强化褐铁矿型红土镍矿烧结技术研究_潘晶.pdf

年第 期总第 期铁 合 金：作者简介 潘晶 男，年 月出生，年毕业于北京科技大学冶金工程专业，工程师。主要从事烧结炼铁生产、技术管理工作。：。收稿日期 强化褐铁矿型红土镍矿烧结技术研究潘晶唐博曾垚王子宏阮志勇朱德庆潘建郭正启薛钰霄（广西柳钢中金不锈钢有限公司 广西玉林）（广西柳州钢铁集团有限公司技术中心 广西柳州）（中南大学资源加工与生物工程学院 湖南长沙）摘 要 针对传统褐铁矿型红土镍矿烧结工艺能耗高、强度差等缺点，提出了热风循环和加压自致密化多力场协同及配加铬铁矿新思路，以显著改善褐铁矿型红土镍矿烧结性能。经烧结杯试验，在混合料水分，无烟煤用量，焦粉用量，返矿配比条件下，红土镍矿基本烧结性能最佳，烧结矿转鼓强度、烧成率、利用系数及固体燃耗分别为、和 。经铬铁矿和卡粉配比优化及多力场协同强化，烧结性能明显改善，尤其在卡粉配比为 时，相对于基准试验，烧结矿转鼓强度和利用系数分别提高 和，固体燃耗降低。烧结矿固结机理分析表明，多力场协同强化工艺可促进复合铁酸钙（）的大量生成和铁尖晶石晶粒的明显长大，烧结矿微观结构更为紧密，从而使烧结矿产质量指标显著提高。关键词 红土镍矿 铬铁矿 多力场 协同强化中图分类号 文献标识码 文章编号（），（，）（，）（，），前言火法冶炼工艺是红土镍矿处理的主要方法之一。目前，火法冶炼工艺主要包括：烧结高炉法、回转窑电炉法（）和直接还原磁选法。前两种工艺主要通过抑制铁的还原，促进镍的还原与回收率的提升，适合处理镍品位较高、铁品位较低的硅镁型红土镍矿。烧结高炉法是我国自主开发的冶炼红土镍矿生产镍铁新技术，主要工序包括干燥破碎、配料、烧结、熔炼和出铁浇铸。目前，国内高炉法冶炼镍铁一般采用铁品位 左右、镍品位 左右的褐铁矿型红土镍矿，生产镍品位 的镍铁水。烧结高炉法是我国生产 系不锈钢主要流程。年中国不锈钢粗钢产量为 万，其中 系不锈钢产量为 万，占比高达。因此，如何改善烧结高炉法，对我国不锈钢行业高质量发展具有重要意义。然而，褐铁矿型红土镍矿因吸附水和结晶水含量高、铁品位低、高熔点矿物多、烧失量大等特点，其烧结过程中烧结和冷却速度快，料层收缩大，透气性不均匀，传热效率低，成矿条件差，造成其烧结矿强度差、产量低、固体燃耗高。此外，兼顾入炉品位要求，烧结过程无法采用高碱度生产工艺，进一步恶化其烧结性能，最终导致烧结矿成本偏高，严重影响不锈钢母液的生产成本。目前生产过程主要是通过配加磁铁精矿，利用烧结过程氧化放热实现节能降耗，但是降低铁水镍品位，而且近些年，铁精矿供不应求，价格高，导致生产成本进一步增加。因此，急需开发强化措施，提高红土镍矿烧结矿强度，降低烧结能耗，改善烧结产质量，这对烧结高炉法红土镍矿生产具有重大意义。笔者基于褐铁矿型红土镍矿烧结工艺，结合低品位的褐铁矿型红土镍矿特点，提出了热风循环和加压自致密化多力场协同及优化配矿（配加铬铁矿和卡粉）等技术，并通过工艺矿物学分析，揭示各强化烧结工艺机理。原料性能及研究方法 原料性能烧结试验所用主要原料化学成分如表 所示。表 主要原料化学成分 化学成分菲律宾红土镍矿印尼红土镍矿铬铁矿卡粉酸泥氧化铁皮重力灰除尘灰废弃镁钙砖生石灰白云石无烟煤焦粉 由表 可知，试验采用两种红土镍矿，分别来自菲律宾和印尼，含量为，铁含量为左右，烧损分别为 和，均为高铁低镍和高烧损的褐铁矿型红土镍矿。铬铁矿铁品位为，品位为（为），铬铁比（）（），、及 含量分别达到、和，、杂质含量少。卡粉铁品位较高，达到，、及铁 合 金 年 含量均较低。酸泥、氧化铁皮、重力灰、除尘灰及废弃镁钙砖作为二次资源，其在烧结中的应用可充分实现对铁、镍、铬金属元素的有效回收。烧结试验所用熔剂包括生石灰和白云石。生石灰 含量达到，用以改善烧结混合料制粒性能及调节烧结矿碱度；白云石 和 含量分别为和，主要用以调节烧结矿 含量。固体燃料主要包括无烟煤和焦粉，其固定碳含量分别达到 和，、有害元素含量低，可很好地满足烧结过程的热量需求。