王代軍1,2
( 1 北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司北京中國100043)
( 2 北京市冶金三維仿真設(shè)計工程技術(shù)研究中心北京中國100043)
摘要:隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展,鉻鐵合金的需求量逐年增加,以鉻球團礦代替粉礦入爐冶煉可提高高碳鉻鐵技術(shù)經(jīng)濟指標。當鉻精礦和焦粉的比表面積為1 700 cm2 /g 時,生球落下強度和抗壓強度指標最好,爆裂溫度為435 ℃。隨著預(yù)熱溫度提高、預(yù)熱時間延長,預(yù)熱球團抗壓強度增加,隨著還原溫度升高、還原時間延長,鉻和鐵的還原指標均呈增加趨勢,在相同溫度和時間下,鐵比鉻易還原。生產(chǎn)實踐表明,預(yù)熱球團抗壓強度達500 N/P,鉻預(yù)還原球團鉻的還原度為55.98%,綜合還原度為69.25%,礦熱爐使用50%鉻預(yù)還原球團熱裝配加50%冷燒結(jié)礦,鐵合金日產(chǎn)量提高52 t、鉻回收率提高3%,冶煉電耗降至2 600 kWh /t,渣中鉻含量降低2%。
關(guān)鍵詞:鉻精礦;鏈箅機- 回轉(zhuǎn)窯;還原度;冶煉電耗
前言
鉻礦是重要的戰(zhàn)略資源,鉻塊礦和鉻粉礦是礦熱爐冶煉鉻鐵合金的主要原料[1]。鉻鐵合金又是一種生產(chǎn)不銹鋼和高鐵素體合金的重要合金材料,可作為鋼的添加料生產(chǎn)多種高強度、抗腐蝕、耐磨、耐高溫、耐氧化的特種鋼[2,3]。隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展,鉻鐵合金的需求量逐年增加,與此同時,鉻礦的開采量加大及原礦品位的降低,鉻粉礦的產(chǎn)出量越來越高,鉻粉礦的市場占有率已經(jīng)達到50%[4-6]。在鉻鐵合金冶煉過程中,鉻粉礦容易導(dǎo)致礦熱爐透氣性變差、爐況波動大、造成噴料刺火現(xiàn)象,鉻塊礦更利于確保爐料在礦熱爐中的透氣性,但是鉻粉礦的品位和價格優(yōu)于鉻塊礦[7]。因此,鉻粉礦造塊是一種充分利用鉻精礦資源的有效途徑。
鉻精礦造塊主要有壓團法、燒結(jié)法、球團法,其中球團法比傳統(tǒng)的塊礦冶煉節(jié)電30%,冶煉用焦減少45%,電爐生產(chǎn)率提高60%,鉻回收率提高1%~2%,礦熱爐煙氣量減少約20%。日本周南電工、南非CMI 公司、加拿大國際金屬公司等企業(yè),礦熱爐采用熱裝鉻礦預(yù)還原球團生產(chǎn)高碳鉻鐵,均達到了電耗2 000 kWh /t、鉻回收率達93% 的先進水平[8 - 10]。2014 年11 月之前,我國鐵合金冶煉以塊礦和燒結(jié)礦為主,原因在于沒有掌握鏈箅機- 回轉(zhuǎn)窯鉻礦預(yù)還原球團工藝技術(shù)。
2000 年10 月,北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司成功研發(fā)鏈箅機- 回轉(zhuǎn)窯鐵礦球團工藝,發(fā)展至今,已積累了豐富的鐵礦球團經(jīng)驗。為此,受內(nèi)蒙豐鎮(zhèn)某鐵合金公司委托,北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司相關(guān)技術(shù)人員,依托其鐵礦球團經(jīng)驗,開展我國首套鏈箅機- 回轉(zhuǎn)窯20 萬t /a 鉻礦預(yù)還原球團工藝研究與應(yīng)用,有利于鏈箅機- 回轉(zhuǎn)窯球團技術(shù)拓寬原料發(fā)展,為充分利用鉻精礦制備還原球團奠定基礎(chǔ)。
1 原料性能及研究方法
1.1 原料性能
1.1.1 鉻精礦的物化性能
試驗和擬建成鏈箅機- 回轉(zhuǎn)窯鉻礦預(yù)還原球團生產(chǎn)線所用原料主要包括南非鉻精礦和其他鉻精礦,鉻精礦的化學(xué)成分、粒度組成詳見表1、表2。
由表1 可見,鉻精礦化學(xué)成分主要包括Cr2O3、FeO、MgO、Al2O3等,南非礦粉與其他礦粉相比,Cr2O3含量均為42.00%,F(xiàn)eO 含量南非礦粉要高6.50%,SiO2含量南非礦粉要低3.70%,MgO 含量南非礦粉要低2.90%,Al2O3含量南非礦粉要高1.30%,其他成分含量兩者相差不多。由表2 可見,南非礦粉與其他礦粉粒度組成主要集中在1~3 mm,分別為95.72%、94.51%,為滿足成球?qū)α6鹊囊螅殞ΦV粉進行磨細處理。
