2011钢铁共性技术协同创新中心
工艺与装备开发平台
中期研发工作进展：
“钢铁共性技术协同创新中心”自2014年10月通过国家获批认定至今，运行已满2年。工艺与装备研发平台围绕钢铁行业关键共性工艺与装备技术领域，根据既定的平台顶层设计总体发展思路，锐意进取，各方向拟定的任务得到落实，在冶、铸、轧等工序新工艺、新技术、新装备等方面取得了良好进展，中心工作取得良好成效。针对工艺与装备研发平台的中期进展情况，本报特组织相关报道，以飨读者。
复杂难选铁矿石
悬浮磁化焙烧技术与装备
1前言
磁化焙烧是处理复杂难选铁矿最为有效的技术，研制出生产效率高、运行稳定、能耗低的新型磁化焙烧装备已成为矿业科学界和产业界的共同理想。钢铁共性技术协同创新中心“铁矿资源绿色开发利用”方向提出了“预氧化-蓄热还原-再氧化”的焙烧理念，形成了难选铁矿石“预富集-悬浮焙烧-磁选”新工艺，围绕非均质矿石颗粒运动状态控制、铁矿物多相转化精确调控、悬浮磁化焙烧技术装备工业化应用等开展了系统的研究工作，取得的主要研究成果介绍如下。
2悬浮焙烧主炉气固两相流动数值模拟
采用Euler-Euler双流体模型并结合颗粒动力学理论，建立了悬浮焙烧主炉的几何模型，考察了矿石颗粒悬浮焙烧过程中的流动特性。图1、图2和图3分别给出了不同时刻悬浮焙烧炉内颗粒浓度、速度及气体速度分布状况。
由图1可知，悬浮焙烧炉内颗粒浓度分布表现出强烈的不均匀性。炉内底部颗粒浓度高于顶部，边壁浓度高于中心浓度，在中心形成了一个明显的气体通道。由图2和图3可知，悬浮焙烧炉内的气相和固相瞬时速度分布非常相似，气固两相的速度表现出明显的跟随性。在悬浮焙烧炉下部区域，气相和颗粒相的速度分布图在轴向方向呈现出明显的S型结构。进一步探明了悬浮焙烧炉内气固流动特性，掌握了非均质颗粒流动规律。
3悬浮焙烧副炉气固两相流动特性研究
系统考察了流化风速对悬浮磁化焙烧过程中副炉内气固两相流动特性的影响规律并通过试验测得不同粒级条件下物料的临界流化速度，建立了炉内压强和压强脉动的流化风调控机制，为悬浮焙烧炉内物料的还原过程和系统安全稳定运行奠定了理论和技术基础。
3.1流化风速对悬浮磁化焙烧过程中副炉内气固两相流动特性的影响规律
图4和图5分别给出了不同流化风速下副炉轴向压强分布特征及轴向压强脉动特性。
由图4可知，随着轴向高度的增加，轴向压强线性降低，而这部分压降正是提供了物料从下向上运动的动力，使得系统得以正常运行。由图5可知，随着流化风速的增大，压强脉动随之增大，副炉内气固两相流动的不均匀性逐步增大。
3.2临界流化速度试验研究
根据Ergun公式，床层压降随着流体速度的增加呈线性增加。不同粒级的床层压降与流体速度的关系如图6所
2011钢铁共性技术协同创新中心工艺与装备开发平台 “钢铁共性技术协同创新中心”自2014年10月通过国家获批认定至今，运行已满2年。工艺与装备研发平台围绕钢铁行业关键共性工艺与装备技术领域，根据既定的平台顶层设计总体发展思路，锐意进取，各方向拟定的任务得到落实，在冶、铸、轧等工序新工艺、新技术、新装备等方面取得了良好进展，中心工作取得良好成效。针对工艺与装备研发平台的中期进展情况，本报特组织相关报道，以飨读者。中期研发工作进展示。
由图6可知，随着风速的增加，不同粒级的颗粒压降先不断增大，然后床层压降值出现拐点，趋于稳定。通过风速与压降曲线图获得临界点，其对应的横坐标便是临界流化速度；颗粒终端速度由计算得到。试验得到的不同粒级的临界流化速度见表1。
