張濤, 左海濱, 張建良, 徐承飛, 杜申

( 北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室, 北京 100083)

摘 要: 受富礦資源減少、鐵礦石價格上漲的影響, 鋼鐵企業開始關注低價劣質礦的合理利用。紅土鎳礦價格低廉并且含有冶煉不銹鋼所需的 Ni 和 Cr, 增大其在燒結混合料中的配比, 不僅能降低鐵水成本, 還可以提升鐵水價值。在高紅土鎳礦配比(30% 左右)下燒結, 燒結礦中 FeO含量比較高, 使得燒結礦的轉鼓指數、粒度水平以及還原性均有所下降, 低溫還原粉化性能有所改善。

關鍵詞: 紅土鎳礦; 燒結; 配比

1 前 言

進口鐵礦石的價格自 2003 年以來持續攀升[1], 而且由于近年來全球范圍的經濟蕭條, 直接導致了鋼材需求量急劇下降, 鋼材市場供過于求, 鋼材利潤空間急劇縮小, 鋼鐵企業成本壓力巨大, 高爐生產的利潤很低, 甚至為負。而對于高爐這種特殊的生產設備而言, 如果由于成本壓力暫停生產, 只會在短期內扭轉虧損的局面, 從長遠考慮, 則會對高爐的長壽帶來巨大的負面影響, 是得不償失的。鋼鐵企業為了應對嚴峻的經濟形勢, 必須尋找能維持高爐生產, 又可以降低生產成本或者提高產品價值的新途徑。

鋼鐵的生產成本是由原燃料價格、動力能源消耗、設備折舊費用、維修費用、勞動力價格等因素決定的[ 2]。在這些因素當中, 原料價格對的成本的影響顯得尤為突出[3]。由于當前高品位優質鐵礦石的價格不斷攀升, 而低品位劣質鐵礦石的價格比較低, 鋼鐵企業開始關注低品位劣質礦的綜合利用, 在保證燒結礦性能的前提下, 加大混合料中劣質礦的配比。一般來講, 低品位劣質礦石的品位在 50% 以下, 因此冶煉過程中焦比、渣比都會升高; 有害元素含量高, 入爐冶煉會對高爐的順行以及長壽帶來負面影響; 價格低, 可有效降低原料成本。因而,低價劣質礦品種的選擇及其配比的確定, 直接關系到能否有效降低生產鋼鐵的成本或者提高產品價值, 最終提高企業的經濟效益。

2 紅土鎳礦資源概況

紅土鎳礦是一種典型的低品位劣質礦, 其含鐵品位一般在 10% ~ 45% , 部分能夠達到50% 。大多數紅土鎳礦中含有較高的 Al2O3和MgO, 也有某些紅土鎳礦中 SiO2的含量比較高[ 4], 紅土鎳礦中含有 N i、Cr、Co 等元素, 游離水和結晶水含量也比較高, 燒損大。

表 1 是國內某鋼廠在2012 年7 月份使用的四種紅土鎳礦的主要成分。世界上的紅土鎳礦主要分布在赤道線南北30b以內的熱帶國家, 主要有: 古巴、印度尼西亞、菲律賓、澳大利亞、新喀里多尼亞等[5]。紅土鎳礦資源非常豐富, 勘探成本以及采礦成本都很低, 紅土鎳礦礦床大多靠近海岸, 便于運輸[ 6]。

世界主要產鎳國的紅土鎳 礦資源儲量見表2[7, 8]。

我國的紅土鎳礦主要分布在四川省的會理、云南省的元江和墨江以及青海省的元石山等地區[9]。紅土鎳礦儲量約占全國鎳資源保有儲量的 916% , 而硫化鎳礦占全國鎳資源保有儲

量的 86%[10]。由于國內紅土鎳礦儲量相對較少, 我國每年從菲律賓和印度尼西亞進口大量的紅土鎳礦。據統計, 2011 年 1~ 11 月, 我國紅土鎳礦的進口量為 4769 萬 t( 毛重) , 而從菲律賓進口的紅土鎳礦中, 大約有 800 萬 t( 毛重) 的高鐵低鎳礦直接作為鐵礦石用于粗鋼或者生鐵的冶煉, 其余約 4000 萬 t( 毛重) 紅土鎳礦都用于生產濕法鎳或鎳生鐵[11]。表 3 是 2012 年 1~ 7 月我國進口菲律賓以及印度尼西亞紅土鎳礦的數據。