1.1.2 膨潤土的物化性能
鉻精礦制備生球過程中,采用膨潤土作為黏結(jié)劑,其化學(xué)成分主要為SiO2和Al2O3,此外還含有一定數(shù)量的K2O、Na2O,以及少量的CaO、MgO、Fe2O3等。其主要化學(xué)成分及物理性能見表3、表4。
由表3 可見,膨潤土的化學(xué)成分主要為SiO2和Al2O3,占礦物總量的77.99%,其次是MgO、CaO 等,根據(jù)CaO 和Na2O 的含量可知,該膨潤土為鈉基膨潤土。
由表4 可見,作為評價膨潤土物理性能的主要影響因素吸水率達436.01%,且蒙脫石含量達62.22%,因此,該膨潤土屬優(yōu)質(zhì)膨潤土。
1.1.3 焦粉和煤粉的性能
制備鉻精礦還原球團,制備生球時內(nèi)配焦粉、回轉(zhuǎn)窯內(nèi)焙燒還原采用煤粉,焦粉和煤粉的工業(yè)分析結(jié)果及灰分化學(xué)組成如表5 至表7 所示。
1.2 研究方法
根據(jù)礦熱爐冶煉對擬建20 萬t /年鏈箅機- 回轉(zhuǎn)窯鉻礦預(yù)還原球團生產(chǎn)線產(chǎn)品的要求,生球配比如表8 所示。
按照表8 生球配比要求,將兩種鉻精礦混合后干燥至水分< 3%,焦粉也被干燥至水分< 3%,分別磨細再按表8 添加膨潤土和水制備成生球。生球制備在圓盤造球機中進行,其主要技術(shù)參數(shù)為: 圓盤直徑Ф=1 000 mm,轉(zhuǎn)速22 r /min,邊高h=150 mm,傾角α=47°。合格生球放入溫度為110 ~120 ℃ 的鼓風(fēng)烘箱中至少干燥2 h,以確保生球烘干。每次取10 個烘干球團配加一定量的煤粉置于石墨坩堝內(nèi),再放入設(shè)定好溫度的豎式高溫氣氛管式爐,以2 L /min 氮氣作為保護氣體,調(diào)整還原時間進行焙燒還原反應(yīng)。待達到試驗設(shè)定的時間和溫度,取出球團并在2 L /min 的氮氣流里冷卻至室溫,得到鉻精礦預(yù)還原球團。
鉻精礦球團還原采用η 表示還原程度,其表達式如下[3, 11]:
式( 1) - ( 3) 中: MFe— 還原樣中金屬鐵的含量,%; TFe— 還原樣中全鐵的含量,%; MCr— 還原樣中金屬鉻的含量,%; TCr——— 還原樣中全鉻的含量,%; ηFe— 鐵的還原度,%; ηCr— 鉻的還原度,%;ηcd— 綜合還原度,%。
2 結(jié)果與分析
2.1 比表面積對生球性能的影響
鉻精礦、焦粉采取干燥、干磨預(yù)處理。將混合鉻精礦和焦粉分別干燥至水分含量低于1%,采用快速水分分析儀測定,型號: GYW - Ⅲ。然后分別干磨,粒度采取比表面積測定儀測定,型號: F -Sorb2400。分別取四組不同比表面積物料,按照表8制備生球,取15~20 mm 之間的合格生球測定落下強度、抗壓強度和爆裂溫度,其結(jié)果如表9 所示。
由表9 可見,隨著混合鉻精礦和焦粉的比表面積增加,生球落下強度增加,抗壓強度也顯著提高,生球的爆裂溫度反而降低。根據(jù)鐵礦球團鏈箅機抽風(fēng)干燥段通常要求生球的爆裂溫度大于400 ℃,當比表面積達到1 700 cm2 /g 時,生球的落下強度和抗壓強度達到最佳,分別為5.2 次/( 0.5 m) 、11.0 N/P,生球的爆裂溫度降至435 ℃,但滿足鏈箅機抽風(fēng)干燥段對生球爆裂溫度的要求。因此,后續(xù)研究物料比表面積均按1 700 cm2 /g 進行干磨處理。
2.2 預(yù)熱制度對預(yù)熱球團抗壓強度的影響
2.2.1 預(yù)熱溫度對預(yù)熱球團抗壓強度的影響
按照表8 制備生球,取15~20 mm 之間的合格生球在120 ℃ 烘箱中烘干,在700 ~900 ℃ 下預(yù)熱15 min,研究預(yù)熱溫度對鉻精礦預(yù)熱球團抗壓強度的影響,結(jié)果如圖1 所示。
由圖1 可見,隨著預(yù)熱溫度升高,預(yù)熱球團抗壓強度提高,當預(yù)熱溫度提高到900 ℃時,預(yù)熱球抗壓強度達到400 N/P 以上,其他溫度條件下,抗壓強度均小于400 N/P。
