复杂难选铁矿石渣铁分离还原冶选联合工艺技术的应用.doc

复杂难选铁矿石渣铁分离还原冶选联合工艺技术的应用周 伟1 陶立群2 唐竹胜2（1 鞍钢集团矿业公司；2沈阳博联特熔融还原科技有限公司）摘 要：针对我国复杂难选铁矿资源开发利用现状，阐述了复杂难选铁矿石渣铁分离还原冶选联合工艺技术研究现状及技术进展，详细介绍了40万t/a废弃硫酸渣回收利用工程、50万t/a高磷鲕状赤铁矿渣铁分离还原冶选联合工艺技术中试基地工程。关键词：复杂难选铁矿石 渣铁分离还原 冶选联合工艺 工业应用我国铁矿资源的主要特点是贫、细、杂，复杂难选铁矿资源占中国铁矿资源的93%以上，由于国内优质铁矿资源匮乏、复杂难选铁矿石利用率低、铁矿石生产企业产能不足，致使国内铁矿石供需矛盾日趋紧张，已成为制约我国经济可持续发展的资源瓶颈。因此，合理有效地开发国内铁矿资源，特别是受当前常规选矿技术限制而未能有效利用的复杂难选铁矿资源，成为国内矿业和冶金行业面临的关注重点。近年来，国内对复杂难选铁矿石的高效开发利用开展了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果，但能实现工业应用的成果并不多。在复杂难选铁矿资源合理开发利用过程中，由于选冶综合利用工艺技术不完善，装备水平相对落后，导致铁精矿品位、金属化率、回收率较低，难以满足低成本冶炼的要求。为此，针对某些复杂难选铁矿石，我国相关科研工作者将矿物加工、冶金和冶金物理化学等多学科有机结合，突破“选矿球团(烧结)高炉冶炼”的传统理念，提出“渣铁分离还原冶选联合工艺技术”处理复杂难选铁矿石，取得了一定的成绩，并实现工业应用。l 复杂难选铁矿石渣铁分离还原冶选联合工艺技术简介复杂难选铁矿石渣铁分离还原技术是指将不能直接作为高炉原料的复杂难选铁矿石在比磁化焙烧更高的温度和更强的还原气氛(有的需要借助反应助剂或其他外加剂的作用)，将复杂难选铁矿石中的三价铁或二价铁还原成单质铁，并使单质铁生长到一定粒度的金属铁颗粒(金属铁)，以便于后续选冶处理12。“直接还原”特指在高炉软熔带以下的固体碳与熔体中三价铁或二价铁直接发生还原反应生成金属铁的过程。“熔融还原”是指不用高炉而在高温熔融状态下还原铁矿石，获得与高炉铁水相似的液态铁水的过程。直接还原和熔融还原对原料要求较高，通常为高品位块矿、铁精矿或氧化球团。渣铁分离还原是介于“直接还原”和“熔融还原”之间的一种状态，该工艺包含复杂难选铁矿石中的铁氧化物还原和金属铁颗粒长大两个过程，其产品为金属铁颗粒，不同于直接还原产品(DRI)和熔融还原产品(液态铁水)。渣铁分离还原的原料是复杂难选铁矿石，原料成分复杂，还原过程不仅包含铁氧化物的还原相变，还存在其他矿物的还原及矿物之间更复杂的反应，将复杂、很细的难选铁矿物在较低的还原温度下，将其还原成金属铁的同时，使金属铁颗粒长大，通过磨选，实现金属铁与脉石分离，从而获得品位90%以上、金属化率93%以上、回收率93%以上的金属铁产品。因此，渣铁分离还原与非高炉炼铁中的“直接还原”和“熔融还原”有本质的区别，为避免与已有概念发生混淆，将其称为“渣铁分离还原”更为合适。因此，复杂难选铁矿石渣铁分离还原冶选联合工艺技术是指将复杂难选铁矿石渣铁分离还原后得到的金属铁颗粒和硅酸盐混合物，经磨选或筛分后，再经非高炉高温熔融冶炼，获得液态半钢铁水产品的过程。