磁选嗍 菱铁矿铁品位低、矿物组成复杂、且磁性弱，但随着强磁选装备水平的提高， 强磁选技术己成功用于分选包含菱铁矿在内的褐铁矿、赤铁矿、镜铁矿等弱磁性 矿物。上世纪8 0 年代，S h p 系列湿式强磁选机最早在工业上用于分选富含菱铁 矿的酒钢粉矿；乌克兰应用超导磁系的强磁选机成功分选了巴卡尔．1 0 m m 的菱 铁矿矿粉矿；近年来，S L o n 脉动式高梯度强磁选机在工业应用上获得了成功， 显著提高了包含菱铁矿在内的弱磁性矿物的分选指标。强磁选技术显示出了良好 的应用前景，但也仅作为预选作业。 3 浮选及相关分选技术 硕士学位论文1 文献综述 菱铁矿常与其他弱磁性铁矿物共生，工业上菱铁矿的浮选以分选选别弱磁性 铁矿物为目标。 张明等【9 】采用分步浮选工艺处理东鞍山难选碳酸盐铁矿第一步在中性p H 值下正浮选分选菱铁矿，获得的菱铁矿精矿品位为4 5 ．6 3 ％，回收率为0 ．5 0 ％； 第二步在强碱性条件反浮选分选赤铁矿，赤铁矿精矿铁品位6 6 ．3 4 ％，回收率 7 1 ．6 0 ％。但该工艺第一步正浮选精矿产率太低，只回收了9 ．1 3 ％的菱铁矿，大约 3 9 ．0 5 ％的菱铁矿进入赤铁矿精矿，另外的5 1 ．8 2 ％则进入了尾矿无法回收利用； 菱铁矿与赤铁矿未得到有效分选。 太钢峨口铁矿尾矿中含有大量铁镁碳酸盐类质同象系列矿物，为回收其中的 弱磁性碳酸铁矿物，采甩了筛分一强磁选一浮选联合流程，S i 0 2 含量可降至4 ％ 以下， 但最终铁精矿品位仅为3 5 ％以_ 1 z t l 0 1 焙烧后可达5 1 ％以上 。 浮选常常不会作为单独的工艺来处理菱铁矿资源，往往需要联合其他工艺， 尤其是磁化焙烧．磁选工艺，如王家滩采用的是浮选铜硫一磁化焙烧一磁选工艺 【1 1 1 、大西沟采用的则是磁化焙烧．弱磁选．阳离子反浮选联合工艺【1 2 ，1 3 】。 综上所述，单独的重选、磁选和浮选等常规选矿方法均不能使菱铁矿得到有 效地分选，一般只作为原矿预处理或精选等辅助作业。 1 ．3 ．2 磁化焙烧工艺 在铁矿选矿中，磁化焙烧是指将弱磁性的铁矿石通过焙烧转变为强磁性铁矿 石的工艺。例如，赤铁矿的磁化焙烧采用还原焙烧工艺将弱磁性的赤铁矿 F e 2 0 3 转化为强磁选的磁铁矿 F e 3 0 4 。菱铁矿 F e C 0 3 的磁化焙烧则在一定的温度 和气氛下 一般为中性或弱氧化性气氛 ，将弱磁性的菱铁矿 F e C 0 3 转化为 生成强磁性的磁铁矿 F e 3 0 4 ，由于脉石矿物的磁性保持不变；焙烧矿经弱磁 选分离或联合分选可获得高品位铁精矿。磁化焙烧是目前处理菱铁矿的主流工 艺，根据工业实践中矿石的堆积状态和使用的设备，可以为为堆积态焙烧 和流态化焙烧。 1 ．3 ．1 ．1 堆积态磁化焙烧 1 竖炉工艺 竖炉是用于处理粒度较大的块矿物料的一种常用炉型，通常入炉的物料粒度 可达7 5 ～1 5 m m 。马钢【1 4 】把菱铁矿富矿置于氧化性气氛的竖炉中焙烧，将温度控 制在1 0 5 0 ℃～1 1 0 0 ℃，焙烧矿铁品位由4 2 ％左右提高到6 2 ％左右，硫含量由 0 ．3 0 ％左右下降到O ．0 4 ％左右，转鼓指数由9 0 ％左右降至4 7 ％左右，直径 3 0 r a m 的块状焙烧矿抗压强度平均值由6 0 0 0 N ／块降至1 0 5 0 N ／块左右，但基 硕士学位论文1 文献综述 本可以满足高炉或转炉对块矿的技术要求。水城钢铁【l5 】在酒钢l O O m 3 鞍山式 竖炉中对粒度为7 5 ～1 5 m m 的贵州赫章镁菱铁矿进行工业试验，结果表明矿石经 竖炉焙烧后品位可提高到5 3 ．7 0 ％以上。 由于处理的矿石粒度较大，在竖炉中焙烧时，传热效率低，焙烧过程缓慢、 产品质量内外层不均匀，且处理量小，投资大，自动化程度低，劳动强度大。 