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国内外烧结生产应用褐铁矿的现状及承钢的实验室试验研究
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摘要：本文简述了国内外配加褐铁矿生产烧结矿的生产现状，以及国内外关于褐铁矿烧结机理的研究探讨，阐述了承钢配加某进口褐铁矿烧结的实验室初步试验研究，指出了褐铁矿用于烧结生产的广…
摘要：本文简述了国内外配加褐铁矿生产烧结矿的生产现状，以及国内外关于褐铁矿烧结机理的研究探讨，阐述了承钢配加某进口褐铁矿烧结的实验室初步试验研究，指出了褐铁矿用于烧结生产的广阔前景。
关键词：褐铁矿 烧结 试验
1 引言
面对21世纪国际国内钢铁市场的激烈竞争，钢铁企业要想提高竞争力进一步发展，单靠提高烧结矿品位难度较大。由于在烧结生产过程中，原料成本占烧结矿总成本的80％，冶金工作者们开始研究多配加褐铁矿和廉价铁矿石的烧结技术和生产工艺，从源头抓起，大幅度降低烧结矿成本，来达到进一步降低生铁成本的目的。
另外，世界铁矿的主要供应地巴西南部矿区铁英岩矿物在增加，澳大利亚低磷的布鲁克曼矿在减少，高磷化、针铁矿化不可避免，豆状褐铁矿开采量在迅速增加，研究增加使用豆状褐铁矿势在必行。
开发利用低成本的烧结原料也是钢铁工业目前解决资源危机的一条有效出路。目前褐铁矿生产主要有澳大利亚BHP扬迪矿、HI扬迪矿和罗布河矿。西澳的库里雅诺宾和印度西海岸果阿地区的许多矿也属于褐铁矿类矿石。我国广东的大宝山矿和乌石矿也是褐铁矿。
高品位褐铁矿有马萨杰粗粉等。
2 褐铁矿石简介
褐铁矿是含结晶水的三氧化二铁，无磁性，它可由其它铁矿石风化形成，化学式常用mFe2O3·nH2O来表示。按结晶水含量多少，褐铁矿的理论含铁量可从55.2％增加到66.1％。其中大部分含铁矿物以2Fe2O3·3H2O形式存在。这种矿的脉石常为矿质粘土，国内有些矿石中SiO2、Al203及S、P、As等有害杂质含量较高。褐铁矿一般粒度较粗，疏松多孔、还原性好，融化温度低，易同化，堆比重小。
褐铁矿用于烧结一般影响成品率和台时产量，粉焦单耗上升，高配比时使TI、RDI变差。因而限制了褐铁矿在钢铁企业烧结生产上的推广应用。
3 国内外配加褐铁矿生产烧结矿的研究和生产现状
目前，高配比褐铁矿的研究生产主要在澳洲、日本、法国、韩国和中国等国家。现已研究开发的豆状褐铁矿烧结工艺，已经搞清楚了在生产中大量使用豆状褐铁矿技术的基本原理。研究表明，虽然高配比褐铁矿生产高品位烧结矿的成矿机理与普通烧结矿不同，但这项新技术仍然可以获得良好的生产和经济效益。
日本新日铁还开发应用了SHS工艺即豆状褐铁矿自身致密化和高熔点液相烧结工艺。目前，褐铁矿已经在澳大利业BHP钢铁公司、日本新日铁、日本住友金属小仓钢铁厂、韩国浦项钢铁公司光阳厂等企业使用。日本各大钢厂和韩国浦项的褐铁矿配比普遍在30％以上，高的达40％～45％，甚至50％。
我国中南工业大学曾对褐铁矿烧结进行过详细研究，他们认为，适当调节褐铁矿烧结的工艺制度，也可以用褐铁矿生产出以针状铁酸钙为主的优质烧结矿。
我国目前在烧结中应用褐铁矿的企业有宝钢、韶关钢铁厂、湘潭钢铁公司、济南钢铁公司、山东张店钢铁总厂、江阴兴澄特钢公司炼铁分厂等，其中以宝钢为代表。宝钢从九十年代初开始研究褐铁矿，通过多年的工业试验，大幅度地提高了罗布河矿和扬迪矿的配比，达35％左右，生产数据显示，烧结生产正常、烧结矿质量可以满足高炉的要求，而且在烧结配矿上取得了良好的经济效益。
宝钢目前已经基本弄清了几种主要褐铁矿的特性，逐步掌握了一些工业生产上的技术对策，如水、炭的调节，机速、料层的调整，矿石品种、粒度的搭配，粉焦、熔剂粒度的改变，烧结热量的补充等等，在技术上为增加褐铁矿使用比例创造了条件。
