韓宏亮 姜 曦

鋼渣磁選粉生產(chǎn)直接還原鐵的新方法

韓宏亮 姜 曦

通過鋼渣磁選粉特性基礎(chǔ)的研究，提出了用鋼渣磁選粉生產(chǎn)直接還原鐵的新方法，并進(jìn)行了理論解析和試驗驗證。采用還原焙燒-磁選的方法可以實現(xiàn)鋼渣磁選粉生產(chǎn)直接還原鐵，在還原溫度為1250℃、C/O為0.8、恒溫時間為20分鐘的條件下，可以得到T.Fe含量94.34%、M.Fe含量92.86%、P含量0.146%、鐵回收率為90.1%的直接還原鐵。此研究為鋼渣磁選粉合理高效利用提供理論支持和技術(shù)依據(jù)。

鋼渣磁選粉 直接還原 金屬鐵

1.引言

鋼渣的回收利用主要應(yīng)用在建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)和玻璃、印染等制造業(yè)，此類應(yīng)用方式附加值低，并不能真正發(fā)揮鋼渣作為二次資源的價值。將鋼渣在冶金工業(yè)中進(jìn)行資源化再利用，不僅可大大提高鋼渣的利用率，解決環(huán)境問題，同時可節(jié)約冶金原料資源。因此，鋼渣回收利用最便捷經(jīng)濟(jì)的途徑應(yīng)該是作為冶金原料在鋼鐵廠自行循環(huán)利用。

由于國內(nèi)的鐵礦石資源緊缺，大部分的鐵礦石都屬于低品位礦，而進(jìn)口鐵礦石的價格又持續(xù)走高。在這種背景下，含鐵資源的回收利用尤顯迫切和必要。鋼渣中含有約20%-30%的鐵，鐵資源相當(dāng)可觀。因此，綜合回收鋼渣中的鐵資源，對節(jié)約企業(yè)資源、降低環(huán)境污染、增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，有著重大的現(xiàn)實意義。

目前一般采用先破碎，再磁選分離的方法分離鋼渣中的渣鐵。然而，鋼渣中往往含有很高的磷，且均勻的分布在鋼渣中，鋼渣磁選粉仍然不可避免的存在較高的磷等有害元素，不利于鋼渣中鐵資源的回收利用。為了更好地回收鋼渣中的鐵資源，本研究提出了一種用鋼渣磁選粉生產(chǎn)直接還原鐵的新方法，即通過直接還原將鋼渣磁選粉中的鐵還原成金屬鐵，并保持磷不被還原，仍然存在于渣中，最終通過磁選實現(xiàn)渣鐵分離，從而得到直接還原鐵。

2.工藝流程

實驗流程見圖1所示。選取粒度為200目的鋼渣磁選粉和煤粉，按照一定的C/O原子比進(jìn)行混料，并配加適量水，將混勻料用預(yù)設(shè)壓力為20MPa的壓樣機壓制成φ22mm×10mm的球團(tuán)。成型的球團(tuán)經(jīng)105℃烘干12小時后，放入管式電阻爐中進(jìn)行焙燒。實驗選取1000℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃和1300℃等溫度分別進(jìn)行的焙燒實驗，并通過測定還原后球團(tuán)的金屬化率對鋼渣磁選粉中鐵的還原情況進(jìn)行探究。在此基礎(chǔ)上，將還原后的球團(tuán)細(xì)磨到200目以下進(jìn)行磁選，并測定磁選后金屬鐵的全鐵含量、磷含量、金屬鐵含量、鐵回收率等。

圖1 工藝流程圖

3.鋼渣磁選粉的特性

從化學(xué)成分可以看出，鋼渣磁選粉T.Fe含量相對較低，僅有40%，較低的T.Fe含量不利于其在燒結(jié)、球團(tuán)等煉鐵工序中直接使用；CaO、SiO2和MgO的含量較高，分別在30%、10%和6%的水平；鋼渣磁選粉中的有害元素P含量相對較高，達(dá)到0.898%，也不利于其在煉鐵工序中直接使用。從鋼渣磁選粉的組成來看，鐵主要以FeO的形式存在，磷主要以Ca3(PO4)2的形式存在，而其他礦物主要以Ca2SiO4的形式存在。鋼渣磁選粉的化學(xué)成分和礦物組成見表1、圖2。

4.可行性分析

為了驗證鋼渣磁選粉可以通過直接還原焙燒-磁選的方法生產(chǎn)直接還原鐵，本研究對其反應(yīng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析。

表1 鋼渣磁選粉的化學(xué)成分 %

圖2 鋼渣磁選粉的礦物組成

4.1 鐵礦物反應(yīng)的熱力學(xué)分析

鋼渣磁選粉中主要的鐵氧化物為FeO，在還原焙燒過程中，其還原可分為直接還原和間接還原。直接還原和間接還原的反應(yīng)如下。

伴隨著碳素溶損反應(yīng)：

但當(dāng)SiO2存在時，反應(yīng)的熱力學(xué)條件發(fā)生改變：

Fe2SiO4的生成使鐵礦物的還原變得困難，其反應(yīng)開始溫度從719℃提高到了764℃。因此，想要鐵礦物得到充分的還原，其還原溫度要盡可能的高些。

4.2 磷礦物反應(yīng)的熱力學(xué)分析

磷在鋼渣磁選粉中主要以磷酸鈣的形式存在，其與還原劑的反應(yīng)如下所示。

磷酸鈣還原的反應(yīng)溫度為1418℃，在還原焙燒的溫度條件下，磷酸鈣很難被還原。但當(dāng)SiO2存在時，反應(yīng)的熱力學(xué)條件將發(fā)生變化。

