煤基直接还原工艺在我国复杂铁矿资源利用中的应用

 　　张诗瀚，王广，杜亚星，王静松，薛庆国

　　北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室

　　
　　前言

　　我国铁矿资源总量丰富，但绝大部分是低品位、多元素共生的复杂矿，具有采矿选矿和冶炼技术难度大的特点[1]。典型的复杂铁矿资源包括：钒钛磁铁矿、红土镍矿、稀土铁矿、铌铁矿、高镁含硼铁矿、高磷鲕状赤铁矿、高铁铝土矿等。近年来随着中国钢铁产能的大幅增长，对高品位铁矿石的需求量迅猛增加，国内铁矿石供应严重不足，对外依存度达到60%左右，不利于我国钢铁工业的稳定发展[2]。因此，实现复杂铁矿资源的综合利用是解决我国钢铁产业安全问题的重要途径。与传统高炉工艺处理复杂铁矿资源相比，煤基直接还原工艺具有流程短、原料适应性强、反应速率快、设备简单、操作灵活等优点[3]，能够实现铁与非铁元素的高效分离，达到综合利用我国复杂铁矿资源的目的。本文主要总结了煤基直接还原工艺在处理我国主要复杂铁矿资源中的应用。

1　　煤基直接还原工艺处理钒钛磁铁矿

　　攀枝花钒钛磁铁矿是一种伴生钒、钛、钴等多种元素的磁铁矿，其矿石储量高达100亿吨，居我国铁矿储量第二位，钒、钛储量分别占全国的80%和90%以上。目前，钒钛磁铁矿资源的利用主要分为高炉法和非高炉法两种。高炉法是通过选矿-烧结-高炉炼铁-转炉提钒-半钢炼钢一系列工序进行钒钛磁铁矿冶炼，目前已取得大规模的工业化应用。但是，该工艺只回收了铁精矿中的铁和钒，而钛基本都进入了高炉渣，渣中TiO2的含量高达25%，且基本无回收，从而造成钛资源的极大浪费[4]。与传统高炉工艺相比，煤基直接还原工艺能够提高铁、钒、钛的回收率，且在能源、环保、原料适应性方面具有较强竞争力。煤基直接还原综合利用钒钛磁铁矿的代表性技术主要有：回转窑直接还原-电炉熔分法、转底炉直接还原-电炉熔分法等。

　　回转窑直接还原流程处理钒钛磁铁矿，目前已实现工业化生产的代表厂家是南非海威尔德钢厂和新西兰钢铁公司。从南非和新西兰的生产流程看，回转窑流程存在以下问题：为保证电炉熔分工艺的顺行，熔分过程中需加大量造渣料进行调渣，从而造成TiO2含量从理论的48%以上降低到实际的35%以下，而对于TiO2含量30~35%的钛渣，目前尚无经济方法能够提取回收渣中的钛，因此该工艺只能回收铁和钒[5]。

　　国内应用预还原-电炉熔炼工艺的主要有四川龙蟒集团和攀钢集团，均采用转底炉（煤基直接还原）-电炉（深还原熔分）工艺。转底炉煤基直接还原-电炉熔分处理钒钛磁铁矿工艺，采用转底炉进行高温快速还原，在20~30min使金属化率达到75~85%。预还原的金属化球团在电炉中实现渣铁分离，并完成终还原，得到TiO2含量在50%以上的富钛渣和0.4%左右的含钒生铁。新流程可以实现回收率铁~97%、钒~86%、钛 98~99%、铬~80%的较高水平[6,7]。

　　2煤基直接还原工艺处理红土镍矿

　　红土镍矿是由镍、铁、镁、硅等的含水氧化物组成的疏松的粘土状矿石，其有价组分主要有铁、镍、钴和铬。从节能减耗的角度出发，对于含镍低，铁多、硅镁少的褐铁矿型红土镍矿，宜采用湿法浸出工艺，而对于含镍较高，铁低、硅镁高的硅镁型红土镍矿，宜采用火法工艺。煤基直接还原综合利用红土镍矿的代表性工艺主要有：回转窑预还原-电炉熔分工艺、回转窑直接还原-磁选富集镍铁工艺、转底炉预还原-电炉熔分工艺等[8]。

　　煤基直接还原综合利用红土镍矿的代表性企业如北海诚德镍业有限公司[9]，采用回“转窑直接还原-磁选富集镍铁”工艺处理红土镍矿。生产流程主要包括原料系统、回转窑焙烧系统、磁选系统、烟气除尘系统等工序。针对铁含量18%、镍含量1.8%的印度尼西亚红土镍矿，焙烧温度为1300~1350℃，烧结矿经磨矿磁选-中频炉融化去渣，得到镍品位10.5%的镍铁，金属回收率为88%。该工艺用煤代替电作为能耗，能源利用效率更高，有效地降低了镍铁生产成本，为企业创得了可观的效益。但该工艺也存在烧结矿破碎难度大、产量偏低、作业率偏低等问题，所以需要进一步的完善和发展。