2 复杂难选铁矿石渣铁分离还原冶选联合工艺技术进展近年来，相关科研单位采用渣铁分离还原冶选联合工艺技术处理复杂难选铁矿石，取得了一定的成绩。如：湖南高磷鲕状赤铁矿石3、吉林临江羚羊铁矿石4、白云鄂博氧化矿石5、钒钛磁铁矿6等复杂难选铁矿石经深度还原(10001300)磁选后，产品铁品位和铁回收率与磁化焙烧(800950)相比，有大幅度的提升，产品铁品位80%，铁回收率90%，金属化率90%95%，但技经指标仍然不理想。根据已有研究结果，采用渣铁分离还原冶选联合工艺技术处理复杂难选铁矿石可以取得良好的指标，但试验研究转化为工业应用还涉及以下问题：在工艺中如何控制矿石中有害元素和有益元素的走向；如何控制金属铁颗粒生长尺寸，抑制金属铁颗粒中含铁硅酸盐的夹杂；如何控制反应进程、提高反应效率、降低反应能耗、减少渣量和其他废气、废水等污染物的排放；如何提高产品的铁品位和质量，以抵消渣铁分离过程中还原剂和能耗的成本；适宜的渣铁分离还原装备等。针对上述问题，沈阳博联特熔融还原科技有限公司，依托东北大学在冶金领域学科优势，经多年潜心研究，该公司已拥有自主产权的多项发明、专利和整套冶金生产工艺技术，具备生产直接还原铁和熔融还原炼铁项目的整体设计、施工和工程总包的能力。特别是在复杂难选铁矿石渣铁分离还原冶选联合工艺技术方面，独树一帜。采用博联特公司的渣铁分离还原工艺技术和装备，可以处理鲕状赤铁矿、羚羊石铁矿、菱铁矿、赤铁矿、褐铁矿等难选铁矿；钒钛磁铁矿、硼铁矿、红土镍矿、铬铁矿、锰铁矿等复合矿；硫酸渣、氧化铝赤泥、铜渣、铅锌渣、除尘污泥等含铁废料及高硫、高磷、高砷等特殊矿种；在10801280的还原温度下，复杂难选铁矿石经还原磁选后，获得TFe90%、金属化率9398%、铁回收率9398%的三个90%指标金属铁产品。自主创新和研发的复杂难选铁矿石渣铁分离还原冶选联合工艺技术处于行业领先地位，设计独自的系列非标专用设备，其核心环节均有自主知识产权，目前尚无竞争者，市场规模和发展潜力巨大。3 应用实例3.1 40万t/a废弃硫酸渣回收利用工程 工程概况内蒙古齐华矿业公司拥有自备硫铁矿矿山，年产22万t硫酸及40万t硫酸渣。硫酸渣又称为黄铁矿烧渣，是化工厂利用黄铁矿生产硫酸时排出的“废渣”。目前，我国对100%的硫酸渣还没找到很好的处理方法，一般采用填埋处理或做水泥工业添加剂，从而出现了晴日红尘飞，雨天红水流的严重污染现象。近年来，随着铁矿石价格的不断攀升，从硫酸渣中回收铁精矿已成为研究热点。针对不同性质的硫酸渣，进行了磁选、重选、浮选等不同工艺的研究，取得了一定的研究成果，但其共同的不足是精矿品位、回收率均偏低，硫含量偏高或对硫酸渣的硫含量有限制，没有进行工业应用。本工程采用焙烧还原+电煤熔分技术，生产熔融还原铁。熔融还原铁可代替生铁作炼钢原料，更是生产优质钢，纯净钢不可缺少的原料。随着电炉连铸连轧短流程钢厂的发展和电炉钢品种中优质钢、纯净钢的比例增加，熔融还原铁成为具备资源条件的地区发展钢铁工业首选项目，也是列为我国钢铁工业发展方向之一的首选项目。该工程采用沈阳博联特熔融还原科技有限公司提供的“硫酸渣生产熔融还原铁工艺技术”和各项专利技术、直接还原铁和熔融还原铁专有设备，采用三次脱硫、二次还原、一次熔分、余热综合利用的整套工艺技术路线，对硫酸渣实施综合利用，最大程度的做到节能减排、低耗高效、循环经济，为企业延伸产业链，提高经济效益，并为我国硫酸渣合理利用探索出新的途径。