反應(yīng)（7）、（8）和（9）的反應(yīng)溫度分別為1161℃、1269℃和1287℃。即隨著SiO2含量的增加，磷酸鈣還原的反應(yīng)溫度從1418℃下降到1161℃。因此，為了避免磷酸鈣還原成磷進(jìn)入到金屬鐵中，需通過降低還原溫度、添加其它易與SiO2反應(yīng)的氧化物以解決。

總之，從熱力學(xué)分析來看，可以通過還原焙燒-磁選的方法實現(xiàn)鋼渣磁選粉生產(chǎn)直接還原鐵。

5.鋼渣磁選粉還原焙燒-磁選試驗研究

5.1 還原溫度的影響

在溫度為1000℃-1300℃、C/O為1.0、恒溫時間為30分鐘的條件下，對鋼渣磁選粉進(jìn)行了還原焙燒-磁選的實驗研究，實驗結(jié)果見表2。

隨著溫度的增加，還原后試樣的金屬化率增加，當(dāng)還原溫度超過1250℃時，還原后試樣的金屬化率很高，達(dá)到93%以上，能夠滿足生產(chǎn)直接還原鐵的條件。

從磁選后試樣的實驗結(jié)果可以看出，隨著還原溫度的升高，所得到直接還原鐵試樣中的T.Fe、M.Fe和鐵回收率增加，但試樣中的磷含量先降低后升高，且在1250℃時達(dá)到最低。這是因為隨著溫度的升高，有利于鋼渣磁選粉中鐵氧化物的還原；但當(dāng)溫度超過1250℃時，磷酸鈣的還原也開始加速，還原出來的磷進(jìn)入到直接還原鐵中，不利于磷的去除。

綜合考慮鐵回收率、直接還原鐵的金屬化率以及直接還原鐵中磷的含量，較適宜的還原溫度為1250℃。

5.2 配碳量的影響

在溫度為1250℃、恒溫時間為30分鐘的條件下，進(jìn)行了不同C/O的鋼渣磁選粉還原焙燒-磁選的實驗研究，實驗結(jié)果見表3。

表2 不同溫度下實驗結(jié)果 %

表3 不同配碳量下實驗結(jié)果 %

隨著配碳量的增加，還原后試樣的金屬化率增加，但當(dāng)C/O達(dá)到0.8及以上時，金屬化率的增加幅度較小，僅從92.6%增加到93.9%。

隨著配碳量的增加，磁選后所得到直接還原鐵試樣中的T.Fe、M.Fe和鐵回收率先增加后降低，且在C/O為0.8和1.0時相對較高；磁選后試樣中的磷含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，且在C/O為0.8時磷含量最低。

綜合考慮，比較適宜的C/O為0.8。

5.3 恒溫時間的影響

在溫度為1250℃、C/O為0.8的條件下，進(jìn)行了不同恒溫時間的鋼渣磁選粉還原焙燒-磁選的實驗研究，實驗結(jié)果見表4。

表4 不同恒溫時間下實驗結(jié)果 %

隨著配碳量的增加，還原后試樣的金屬化率增加，但當(dāng)恒溫時間超過20分鐘時，金屬化率的增加幅度很小，僅增加了0.2個百分點。

當(dāng)恒溫時間小于20分鐘時，磁選后所得到直接還原鐵試樣中的T.Fe、M.Fe和鐵回收率相對較低；而當(dāng)恒溫時間超過20分鐘時，試樣中的T.Fe、M.Fe和鐵回收率相對較高且相差很小，但磷含量在恒溫20分鐘時相對最低。

綜合考慮能耗和成本，以及直接還原鐵的質(zhì)量，較適宜的恒溫時間為20分鐘。

6.結(jié)論

（1）鋼渣磁選粉TFe含量相對較低，僅有40%，主要以FeO的形式存在；有害元素P含量相對較高，達(dá)到0.898%，主要以Ca3(PO4)2的形式存在。從組成來看，鋼渣磁選粉很難在煉鐵工序中直接使用。

（2）從熱力學(xué)分析來看，可以采用還原焙燒-磁選的方法，通過控制溫度、添加易于SiO2反應(yīng)的氧化物的方式實現(xiàn)鋼渣磁選粉生產(chǎn)直接還原鐵。

（3）在還原溫度為1250℃、C/O為0.8、恒溫時間為20分鐘的條件下，鋼渣磁選粉通過還原焙燒-磁選可以得到T.Fe含量94.34%、M.Fe含量92.86%、P含量0.146%、鐵回收率為90.1%的直接還原鐵。本研究為鋼渣磁選粉合理高效地利用提供理論支持和技術(shù)依據(jù)。

（作者單位：中國科學(xué)院過程工程研究所綠色過程與工程重點實驗室、中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會/鋼鐵研究總院先進(jìn)鋼鐵流程及材料國家重點實驗室）