3 紅土鎳礦冶煉工藝簡介

紅土鎳礦的處理工藝可以分為濕法工藝和火法工藝兩種。

濕法工藝以提取紅土鎳礦中的鎳和鈷為主, 其余大部分(將近 97%) 作為固體廢棄物丟棄, 而大多數紅土鎳礦中 Fe 和 Cr 的含量都比較高, 資源沒有得到合理的利用。濕法工藝通常使用液態酸或者氨作為浸出劑, 這些浸出劑很難回收再利用, 作為廢棄物排放, 污染環境,所以發展前景不明朗[ 12]。火法工藝包括電爐法和高爐法兩種。使用電爐法冶煉的紅土鎳礦, 其產物是鎳含量比較高( 10% ~ 25% ) 的鎳鐵, 但這是通過抑制冶煉過程中鐵的還原實現的, 導致大部分鐵留在了渣中, 造成了資源的浪費, 而且我國電力資源供應緊張, 電爐法的普及受到很大的限制[ 13]。

高爐法通常使用含鐵 45% 左右、含鎳015%~ 1% 的紅土鎳礦生產含鎳量 1% ~ 2% 的低鎳生鐵 。由于紅土鎳礦含鐵品位低, 導致冶煉過程中焦比(約 800 kg/ tFe) 和渣比( 約 2 t/ tFe) 升高[14], 部分紅土鎳礦中 Al2O3和 MgO 的含量較高, 這會對高爐爐渣的黏度特性產生很大影響。

冶煉低鎳生鐵過程中渣量大, 會導致出渣時渣口開放時間變長, 爐內的熱量從渣口向外擴散,致使爐溫降低, 影響高爐順行。因此, 目前國內使用全紅土鎳礦冶煉的高爐, 其容積一般在 400~ 600 m3[ 15], 大高爐很難使用全紅土鎳礦冶煉低鎳生鐵。

大多數鋼鐵企業并不使用全紅土鎳礦冶煉, 而是在燒結混合料中配入少量的紅土鎳礦( 配比大都在 5% 以下) 入爐冶煉, 以降低成本,并不生產鎳鐵。但是由于紅土鎳礦配入量比較少, 對降低鐵水成本的作用并不是很明顯。

4 提高燒結混合料中紅土鎳礦配比, 降低生鐵成本

迫于成本的壓力, 部分鋼鐵企業開始嘗試增大紅土鎳礦在燒結中的使用量。相比于使用其他低價劣質礦, 鋼鐵企業提高燒結中紅土鎳礦配比的優勢不僅僅在于其價格低廉, 還因為紅土鎳礦中含有的 Ni 和 Cr 是冶煉不銹鋼所必需的元素。紅土鎳礦經過干燥、篩分之后, 在較高的配比下( 30% 左右) 與其他鐵礦粉混勻、配加熔劑和燃料后進行燒結, 燒結礦入爐后冶煉得到含有 Cr、Ni 的鐵水, 可以直接作為冶煉不銹鋼的原料, 既降低了原料成本, 又提升了產品的價值, 可謂一舉兩得。

和全紅土鎳礦冶煉不同, 在紅土鎳礦配比較高條件下生產的燒結礦( 品位達到 50% 以上) , 與球團礦以及塊礦配合入爐使用( 入爐品位 55% 以上), 冶煉得到的鐵水中 Ni 含量在015%左右, Cr 含量在 3% ~ 5% 。由于入爐品位比較高, 渣比與焦比并不會大幅度上升, 對高爐的順行影響不大。