2.2.2 預(yù)熱時間對預(yù)熱球團抗壓強度的影響
按照表8 制備生球,取15~20 mm 之間的合格生球在120 ℃ 烘箱中烘干,在900 ℃ 下預(yù)熱10 ~18 min,研究預(yù)熱時間對鉻精礦預(yù)熱球團抗壓強度的影響,結(jié)果如圖2 所示。
由圖2 可見,隨著預(yù)熱時間延長,預(yù)熱球團抗壓強度升高。當預(yù)熱時間小于14 min 時,抗壓強度增加幅度較大。當預(yù)熱時間大于14 min 時,抗壓強度增加幅度趨于平緩,但抗壓強度均大于400 N/P。通過考察預(yù)熱溫度和預(yù)熱時間對鉻精礦預(yù)熱球團抗壓強度的影響,在900 ℃下預(yù)熱14 min,抗壓強度達到400 N/P,滿足回轉(zhuǎn)窯對預(yù)熱球團抗壓強度的要求。
2.3 還原制度對預(yù)還原球團的影響
2.3.1 還原溫度對預(yù)還原球團的影響
有關(guān)研究表明,只有當含碳球團內(nèi)固定碳物質(zhì)的量與被還原的氧化物所含氧物質(zhì)的量比I( C /O)≥1,且在溫度大于1 200 ℃時,含碳球團才能被快速還原,獲得較高的金屬化率[12 - 14]。因此,含碳鉻精礦球團還原的研究也建立在此基礎(chǔ)上。
試驗條件: 生球配比按表6,生球內(nèi)配碳比I( C /O) = 1.4,在不同的溫度下還原4 h,還原劑采用煤粉,還原溫度對內(nèi)配焦粉鉻精礦預(yù)還原球團的影響如圖3 所示。
由圖3 可見,隨著還原溫度的升高,鉻和鐵的還原指標均呈增加趨勢,當還原溫度超過1 300 ℃時,增加趨勢變緩,原因在于鉻精礦球團表面形成的還原產(chǎn)物殼層較為密實,覆蓋在未還原的礦物周圍,阻礙還原氣體CO 的擴散反應(yīng),反應(yīng)界面收縮,還原程度減弱。當還原溫度為1 300 ℃時,鉻的還原度為82.35%,鐵的還原度已接近100%。
鉻精礦中Cr2O3大多以MgO 和Al2O3含量各不相同的鉻鐵尖晶石( ( Fe,Mg) ( Cr,F(xiàn)e,Al)2O4) 形式存在,Cr2O3在900~1 400 ℃下被還原。Cr2O3與焦粉熱還原按下式進行[15]:
反應(yīng)式( 4) 和反應(yīng)式( 5) 表明: Cr2O3的還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng),因此,還原溫度越高越有利于Cr2O3的還原,還原溫度大于1 200 ℃以后Cr2O3才開始快速還原。
由圖3 還可見,在相同的還原溫度下,鐵的還原度大于鉻的還原度,表明還原溫度對鉻還原度的影響比對鐵的大。
2.3.2 還原時間對預(yù)還原球團的影響
固定生球內(nèi)配碳比I ( C /O) =1.4、煤粉作還原劑,在不同的還原溫度下,還原時間對鉻、鐵的還原度及球團礦的綜合還原度的影響詳見圖4 至圖6所示。
由圖4 至圖6 可見,在相同的還原溫度下,隨著還原時間延長,鉻、鐵的還原度及球團礦的綜合還原度增加。當還原溫度大于等于1 300 ℃時,鉻的還原度在75% 以上,鐵的還原度在95% 以上,還原1 h 后,還原度趨于穩(wěn)定。當還原溫度越高時,還原度指標的增加幅度受還原時間的影響越小。
由圖4 至圖6 還可見,當還原溫度為1 150 ℃時,鐵優(yōu)先于鉻還原,還原2 h 后,鐵的還原度增加變小。當還原進行了2 h 后,鉻的還原度大幅增加,整個還原過程需要3~4 h。當還原溫度為1 200 ℃時,還原1~2 h 后,鉻的還原度增加幅度減小至趨于穩(wěn)定,隨著還原時間延長,鐵的還原度增加。
3 鉻精礦預(yù)還原球團生產(chǎn)實踐
3.1 主要設(shè)備選型及熱風(fēng)工藝
借鑒鐵礦鏈箅機- 回轉(zhuǎn)窯球團的成功經(jīng)驗,結(jié)合預(yù)熱制度對預(yù)熱球團抗壓強度的影響,以及還原制度對鉻精礦還原度的影響,依據(jù)年產(chǎn)20 萬t,鏈箅機規(guī)格定為2.8 m×36 m,回轉(zhuǎn)窯規(guī)格Ф4.0 m×60 m。