烧结试验主要原料粒度组成见表，铬铁矿粒度组成见表。表 主要原料粒度组成 原料粒度组成（）菲律宾红土镍矿印尼红土镍矿卡粉酸泥氧化铁皮重力灰除尘灰废弃镁钙砖生石灰白云石无烟煤焦粉表 铬铁矿粒度组成 粒度组成 比例 与菲律宾红土镍矿相比，印尼矿粒度较粗，部分高达，部分仅，这不利于烧结混合制粒及烧结过程的进行。铬铁矿粒度很细，目部分达到，目部分占，是一种典型的铬铁矿精粉。卡粉粒度相对比较均匀，是一种优质的烧结原料。二次资源中，酸泥、除尘灰及废弃镁钙砖 部分分别达到、及，粒度较粗；氧化铁皮和重力灰 部分均在 以上，粒度偏细。熔剂（白云石和生石灰）部分均在 以上，很好地满足烧结工艺对其粒度的需求。固体燃料中，焦粉 部分达到，无烟煤粒度稍粗，含量为。研究方法红土镍矿基准烧结的工艺参数依照现场烧结情况而定，即：碱度、含量为，返矿外配，红土镍矿配比为 的菲律宾矿和 的印尼矿，固体燃料配比为 的无烟煤和 焦粉；白云石、酸泥、氧化铁皮、重力灰、除尘灰及废弃镁钙砖配比分别为、和，其余为红土镍矿。红土镍矿基准烧结杯试验中，首先按配料方案进行配料，然后混合，一次混合为人工混合，二次混合在 圆筒混合机中进行，转速为 ，充填率为，制粒时间 ，而后取样检测混合料透气性、粒度组成、堆密度和落下强度。烧结杯试验在 烧结杯中进行，料层高度为，点火时间为，点火温度为 ，点火负压为 ，烧结负压为。到达烧结终点时，抽风负压调低至 ，烧结矿冷却至 后卸料。烧结饼经单齿辊破碎机破碎后，以 高度连续落下三次，经筛分分级，部分为成品矿，部分为返矿。测定及计算烧结相关评价指标，包括成品率、利用系数、转鼓强度、固体燃耗及返矿平衡指数等。加压与热风循环协同强化烧结工艺示意图如图 所示。在热风循环烧结工艺中，通过加热冷空气来模拟烧结冷却机排出的热废气。烧结点火后通过放置在烧结杯顶部的热风罩，将模拟的热废气直接输 第 期潘晶等 强化褐铁矿型红土镍矿烧结技术研究 控制柜；烟气分析仪；热电偶；加压重物；烧结料层；炉篦条；真空室；热风罩；加压装置；烧结杯；铺底料层；冷凝管；鼓风机；烟囱；加热器图 加压与热风循环协同强化烧结工艺示意图 送回烧结料层，强化褐铁型红土镍矿的烧结。通过对热废气温度（）和通入时间（）的优化，确定了最佳烧结指标。在加压致密化烧结工艺中，烧结点火后，通过调节压力装置中重物的重量，为烧结料层提供了一个持续可变的外加压力场。加压装置底部由炉篦条构成，以保证外加压力场作用时烧结料层透气性良好；上部为钢制托盘，用于装填加压重物，通过调节加压重物质量，在 范围内优化外加压力；上下部由高度 钢棒焊接固定。在外加压力场和热力场适宜参数条件下，进行加压与热风循环协同强化烧结试验，以进一步改善烧结性能。新烧结工艺除增设外加压力场和热力场外，其余操作过程与基准烧结工艺一致。成品烧结矿还原度（）和静态法低温还原粉化指数（）分别参照 和 进行。成品烧结矿的工艺矿物学检测主要包括物相鉴定和微观结构分析。前者主要借助于德国 全自动 射线衍射仪，开始角度，结束角度，步长为，步进扫描，计数时间 ，管压 ，管流 。射线衍射分析（）结果通过 软件进行物相分析。微观结构主要借助德国 光学显微镜和荷兰 环境扫描电子显微镜（）进行检测分析。通过对成品烧结矿工艺矿物的研究揭示热风循环和加压自致密化多力场协同及优化配矿（配加铬铁矿和卡粉）强化红土镍矿烧结机制。结果与讨论 红土镍矿基准烧结性能烧结工艺参数（固体燃料比例、水分和返矿比例）对红土镍矿常规烧结性能的影响如表 所示。表 烧结工艺参数对红土镍矿常规烧结性能的影响 水分 无烟煤用量 焦粉用量 返矿比例 转鼓强度 烧成率 成品率 利用系数 （）固体燃耗（）返矿平衡系数 在无烟煤用量 条件下，当混合料水分由升至 时，烧结矿转鼓强度由 降至；当混合料水分继续升至 时，烧结矿转鼓强度增至。同时，当混合料水分由 升 至 时，烧 结 矿 利 用 系 数 由 （）增至 （），固体燃耗由 降至 ；当混合料水分继续升至 时，烧结矿利用系数降至 （），铁 合 金 年 固体燃耗略有增加，达到 。