4 配加褐铁矿生产烧结矿的烧结机理研究进展
对于高配比褐铁矿烧结的机理探讨，澳洲和日本的研究可以作为代表。扬迪矿是唯一的低铝褐铁矿，出产的铁矿石最大粒径约为9.5mm，超细粉末含量低。澳洲的研究者用水银孔率计测定了扬迪矿的孔隙度，证明扬迪矿中含有大量极细孔，孔径约0.01毫米。水极易从表面进入气孔，不利于矿粒间的粘结。混合料中赤铁矿被扬迪矿取代时，若总水分保持不变，将会使成球性变差。扬迪矿含有约9.5％的结晶水，大多数扬迪矿中的结晶水在200～500℃之间就除去了。结晶水脱离时伴随着大量的微结构变化，很明显可看到煅烧后形成了很大的裂缝。煅烧后有高气孔率的矿粒极易被同化，熔融液极易进入煅烧后的扬迪矿颗粒，与赤铁矿相比同化速度快。
日本钢铁公司炼铁工艺及炼铁技术研究所的肥田行博等人认为，褐铁矿矿石中的针铁矿由于结合水分解而产生许多大裂缝。在1200℃左右，以铁酸钙体系为主的液相开始形成，很快通过裂缝，包括原有的大孔和水分解产生的细孔，渗入豆状褐铁矿颗粒中，高速同化这些矿粒。此外，由于在豆状褐铁矿脉石矿物中含有较多粘土矿物，这使液相粘度增加并在其中包裹着大量气体。结果由于许多大孔的形成，使得起着粘结矿粒作用的同化部分脆化。这是烧结矿强度和成品率降低的主要原因。如此快速的同化，封闭了烧结料层液相带的空隙，降低了料层透气性，这使利用系数的降低较之成品率更严重。料层孔隙的封闭，加剧了烧结料层中焦粉燃烧形成的横向不均匀性，这也造成了成品率下降。
肥田行博等人认为，豆状褐铁矿在加热到1300℃或更高时，由于矿内针铁矿的再结晶而致密化，这是此矿的特性。如果豆状褐铁矿在与液相接触之前得到致密，则上述的脆化结构就可避免形成，从而获得高强度烧结矿，保持并提高烧结生产率。新日铁的SHS工艺是褐铁矿和细粒蛇纹石及少量的细粒级焦粉在圆盘制粒机中制粒，由于包裹粗粒褐铁矿的粘附粉熔点较高，使液相形成在豆状褐铁矿颗粒自密化之后，这就是所谓豆状褐铁矿自身致密化和高熔点液相烧结工艺，简称SHS。
北京钢铁研究总院潘宝巨等人采用迁安精矿粉配加罗布河矿粉，进行了烧结试验研究。研究结果表明，迁安铁精粉配加罗布河矿粉后(配比低于20％)，利用系数、还原度、转鼓强度和固体燃耗等指标水平都有所提高，RDI指标水平降低。
5 承钢配加褐铁矿烧结的实验室试验
承钢技术中心工艺实验室于2004年5月使用某进口褐铁矿，做了一些初步的烧结杯试验。褐铁矿的化学成分和粒度组成如下：
表1 褐铁矿的化学成分(％)
|
矿物名称
|
TFe
|
FeO
|
SiO2
|
CaO
|
MgO
|
Al2O3
|
S
|
P
|
TiO2
|
|
褐铁矿
|
62.68
|
0.72
|
3.28
|
0.29
|
0.19
|
1.46
|
0.027
|
0.014
|
0.26
|
表2 褐铁矿的粒度组成(％)
|
筛分粒级,㎜
|
12
|
12-10
|
10-8
|
8-5
|
5-3
|
3-1
|
|
百分比,%
|
3.4
|
2.5
|
11.1
|
13.1
|
15.4
|
11.3
|
|
1-0.5
|
0.5-0.18
|
0.18-0.125
|
0.125-0.085
|
0.085-0.075
|
-0.075
|
平均粒度
|
|
10.0
|
15.9
|
5.6
|
4.4
|
2.3
|
5.0
|
3.56㎜
|
试验的主工艺条件：料层厚度为350mm，烧结负压力9000Pa，碱度1.8～2.2，点火时间1.5min。
表3 普通精粉配加褐铁矿的配料方案
|
编号
|
普精粉
|
褐铁矿
|
机烧返矿
|
球面
|
合计
|
|
4050903
|
70.0
|
0.0
|
