铁矿资源高效开发利用关键技术与装备

钢铁工业协同创新关键共性技术丛书

编者按：“钢铁工业协同创新关键共性技术丛书”由钢铁共性技术协同创新中心副主任王国栋院士担任主编，业内多位院士担任顾问，联合钢铁行业各领域的权威专家、学者共同撰写，凝炼出涵盖整个钢铁制造全流程（选矿-冶炼-热轧-冷轧-产品-服务）的关键共性技术，包含国际原创性工艺思想和生产装备技术，可供钢铁企业及广大科技工作者了解新技术、应用新技术，帮助企业开阔视野、正确决策，促进钢铁行业高质量绿色发展。

铁矿资源高效开发利用关键技术与装备

1 技术背景

为实现我国铁矿资源的高效综合开发利用，推动钢铁行业绿色低碳高质量发展，东北大学2011钢铁共性技术协同创新中心“铁矿资源绿色开发利用”方向提出了铁矿资源“劣质能用、优质优用”的发展战略，并围绕悬浮磁化焙烧、深度还原短流程、超级铁精矿与洁净钢基料绿色制备、陶瓷球搅拌磨机节能磨矿、含碳酸盐赤铁矿石分步浮选等理论与应用技术开展了系统研究，研发了一系列铁矿石高效开发利用新技术与装备，为铁矿资源的高效化、绿色化、高质化加工利用提供了理论和技术支撑。

2 悬浮磁化焙烧技术与装备

传统磁化焙烧过程中，存在不同类型铁矿物反应不同步，还原剂用量大且难以保证还原效果，以及产品冷却过程余热未利用等问题。针对上述问题，系统研究了赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿恒温还原过程，研究结果表明，不同类型铁矿物在磁化焙烧过程中物相转化速率存在明显差异，这是常规磁化焙烧效果差的本质原因。据此创造性地提出了“预氧化-蓄热还原-再氧化”多段悬浮焙烧新技术。第一阶段将矿石在氧化气氛下加热，将褐铁矿、菱铁矿氧化或分解为赤铁矿和磁铁矿，提高了物料均一性，并使矿石颗粒内部生成大量的微孔和裂隙，提高了还原反应活性；第二阶段停止加热，通入焦炉煤气、天然气裂解气等氢基还原剂创造强还原气氛，利用矿石自身蓄热使赤铁矿快速还原为磁铁矿；第三阶段冷却过程将部分磁铁矿氧化为磁赤铁矿，降低磁团聚同步回收潜热。基于悬浮流场中蓄热还原理论与技术需求，研发了复杂难选铁矿石悬浮磁化焙烧（PSRM）系列化工业装备，建成了赞比亚60万吨/年（图1）和酒钢165万吨/年的工程示范，完成鞍钢、酒钢、海南矿业、塞拉利昂等国内外20余种矿石应用，均获得优异指标，铁回收率较现有工艺均提高15个百分点以上，预计盘活复杂难选铁矿资源200亿吨以上，较常规焙烧工艺吨精矿能耗降低20%以上，废气粉尘浓度≤10mg/Nm³，具有低碳高效、清洁环保等特点。

3 难选铁矿石深度还原技术

针对嵌布粒度极微细、矿物间嵌布关系密切、含有害元素P和S、共伴生其他金属的铁矿物，创造性提出了深度还原技术。在深度还原过程中，铁氧化物按Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe的顺序逐渐还原。矿石中Si、Mg、Ca、Al等杂质组分可与铁氧化物反应生成2CaO·Fe₂O₃、4CaO·Fe₂O₃、FeO·Al₂O₃、2FeO·SiO₂等，但生成物可被继续还原生成金属铁。脉石矿物不可被还原为单质，但其之间也可能发生反应，生成新的杂质相。在Fe₂O₃、SiO₂、Al₂O₃、CaCO₃多种组合的体系中，随着矿石体系复杂程度增加，反应活化能及指前因子增加，说明深度还原反应过程的阻力变大。还原过程中，铁矿石颗粒表面的铁氧化物形成微细的Fe颗粒，这些颗粒成为铁晶粒长大的晶核；随着反应的进行，新生成的金属铁向晶核迁移集聚，并不断长大。深度还原过程中金属颗粒的生长是一个复杂的过程，随着还原的进行，颗粒的生长机制发生改变；还原前期，金属相的生长由铁矿物还原为金属铁的界面化学反应控制；还原后期，金属铁颗粒的生长受表面扩散和金属铁在固体渣相中的扩散联合控制。基于上述研究成果，开发了难选铁矿石深度还原高效分离新技术，建成了2万吨/年的深度还原生产系统，深度还原半工业试验获得了铁品位和回收率均大于90%的技术指标。

