磁化焙烧技术发展概况

磁化焙烧技术发展概况2023/3/29第一页，共十三页，2022年，8月28日（1）竖炉焙烧

在竖炉焙烧方面我国、前苏联、联邦德国等都有工业化生产，而且生产历史较长。竖炉所处理的铁矿石粒度较大，在15～75mm之间，竖炉磁化焙烧铁矿石在我国已经实现了工业化。建国初期我国在鞍山建成了第一座赤铁矿竖炉焙烧磁选厂，采用多台50立方的竖炉焙烧鞍山地区赤铁—石英岩矿石，以煤气为燃料，生产正常时，每台炉子的生产率为250—300吨矿石/天，可以获得含铁60-61%回收率为85%的磁选精矿。在20世纪60-70年代后对鞍山式竖炉进行多次技术改造，如将原来的50m3竖炉改造成横穿梁式竖炉，在不扩大外形尺寸的条件下，改变炉内结构，使炉容扩大到70m3，台时能力提高74%，热耗降低18%。鞍山钢铁公司烧结总厂曾用竖炉还原焙烧（2001年停止生产），对鞍山贫铁矿进行磁化焙烧，生产数十年来，逐步完善和发展，曾经2第二页，共十三页，2022年，8月28日对鞍钢生产发展起了很大作用。酒泉钢铁公司选矿厂至今块矿仍采用竖炉磁化焙烧（高炉煤气＋焦炉煤气）磁选生产工艺，铁精矿品位TFe57%，回收率82%，效果较好；其粉矿采用强磁选生产工艺，铁精矿品位TFe51%，回收率68.5%，效果较差。我国曾有130多台竖炉进行生产，每年约处理1300万t铁矿石。由于竖炉需采用粒径较大的块矿，所以还原过程缓慢，还原时间长(如酒钢选矿厂对镜铁山铁矿用100m3鞍山式竖炉焙烧50-15mm的快矿，用焦炉和高炉混合煤气作燃料和还原剂，焙烧时间需要8-10小时)，且存在内外还原不均匀问题，导致竖炉焙烧能耗大，生产成本高。因此，随着鞍山式红铁矿选矿技术的进步，在鞍山地区彻底淘汰了磁化还原技术。第三页，共十三页，2022年，8月28日（2）沸腾炉焙烧沸腾炉焙烧也叫流态化焙烧，以流态化技术为基础，为了很好的利用流化床内高速度的气流，充分利用热气流的物理热和化学能，采用多层流化床串连，形成多极循环流态化还原，即多极循环。沸腾炉要求入炉矿石粒度为3-0mm，矿粒入炉后在气流作用下达到自然分级，细粒矿粒进入副炉还原，粗颗粒在稀相状态下预热，而后在浓相状态下达到还原。流化床内气固接触状态远好于回转窑，是理想的磁化焙烧反应器，受到国内外研究者的广泛关注。英国专利GB1008938提出通过过程设计降低磁化焙烧过程能耗，其设计了4个流化床反应器，铁矿石在第一个反应器内脱水、在第二个反应器内完成焙烧、第三个反应器进行还原、第四个反应器进行热量回收，还原介质采用汽油。我国流化床磁化焙烧研发工作始于1958年，其后由中科院过程工程研究所(原中科院化工冶金研究所)与马鞍山矿山研究院共同建造了我国第一座100t/d沸腾炉磁化焙烧中试系统，采4第四页，共十三页，2022年，8月28日用煤气还原，先后对鞍山赤铁矿、南京凤凰山赤铁矿、酒泉菱铁矿、镜铁矿、河北宣化鲕状赤铁矿、包头白云鄂博含稀土氧化铁矿等进行磁化焙烧-磁选，得到含Fe60%~65%的铁精矿，铁回收率在90%~94%。70年代末，马鞍山矿山研究院利用流态化原理设计的沸腾焙烧炉，与广西八一锰矿进行了高铁锰矿石焙烧工业试验，焙烧过程中将粉煤直接喷入沸腾炉内作为还原剂，焙烧矿经磁选分别得到合格的铁精矿和锰精矿，同时利用该项技术对上海川沙硫酸渣进行了磁化焙烧工业试验，试验均获得成功。由于焙烧热能耗较高、铁精矿价格偏低，上述工业试验结束后未能长期进行工业生产。沸腾炉焙烧也存在还原速度慢，还原不均匀的问题，并且入炉矿粒度较细，破碎磨矿费用较高，造成生产成本过高。5第五页，共十三页，2022年，8月28日武汉理工大学提出了一种难选氧化铁矿石的旋流悬浮闪速磁化焙烧-磁选工艺，是将磨细了的铁矿石在微负压条件下、弱还原性气氛(CO含量<15%)、600～850C的流态化状态下快速还原，整个反应时间小于100s即可完成，说明铁矿石的还原动力学非常快。同时还对马弗炉、回转窑、沸腾炉磁化焙烧进行了比较研究，发现用粉煤作还原介质，在880～900C下还原20min、1200奥斯特磁场下磁选，可将铁的品位从33.9%提高到63%。而类似的铁矿(如品位30.1%的铁矿)经马弗炉或回转窑在700～850C用煤还原处理、1200奥斯特磁场下磁选，只能将铁的品位提高至60%。