设计采用预处理烘干链箅机回转窑稳定仓BLT电煤熔分炉生产熔融还原铁工艺流程；采用首席工程师远程控制系统及PLC现场控制系统，实现全部设备自动化无值守控制，使生产在最佳状态下运行，并提高劳动生产率。工艺流程见图1。图1 链箅机回转窑BLT电煤熔分炉生产熔融还原铁工艺流程框图 原料条件齐华矿业公司硫酸厂生产硫酸后的废弃硫酸渣经水淬预还原等工艺处理后，其理化指标见表1。表1 硫酸渣理化指标表分类项目指标物理性质-160目粒度含量 /%90含水 /%12熔点 /1200化学成分/%TFe55.0KO2+Na2O0.1As0.3P0.15S1.0设计采用沈阳博联特熔融还原科技有限公司的专利产品BLT-粘结剂，该粘结剂无污染、无有毒等有害成分，主要物理性能见表2。表2BLT-粘结剂物理性能表胶质价/ml15g-1膨胀容/mlg-1含水量/%-200目粒度含量/%/90/1010/95熔融还原铁生产用燃料：喷吹采用高热值烟煤；还原剂用无烟煤。 工艺流程简述预处理：硫酸渣在沸腾炉出口温度约900，采用出料滚筒排料并水淬，同时向出料滚筒喷吹BLT专有助剂，充分利用沸腾炉的余热，对硫酸渣进行预处理。水淬脱硫：经预处理的硫酸渣通过气力输送到接收仓进行水淬处理，破坏其分子晶格，使硫酸渣转化为具有与普通铁矿粉相同的理化性质；经水淬后浓度38%40%的硫酸渣浆溢流到搅拌槽内与添加的脱硫药剂混匀，搅拌槽底流通过渣浆泵进入分配池，经溜槽进入真空过滤机脱水后，烘干；溢流水进入中和池，与中和药剂作用后，保证溢流水PH值78，循环使用，做到废水零排放。配料混合与造球：烘干后的硫酸渣经胶带运输机送至配料室硫酸渣仓内，经螺旋给料机与粘结剂配料后，给入强力混合机，配料经强力混合机搅拌混合后，混合料经胶带运输机送至圆盘造球机造出生球。生球干燥与预热：生球经摆动皮带大球筛宽皮带小球筛溜料板，均匀布放到链箅机箅床上，在链箅机内完成生球干燥与预热。焙烧还原：经链箅机预热、烧结后的生球给入回转窑，并随回转窑沿周边翻滚同时沿轴向朝窑头移动，边翻滚边焙烧还原，最终经窑头罩内溜槽和固定筛将球团矿卸到稳定仓受料斗内。回转窑内焙烧还原温度10601120，窑内停留时间约4h。稳定仓降温：从回转窑排出的球团矿温度约1050，FeO含量约10%；球团矿通过稳定仓受料斗均匀布在稳定仓内，料层厚度370mm，球团矿在稳定仓内滞留时间3h4h，被保护性冷却，防止二次氧化；工艺充分利用余热进行深度保护性还原，从而提高金属化率。BLT电煤熔分炉：650的金属化球团矿经卸料斗、密闭罐，加入BLT电煤熔分炉，同时配加助熔剂；BLT电煤熔分炉采用等离子金属氧化物电分解技术与中空电极渣下喷煤燃烧技术相结合，使煤粉在熔渣层爆燃，产生冶炼要求的高温对球团矿进行熔分，冶炼结束后，将合格铁水由熔分炉内放出，由链铸机出成品标准铸块。 产品方案该工程综合利用硫酸渣40万t/a，一期20万t/a生产熔融还原铁(标准铸块)11万t/a。熔融还原铁理化指标见表3。表3熔融还原铁理化指标表TFe/%C/%S/%94.02.33.50.07 新工艺、新技术、新设备的研发应用 充分利用硫酸渣在沸腾炉出口温度(900)的余热和BLT专有助剂，对硫酸渣进行预处理。喷煤燃烧器采用BLT公司独有技术制造，使回转窑长度较常规回转窑缩短2/5。既减少设备投资，又起到节能作用。