5 高紅土鎳礦配比下燒結礦的性能

51、1 燒結混合料的配比以及燒結礦成分

國內某鋼鐵企業在其 72 m2燒結機上進行了高紅土鎳礦配比下燒結礦的生產, 其燒結混合料的原、燃料成分和配比見表 4, 燒結礦成分見表 5。

從表 4 中可以看出, 燒結混合料中紅土鎳礦的配比達到了 28%, 由于紅土鎳礦的結晶水含量比較高, 所以提高了焦粉配比。燒結礦品位為 53141%, 堿度為 1181, 這與該企業正常配比條件下(紅土鎳礦配比 5% 左右) 生產的燒結礦品位( 53% 左右) 和堿度( 1180) 基本持平,Al2O3 、MgO和T iO2 的含量也都維持在正常水平, NiO 的含量為 0136%。燒結礦 FeO 的含量達到了 1714%, 這是由于焦粉配入量比較大, 碳以及碳在高溫下(約 800 e )與紅土鎳礦中脫除的結晶水反應生成的 H2和 CO 對 Fe2O3的還原作用所導致的。

5、2 燒結礦的性能

高紅土鎳礦配比下的燒結礦與該企業正常條件下生產的燒結礦粒度分布見圖 1。

通過對粒度分布數據的分析, 不難發現: 高紅土鎳礦配比下, 燒結礦中小粒度級(0~ 5 mm)明顯增多, 比正常生產條件下高出將近 7% ; 大粒度級(> 40 mm)比正常生產條件下低了將近5% ; 兩種配比下燒結礦中 5 ~ 10 mm、10~ 25mm 和 25~ 40 mm 粒級的比例基本持平。轉鼓指數方 面, 高紅 土鎳 礦配 比下 的燒 結礦 為71148% , 正常配比下的燒結礦為 76187% , 后者比前者高出 5139%。轉鼓指數下降、小粒級增加以及大粒級減少, 說明高紅土鎳礦配比下的燒結礦強度相對較差。這是由于混合料中配碳量較高, 使得部分 Fe2O3被還原成了 FeO, 影響了鐵酸鈣的生成, 導致燒結礦強度降低。但另一方面, FeO 含量較高, 其與 SiO2形成的 FeO#SiO2也擁有較好的強度, 這又是燒結礦在鐵酸鈣生成量不足的情況下強度得以保證的重要原因。

兩種燒結礦的低溫還原粉化性能以及還原性比較見表 6。赤鐵礦在 450~ 550 e 時, 由AFe2O3還原成CFe2O3發生的晶格改變是造成燒結礦低溫還原粉化的主要原因[16], 而對燒結礦還原性起著關鍵作用的鐵酸鈣, 其含量又依賴于 Fe2O3 的含量。高紅土鎳礦配比條件下生產的燒結礦中FeO 的含量達到了 1714% , 而正常配比下生產的燒結礦中 FeO 含量一般在 10% 以下, 這必然導致前者的 Fe2O3含量要低于后者, 使得前者的低溫還原粉化性能明顯優于后者, 而其還原性卻比后者低了 1013%。

6 結 論

1) / 精料0無疑是指導高爐冶煉的一項重要方針, 但是在當前富礦資源緊缺、經濟萎靡的形勢下, 合理利用低價劣質礦是保持鋼鐵企業競爭力的重要手段。

2) 紅土鎳礦不僅價格低廉, 而且含有冶煉不銹鋼所必須的 Ni 和 Cr。使用高爐處理紅土鎳礦的工藝對于降低高爐冶煉成本、提高鐵水價值是有利的, 并且實現了紅土鎳礦資源的合理有效利用。

3) 高紅土鎳礦配比下的燒結礦, 其 FeO 含量比較高, 導致燒結礦的粒度變小、強度和還原性變差, 但是低溫還原粉化性能變好。

總的來說, 高紅土鎳礦配比下的燒結礦與球團礦和塊礦混合使用, 可以達到高爐對入爐原料的要求。目前, 國內已經有部分鋼鐵企業使用高紅土鎳礦配比進行燒結生產, 在控制生產成本上取得了良好的效果。呂學偉[17]、謝皓[ 18]等分別對印度尼西亞和菲律賓的紅土鎳礦燒結工藝進行了實驗研究和機理分析, 為提高紅土鎳礦配比的燒結工藝提供了理論支持。隨著紅土鎳礦相關燒結理論體系的逐步成熟與完善, 紅土鎳礦在高爐煉鐵中的應用勢必會得到更廣泛的關注。

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