4悬浮磁化焙烧过程中铁矿物物相转化规律
系统考察了焙烧因素（物料粒度、气体速度、H2浓度、还原温度、还原时间等）对悬浮磁化焙烧过程中铁矿物物相转化的影响规律，建立了焙烧物料磁性和物相调控机制，为劣质铁矿资源悬浮焙烧应用奠定了理论和技术基础。
为探明悬浮焙烧前后物料中铁物相的变化规律，分别进行XRD衍射分析，悬浮焙烧前后还原物料的XRD衍射图谱如图7所示。由图7可知，悬浮焙烧前原料的衍射峰主要由石英、赤铁矿、方解石、鲕绿泥石组成。经悬浮焙烧后物料的衍射图谱中赤铁矿的特征峰已完全消失，焙烧物料图谱中仅有石英和磁铁矿的衍射峰，表明物料中的赤铁矿已全部转变为磁铁矿。
图8为悬浮磁化焙烧前后物料的穆斯堡尔谱分析结果。由图8可知，焙烧前物料的穆斯堡尔谱由一组六指峰及两组四极双峰叠加而成，六指峰为赤铁矿亚谱，两组四极双峰分别为鲕绿泥石及菱铁矿亚谱。焙烧后物料的穆斯堡尔谱变化明显，由三组六指峰亚谱和一组四极双峰组成，菱铁矿的峰已完全消失，赤铁矿的六指峰显著减弱，并出现两组磁铁矿六指峰。焙烧后物料中磁铁矿相对含量为90.22%。结果表明，经悬浮焙烧可使物料中的弱磁性铁矿物转变为磁铁矿，焙烧效果较好。
为探明冷却方式对悬浮焙烧物料铁物相转变的影响，对悬浮焙烧物料进行冷却试验。焙烧后的物料在N2气氛中冷却至350℃，通入600ml/min的空气对焙烧物料进行氧化处理，氧化时间为10min，氧化温度为350℃，氧化完成后在N2气氛中冷却至常温，冷却后的物料进行穆斯堡尔谱分析，结果如图9所示。由图9可知，冷却后物料中铁物相由磁铁矿、γ-Fe2O3、鲕绿泥石及赤铁矿组成。表明经氧化后悬浮焙烧物料中的部分磁铁矿转变为γ-Fe2O3，其含量为34.48%。
在赤铁矿悬浮焙烧过程中，可发现磁铁矿对赤铁矿还原过程有强化作用，故又对磁铁矿对赤铁矿悬浮焙烧还原过程强化机理进行探究。分别对磁铁矿比例占0%、8%、16%的赤铁矿进行动力学研究，结果如图10所示。由图可知，赤铁矿还原反应过程可以分为3个阶段，第一阶段为650-700K，在该阶段时，赤铁矿开始进行还原反应，反应速率比较慢；第二阶段为700-830K，在此阶段为赤铁矿主要的还原反应发生阶段，还原反应速率较大；第三阶段为830K至反应结束，这段时间内，赤铁矿的还原反应基本完成，反应速率逐渐降低。相同还原温度下，添加磁铁矿体系转化率明显高于单一赤铁矿体系，表明磁铁矿对赤铁矿悬浮焙烧还原反应具有强化作用。
5工业化进展
目前，钢铁共性技术协同创新中心与沈阳鑫博工业技术股份有限公司、中国地质科学院矿产综合利用研究所、鞍钢矿业集团、酒泉钢铁集团等多家单位合作，完成了东鞍山铁矿石、鞍钢东部综合尾矿、酒钢粉矿等国内典型的难选铁矿资源的预富集-悬浮磁化焙烧-磁选连续扩大试验，均取得了良好的焙烧效果和分选指标，且设备运行稳定。
5.1东鞍山铁矿石
东鞍山铁矿石是我国典型的贫杂赤铁矿，具有铁矿物结晶粒度细、氧化程度深、矿物组成复杂等特点。为实现东鞍山铁矿石的高效开发利用，东北大学针对东鞍山铁矿石特点提出采用“预富集-悬浮磁化焙烧-磁选”新工艺处理东鞍山铁矿石，并开展了系统的试验研究。采用磁选预富集工艺进行预先选别，在原矿铁品位31.74%的条件下，经过一段弱磁选、一段强磁筒式磁选机粗选、一段立环高梯度磁选机扫选，可获得铁品位为42.02%、回收率为90.02%的磁选混合精矿。