系统供料采用热装热送技术，降低能耗；满管送料可以有效控制炉内气氛；热循环系统与国内外先进流程相结合，做了改进，尽可能回收余热，节约燃料，降低能耗。 BLT电煤熔分炉采用等离子金属氧化物电分解技术与中空电极渣下喷煤燃烧技术相结合，使煤粉在熔渣层爆燃，产生冶炼要求的高温，同时，渣层的覆盖作用可有效地抑制粉尘。 采用集散控制方式（DCS），对工艺流程进行控制和管理。 投资与效益工程建设期：2011年6月至2012年12月工程总投资：14330万元(其中建设投资13353万元，铺底流动资金977万元)表4工程投资预算表项 目金额/万元占投资预算比例/%建筑工程费293421.97设备购置费785058.79安装工程费173112.96其他工程费7655.73预备费730.55工程总投资13353100.00主要经济指标：见表5。表5主要经济指标表序号指标名称单位指 标1总投资万元14330其中：建设投资万元13353铺底流动资金万元9772单位产品售价元/t33003年销售收入万元363004单位生产成本元/t2311.66 5单位成本费用元/t2345.76 6年利润总额万元8205 7年利税总额万元10497 8年税后利润万元6154 9投资利润率%49.40 10投资利税率%63.20 11投资回收期(所得税后)年3.34 12财务内部收益率(所的税后)%45.44 经济社会效益分析：项目利用硫酸渣作为含铁原料，实现了工业废渣合理再利用，生产高附加值产品。项目投产后，财务内部收益率45.44%，全部投资回收期3.34年，年利润总额8205万元，年利税总额10497万元，年税后利润6154万元，投资利润率49.40%，投资利税率63.20%，说明项目具有很好的经济效益，对企业的稳定与发展将起到积极的作用。项目示范效应：项目以硫酸厂的固体废弃物硫酸渣为含铁原料，综合回收利用硫酸渣中的铁，项目体现了循环经济，环保经济理念，提高了资源综合利用水平，在国内同类工厂中技术是成功的，对国内同类工业固体废弃物的处理具有示范作用。3.2 50万t/a高磷鲕状赤铁矿渣铁分离还原冶选联合工艺技术中试基地工程 工程概况湖南石门县奇峰矿业有限公司拥有自备铁矿山，矿山设计采矿生产能力100万t/a，铁矿资源储量4400万t，以高磷鲕状赤铁矿为主。由于该类铁矿鲕粒繁多、含磷量高、结构复杂、品位较低、选冶效果差，致使该矿产资源一直未能实现有效开发利用。我国鲕状赤铁矿矿储量丰富，但由于赤铁矿与石英、胶磷矿、绿泥石等嵌布关系复杂，被公认为最难选的铁矿石类型之一。同时，该矿属于高磷铁矿石，分选后不能获得直接用于高炉炼铁用的合格铁精矿，故长期以来高磷鲕状赤铁矿资源基本没有得到有效开发利用。目前，国内采用的主要脱磷方法有物理选矿脱磷、化学选矿脱磷、冶炼脱磷、微生物脱磷等。对于高磷鲕状赤铁矿，物理选矿脱磷存在脱磷率低，难以达到要求，且铁回收率低，影响生产经济效益；化学选矿脱磷效果明显，但成本较高，且易对环境造成污染；冶炼脱磷效果好，但成木高；微生物脱磷存在脱磷效率低、生产周期长、微生物繁殖受环境温度影响大的缺点。因此，开发经济实用的脱磷工艺技术是高磷鲡状赤铁矿有效开发利用的发展方向。 该工程由湖南奇峰矿业有限公司与北京锦鸿投资发展有限公司、湖南锦鸿投资有限公司、东北大学设计研究院（有限公司）、沈阳博联特熔融还原科技有限公司共同合作，采用沈阳博联特熔融还原科技有限公司研发的“还原渣铁分离还原抗氧化湿式磨选金属冷压球(MBI)制备BLT电煤熔分炉生产熔融还原铁工艺技术”开发利用低品位难选高磷鲕状赤铁矿。