生球經(jīng)過鏈箅機干燥、預(yù)熱后,預(yù)熱球團在送入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進行焙燒還原,還原溫度低于鉻礦熔化溫度,回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度控制在1 100 ~1 350 ℃,焙燒還原氣氛氧含量低于2%,綜合還原度為55%~70%適合于高碳鉻鐵生產(chǎn),過高的還原度會破壞埋弧爐連續(xù)操作[9],因此,鏈箅機- 回轉(zhuǎn)窯主要參數(shù)見表10,高架回轉(zhuǎn)窯如圖7 所示,鏈箅機- 回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原熱風(fēng)工藝如圖8 所示。
由圖7 可見,回轉(zhuǎn)窯與電爐之間實現(xiàn)了柔性連接,焙燒還原出來的熱球團通過料罐直接運至電爐,有效提高了冶煉爐料溫度及降低冶煉電耗。
3.2 預(yù)還原球團礦分析
生球經(jīng)鏈箅機干燥、預(yù)熱后,預(yù)熱球團抗壓強度達500 N/P,再進回轉(zhuǎn)窯焙燒還原240 min,鏈箅機預(yù)熱段和回轉(zhuǎn)窯的溫度范圍為700~1 350 ℃,在此溫度區(qū)間發(fā)生反應(yīng)式( 4) 、( 5) 的還原反應(yīng); 除去產(chǎn)生的灰分和散料,得到成品球團礦的主要指標如表11 所示。
將表11 數(shù)據(jù)帶入公式( 1) ~ ( 3) ,得出: ηCr =55.98%; ηFe= 86.10%; ηcd=69.25%。
鉻精礦預(yù)還原球團鉻的還原度為55.98%,綜合還原度為69.25%,滿足礦熱爐冶煉生產(chǎn)高碳鉻鐵。
3.3 礦熱爐冶煉應(yīng)用效果
我國首套鏈箅機- 回轉(zhuǎn)窯20 萬t /a 鉻礦預(yù)還原球團生產(chǎn)線于2014 年11 月投產(chǎn),內(nèi)蒙豐鎮(zhèn)某鐵合金公司25.5 MVA 礦熱爐分別使用50%鉻預(yù)還原球團熱裝配加50% 冷燒結(jié)礦、100% 冷鉻燒結(jié)礦及100%鉻預(yù)還原球團熱裝的冶煉工藝指標見表12[16]。
從表12 看出,與100% 冷燒結(jié)礦冶煉相比,礦熱爐使用50% 鉻預(yù)還原球團熱裝配加50% 冷燒結(jié)礦,鐵合金日產(chǎn)量提高52 t、鉻回收率提高3%,電耗降至2 600 kWh /t,渣中鉻含量降低2%。礦熱爐使用100%鉻預(yù)還原球團熱裝,鐵合金日產(chǎn)量提高到260 t,電耗降至2 100 kWh /t,渣中鉻含量降至3%。礦熱爐冶煉應(yīng)用效果表明,鉻精礦預(yù)還原球團取代粉礦直接入礦熱爐冶煉,經(jīng)濟效益可觀。
4 結(jié)語
( 1) 隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展,鉻鐵合金的需求量逐年增加,鉻精礦鏈箅機- 回轉(zhuǎn)窯球團工藝,既符合鉻粉礦造塊要求,又滿足鏈箅機- 回轉(zhuǎn)窯球團技術(shù)發(fā)展,球團礦代替粉礦直接入爐,是提高高碳鉻鐵技術(shù)經(jīng)濟指標的一個有力措施。
( 2) 鉻精礦和焦粉的比表面積為1 700 cm2 /g時,生球落下強度和抗壓強度指標最好,爆裂溫度為435 ℃大于鏈箅機抽風(fēng)干燥段最高風(fēng)溫400 ℃,滿足鏈箅機抽風(fēng)干燥段對生球爆裂溫度的要求。
( 3) 隨著預(yù)熱溫度提高、預(yù)熱時間延長,預(yù)熱球團抗壓強度增加,在900 ℃下預(yù)熱14 min,鉻精礦預(yù)熱球團的抗壓強度達到400 N/P。隨著還原溫度升高、還原時間延長,鉻和鐵的還原指標均呈增加趨勢,在相同溫度和時間下,鐵比鉻易還原。
( 4) 球團生產(chǎn)實踐表明,生球經(jīng)鏈箅機干燥、預(yù)熱后,預(yù)熱球團抗壓強度達500 N/P,鉻精礦預(yù)還原球團鉻的還原度為55.98%,綜合還原度為69.25%。電爐冶煉表明,礦熱爐使用50%鉻預(yù)還原球團熱裝配加50%冷燒結(jié)礦,鐵合金日產(chǎn)量提高52 t、鉻回收率提高3%,電耗降至2 600 kWh/t,渣中鉻含量降低2%。
參考文獻