4 超级铁精矿与洁净钢基料绿色制备技术

我国目前生产洁净钢的主要原料为高炉铁水及进口纯铁，以高炉铁水为原料生产洁净钢时，铁水中残留元素需在铁水预处理、转炉炼钢等过程中去除，造成了炼钢工艺流程的复杂和成本的上升，严重影响我国洁净钢的生产。近年来，随着粉末冶金、直接还原、高端钢材及3D打印等技术的高速发展，对超级铁精矿的需求也日益增多。鉴于此，团队提出了基于源头控制杂质含量的“铁精矿深度提质-选择性直接还原-低碳电炉熔炼”洁净钢基料短流程绿色制备新技术。建立了基于原料工艺矿物学基因特性的超级铁精矿制备评价体系，探究了搅拌磨机窄级别磨矿规律，研发了铁精矿深度除杂专属两性捕收剂DJW-1，最终形成了预先抛尾-阶段磨矿-电磁精选-反浮选脱硅工艺流程，获得了TFe品位＞71.50%、酸不溶物含量小于0.20%的超纯铁精矿产品。先后建成多条超级铁精矿工业化生产线。该技术解决了我国长期缺少高品位直接还原铁原料的难题，为我国发展钢铁短流程工艺奠定了基础。

5 陶瓷介质搅拌磨机节能磨矿技术与装备

搅拌磨机作为一种新型细磨和超细磨设备，已经广泛应用于冶金矿山行业的细磨和再磨作业。由于目前使用的搅拌磨机的磨矿介质为金属球，磨矿介质消耗和电耗依然较高、磨机轴瓦等部件载荷较大。针对磨矿作业能耗高、介质消耗量大的问题，提出采用密度小、耐磨性高的陶瓷球代替钢球，将新型细磨设备及介质有机结合，研发出成套绿色磨矿技术与装备。提出了小导程、高转速、低功耗的陶瓷介质专用搅拌磨机设计方案，开发成功了密度小、耐磨性高的陶瓷球磨矿介质，并制定了相应的行业标准，设计开发了系列化工业陶瓷介质搅拌磨机。2018年由东北大学自主研发的NEUM-280型陶瓷球搅拌磨机在鞍钢集团矿业弓长岭选矿厂实现工业化应用。工业应用结果表明：NEUM-280型搅拌磨机与原有球磨机相比，磨矿能耗节约50.26%，磨矿介质成本消耗降低55.61%；磨矿细度较原球磨机提高14.99个百分点（图2）。陶瓷介质搅拌磨机具有能源效率高、节省介质、低碳环保、安装维护操作简单等显著特点和优越性，用于有色矿山时还可有效地避免铁离子对浮选的影响，不仅能大幅降低磨矿能耗，还将提高精矿品位和回收率。

6 含碳酸盐赤铁矿石分步浮选技术

含碳酸盐铁矿石中主要矿物不仅嵌布粒度细，而且不均匀，矿石中铁主要赋存在假象赤铁矿中，其次赋存在菱铁矿和极少量的磁铁矿中。细粒菱铁矿在石英和赤铁矿表面发生吸附罩盖，使石英和赤铁矿表面性质与菱铁矿相近，使这两种矿物呈现与菱铁矿类似的浮游性。且菱铁矿是一种难以浮选也较难抑制的具有中等可浮性的矿物，故菱铁矿罩盖的赤铁矿和石英不能完全被抑制而进入精矿中，也不能完全被活化而进入尾矿。针对东鞍山含碳酸盐赤铁矿石选矿分离开展的研究发现：油酸钠浮选体系中，单一调整剂AlCl₃、FeCl₃、CaCl₂、CaO、（NaPO₃）₆、Na₂SiO₃、Na₂S、淀粉及腐殖酸钠等均不能有效实现矿物的分离；当淀粉和CaCl2组合时，pH值小于4的强酸性条件下，铁白云石的可浮性较好，而其他矿物的可浮性较差；pH值为5-7的条件下，菱铁矿的可浮性较好，铁白云石的可浮性次之，而磁铁矿、赤铁矿和石英的可浮性较差；在pH值大于11的强碱性条件下，石英的可浮性较好，而赤铁矿和磁铁矿的可浮性很差，铁白云石和菱铁矿的可浮性较差。基于上述研究结果，研发了含碳酸盐铁矿石分步浮选技术。第一步在中性条件下采用正浮选将容易发生罩盖的细颗粒菱铁矿和铁白云石优先分离，得到含碳酸铁中矿，改善后续赤铁矿的分选环境；第二步在强碱性条件下采用反浮选分离赤铁矿和石英，最终得到合格铁精矿。依托该技术建成300万吨/年的分步浮选示范工程，实现了含碳酸盐赤铁矿石的开发利用（图3）。