　　中南大学杨慧兰等人[10]，基于“回转窑预还原-电炉熔分”工艺（RKEF法），以硅镁型红土镍矿、焦粉和少量熔剂组成的复合球团为原料，综合考虑镍的品位和金属回收率，在200 g矿配入22 g焦粉，22 g石灰石，1550℃时熔炼50min的最佳熔炼条件下，得到镍品位为22.8%的镍铁合金，合金中S、P 含量分别约为0.4%、0.05%，镍、铁的回收率分别为97.6%和46.9%。该工艺的优点是生产效率高、物料适应性广泛、生产易于控制和实现，且产品镍铁可用作不锈钢生产原料。该工艺的缺点是无法回收镍矿中的钴，且耗电量大、渣量大。

　　东北大学李晓明等人[11]，基于“回转窑直接还原-磁悬富集镍铁”工艺（大江山法），以红土镍矿、烟煤和少量熔剂组成的复合球团为原料，先将红土镍矿中的镍和铁还原为金属，然后对还原物料进行磁选分离，得到粗镍铁和炉渣。试验确定的适宜的还原参数范围：还原温度为1275℃~1300℃，C/O比不超过1.3，CaO添加量为7.5%。该工艺的优点在于设备简单、综合能耗低、生成金属流程短且产品杂质含量低；缺点为操作条件苛刻、难于操作和控制、窑内容易结圈、尾渣产量大且渣未能直接利用。

　　范兴祥等[12]，基于“转底炉预还原-电炉熔分”工艺，针对铁品位21.38、镍品位1.26的红土镍矿，进行了试验研究。研究表明在熔剂石灰配比为 25%，还原剂配比为 3.5%，预还原温度为1150℃，预还原时间为30 min，电炉熔分温度为1450℃，熔分时间为15min的条件下，经转底炉预还原电炉熔分后，获得镍质量分数为8.68%、镍回收率 97.62%、铁质量分数为 86.23%的镍铁合金，该合金可用作不锈钢生产原料。
　　
       3煤基直接还原工艺处理白云鄂博稀土矿

　　白云鄂博矿是以铁、稀土、钍、铌等为主的多元素共生矿，其中稀土的储量居世界第一，远景储量1.35亿吨，工业储量4350万吨，占全国工业储量的83%。白云鄂博稀土矿每年开采的稀土氧化物（RE2O3）总量近60万吨，能够满足全世界稀土氧化物的需要。但资源浪费十分严重，稀土回收率不到10%，其余随选矿尾矿或者高炉渣进入尾矿坝堆存[13]。白云鄂博矿石具有铁品位低，碱金属含量高的特点。因此高炉冶炼白云鄂博矿石会加剧烧结矿还原粉化、引起球团矿异常膨胀、造成高炉结瘤、加剧炉衬侵蚀等问题，给高炉的长寿高效带来不利的影响，无论是从经济意义上还是从高炉顺行角度都不适合直接入高炉冶炼。煤基直接还原综合利用白云鄂博稀土矿具有代表性的技术主要有：直接还原-磁选法、转底炉直接还原-熔分法等。

　　东北大学韩越新、高鹏等人[14]，提出用“直接还原-选矿”的方法来处理白云鄂博矿，直接还原采用内配碳煤基还原工艺，基于热力学性质的差异，铁的氧化物被还原成金属铁，而稀土则以氧化物的形式存在，破碎后通过磁选分离铁和稀土渣。试验结果表明：在还原温度为1225℃、还原时间为30min、配碳比为2的条件下，得到了全铁品位为93.33%、金属化率为94.18%、铁回收率为88.93%的铁粉。该工艺实现了铁的有效富集，但该流程明显的问题在于海绵铁中的铁主要以金属铁形式存在，而且破碎难度极大，此外破碎后的直接还原铁粉粒度较细、容易被氧化，且没有回收稀土元素，造成了稀土元素的极大浪费。

　　北京科技大学丁银贵等人[15]，基于“转底炉珠铁”工艺，提出了选择性还原熔分-渣中有价组分选择性析出与解离的新工艺，以此实现铁和稀土的分离富集而达到综合利用的目的。试验确定了最佳的工艺参数：还原熔分温度在1400℃，焙烧时间为12min。该条件下渣铁能够较好的分离，得到C、S含量分别为3.45%和1.48%的珠铁以及稀土氧化物含量为14.19%的富稀土渣，珠铁中铁的收得率为97.26%，稀土元素几乎全部进入渣相，且渣中主要结晶物为稀土相（铈氟硅石）、氟化钙和枪晶石，物相构成十分简单，从而有利于稀土元素的分离回收。       1起球团矿异常膨胀、造成高炉结瘤、加剧炉衬侵蚀等问题，给高炉的长寿高效带来不利的影响，无论是从经济意义上还是从高炉顺行角度都不适合直接入高炉冶炼。煤基直接还原综合利用白云鄂博稀土矿具有代表性的技术主要有：直接还原-磁选法、转底炉直接还原-熔分法等。

