超级铁精矿与洁净钢基料短流程绿色制备关键技术

超级铁精矿与洁净钢基料短流程

绿色制备关键技术

针对我国铁精矿品质较差、洁净钢基料匮乏的现状，东北大学钢铁共性技术协同创新中心“铁矿资源绿色开发利用”方向始终把铁精矿深加工和洁净钢基料制备技术作为一项前瞻性、储备性和战略性的课题进行研究，并提出了基于杂质源头控制的“铁精矿深度提质-直接还原-电炉熔炼”超级铁精矿与洁净钢基料短流程绿色制备一体化技术。研究团队选取我国典型的铁精矿为研究对象，以原料的基本物理化学特性为基础，围绕铁精矿深度提质、高纯铁精矿选择性还原、还原铁粉熔炼过程中的关键科学问题开展研究工作，取得如下主要研究进展。

选取国内6种典型的普通磁铁精矿为对象，利用光学显微分析技术查明了磁铁矿与脉石矿物连生的特征类型、各类连生体的含量、磁铁矿结晶粒度等矿物学基因特性；针对6种铁精矿开展分选试验，确定了获得超级铁精矿的流程结构、参数及分选技术指标；将普通铁精矿连生体的类型、含量、磁铁矿结晶粒度等矿物学特性与超级铁精矿制备流程及技术指标有机结合加以分析，探明了二者之间的内在联系和规律，建立了基于原料矿物学基因特性的超级铁精矿制备评价体系，为超级铁精矿原料的快速、便捷筛选提供了技术支撑。

磁铁矿连生体的含量及结合特征是影响最终精矿质量的重要因素。据统计，铁精矿中连生体结合类型可分为以下3种：

1）毗连型：磁铁矿与非金属矿物连生边界平直，边界线呈线性弯曲状，如图1（a）所示；

2）包裹型：磁铁矿以包裹体形式嵌镶于非金属矿物中，其中磁铁矿包裹体粒径大于10μm属细粒包裹，小于10μm为微细包裹，如图1（b）所示；

3）反包裹型：磁铁矿中包裹微细粒的非金属矿物的连生类型，这种类型连生体中的脉石矿物因粒径细小，难以从铁矿物中解离出来，影响铁精矿的品位，如图1（c）所示。

将普通铁精矿工艺矿物学特征与分选试验结果有机结合加以分析，可知磁铁矿连生体的类型及磁铁矿结晶粒度是决定普通铁精矿能否制备超级铁精矿的关键因素。基于上述分析，建立了基于原料工艺矿物学基因特性的超级铁精矿制备评价体系，如表1所示。该评价体系可用于快速判断普通铁精矿是否可以作为制备超级铁精矿的原料。

超级铁精矿制备过程中，铁矿物与脉石矿物解离十分关键。依据矿物颗粒力学响应规律，团队提出采用基于以研磨作用为主的搅拌磨磨矿技术，开展了系统的普通铁精矿搅拌磨磨矿研究。利用Fluent软件对搅拌磨机磨腔的单相流流场运动进行仿真模拟，查明了搅拌器转速对磨腔内流场速度、湍流强度、剪切速率分布的影响规律，建立了磨矿动力学方程并明确了动力学参数对磨矿效果的影响规律，最终形成了超级铁精矿窄级别磨矿技术。

磨腔内流场速度模拟结果如图2所示。可知，随着搅拌器的转动，速度等值线在搅拌磨筒体中分布不均匀，存在着明显的速度梯度；在靠近搅拌器、筒壁附近位置速度梯度等值线较密，说明速度梯度大，在这些位置会对物料产生有效的研磨。磨腔内的速度在0-2.0m/s之间，主要分布在0.75m/s，速度分布较为集中。通过数值模拟结果得知改变流体流动状态，使速度分布范围更广泛，扩大速度梯度，粉磨效果将会更好。

不同介质直径下磨矿动力学参数k、n值随磨矿产品粒度的变化如图3所示。可知，磨矿动力学参数k和n值随着物料的粒度变细而减小，表明粗粒级物料的磨矿速率要快于细粒级物料磨矿速率。在物料粒度较细时，介质的直径对参数n值产生影响；在物料较粗时，介质的直径对参数n值基本不影响。物料粒度相同时，介质直径越大，参数k值越大。

两种磨矿产品粒度组成分析结果如图4所示。可知，当标准筛筛分粒度均为-0.038mm粒级含量占80%时，搅拌磨磨矿产品粒度相对均匀，球磨机磨矿产品的粒度分布区间较宽；搅拌磨产品单粒径最大体积分布将近6%，而球磨机产品单粒径最大体积分布仅为5%；搅拌磨产品较球磨机产品-0.010mm粒级含量少；搅拌磨产品最小粒径略大于球磨产品最小粒径。结果表明，球磨机过磨现象严重，搅拌磨更易于实现窄级别磨矿。

