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      1. 高品位磁鐵精礦球團煤基直接還原的試驗研究

        2020-04-13 10:48:39 作者:huangj 來源: 瀏覽次數:0 網友評論 0

        高品位磁鐵精礦球團煤基直接還原的試驗研究

         朱德慶,潘建,郭正啟,楊聰聰,嚴欣程

        中南大學資源加工與生物工程學院

               1 前言

        直接還原工藝是非高爐煉鐵的主要方法之一,它是鐵礦石在低于其熔點的溫度條件下,以固態的形式還原成金屬鐵的工藝。這一工藝所生產的還原鐵也被稱為直接還原鐵(Direct Reduction Iron,簡稱為DRI)。當DRI的原材料為超純鐵精礦時,所制備的產品性能極佳,其純度高,可作為電爐煉鋼的原料和轉爐煉鋼的冷卻劑。DRI進入鋼鐵工業后,得到了廣泛的認可,甚至被認為將引領21世紀鋼鐵工業發展方向。近年來,世界DRI的產量逐漸提高,2017年全球DRI產量高達8710萬噸[1]。目前, HYL和MIDREX是DRI生產的主要技術, 由這兩種工藝生產的直接還原鐵的產量占世界DRI總產量的80%以上。

        然而,中國直接還原鐵產量較低,在世界鋼鐵協會的《Steel Stastistical Yearbook 2017》中,已經連續7年(2010年至2016年)無中國的直接還原鐵產量。但是從20世紀50年代開始,中國就已經開始進行直接還原相關技術的開發和研究工作[2,3]。不過由于天然氣短缺的先天性限制,中國對直接還原的研究主要集中在煤基直接還原工藝,比如回轉窯、隧道窯、轉底爐等。煤基隧道窯罐式法生產工藝技術壁壘低、投資小,適合小規模生產,但是隧道窯法污染較為嚴重、能耗較高、單機產能較小,且其所得DRI質量相對較差,不能滿足當今鋼鐵行業的需求,難以獲得較大的發展前景[4,5]。近年來,轉底爐工藝愈發受到我國的關注,建成了多座轉底爐,但是,轉底爐工藝煤灰會滲入DRI中,使其鐵品位降低、S含量增高,難以滿足煉鋼生產的需求。目前對轉底爐的應用主要為復合礦和二次資源的綜合利用[6-8]。回轉窯工藝技術發展迅速,回轉窯是我國最重要的直接還原設備,但對原料要求高,只適用于球團或塊礦,同時該工藝對技術要求高,可結合我國煤炭資源豐富,天然氣匱乏的特點。回轉窯法是目前能夠穩定大規模生產直接還原鐵的最佳選擇。截至2014年底,我國曾建成6條煤基回轉窯直接還原生產線,總產能約65萬t/年。其中天津鋼管的2條生產線是引進英國戴維公司的直接還原回轉窯,以塊礦或氧化球團為原料,產品質量優良,但2008年10月起由于缺乏優質原料而被迫停產至今[9,10]。若能提高鐵精礦原料的性能,煤基回轉窯技術制備優質DRI產品具有較大的技術和經濟優勢。

        此外,近些年來,隨著我國超純鐵精礦的需求量日漸加大,迫使利用國內鐵精礦深加工以研制超純鐵精礦的發展規劃提上日程,相繼開發了階段磨礦-階段磁選、磁選-浮選聯合、階段磨選-弱磁選和磁選柱的雙重精選等工藝,破解了鐵精礦提純的難題[11-12]。目前,生產出鐵精礦70%以上的鐵精礦并非難題。

        以直接還原鐵為原料的電爐煉鋼短流程是冶煉優質鋼和特種鋼的重要工藝,節能減排優勢明顯,是《鋼鐵工業調整升級規劃(2016-2020年)》特別指出的鋼鐵工業發展趨勢。結合我國資源特點,大力發展煤基回轉窯DRI生產,對完善高爐長流程、發展電爐短流程,推動鋼鐵工業的綠色發展和產業結構升級調整具有重大意義。本文以某鐵品位高達69%的國產超純磁鐵精礦為研究對象,開展了鐵精礦球團煤直接還原基礎與工藝研究,開發超細超純磁鐵精礦的球團直接還原技術,拓寬球團礦生產原料來源,同時制備高品質的直接還原鐵,為電爐冶煉優質鋼提供高品質爐料。

