改造者：李 俊 李俊翰 孫 寧

煤基直接還原技術應用現(xiàn)狀研究

改造者：李 俊 李俊翰 孫 寧

本文介紹了煤基直接還原技術在釩鈦鐵精礦、鈦精礦、紅土鎳礦、鉻鐵礦、海濱砂礦、冶金固廢產(chǎn)物等礦產(chǎn)資源綜合回收方面的研究和應用現(xiàn)狀，并展望了該技術未來的發(fā)展方向。

直接還原煉鐵工藝是指其在低于礦石的熔化溫度下，通過在固態(tài)下還原，把鐵礦石煉制成金屬鐵的工藝過程，其產(chǎn)物叫做直接還原鐵（海綿鐵）或者金屬化球團，它可以用來作為冶煉優(yōu)質(zhì)鋼、特殊鋼的純凈原料，也可以作為鑄造、鐵合金、粉末冶金等工藝的含鐵原料。該工藝分成氣基還原和煤基還原兩種，按主體設備又可以分為豎爐、回轉窯、轉底爐、反應罐、管式爐和流化床等。目前，世界上90%以上的直接還原鐵都是用氣基還原法生產(chǎn)出來的，但是天然氣資源有限、價格較高，生產(chǎn)量增長不快。用煤作為還原劑的話，可以用塊礦、球團礦或者粉礦作為含鐵原料（如豎爐、流化床、轉底爐和回轉窯等），因此該技術在冶金工業(yè)領域得到了迅速發(fā)展。本文重點闡述了煤基直接還原技術在冶金資源與廢棄物利用方面的應用，對提高資源的綜合利用水平，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟以及節(jié)能減排具有重要的意義。

煤基直接還原技術的應用

釩鈦鐵精礦

攀枝花學院和四川龍蟒集團聯(lián)合研發(fā)了“釩鈦磁鐵礦轉底爐煤基直接還原～電爐熔分”新工藝技術，其成果在攀枝花進行了產(chǎn)業(yè)化轉化，建成了規(guī)模為7萬t/a的工業(yè)示范裝置，進行了工業(yè)化試驗，生產(chǎn)出了第一爐渣鐵。金屬化球團經(jīng)過電爐熔分后，得到了含釩生鐵和TiO2含量達50%以上的熔分鈦渣，實現(xiàn)了從釩鈦磁鐵礦中全面回收鐵釩鈦鉻的目標，具有廣闊的推廣應用前景。

鈦精礦

中南大學范曉慧等人以攀枝花的鈦精礦為原料，采用新型的添加劑技術，對預焙燒球團進行了煤基回轉窯直接還原制取富鈦料的實驗，成功實現(xiàn)了鐵與鈦的分離，獲得了二氧化鈦含量大于74%的富鈦料。

攀枝花市尚億科技有限責任公司將攀枝花鈦精礦、焦碳（12%～22%）、硼酸鈉（2%～5%）、硅酸鈉（1%～2%）、CMC（1%～3%）和水（6%～8%）按一定的比例混合后造球，將球團裝入耐火罐后送入隧道窯內(nèi)進行還原，還原溫度約1150℃，還原時間為110min。還原球團自然冷卻后，經(jīng)破碎、粉碎和磁選后分離出了鐵和富鈦料。Fe的回收率達到92%，富鈦料中Ti的品位為77%，Ti的回收率達到91%，成功地實現(xiàn)了Fe與Ti的分離，較好的促進了Fe與Ti資源的高效綜合利用，為攀枝花鈦精礦的綜合利用提供了一條新途徑。

紅土鎳礦

張國興等人以紅土鎳礦為原料，將紅土鎳礦、焦炭或無煙煤、熔劑按100：（8～15）：（8～15）的配比混勻造球，以天然氣為燃料，在轉底爐中進行焙燒預還原，溫度900～1300℃，時間15～40min，隨后進入還原爐進行還原熔分，溫度控制在1500～1650℃，得到了熔渣和含鎳鐵水。

攀枝花學院、攀枝花泓兵釩鎳有限公司以低品位的紅土鎳礦（含鎳＜1.8%）為原料，制備出了鎳鐵合金。生產(chǎn)出的鎳鐵合金的品質(zhì)較好，主要的關鍵技術指標均達到國內(nèi)的先進水平，所得的鎳鐵符合國際高碳低磷低硫鎳鐵標準。

海濱砂礦

北京科技大學高本恒等人采用直接還原技術，研究了印尼某海濱砂礦經(jīng)弱磁選后得到的精礦的綜合利用。該研究結果表明：在 NCP為 7.5%，煙煤為17.5%，還原溫度為1 150 ℃，還原時間為 90 min 的條件下，該精礦經(jīng)煤基直接還原～磨選～弱磁選所得的鐵精礦粉的全鐵 品位可達到91.06%，回收率達到 97.27%。同時，得到了富釩鈦渣，為進一步利用其中的釩和鈦創(chuàng)造了有利條件，從而最終實現(xiàn)了對釩鈦磁鐵礦中有價元素進行綜合利用的目的。