26.4
|
3.6
|
100
|
|
4050905
|
58.3
|
11.9
|
26.2
|
3.6
|
100
|
|
1051007
|
16.4
|
23.8
|
26.2
|
3.6
|
100
|
表4 普通精粉配加褐铁矿的试验结果
|
编号
|
成品率%
|
利用系数t/㎡·h
|
转鼓指数%
|
燃料消耗kg/t
|
|
4050903
|
79.00
|
1.45
|
60.67
|
51.44
|
|
4050905
|
78.82
|
1.56
|
64.00
|
52.06
|
|
4051007
|
80.22
|
1.51
|
61.33
|
50.63
|
初步试验表明，普通精粉配加11.9％和23.8％的褐铁矿时，成品率、利用系数、转鼓强度都有所提高，但配加11.9％时最好。
表5 普通精粉配加褐铁矿的烧结矿化学成分(％)
|
编号
|
TFe
|
FeO
|
CaO
|
SiO2
|
CaO/SiO2
|
|
4050903
|
55.14
|
9.63
|
9.24
|
5.24
|
1.76
|
|
4050905
|
55.00
|
9.19
|
9.59
|
5.34
|
1.80
|
|
4051007
|
55.42
|
8.62
|
9.38
|
5.20
|
1.80
|
表6 钒精粉配加褐铁矿的配料方案
|
编号
|
钒精粉
|
褐铁矿
|
机烧返矿
|
球面
|
合计
|
|
1050901
|
71.4
|
0.0
|
25.2
|
3.4
|
100
|
|
1050906
|
59.7
|
11.5
|
25.3
|
3.5
|
100
|
表7 钒精粉配加褐铁矿的试验结果
|
编号
|
成品率%
|
利用系数t/·h
|
转鼓指数%
|
燃料消耗kg/t
|
|
4050904
|
72.12
|
1.85
|
43.33
|
55.94
|
|
4050906
|
71.98
|
1.56
|
53.33
|
55.06
|
初步试验表明，钒精粉配加11.5％褐铁矿时，虽然转鼓强度有所提高，由于垂直烧结速度降低，利用系数降低较大。
表8 钒精粉配加褐铁矿的烧结矿化学成分(％)
|
编号
|
HFe
|
FeO
|
CaO
|
SiO2
|
CaO/SiO2
|
|
4050904
|
53.89
|
11.78
|
7.56
|
3.84
|
1.97
|
|
1050906
|
53.19
|
10.06
|
8.84
|
4.03
|
2.19 *
|
注*：配加褐铁矿碱度增加是因为方案中多配加了镁灰的原因。
6 褐铁矿用于烧结生产的展望
综上所述，承钢普通精粉配加褐铁矿用于烧结的经济效益将很显著，应该加大研究力度，立项研究。参考济钢2003年高配比褐铁矿生产高品位烧结矿的研究，济钢生铁年产量278万吨，由于原料费用大幅度降低，济钢曾预计年综合经济效益1254万元。
宝钢等企业使用褐铁矿积累了许多成功经验，我们可以多加借鉴。例如，宝钢认为，高配比褐铁矿时要适当增加料场料堆洒水。采取提高粉焦粒度、增加混合料添加水改善造球等措施，改善料层透气性，使“传热速度与燃烧速度”同步，从而改善了褐铁矿烧结时烧结机下层的生料现象。褐铁矿烧结仍然需要有足够的铁酸钙粘结相，因而烧结矿碱度需维持在1.8以上。由于褐铁矿结晶水的缘故，需采用高供热强度点火。另外宝钢生产中发现，随着褐铁矿配比增加，固体燃料没有增加，认为褐铁矿好的同化性、易熔性可以抵消大部分结晶水的影响。
总之，面对激烈的市场竞争，我们应当积极尝试采取增加廉价铁矿用量的方法，以便降低烧结矿的生产成本。
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