        2 原料性能及研究方法

        2.1 原料性能

        2.1.1 高品位鐵精礦

        所使用的高品位鐵精礦均產自甘肅地區,由甘肅某公司提供。鐵精礦化學成分分析列于表1。由表可知,OGM鐵品位為69.42%,SiO2含量為1.23%,P、S、Pb、Zn和Cu等有害含量極低,從化學成分看,是一種優質的DRI原料。

         

        高品位鐵精礦的粒度組成及物理性能見表2及3。該磁鐵精礦粒度極細,其中-200目超過99%,-325目超過63%,從粒度組成上看可以直接用于造球。OGM鐵精礦成球性指數K為0.29,屬于弱成球性成球性鐵精礦。由表3可知,該磁鐵精礦的比表面積僅為1231cm2/g,不能滿足后續的造球要求,因此需要進一步的高壓輥磨預處理。 

         

        2.1.2還原煤

        本文使用神府煤作為還原劑,還原煤均為外配。神府煤工業分析結果見表4,還原煤灰渣軟熔特性見表5,化學成分見表6。由表可知,神府煤的固定炭含量高達52%,揮發分30.41%,灰分不到5%,硫含量僅為0.34%。直接還原用煤要求固定炭含量高于50%,揮發分30%左右,灰分小于10%,全S含量低于1%,焦渣特征數不大于2。神府煤具有較高的固定炭含量,適宜的揮發分,較低的灰分和硫含量,適合作為直接還原用煤。此外,神府煤灰分熔點較高,可以有效避免還原過程中回轉窯結圈問題。

         

        2.1.3粘結劑

        為不降低DRI產品的鐵品位,本研究采用有機粘結劑和膨潤土聯合強化鐵精礦造球。由表可知,膨潤土的吸藍量為37.45g/100g,蒙脫石含量為84.73%(超過60%),吸水率569%,遠高于一級品120的要求,膨脹倍數也高達14 ml/g,是一種優良的膨潤土。本研究采用了有機添加劑-聚丙烯酰胺(PAM),取代部分膨潤土。PAM是一種線型高分子聚合物,呈顆粒狀,分子量500萬以上。本研究采用的有機粘結劑為聚丙烯酰胺分析純試劑。

         

        2.2 研究方法

        鐵精礦直接還原試驗主要分為造球、干燥、預熱和焙燒、直接還原等步驟。

        造球:鑒于OGM鐵精礦比表面積較小,成球性較差,可對其進行高壓輥磨預處理,以提高其成球性能。分別以PAM、F粘結劑及膨潤土作為添加劑,加入干重為3.5kg的OGM鐵精礦,將原料混勻后以圓盤造球機造球。造球機傾角為45°、直徑為1m、邊高為0.3m及轉速為25r/min。取合格生球檢測其生球性能,確定適宜的添加劑及其配比。確定適宜造球參數后,制備合格生球。

        氧化球團制備:本文模擬鏈篦機-回轉窯制備氧化球團。均以CWQ-55臥式管爐(加熱室尺寸φ40×300mm)作為預熱焙燒及氧化焙燒的設備。生球先在烘箱中105℃ 溫度下干燥4小時,干球裝在長6cm,寬3cm,高2cm的剛玉瓷舟中進行預熱(氧化)焙燒試驗。模擬鏈篦機制備預熱球團進行預熱焙燒一段試驗;模擬鏈篦機-回轉窯制備氧化球團進行預熱焙燒及氧化焙燒二段試驗。氧化球團一般以球團抗壓強度作為評價指標。生球經預熱焙燒或氧化焙燒后冷卻至室溫,使用壓力機測其抗壓強度,壓力機采用中南大學研制的ZQYC-智能抗壓測量儀,測量8個粒徑在10~12.5mm之間的預熱(氧化)球團抗壓強度,取其平均值。

        直接還原:本文直接還原是以KSY-12-18馬弗爐(加熱室尺寸35×40×52cm)模擬進行,由硅碳棒發熱外部供熱。每次實驗,取60g預熱或氧化球團,按照C/Fe質量比計算并配入還原煤。并將1/3的還原煤均勻放置在剛玉坩堝中,隨后裝入球團,在上面覆蓋剩余的2/3還原煤。裝料完成后,將坩堝放入已升至目標溫度的馬弗爐內進行還原。還原結束后,迅速取出坩堝,并將坩堝埋入煤堆里,以防止再氧化。冷卻后的直接還原球團非常容易便可與殘碳分離,經過干式磁選與篩分,在進行簡單的清理便可獲得質地純凈的金屬化球團。使用ZQYC-智能抗壓測量儀測量冷卻后還原球團的抗壓強度。

        3.結果與討論


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