2 回转窑工艺 回转窑是目前国内菱铁矿磁化焙烧的重要设备，常用于处理．2 0 r a m 菱铁矿。 薛生晖等【1 6 】在Q 4 ．O m x 6 0 m 的回转窑中对新疆某低品位菱褐铁矿进行了磁化 焙烧工业试验和试生产，在回转窑转速为O ．5 5 r ／m i n ，处理量5 5 t O a ，焙烧温度为 7 0 0 ℃～7 5 0 。C ，焙烧时间为5 0 r a i n 的条件下，焙烧矿经磁选后，获得的精矿铁品 位为6 3 ％，产率6 5 ％，铁回收率为9 0 ％。 长沙矿冶酣1 7 】对原矿铁品位仅2 6 ．8 2 ％的大西沟菱铁矿在c p l ．3 m 2 4 m 的煤基 回转窑中进行了中性磁化焙烧半工业试验。通过调节适宜的焙烧温度场和气氛 场，采用水淬的方式冷却焙烧矿，水冷焙烧矿经磨矿磁选获得了铁品位5 9 ．8 4 ％， 产率4 4 ．5 2 ％，回收率8 6 ．4 1 ％的铁精矿。在工业试验的基础上，采用磁化焙烧． 阶段磨矿．弱磁选．阳离子反浮选工艺流程，建成9 0 万t ／a 的工业生产线，通过生 产调试和技术改造【1 2 】，获得铁精矿铁品位6 0 ．6 3 ％，回收率7 5 ．4 2 ％的生产指标。 但由于入窑粒度为．2 0 m m ，前期破碎等作业使．1 m m 的粉矿量在1 0 ％以上，甚至 高达3 0 ％，容易造成除尘系统堵塞、回转窑结圈等问题【l 引，使回转窑的作业率、 产能降低，焙烧矿质量恶化，铁精矿生产成本大增，焙烧系统的工作环境恶劣。 1 ．3 ．1 ．2 流态化磁化焙烧 针对传统堆积状态磁化焙烧具有气固接触面积小、焙烧过程缓慢、矿石内外 层质量不均匀等问题，有学者提出了流态化磁化焙烧工艺，主要有两种说法悬 浮态磁化焙烧工艺和闪速磁化焙烧工艺。 悬浮态焙烧技术由徐德龙院士[ 1 9 2 0 1 首次引入到菱铁矿的选矿工艺中，庞永莉 【1 9 】、宋海霞【2 0 1 等开展了悬浮态磁化焙烧细粒菱铁矿的小型试验。其中庞永莉【1 9 】 选取1 2 5 ～8 0 1 m a 的物料，采用流态化技术高效快速地磁化焙烧菱铁矿，7 0 0 ℃下 焙烧3 m i n 的焙烧矿经磁选后，可获得精矿品位5 7 ．2 0 ％、回收率9 4 ．3 6 ％的良好 指标。 闪速磁化焙烧技术由武汉理工大学余永富院士提出1 2 ，该技术在弱还原气氛 中，将粉状难选弱磁性氧化铁矿石在高温 6 0 0 ～8 5 0 ℃ 悬浮流态化下进行焙烧， 使之快速转化成强磁性磁铁矿，焙烧矿再经弱磁选，可获得高品位铁精矿。刘小 银等【1 8 】针对大西沟煤基回转窑生产中粉矿造成的不利影响，采用自主研发的闪速 硕士学位论文 1 文献综述 磁化焙烧中试装置，对．1 m m 菱铁矿粉矿进行闪速磁化焙烧一弱磁选试验，获得 了精矿铁品位大于5 6 ％，回收率大于8 0 ％的良好试验指标；王秋林等【2 2 】将铁品 位为3 3 ．2 6 ％的重钢接龙菱铁矿磨至．0 ．0 7 5 m m 占9 0 ％，采用闪速磁化焙烧一弱磁 选流程，得到产率4 5 ．0 4 ％，铁品位6 0 ．0 9 ％、铁回收率8 1 ．3 7 ％的铁精矿。该工艺 流程结构简单、经济实用、工业生产可操作性好、易于实现，是当前处理重钢接 龙铁矿行之有效的选矿技术之一。 流态化磁化焙烧虽然工艺流程简单，焙烧效率高、能耗小，产品质量均匀， 但在工业生产时面临产品粒度细，管道易堵塞等问题，未能得到大规模工业应用。 1 ．3 ．3 还原焙烧工艺 虽然磁化焙烧．弱磁选工艺在处理菱铁矿的工业实践相对成功，但存在产品 加工与应用过程多次焙烧导致能源浪费的问题。由于我国煤炭资源丰富，且煤基 直接还原工艺日渐成熟，有学者提出在我国发展菱铁块矿煤基直接还原．