張濤, 左海濱, 張建良, 徐承飛, 杜申

( 北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

摘 要: 受富礦資源減少、鐵礦石價(jià)格上漲的影響, 鋼鐵企業(yè)開(kāi)始關(guān)注低價(jià)劣質(zhì)礦的合理利用。紅土鎳礦價(jià)格低廉并且含有冶煉不銹鋼所需的 Ni 和 Cr, 增大其在燒結(jié)混合料中的配比, 不僅能降低鐵水成本, 還可以提升鐵水價(jià)值。在高紅土鎳礦配比(30% 左右)下燒結(jié), 燒結(jié)礦中 FeO含量比較高, 使得燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、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(guān)鍵詞: 紅土鎳礦; 燒結(jié); 配比

1 前 言

進(jìn)口鐵礦石的價(jià)格自 2003 年以來(lái)持續(xù)攀升[1], 而且由于近年來(lái)全球范圍的經(jīng)濟(jì)蕭條, 直接導(dǎo)致了鋼材需求量急劇下降, 鋼材市場(chǎng)供過(guò)于求, 鋼材利潤(rùn)空間急劇縮小, 鋼鐵企業(yè)成本壓力巨大, 高爐生產(chǎn)的利潤(rùn)很低, 甚至為負(fù)。而對(duì)于高爐這種特殊的生產(chǎn)設(shè)備而言, 如果由于成本壓力暫停生產(chǎn), 只會(huì)在短期內(nèi)扭轉(zhuǎn)虧損的局面, 從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮, 則會(huì)對(duì)高爐的長(zhǎng)壽帶來(lái)巨大的負(fù)面影響, 是得不償失的。鋼鐵企業(yè)為了應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)形勢(shì), 必須尋找能維持高爐生產(chǎn), 又可以降低生產(chǎn)成本或者提高產(chǎn)品價(jià)值的新途徑。

鋼鐵的生產(chǎn)成本是由原燃料價(jià)格、動(dòng)力能源消耗、設(shè)備折舊費(fèi)用、維修費(fèi)用、勞動(dòng)力價(jià)格等因素決定的[ 2]。在這些因素當(dāng)中, 原料價(jià)格對(duì)的成本的影響顯得尤為突出[3]。由于當(dāng)前高品位優(yōu)質(zhì)鐵礦石的價(jià)格不斷攀升, 而低品位劣質(zhì)鐵礦石的價(jià)格比較低, 鋼鐵企業(yè)開(kāi)始關(guān)注低品位劣質(zhì)礦的綜合利用, 在保證燒結(jié)礦性能的前提下, 加大混合料中劣質(zhì)礦的配比。一般來(lái)講, 低品位劣質(zhì)礦石的品位在 50% 以下, 因此冶煉過(guò)程中焦比、渣比都會(huì)升高; 有害元素含量高, 入爐冶煉會(huì)對(duì)高爐的順行以及長(zhǎng)壽帶來(lái)負(fù)面影響; 價(jià)格低, 可有效降低原料成本。因而,低價(jià)劣質(zhì)礦品種的選擇及其配比的確定, 直接關(guān)系到能否有效降低生產(chǎn)鋼鐵的成本或者提高產(chǎn)品價(jià)值, 最終提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)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(zhì)礦, 其含鐵品位一般在 10% ~ 45% , 部分能夠達(dá)到50% 。大多數(shù)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(jié)晶水含量也比較高, 燒損大。

表 1 是國(guó)內(nèi)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(nèi)的熱帶國(guó)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(yùn)輸[ 6]。

世界主要產(chǎn)鎳國(guó)的紅土鎳 礦資源儲(chǔ)量見(jiàn)表2[7, 8]。

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

量的 86%[10]。由于國(guó)內(nèi)紅土鎳礦儲(chǔ)量相對(duì)較少, 我國(guó)每年從菲律賓和印度尼西亞進(jìn)口大量的紅土鎳礦。據(jù)統(tǒng)計(jì), 2011 年 1~ 11 月, 我國(guó)紅土鎳礦的進(jìn)口量為 4769 萬(wàn) t( 毛重) , 而從菲律賓進(jìn)口的紅土鎳礦中, 大約有 800 萬(wàn) 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(wàn) t( 毛重) 紅土鎳礦都用于生產(chǎn)濕法鎳或鎳生鐵[11]。表 3 是 2012 年 1~ 7 月我國(guó)進(jìn)口菲律賓以及印度尼西亞紅土鎳礦的數(shù)據(jù)。

3 紅土鎳礦冶煉工藝簡(jiǎn)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(shù)紅土鎳礦中 Fe 和 Cr 的含量都比較高, 資源沒(méi)有得到合理的利用。濕法工藝通常使用液態(tài)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(huán)境,所以發(fā)展前景不明朗[ 12]?；鸱üに嚢姞t法和高爐法兩種。使用電爐法冶煉的紅土鎳礦, 其產(chǎn)物是鎳含量比較高( 10% ~ 25% ) 的鎳鐵, 但這是通過(guò)抑制冶煉過(guò)程中鐵的還原實(shí)現(xiàn)的, 導(dǎo)致大部分鐵留在了渣中, 造成了資源的浪費(fèi), 而且我國(guó)電力資源供應(yīng)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(chǎn)含鎳量 1% ~ 2% 的低鎳生鐵 。由于紅土鎳礦含鐵品位低, 導(dǎo)致冶煉過(guò)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(huì)對(duì)高爐爐渣的黏度特性產(chǎn)生很大影響。

