張小兵，王明華，寇明月

（酒泉鋼鐵（集團）有限責任公司 氫冶金研究院，甘肅 嘉峪關735100）

目前主流的鋼鐵冶金工藝是以高爐工藝為代表的“碳冶金工藝”，該工藝主要以C、CO為主要還原劑，能源消耗及CO2排放量巨大。根據相關統計，我國鋼鐵工業(yè)CO2排放量占全國CO2排放量的12%［1］。除此之外，該工藝還存在鐵水純凈度低、流程長、資源損耗量大、煉鋼成本高、依賴焦炭以及固體廢棄物、危險性廢棄物排放量大等缺陷。

為解決以上問題，酒鋼公司自主研發(fā)了煤基氫冶金技術［2］和干選技術，并在此技術基礎上，集成中頻感應爐熔分、余熱回收利用和冶金渣制建材等成熟技術，提出了煤基氫冶金綠色短流程制鋼新工藝，其流程見圖1。新工藝流程主要由鐵礦石煤基氫冶金制鐵料、干磨制粉料、干選制高純鐵粉和尾粉、冷壓制鐵塊、熔分制半鋼水和熔融渣、精煉制合格鋼水和鋼渣、尾粉和熔融渣制建材及配套的余熱回收利用等工藝環(huán)節(jié)構成。

圖1 煤基氫冶金綠色短流程制鋼新工藝流程

為驗證煤基氫冶金、干選和熔分等新工藝核心技術組合及實施可行性，明確干選、熔分工藝處置煤基氫冶金金屬化料過程中相關元素的走向，本文開展了煤基氫冶金金屬化料干選試驗及實驗室熔分探索性試驗。

1 干選試驗

1.1 試驗原料

試驗原料為酒鋼自產瓦斯灰煤基氫冶金金屬料（以下簡稱“瓦斯灰金屬料”）和某地釩鈦礦煤基氫冶金金屬料（以下簡稱“釩鈦礦金屬料”），粒度分別為-0.074 mm粒級占比67.07%和62.55%，鐵金屬化率分別為93.36%和96.13%，其中，受化學分析過程中重鉻酸鉀溶液氧化部分低價鈦的影響，釩鈦礦金屬料金屬化率偏高［3］。各物料化學成分見表1～2。

表1 瓦斯灰金屬料化學成分（質量分數）／%

1.2 試驗裝備及參數

干選試驗采用自主研發(fā)的干選概念樣機，其主要參數為：皮帶傳動速度1.30 m／s，鼓風風壓6.94 kPa，干選抽風閥開度50%，磁感應強度0.32 T。

1.3 試驗方法

原料準備：取原料10 kg，裝入干選概念樣機上料系統。

布料：啟動干選概念樣機，調整相關參數，使原料均勻覆蓋在皮帶表面，并使所有物料在10 s內通過干選系統。

干選：利用空氣介質替代水，將物料打散，使無磁性或低磁性物質通過抽風系統排至系統外部，利用磁力、磁團聚效應及皮帶摩擦力使磁性物料隨皮帶輸送至出料端。

1.4 試驗結果

瓦斯灰金屬料和釩鈦金屬料干選產率分別為53.43%和75.70%，檢測結果分別見表3和表4。

表3 瓦斯灰金屬料選后化學成分及各元素收得率（殘存率）

表4 釩鈦礦金屬料選后化學成分及各元素收得率（殘存率）

1.5 小 結

1）通過自主研發(fā)的干選概念樣機，瓦斯灰金屬料和釩鈦金屬料選后鐵品位分別提高了28.12和16.01個百分點，收得率分別達到83.44%和93.75%。表明干選工藝及干選裝置具備金屬化物料的磁選分離能力。

2）干選過程中，大部分的SiO2、CaO、MgO、S、K2O、Na2O、Al2O3與鐵分離，大部分的ZnO和P進入到鐵料中。

3）提純后的瓦斯灰金屬化物料中，SiO2、CaO、MgO殘存率均在20%左右，說明該干選概念樣機對非磁性物料的選別是均勻的。C殘存率較低，主要原因是顆粒碳塑性、強度均較低，在干磨過程中與瓦斯灰金屬料剝離度較好，而且顆粒碳質量比表面積較小，在選別過程中更容易受風力作用打散、排出。

2 熔分試驗

2.1 試驗原料

試驗原料為鏡鐵山礦煤基氫冶金選后金屬料、釩鈦礦煤基氫冶金金屬料和釩鈦礦煤基氫冶金選后金屬料，鐵金屬化率分別為92.31%、96.13%和96.59%，粒度均小于0.074 mm。選后金屬料具體化學成分見表5～6，釩鈦金屬料成分同表2。

表2 釩鈦金屬料化學成分（質量分數）／%

表5 鏡鐵山礦煤基氫冶金選后金屬料化學成分（質量分數）／%

表6 釩鈦礦煤基氫冶金選后金屬料化學成分（質量分數）／%

2.2 試驗裝備

鏡鐵山礦煤基氫冶金選后金屬料熔分選用萬維微波高溫材料處理系統，該系統采用4個磁控管進行微波加熱，主要參數為：最高工作溫度1 650℃；測溫方式：K型熱電偶（0～1 200℃）、紅外測溫（600～1 800℃）；配套坩堝：氧化鋁坩堝，升溫速度13℃／min，冷卻速度10℃／min。