对两种磨矿产品进行筒式磁选和电磁精选两段选别。经选别后搅拌磨产品磁选精矿TFe品位70.19%、回收率98.43%、SiO2含量为1.84%，满足高纯铁精矿的要求；球磨机产品磁选精矿TFe品位68.81%、回收率98.62%、SiO2含量为2.89%，未达到高纯铁精矿的质量要求。采用光学显微镜对两种精矿产品进行了镜下检测。检测过程中发现，球磨机精矿中存在一定量的粗粒级连生体颗粒，从而使得精矿品位降低；而搅拌磨精矿中颗粒粒度较均匀，连生体数量极少。

超级铁精矿制备过程中二氧化硅及其他杂质（酸不溶物）含量控制极为关键。研究发现，仅通过磁选工艺难以获得高质量的超级铁精矿，需要采用浮选方法控制二氧化硅及其他杂质含量。浮选是超级铁精矿制备最为关键的环节，是超级铁精矿产品质量稳定性的可靠保证。研究团队从矿物颗粒表面性质和药剂分子作用基团入手，研究药剂分子与矿物表面的作用结合规律，设计新型药剂的分子结构，结合浮选性能对分子结构进行优化，设计合成了系列常温脱硅浮选药剂。

基于MS软件模拟探明磁铁矿和石英矿物表面物理化学性质的差异。从图5石英键的布居值来看，Si-O键具有较强的共价键，键长较短不容易断裂，各个Si-O键强度相同或相近，没有规则的解理面。由图6可知，石英氧具有较多的负电性和活性，更容易和溶液中氢氧根离子产生氢键作用，从而导致石英表面更容易带负电。而石英表面的负离子是阳离子捕收剂吸附的活性点，但其不易与阴离子捕收剂发生作用。图7说明在磁铁矿的表面铁原子活性最高，因此当药剂与磁铁矿表面发生吸附作用时，优先会与铁原子作用。磁铁矿表面的活性点铁原子易于与阴离子药剂发生电子交换吸附，而不易与阳离子捕收剂发生作用。

基于MS软件模拟探明磁铁矿和石英矿物表面物理化学性质的差异，据此设计合成了系列常温脱硅浮选药剂，完成了相应的纯矿物分选试验研究，优化筛选出一种综合效益最佳的新型捕收剂DJW-1。该药剂选择性好、捕收能力强、浮选无需加温，为超纯铁精矿的绿色制备提供了药剂保障。

直接还原炼铁具有产品杂质含量低、绿色环保等优势，是我国钢铁绿色转型的重要途径。因此，研究团队提出采用直接还原技术选择性还原超级铁精矿，获得高质量直接还原铁，之后通过电炉对直接还原铁进行熔炼，得到可作为生产洁净钢的纯铁。

以超级铁精矿为原料，进行了制备气基直接还原竖炉专用氧化球团的工艺条件试验，图8为回转窑火力模型焙烧条件试验焙烧温度随时间的变化关系。研究发现以1.0%膨润土为粘结剂，在焙烧温度1250-1260℃下焙烧30min，可以获得抗压强度＞2500N/个球、转鼓试验抗破碎强度＞91%、耐磨指数＜6%、TFe＞68.0%、FeO＜1.0%的氧化球团。该球团的国标低温还原粉化指标RDI+3.1为86.62%，RDI-0.5指标为7.26%，中温还原膨胀指数为17.73%，中温还原指数RI为60.42%，各项指标满足HYL竖炉直接还原工艺要求。

对试验制备的氧化球团进行了模拟气基竖炉还原条件的还原试验，确定氧化球团在气基竖炉还原条件下的还原特性。由图9可知，在相同的还原气条件下，随还原温度的升高，还原速度升高。在相同还原气条件下，球团还原达到95%还原率所需时间均随温度升高而减少；在相同还原温度和反应时间条件下，球团的还原率随还原气中H2含量增大而增加，还原气中H2的含量高，还原速度快，但还原气中H2∶CO＞1∶1后，还原气中H2∶CO增大对还原率达到95%所需时间的影响逐步减弱。

在实验室开展选择性直接还原试验，探明了还原温度、还原时间、还原剂种类及用量等条件对还原球团金属化率、铁品位的影响规律，确定适宜的选择性还原工艺参数，获得了TFe品位97.28%、金属化率为97.66%、S含量0.0066%、P含量0.0014%的球状直接还原铁。以直接还原铁为原料，采用电炉对其进行了熔炼，制备出TFe品位≥99.94%、S含量≤0.0068%、P含量≤0.0006%的纯铁，该产品其他杂质含量极低，是一种优质的洁净钢基料。

辽宁建平旗盛金属新材料公司建成10万t/a超级铁精矿生产线和6万t/a的低碳电炉熔炼生产洁净钢基料生产线（图10、图11）。生产的超级铁精矿TFe品位高达72.22%、SiO2含量为0.20%、酸不溶物含量为0.18%，纯铁产品TFe品位＞99.92%、P含量≤0.0006%、S含量≤0.0092%、C含量≤0.0020%，达到优质洁净钢基料的标准。

超级铁精矿与洁净钢基料短流程绿色制备工业化生产技术实现了我国铁矿石优质优用的目标，填补了国内外低品位磁铁矿至纯铁全流程绿色制备技术空白，解决了我国长期缺少高品位直接还原铁原料的难题，不仅为我国发展钢铁短流程工艺奠定了原料基础，还为我国洁净钢基料生产技术开辟了新途径。