东鞍山铁矿石预富集的混合磁选精矿采用悬浮磁化焙烧-磁选试验流程进行试验，预选精矿悬浮磁化焙烧连续试验，累计稳定运行72h，处理矿样10t。悬浮磁化焙烧产品经磁选可获得精矿铁品位66.55%，铁总回收率77.01%的优异技术指标。与现有分选工艺相比精矿品位提高2个百分点，回收率提高15个百分点以上。
5.2 鞍钢东部尾矿悬浮磁化焙烧
目前，尾矿综合利用已成为我国冶金矿山行业的重要发展方向。国内铁矿尾矿累计堆存量巨大，成为我国矿业经济可持续发展的瓶颈问题。鞍钢矿业集团目前尾矿累计堆存量已达6亿吨以上，且每年新增尾矿4000多万吨。鞍钢东部尾矿硅含量高、铁矿物含量低，需采用强磁选技术预富集铁矿物。通过系统试验，确定鞍钢东部尾矿预富集工艺。采用该工艺处理东部尾矿，获得了混合磁选精矿TFe品位为29.84%，铁回收率为61.58%的分选指标。
对鞍钢东部尾矿预富集的混合磁选精矿进行了悬浮磁化焙烧-磁选扩大连续试验，试验连续稳定运行72h。悬浮磁化焙烧产品通过磁选可获得铁精矿TFe品位65.69%、焙烧物料磁选作业回收率89.85%的技术指标。在扩大连续试验取得的研究成果基础上，鞍钢矿业集团目前已完成东部尾矿2850万t/a PSRM项目的初步设计。
5.3酒钢粉矿
甘肃嘉峪关地区已探明的镜铁矿资源达5.54亿吨，属国内最大的镜铁矿产区，是酒泉钢铁集团选烧厂主要原料基地。矿石中镜铁矿嵌布粒微细、褐铁矿与菱铁矿含量高，其可选性极差，资源利用效率较低。为使该矿石能获得高效利用，针对酒钢粉矿开展了系统的试验研究工作。采用“预富集-悬浮磁化焙烧-磁选”工艺处理酒钢粉矿。在原矿TFe品位32.50%的条件下，可获得精矿TFe品位60.37%、总回收率77.53%的分选指标。
连续试验样品的磁性转化率和分选指标如图11和图12所示。连续悬浮焙烧试验过程中，样品的磁性转化率均在76%以上，平均值为79.25%；铁精矿平均品位为56.92%；铁回收率平均值为86.61%。
悬浮焙烧系统关键部位温度和压力监测结果表明，整个试验过程中悬浮焙烧系统关键部位的压力、温度保持稳定，反应器内的还原温度可以稳定在530-550℃范围内。
在扩大连续试验取得的研究成果基础上，形成了《酒钢粉矿悬浮磁化焙烧选矿改造工程可研报告》。该报告2016年5月通过审查，评审委员会一致认为：该技术合理可行，主要工艺装备论证比较充分，主体工艺风险分析及控制措施基本到位，深度达到可研要求（图13）。2016年6月酒钢粉矿PSRM项目一期工程已正式开工建设，投资4.8亿元，建设一条年处理粉矿165万吨的悬浮焙烧选矿生产线。该生产线预定2017年10月底建成投产，标志着悬浮焙烧项目步入工业化建设阶段（图14）。项目全部建成投产后，据估算，酒钢集团吨铁矿石成本可降低57.98元，每年降低生铁成本3.01亿元，经济效益巨大，同时该工程被列为2017年甘肃省重大项目。
酒钢难选铁矿资源预富集-悬浮焙烧-分选技术工程项目的开工建设表明，复杂难选铁矿石预富集-悬浮焙烧-分选技术已经成熟，是复杂难选铁矿资源高效开发利用领域的重大突破。
本文摘选自本报2017年第27期B04部分内容，若要详细了解更多相关行业和技术信息，请关注本报纸质报纸每期A版和B版内容，或者登陆本报手机APP客户端，或者本报网站新址：https://www.worldmetals.com.cn/电子报阅读全文。转载请注明出处。
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