　　东北大学韩越新、高鹏等人[14]，提出用“直接还原-选矿”的方法来处理白云鄂博矿，直接还原采用内配碳煤基还原工艺，基于热力学性质的差异，铁的氧化物被还原成金属铁，而稀土则以氧化物的形式存在，破碎后通过磁选分离铁和稀土渣。试验结果表明：在还原温度为1225℃、还原时间为30min、配碳比为2的条件下，得到了全铁品位为93.33%、金属化率为94.18%、铁回收率为88.93%的铁粉。该工艺实现了铁的有效富集，但该流程明显的问题在于海绵铁中的铁主要以金属铁形式存在，而且破碎难度极大，此外破碎后的直接还原铁粉粒度较细、容易被氧化，且没有回收稀土元素，造成了稀土元素的极大浪费。

　　北京科技大学丁银贵等人[15]，基于“转底炉珠铁”工艺，提出了选择性还原熔分-渣中有价组分选择性析出与解离的新工艺，以此实现铁和稀土的分离富集而达到综合利用的目的。试验确定了最佳的工艺参数：还原熔分温度在1400℃，焙烧时间为12min。该条件下渣铁能够较好的分离，得到C、S含量分别为3.45%和1.48%的珠铁以及稀土氧化物含量为14.19%的富稀土渣，珠铁中铁的收得率为97.26%，稀土元素几乎全部进入渣相，且渣中主要结晶物为稀土相（铈氟硅石）、氟化钙和枪晶石，物相构成十分简单，从而有利于稀土元素的分离回收。

　　4煤基直接还原工艺处理铌铁矿

　　白云鄂博矿床的铌资源储量达660万吨，占我国总储量的95%以上，铌矿物共有18种，具有存储量大、嵌布粒度小、分散程度高、含铌品位低、结构复杂等主要特征[16]。包钢根据自身的特点，提出了高炉-转炉-电炉-电炉工艺流程，并作为之后提铌的主要工艺。但该工艺存在以下问题：工艺复杂、流程较长、设备成本高、铌回收率较低、得到的含铌氧化物只能冶炼低级铌铁，目前已被废弃。煤基直接还原综合利用白云鄂博铌铁矿具有代表性的技术主要有：直接还原-磁选法、转底炉直接还原-熔分法。

　　东北大学方觉等[17]，根据包头矿高铁低铌的特点提出“回转窑直接还原-电炉熔分冶炼工艺”。该工艺以包头氧化球团为原料，能够以较高的回收率综合提取包头矿中的Nb、Fe和Mn等元素。选择性还原的目标是将铁从氧化物中还原出来，铌则仍保持氧化状态，使铁和铌在熔分过程中分别进入金属相和渣相，达到铁铌分离的目的。张家元等[18]用此工艺对含Nb2O51.82%的铌精矿在1050℃保温60min的回转窑内进行选择还原，在1600℃的管式电阻炉内进行熔分，并在电弧炉内进行冶炼，可获得含Nb>40%、Nb/P>15.2的铌铁，全流程的铌收得率为83.2%。该工艺可以更好的控制冶炼条件，提高铌铁产品的品位和冶炼过程中铌的收得率。然而，回转窑焙烧过程对球团的强度要求较高，且易发生回转窑结圈，同时大量粘结剂得加入易导致渣量增大。此外，电炉冶炼过程中，存在点弧困难、电耗高的问题。

　　北京科技大学蒋曼等[19]，基于“煤基直接还原焙烧-磁选”工艺，针对TFe品位为58%，Nb2O5品位为1.19%的含铌铁精矿进行了研究。实验结果表明：焙烧温度为1300℃，无烟煤的用量20%，助熔剂石灰石用量为10%，焙烧时间 60 min，得到还原铁产品中铌含量达到1.75%，回收率94%， 90%的铌矿物富集进入了还原铁产品中。该工艺法可使提铌工艺简化，具有低能耗、铌回收率高的优点，但该工艺只能冶炼低级铌铁。

　　东北大学刘立刚等[20]，基于“直接还原-电炉熔分-磁选”工艺，针对TFe品位为35.5%，Nb2O5品位为4.32%的含铌铁精矿进行了试验研究。铌铁精矿最佳的直接还原参数为：C/O=0.9，还原温度为1200℃，还原时间为20min。在此条件下，金属铁颗粒聚集长大，Nb以TiNbO4的形式镶嵌在渣中，同时生成少量NbC，这样的分布形态为磁选分离制备富铌渣创造了有利条件。熔分得到的富铌渣铌含量为4.3%，铌回收率仅为69.40%。磨样3min，磁选分离得到的富铌渣铌品位为5.16%，铌回收率为89%，富铌渣可用于电炉还原生产铌铁合金。

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