虽然经过优化固体燃料和水分，但是烧结的固体燃耗仍然高。因此，进一步优化了返矿比例。在返矿用量 的情况，烧结固体能耗大幅度下降，此时，烧结矿转鼓强度、烧成率、利用系数及固体燃耗分 别 达 到 、（）和 。烧结矿强化措施 优化配矿技术在返矿配比，红土镍矿水分 的条件下，铬铁矿配比对烧结性能的影响见图。图 铬铁矿配比对全褐铁矿型红土镍矿烧结的影响（返矿配比）（）随铬铁矿配比由 增至，烧结矿转鼓强度由 增至，利用系数整体变化不大，在 （）之间，固体燃耗由 增至 。而当铬铁矿配比进一步增至，烧结矿转鼓强度和利用系数分别降至 和 （），固 体 燃 耗 则 进 一 步 增 至 。整体上，当铬铁矿配比为 时，烧结指标较优，烧结矿转鼓强度、利用系数和固体燃耗分别为、（）和 。在返矿配比，红土镍矿自身水分 的条件下，卡粉配比对烧结性能的影响见图。图 卡粉配比对全褐铁矿型红土镍矿烧结的影响 随卡粉配比由增至，烧结指标逐步改善，烧结矿转鼓强度和利用系数分别由基准的和 （）增至 和 （），固体燃耗由 降至 。虽然随着卡粉的逐步配入，褐铁矿型红土镍矿烧结性能明显改善，但降低铁水中的镍含量。综合两者来看，选取卡粉配比 时进行加压烧结和热风循环烧结协同强化，在保证较高镍含量条件下，进一步强化烧结矿指标。多力场协同强化技术分别在基准试验、铬铁矿配比 及卡粉配比进行加压烧结和热风循环烧结协同强化（外加压力 、热风参数 ），以进一步改善烧结性能，其结果见图。图 中，基准常规烧 第 期潘晶等 强化褐铁矿型红土镍矿烧结技术研究 图 不同工艺烧结试验结果对比 结，多力场强化基准烧结，多力场强化配加铬铁矿烧结，多力场强化配加 卡粉烧结（以下图表同）。与基准试验相比，在基准试验条件下进行协同强化后，烧结转鼓强度和利用系数及固体燃耗得到明显改善，但在配加 铬铁矿条件下进行协同强化烧结，烧结矿利用系数和固体燃耗仍有进一步改善的空间。成品烧结矿化学成分和冶金性能分析各方案成品烧结矿化学成分见表。表 各方案烧结矿化学成分 方案 基准试验中，褐铁矿型红土镍矿烧结矿全铁含量较低，为，含量高，达到，同时还含有 的 和 的，这也就造成了其烧结性能远差于普通铁矿。相对于基准试验，采用多力场协同强化烧结技术后，烧结矿 含量有所降低，由 降至，这有利于复合铁酸钙（）的形成和烧结矿还原度（）的提高。在配入 铬铁矿条件下，进行多力场协同强化烧结后，烧结矿全铁含量有所降低，为，和 含量则分别增至 和。在配入 卡粉条件下，进行多力场协同强化烧结后，烧结矿全铁含量略有增加，含量则进一步降至。各方案烧结矿冶金性能结果见表。表 各方案烧结矿冶金性能 方案 基准试验烧结矿还原度（）为，其他各方案烧结矿还原度（）均有不同程度改善。各方案烧结矿低温还原粉化指标优异，和 均在 和 以上，均在 以下。这主要因为各方案烧结矿 含量较高，均在 以上，使得烧结矿在低温还原过程中还原内应力产生少，裂纹少，进而保证了很高的低温还原强度。整体看，各方案烧结矿冶金性能可很好地满足高炉生产需求。强化烧结机理研究成品烧结矿的工艺矿物学如图 和图 所示。图 中，铁尖晶石，共晶尖晶石型橄榄石，复合铁酸钙，铬尖晶石，孔洞，树脂。结合图、图 结果可知，基准试验中，成品烧结矿主要固相为铁尖晶石，其呈粒状、团块状及板片状，分别以（，）、（，）、（，）（，）形式存在，是由 和 部分取代 和 而形成。除铁尖晶石外，烧结矿中还存在少量粒状的镍铁尖晶石（）和块状的铬尖晶石（，）（，）。这三种固相矿物晶粒分布分散、尺寸小、连接程度差，不能被共晶尖晶石型橄榄石和复合铁酸钙（）等液相黏结相有效地润湿。共晶尖晶石型橄榄石相分为三种类型，分别为（，）、铁 合 金 年 图 光学显微镜下烧结矿微观结构 图 扫描电子显微镜下烧结矿微观结构 及（，），其是由钙铁橄榄石（）、钙镁橄榄石（）及铁橄榄石（）与铁尖晶石以不同比例发生共晶反应形成的。三种共晶尖晶石型橄榄石相的 和 含量较高，属于高熔点矿