鉻鐵礦

中南大學李建臣等人以含碳鉻鐵礦為原料進行了成球和還原實驗，研究了其固態(tài)還原特性。研究結果表明：還原溫度、配碳量對該還原球團的金屬化指標具有顯著的影響；當還原溫度高于1200℃時，該還原球團的金屬化率呈現(xiàn)了明顯增加；當溫度高于1300℃時，該含碳鉻鐵礦球團的還原時間較短，小于1h；在低溫狀態(tài)下，鐵的還原優(yōu)先于鉻，還原反應較長，大致需要3～4h。該研究為鉻鐵礦粉在鉻鐵合金生產(chǎn)中的利用奠定了基礎。

冶金固廢產(chǎn)物

提釩尾渣

攀枝花學院吳恩輝等人將煤粉、提釩尾渣、生石灰混勻制成球團，并在豎爐內(nèi)進行了直接還原，得到了金屬化球團。該研究表明，當提釩尾渣∶煤粉∶氧化鈣∶黏結劑=100：25：15：2時，提釩尾渣內(nèi)配碳球團的抗壓強度可達到48.7N/球，落下強度可達到14次/球。同時，隨著溫度和配碳量的提高金屬化率也隨著升高。該研究初步了解了提釩尾渣內(nèi)配碳球團進行直接還原的相關規(guī)律，為還原球團進行電弧爐冶煉提供了一定的依據(jù)和參考。

高爐瓦斯灰

鋼鐵研究總院郭玉華等人對以高爐瓦斯灰和氧化鐵皮為原料制得的含碳球團進行了煤基直接還原研究。研究結果表明：當碳氧比高于1.2時，含碳球團的金屬化率呈上升趨勢。當還原溫度為1350℃、還原時間為30min時，含碳球團的金屬化率可達到96.94%；當還原溫度為1400℃、還原時間為30min、還原介質(zhì)為空氣時，含碳球團中還原出的鐵與渣可完全分離。球團金屬化率的變化趨勢表明：含碳球團在還原反應開始時，其還原速率主要是由化學反應控速環(huán)節(jié)控制，而后期逐步向擴散控制過渡。

轉爐煉鋼污泥

北京科技大學丁銀貴等人以轉爐細灰、轉爐污泥為原料，制備了含碳球團，并研究了該含碳球團在1473～1573 K 的 氮氣保護氣氛下進行還原的冶金性能。所制備的金屬化球團中，其全鐵含量達67%以上，金屬化率可達72%以上，該金屬化球團可作為高爐冶煉的原料，為轉底爐處理鋼鐵廠粉塵等廢棄物提供了理論依據(jù)。

唐鋼礦業(yè)有限公司楊福軍等人以煉鋼污泥、高爐灰等冶金廢料為主要原料，生產(chǎn)低品質(zhì)金屬化球團進行了初步探索。該研究已初步取得了階段性的成果，其金屬化球團的品位為：TFe72%、 MFe 50%、S 0.5%。同時，以該金屬化球團為原料，生產(chǎn)出了合格的煉鋼生鐵，該生鐵指標具體為：Si 1.6%～1.9%、S 0.03%～0.08%。

發(fā)展趨勢

煤基直接還原冶煉技術在充分利用低品位鐵礦石和共伴生礦資源、處理冶金塵泥等固體廢棄物資源方面具有工藝十分簡單、技術非常先進、對原料的要求較低、作業(yè)率較高、資源回收率較高、投資較小等優(yōu)點，但還存在著一些重要的技術難點有待進一步攻克。

（1）整個工藝流程均涉及到含碳球團的輸運、加熱、還原，因此，含碳球團應滿足工業(yè)上要求的物理性能和力學性能。為解決這個問題，急需研發(fā)出高效廉價的黏結劑，以降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)的圓盤造球?qū)υ狭６纫筝^高，需要配套的磨料設備，而壓球?qū)υ狭６纫笙鄬^低，生產(chǎn)率較高，球團強度較高，是未來含碳球團成型技術的發(fā)展方向。

（2）經(jīng)高溫還原后的金屬化球團在空氣中容易氧化，雖然可進行煤粉或惰性氣體保護冷卻，但不利于金屬化球團進行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，應設計金屬化球團冷卻的專用設備。

（3）由于含碳球團和料層的傳熱效率直接影響著球團的還原效果，因而應加強對含碳球團在高溫快速還原過程中所涉及的傳熱傳質(zhì)理論研究。

（4）直接還原鐵具有巨大的市場需求，因而在開發(fā)新工藝，設計新設備，提高工藝效率，節(jié)能降耗等方面應加大投入力度。

（5）加大煤基直接還原技術的產(chǎn)業(yè)化示范力度，加速市場化推廣和普及，對提高礦產(chǎn)資源的綜合利用水平、實現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

結語

煤基直接還原技術發(fā)展至今，每種生產(chǎn)工藝和應用都有自身的獨到之處，同時也存在各自的弊端。在選擇煤基直接還原技術生產(chǎn)海綿鐵或金屬化球團的時候，需要從工藝流程、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本、實際條件、生產(chǎn)規(guī)模等方面綜合考慮而加以確定。

DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2016.06.023