釩鈦礦煤基氫冶金金屬料和釩鈦礦煤基氫冶金選后金屬料熔分選用1 700℃立式高溫管式爐，該裝置采用U型硅鉬棒進行加熱，主要參數為：最高工作溫度1 700℃；測溫方式：B型熱電偶；配套坩堝：氧化鎂坩堝；升溫速度：0～800℃范圍內8℃／min、800～1 200℃范圍內4℃／min、1 200～1 700℃范圍內3℃／min；冷卻速度：1 700～900℃范圍內5℃／min、900～0℃范圍內10℃／min。

2.3 試驗過程

原料準備：為避免熔分過程中液相物料噴濺出坩堝，每次試驗用物料量為50 g。

熔分溫度確定：采用Factsage7.3軟件模擬測算值再加上一定過熱度的方式來確定熔分溫度。相關測算結果及計劃熔分溫度見表7。

表7 各物料熔分溫度測算及確定表

熔分：將裝好物料的坩堝放置在熔融艙內，啟動設備，按照設備加熱制度，以最大加熱速度進行加熱，到達計劃熔分溫度后保溫一定時間，再按照降溫制度以最大降溫速度進行降溫。根據軟件測算及已有研究結論［4］，所有試驗保溫時間均采用30 min。

2.4 試驗結果

熔分溫度1 550℃時鏡鐵山礦煤基氫冶金選后金屬料試驗主要結果為：熔融后增重1.71 g；未實現鐵、渣分離。由于本次試驗渣鐵未分離，未進行化學檢驗。

熔分溫度1 600℃時鏡鐵山礦煤基氫冶金選后金屬料試驗主要結果為：熔融后增重0.39 g；鐵、渣自然分開（見圖2），界面清晰。鐵塊24.03 g，渣料26.36 g，相關化學成分見表8～9。

圖2 1 600℃下鏡鐵山礦煤基氫冶金選后金屬料熔分冷卻后狀態(tài)

表8 鏡鐵山煤基氫冶金選后金屬料熔分檢測結果

表9 鏡鐵山煤基氫冶金選后金屬料熔分渣料檢測結果（質量分數）／%

熔分溫度1 700℃時釩鈦礦煤基氫冶金金屬料熔分試驗主要結果為：熔融后增重0.39 g；鐵、渣基本分離（見圖3）。鐵塊31.03 g，渣料19.36 g，相關化學成分見表10～11。

表10 釩鈦礦煤基氫冶金金屬料熔分檢測結果

圖3 釩鈦礦煤基氫冶金金屬料熔分冷卻后狀態(tài)

熔分溫度1 700℃時釩鈦礦煤基氫冶金選后金屬料熔分試驗主要結果為：熔融后增重0.27 g；鐵、渣自然分開，界面清晰（見圖4）。鐵塊43.33 g，渣料6.94 g，其中含有大量結晶體。相關化學成分見表12～13。

表12 釩鈦礦煤基氫冶金選后金屬料熔分檢測結果

圖4 釩鈦礦煤基氫冶金選后金屬料熔分冷卻后狀態(tài)

表11 釩鈦礦煤基氫冶金金屬料熔分渣料檢測結果（質量分數）／%

表13 釩鈦礦煤基氫冶金選后金屬料熔分渣料檢測結果（質量分數）／%

2.5 小 結

1）保溫30 min左右的純物理熔分條件下，鏡鐵山礦煤基氫冶金選后金屬料、釩鈦礦煤基氫冶金金屬料和釩鈦礦煤基氫冶金選后金屬料分別在熔分溫度1 600℃、1 700℃和1 700℃時實現鐵、渣分離，表明采用純物理熔分方式能夠實現金屬化物料的鐵、渣分離。

2）提高熔分溫度有利于鐵、渣分離。隨著鐵渣分離效果增強，渣層厚度增加，減少了鐵被氧化的概率。相同條件下，釩鈦礦煤基氫冶金選后金屬料熔分后鐵、渣分離效果優(yōu)于釩鈦礦煤基氫冶金金屬料，表明提高熔分物料中鐵含量、減少相關雜質，有利于熔分過程中鐵渣分離。

3）大部分Ti、V、Si、Mn、Ca、Mg、Ba和Al等元素及其化合物可通過熔分工藝與鐵分離，大部分P、S、C等元素進入鐵料中。

3 結 語

1）某釩鈦磁鐵礦經煤基氫冶金、干選和熔分等新工藝核心技術組合處理后，產出了含鐵率96.71%的鐵水，表明煤基氫冶金、干選和熔分等新工藝核心技術組合處理鐵礦，進而構建以煤基氫冶金技術為基礎的制鋼短流程的新工藝路線是可行的。

2）通過計算，在煤基氫冶金工藝、干選工藝和熔分工藝組合作用下，物料中大部分Ti、V、SiO2、CaO、MgO、Al2O3、C、S、K2O、Na2O將分離至干選渣和熔融渣中，但仍會有50%以上的P和30%左右的S進入鐵水中。為進一步提高鋼水潔凈度，新工藝應在熔分、精煉工藝階段增加合適的脫硫、脫磷措施或工序。