磁选工 艺。 上世纪9 0 年代末，重庆大学朱子宗等t 2 3 ] 凌源市沟门子菱铁矿和四川宜宾 煤为原料，采用坩埚法进行温度、粒度、时间系列试验，以还原焙烧矿的铁金属 化率作为评价指标，认为最佳的还原焙烧条件为还原温度1 0 7 5 ℃，使用固定床 罐式法做扩大还原实验，还原矿经球磨磁选，得到了铁品位8 4 ．8 5 ％, - - 8 8 ．5 0 ％之间， 铁金属化率大于9 5 ％，铁回收率大于9 2 ％的还原铁粉；朱子宗等【2 4 】还使用1 2 m 长的回转窑对8 - 3 0 m m 的菱铁矿进行了工业试验，获得了铁品位5 5 ％，铁金属 化率6 0 ％的预还原铁矿，将它以3 0 ％的配比加入至1 8 ．6 m 3 的小高炉中进行冶炼， 高炉运行稳定，焦比大幅降低，产量增加5 ％。 重庆大学张大江等[ 25 】使用褐煤为还原剂，在①5 5 0 m m 8 7 0 0 m m 回转窑中 1 1 0 0 ℃下还原焙烧2 - 8 m m 和8 ～1 5 m m 的低品位菱铁矿，由于配煤量较低，仅 3 0 ％, - 4 0 ％，从回转窑中获得的焙烧矿经磨矿磁选得到的还原产品铁金属化率仅 为8 2 ．0 0 ％～8 7 ．2 4 ％，铁品位最高只有7 3 ．5 0 ％。 北京科技大学闫树芳等【2 6 】采用直接还原焙烧一磁选工艺处理嘉峪关某 菱铁，在1 2 0 0 ℃下焙烧．4 m m 的菱铁矿6 0m i n ，焙烧矿经球磨磁选获得了铁 品位为9 4 ．7 0 ％，回收率为9 0 ．2 8 ％的还原铁粉；魏玉霞等1 2 7 ] 将破碎至．2 m m 的菱铁矿配入粘结剂和煤粉，压团处理后在1 2 0 0 。C 下还原焙烧，经磨矿磁选获 得了铁品位9 2 ．7 6 ％，回收率8 5 ．9 7 ％的直接还原铁产品。煤基直接还原法在处理 菱铁矿上展现出良好的应用前景。 硕士学位论文1 文献综述 1 ．4 煤基直接还原的主要工艺现状 在钢铁冶金工业中，直接还原法【2 8 】是以非焦煤、液体燃料或气体燃料为能源 和还原剂，在人造团块或天然矿石 粉 的固态软化温度以下进行还原获得金属 铁的方法。由于直接还原铁的含碳、磷、硫低，成分稳定，成为代替被污染的废 钢，稀释和改善钢水化学成分，冶炼特种钢和优质钢的理想原料。 目前世界直接还原铁生产工艺，主要分为气基法和煤基法。气基法是生产直 接还原铁的主要工艺，具有产量大、效率高等优点，主要集中在伊朗、沙特阿拉 伯、委内瑞拉、墨西哥等天然气资源丰富的国家。煤基直接还原法采用非焦煤作 为还原剂，焦煤和天然气资源的短缺和天然气价格的上涨使煤基直接还原工艺迅 速发展【2 s ，2 9 1 。根据米德雷克斯公司统计数据【3 ，煤基直接还原铁产量占世界直 接还原铁产量的比例见图1 ．2 。 2 0 0 0 2 0 0 12 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 2 0 0 9 2 0 1 02 0 112 0 1 2 年份 图1 - 2 世界D R ／产量及煤基生产D R I 所占比例 F i g1 - 2W o r l dD R Iy i e l da n dp e r c e n t a g eo f D R Im a d ef r o mc o a lb a s e dt e c h n o l o g y 1 ．4 ．1 国外煤基直接还原主要工艺现状 2 0 1 1 年，世界煤基直接还原铁产能为2 6 0 0 万t ，实际产量1 7 3 0 万t ，主要 集中在南非和印度等地[ 3 1 】。目前，形成规模的煤基直接还原工艺主要有回转窑法 和转底炉法。 1 回转窑法[ 2 8 , 3 0 - 3 5 】 回转窑是最主要的煤基直接还原流