“高磷鲕状赤铁矿渣铁分离还原冶选联合工艺技术中试基地工程”为一期工程，年处理高磷鲕状赤铁矿50万t，年生产熔融还原铁锭20万t，是企业矿产资源回收总体规划的一部分。中试基地是一个集研发、加工、输出为一体的大型高磷鲕状赤铁矿选矿基地，计划用两年时间达到产业化。项目实施后，对有效提高高磷鲕状赤铁矿资源的综合利用率起到促进作用，具有广泛的示范效应。设计采用多项专利技术，结合高磷鲕状赤铁矿渣铁分离还原工业试验、数值计算与模拟分析，渣铁分离还原生产工艺技术研究，选用先进、高效及稳妥可靠技术装备；采用原燃料加工配料混合与造球直接还原磨选金属冷压球制备BLT电煤熔分炉生产熔融还原铁工艺流程；采用集散控制系统，实现全部设备自动化无值守控制，使生产系统在最佳状态下运行；采用沈阳博联特熔融还原科技有限公司的渣铁分离还原工艺装备，将高磷鲕状赤铁矿进行渣铁分离还原，实现金属铁与脉石(渣)分离，同时脱掉60%80%的磷，通过磨选工艺，获得TFe90%、回收率93%、P 0.09%0.2%的金属冷压球产品；采用BLT电煤熔分炉冶炼，获得TFe94%、C 1.5%2.5%、S0.06%、P0.07%的优质半钢铁水。工艺流程见图2。图2渣铁分离还原BLT电煤熔分炉生产熔融还原铁工艺流程框图 原料条件高磷鲕状赤铁矿化学成分见表6。表6高磷鲕状赤铁矿化学成分表项目TFeSSiO2Ai2O3CaOMgOPlg质量比 /%45.200.06111.794.841.920.790.631.40还原煤脱硫采用生石灰粉做脱硫剂，其理化指标见表7。表7还原煤脱硫剂理化指标表Ca0+MgO/%S/%水份/%粒度/目95.00.053-160熔融还原铁生产用燃料：喷吹采用高热值烟煤；还原剂用无烟煤。 工艺流程简述原燃料加工：原矿经粗破细破磨粉筛分，筛下产品粒度 020 目；脱硫剂(石灰粉) 粒度-120 目；粘结剂采用生石灰粉和BLT铁基粘结剂；为实现高磷鲕状赤铁矿渣铁有效分离，铁矿粉制球时，须配加一定量助剂，助剂为固体粉末状，-160 目粒度占80%以上，采用博联特公司专利配方；无烟煤、烟煤按粒度要求加工；原燃料经胶带运输机分别送至料仓备用。配料混合与造球：各料仓下设计量装置，按工艺配料比例，PLC 微机控制铁矿粉、助剂、返料、内配碳粉、粘结剂的配加量；混合配料经充分混匀和混碾，控制总含水量4%5%，并放置1h2h，让生石灰粉最大程度熟化；还原煤、煤焦与脱硫剂按工艺要求进行混合，加入料仓备用；混合料经胶带运输机送至压球机制球，球团粒度25mm22mm18mm，筛分出合格球团送至布料仓，粉料和碎球经胶带运输机返回料仓，进行再配料造球。布料：各布料仓下设 PLC 微机控制皮带秤，采用BLT布料装置，将球团、还原剂、覆盖剂(主要成分为废煤粉和煤矸石等) 按工艺要求均匀布在窑车的料盘中。焙烧还原：窑车料盘中的物料在还原窑炉内进行焙烧还原；还原后的料层上面会被烧结成一层硬壳，需进行机械破碎；破碎后的物料经胶带运输机送至料仓备用。焙烧还原采用沈阳博联特熔融还原科技有限公司专有BLT还原窑炉，该还原窑炉的还原段采用特殊结构设计，使还原区始终保持充分的还原气氛，料车上面为15Pa40Pa压力的还原气体，使还原物料始终在绝氧保护下进行充分还原；还原窑炉加温燃烧方式采用BLT直接喷煤燃烧技术，可大幅降低能耗；还原窑炉冷却段内部采用特殊设计，在确保充分还原的同时，冷却时产品不发生二次氧化；高温尾气送往余热发电装置进行余热发电后，再用于物料烘干。