[1] Wang Dai - jun,Wu Sheng - li. Grate - Rotary Kiln Pellet Technology of Chromite Concentrate and Study on Mass Balance Calculation [J]. The 2012 International Conference on Chemical,Material and Metallurgical Engineering,2012: 3355 - 3362.
[2] WEBER P,ERIC R H. The reduction of chromite in the presence of silica flux [J]. Minerals Engineering,2006,19( 3) : 318 - 324.
[3] 李建臣. 鉻鐵礦球團預(yù)還原特性的研究[J]. 鐵合金,2017,48( 2) : 19 - 20.
[4] 楊世明. 我國鉻鐵生產(chǎn)發(fā)展中的問題與思路[J]. 鐵合金, 1996,30( 3) : 48 - 51.
[5] 陳津,王社斌,林萬明,等. 21 世紀中國鉻業(yè)資源現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 鐵合金, 2005,36( 2) : 38 - 41.
[6] 胡凌彪. 鉻礦特性對冶煉高碳鉻鐵效益的影響[J]. 鐵合金, 2006,37( 5) : 8 - 17.
[7] 賴志賢. 鉻礦電冶煉性能的探討[J]. 鐵合金,2002,33( 3) : 4 - 9.
[8] 賈艷樺,劉培驍,王幸日,等. 冷壓球團技術(shù)在高碳鉻鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 鐵合金, 2011,42( 2) : 4 - 7.
[9] 李志忠. 鉻礦預(yù)還原生產(chǎn)鉻鐵新工藝[J]. 鐵合金, 2011,42( 6) : 7 - 10,18.
[10] Singh V,Rao S M. Study the effect of chromite ore properties on pelletisation process [J]. Int. J. Miner.Process,2008,88( 1 /2) : 13 - 17.
[11] 李建臣. 鉻鐵礦固態(tài)還原的基礎(chǔ)及其強化技術(shù)研究[D]. 長沙: 中南大學(xué), 2010: 22 - 24.
[12] Chen J,Zhao J,Zhang M,et,al. Carburization of ferrochromium metals in chromium ore fines containing coal during voluminal reduction by microwave heating [J].Journal of Central South University of Technology,2009,16( 1) : 43 - 48.
[13] Hazar - Yoruc A B. Reduction mechanism of chromite spinel with carbon [J]. Minerals & Metallurgical Processing,2007,24( 2) : 115 - 120.
[14] Atasoy A,Sale F R. An investigation on the solid state reduction of chromite concentrates[C]/ /Mechatronic Systems and Materials III. Diffusion and Defect Data Pt. B:Solid State Phenomena. Switzerland: Trans Tech Publications Ltd,Laubisrutistr. 24,Stafa - Zuerich,CH - 8712,2009: 752 - 757.
[15] 李寧. 含碳鉻鐵礦粉微波加熱體還原熱力學(xué)及動力學(xué)研究[D]. 太原: 太原理工大學(xué), 2007: 45 - 48.
[16] 李忠,宋芃霏,紀冰. 礦熱爐鉻礦球團預(yù)還原熱裝工藝探討[J]. 鐵合金, 2016,47( 1) : 1 - 6.