冶煉低鎳生鐵過(guò)程中渣量大, 會(huì)導(dǎo)致出渣時(shí)渣口開(kāi)放時(shí)間變長(zhǎng), 爐內(nèi)的熱量從渣口向外擴(kuò)散,致使?fàn)t溫降低, 影響高爐順行。因此, 目前國(guó)內(nèi)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(shù)鋼鐵企業(yè)并不使用全紅土鎳礦冶煉, 而是在燒結(jié)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(chǎn)鎳鐵。但是由于紅土鎳礦配入量比較少, 對(duì)降低鐵水成本的作用并不是很明顯。

4 提高燒結(jié)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(yè)開(kāi)始嘗試增大紅土鎳礦在燒結(jié)中的使用量。相比于使用其他低價(jià)劣質(zhì)礦, 鋼鐵企業(yè)提高燒結(jié)中紅土鎳礦配比的優(yōu)勢(shì)不僅僅在于其價(jià)格低廉, 還因?yàn)榧t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(jīng)過(guò)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(jìn)行燒結(jié), 燒結(jié)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(chǎn)品的價(jià)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(chǎn)的燒結(jié)礦( 品位達(dá)到 50% 以上) , 與球團(tuán)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(huì)大幅度上升, 對(duì)高爐的順行影響不大。

5 高紅土鎳礦配比下燒結(jié)礦的性能

51、1 燒結(jié)混合料的配比以及燒結(jié)礦成分

國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)在其 72 m2燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行了高紅土鎳礦配比下燒結(jié)礦的生產(chǎn), 其燒結(jié)混合料的原、燃料成分和配比見(jiàn)表 4, 燒結(jié)礦成分見(jiàn)表 5。

從表 4 中可以看出, 燒結(jié)混合料中紅土鎳礦的配比達(dá)到了 28%, 由于紅土鎳礦的結(jié)晶水含量比較高, 所以提高了焦粉配比。燒結(jié)礦品位為 53141%, 堿度為 1181, 這與該企業(yè)正常配比條件下(紅土鎳礦配比 5% 左右) 生產(chǎn)的燒結(jié)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(jié)礦 FeO 的含量達(dá)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(jié)晶水反應(yīng)生成的 H2和 CO 對(duì) Fe2O3的還原作用所導(dǎo)致的。

5、2 燒結(jié)礦的性能

高紅土鎳礦配比下的燒結(jié)礦與該企業(yè)正常條件下生產(chǎn)的燒結(jié)礦粒度分布見(jiàn)圖 1。

通過(guò)對(duì)粒度分布數(shù)據(jù)的分析, 不難發(fā)現(xiàn): 高紅土鎳礦配比下, 燒結(jié)礦中小粒度級(jí)(0~ 5 mm)明顯增多, 比正常生產(chǎn)條件下高出將近 7% ; 大粒度級(jí)(> 40 mm)比正常生產(chǎn)條件下低了將近5% ; 兩種配比下燒結(jié)礦中 5 ~ 10 mm、10~ 25mm 和 25~ 40 mm 粒級(jí)的比例基本持平。轉(zhuǎn)鼓指數(shù)方 面, 高紅 土鎳 礦配 比下 的燒 結(jié)礦 為71148% , 正常配比下的燒結(jié)礦為 76187% , 后者比前者高出 5139%。轉(zhuǎn)鼓指數(shù)下降、小粒級(jí)增加以及大粒級(jí)減少, 說(shuō)明高紅土鎳礦配比下的燒結(jié)礦強(qiáng)度相對(duì)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(dǎo)致燒結(jié)礦強(qiáng)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(qiáng)度, 這又是燒結(jié)礦在鐵酸鈣生成量不足的情況下強(qiáng)度得以保證的重要原因。

兩種燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能以及還原性比較見(jiàn)表 6。赤鐵礦在 450~ 550 e 時(shí), 由AFe2O3還原成CFe2O3發(fā)生的晶格改變是造成燒結(jié)礦低溫還原粉化的主要原因[16], 而對(duì)燒結(jié)礦還原性起著關(guān)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(chǎn)的燒結(jié)礦中FeO 的含量達(dá)到了 1714% , 而正常配比下生產(chǎn)的燒結(jié)礦中 FeO 含量一般在 10% 以下, 這必然導(dǎo)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(yōu)于后者, 而其還原性卻比后者低了 1013%。

6 結(jié) 論

1) / 精料0無(wú)疑是指導(dǎo)高爐冶煉的一項(xiàng)重要方針, 但是在當(dāng)前富礦資源緊缺、經(jīng)濟(jì)萎靡的形勢(shì)下, 合理利用低價(jià)劣質(zhì)礦是保持鋼鐵企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。

2) 紅土鎳礦不僅價(jià)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(duì)于降低高爐冶煉成本、提高鐵水價(jià)值是有利的, 并且實(shí)現(xiàn)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(jié)礦, 其 FeO 含量比較高, 導(dǎo)致燒結(jié)礦的粒度變小、強(qiáng)度和還原性變差, 但是低溫還原粉化性能變好。

總的來(lái)說(shuō), 高紅土鎳礦配比下的燒結(jié)礦與球團(tuán)礦和塊礦混合使用, 可以達(dá)到高爐對(duì)入爐原料的要求。目前, 國(guó)內(nèi)已經(jīng)有部分鋼鐵企業(yè)使用高紅土鎳礦配比進(jìn)行燒結(jié)生產(chǎn), 在控制生產(chǎn)成本上取得了良好的效果。呂學(xué)偉[17]、謝皓[ 18]等分別對(duì)印度尼西亞和菲律賓的紅土鎳礦燒結(jié)工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和機(jī)理分析, 為提高紅土鎳礦配比的燒結(jié)工藝提供了理論支持。隨著紅土鎳礦相關(guān)燒結(jié)理論體系的逐步成熟與完善, 紅土鎳礦在高爐煉鐵中的應(yīng)用勢(shì)必會(huì)得到更廣泛的關(guān)注。

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