磨选与金属冷压块制备：还原后的含铁物料，经干式磁选，分离出金属化球团和还原尾粉；金属化球团经破碎、筛分，筛出1mm30mm 砾铁产品和含金属铁的粉料；含金属铁的粉料送入湿式球磨机，排矿粒度-160目；排矿给入湿式磁选机，磁选机尾矿经尾矿回收机再选，确保铁回收率93%；磁选机精矿(金属铁粉)经真空过滤机脱水，控制水份8%以下；金属铁粉经加湿搅拌机喷洒抗氧化药剂后，送入干燥机干燥，控制水分4.0%5.0%；干燥后的金属铁粉给入高强压球机，压制成金属冷压球，球块粒度30mm45mm、密度4.2t/m3，金属冷压球放置4h5h，强度增强后筛分，筛上物料送至料仓备用。还原尾粉处理：在分离出金属铁物料后的尾粉中，残留大量可以再利用的煤焦和尾渣混合物。采用重力分选技术，分选出煤焦，煤焦可以配加在还原煤中再利用。BLT电煤熔分炉：金属冷压球给入BLT电煤熔分炉，同时配加助熔剂；BLT电煤熔分炉采用等离子金属氧化物电分解技术与中空电极渣下喷煤燃烧技术相结合，使煤粉在熔渣层爆燃，产生冶炼要求的高温对金属冷压球进行冶炼，冶炼结束后，将优质半钢铁水由熔分炉内放出，由链铸机出成品标准铸块。 产品方案该工程综合利用高磷鲕状赤铁矿50万t/a，生产熔融还原铁(标准铸块)20万t/a。熔融还原铁理化指标见表8。表8熔融还原铁理化指标表TFe/%C/%S/%P/%94.01.52.50.060.07 新工艺、新技术、新设备的研发应用项目采用“渣铁分离还原BLT电煤熔分炉生产熔融还原铁工艺技术”，研发应用了以下专有工艺技术及专有设备：BLT渣铁分离快速还原工艺；低品位难选复合矿还原分离砾铁技术；BLT深度还原窑炉装备；还原铁湿式磁选抗氧化技术；深度还原选冶尾渣回收煤焦技术；BLT电煤熔分炉采用等离子金属氧化物电分解技术与中空电极渣下喷煤燃烧技术；采用集散控制方式(DCS)，对工艺流程进行控制和管理。 投资与效益工程建设期：2012年11月至2013年12月工程总投资：33966万元(其中建设投资30979万元，铺底流动资金2987万元)表9工程投资预算表项 目金额/万元占投资预算比例/%建筑工程费542817.52设备购置费2256872.85安装工程费6372.06其他工程费12984.19预备费10483.38工程总投资30979100.00主要经济指标：见表10。表10主要经济指标表序号指标名称单位指 标1总投资万元33966其中：建设投资万元30979铺底流动资金万元29872单位产品售价元/t32003年销售收入万元541544年平均营业税金及附加万元3115年平均总成本费用万元364846年平均利润总额万元173587年平均所得税万元43398年平均净利润万元130189年平均息税前利润万元1748910年平均增值税万元389311总投资收益率%51.4912项目资本金净利润率%40.8413财务内部收益率(所得税前)%53.6014财务净现值(所得税前)万元9471315投资回收期（所得税前）年3.0116财务内部收益率(所得税后)%42.5417财务净现值(所得税后)万元6714218投资回收期（所得税后）年3.48经济社会效益分析：项目利用低品位、