6第六页，共十三页，2022年，8月28日（3）回转窑磁化焙烧回转窑磁化焙烧相关研究较多，一般处理粒度为25mm以下的矿石。对于各种类型的铁矿石和锰矿石都能较好的进行磁化焙烧，其磁化焙烧矿质量及分选技术指标较竖炉好。在国外用回转窑进行难选矿石的磁化焙烧应用较多，它能够处理较为广泛的各种类型矿石，德国瓦田斯节特选矿厂有四台φ3.5×30m的回转窑，每台炉子的生产率为800吨/天，以高炉煤气（热值1000Kcar/m3）为燃料，每吨原料耗气360m3，含铁27%的原料经磁化焙烧，粗精矿铁品位达40.4%。捷克在鲁德扬等地采用了五台φ2.4×47.5m的回转窑，使用高炉、焦炉和天然气混合气体为燃料，焙烧矿磁选后铁精矿品位达49～52%、回收率86～90%。前苏联利萨科夫鲕状褐铁矿采用回转窑焙烧，天然气为燃料进行的工业试验，原矿品位39%，磁选精矿铁品位60%，回收率为94%。7第七页，共十三页，2022年，8月28日从60年代起，我国科研工作者就对嵌布粒度较细的贫、赤褐铁矿的采用回转窑磁化焙烧进行了大量的试验研究工作。部分研究已达到了半工业和工业试验规模、现将具有代表性的试验研究工作分述如下：广西屯秋铁矿鲕状结构的赤铁矿，采用磁化焙烧—磁选工艺，从实验室研究到半工业试验，最终过渡到工业试验都取得了良好的指标。王雪松等人研究了回转窑中用煤还原硫铁矿烧渣的行为，发现700C下、煤粉配比4%、填充率为11%时，焙烧时间12min即可基本完成Fe3O4还原反应。同样如果固定焙烧时间为12min，500C以下还原反应进行的较慢，在700C及以上时，可实现完全还原。我国研究院、所采用回转窑对大西沟菱铁矿进行了磁化焙烧半工业试验。对大西沟菱铁矿的研究表明，在700C下焙烧70min可达满意效果，磁选后铁精矿品位达到59%，铁回收率达到72%以上。但工业窑炉的作业率因结圈而仍然较低。酒钢选矿厂曾用2.4m50m8第八页，共十三页，2022年，8月28日的回转窑处理15-0mm的粉矿，用褐煤作燃料和还原剂，焙烧时间需要2-4小时。英国专利GB960725发现当还原气氛中含有一定量的水蒸气时，可防止Fe2O3被过度还原。英国专利GB965049提出，通过气相还原铁矿石只在有气源时才会较为经济，但当没有合适的气源而需要造气设施时，会因造气设施投资及运行成本增加，使磁化焙烧经济性打折扣。该专利提出通过重油还原铁矿石，并且发现对铁含量为30%-55%的铁矿石，只需加入重油1.5%-3.0%即可。另外，用回转窑进行球团矿直接还原铁生产在国内具有较快的发展速度，并取得显著的成绩。尽管回转窑磁化焙烧矿的质量及分选指标较竖炉好，但回转窑焙烧因粉矿粒径大、气固接触差等原因，导致粉矿磁化过程缓慢，矿石还原不均匀，焙烧成本高等问题。另外，还原性回转窑焙烧出现的结圈问题是目前生产上非常棘手的问题，回转窑结圈部位一般位于距窑口一定距离的固体燃料集中燃烧点附近的耐火窑衬上，生产上一9第九页，共十三页，2022年，8月28日旦出现结圈，必然阻碍回转窑内热气流，影响焙烧矿的质量，增加设备负荷，增加劳动强度，浪费能源。还原性回转窑可能导致结圈的因素很多，主要有以下几个方面：1）用煤量增大，回转窑磁化焙烧过程中，一方面主要通过还原煤的气化产生一氧化碳，利用一氧化碳夺取铁氧化物中的氧，达到将高价铁氧化物还原成低价铁氧化物，增强铁矿物磁性。另一方面煤起到加热窑料，使其达到需要的温度的作用。还原煤燃烧产生的灰分主要是二氧化硅、三氧化铝等，易与FeO形成低熔点化合物，一旦温度适合就会形成液相黏附于窑内耐火砖上，这是结圈形成的基本因素。用煤量大，使还原窑结圈的可能性增加，如在给煤量较大时，回转窑内物料在预热带会出现局部高还原温度，此温度可能使还原形成的Fe3O4与SiO2作用生成2FeO·SiO2,形成渣相粘结相，从而引起结圈。

2023/3/29第十页，共十三页，2022年，8月28日2）还原煤种类。根据还原性回转窑结圈形成的基本因素，回转窑还原对还原煤的质量也有了一定的要求，要求反应性高，热值高，而这种煤挥发分也高，当回转窑内物料达到一定温度时，挥发分大量溢出并燃烧，使窑内出现局部高温，在这一部位出现低熔点物质，产生液相，使结圈的可能性更大。3）一旦在还原时窑内出现局部高温，窑内局部铁矿石在此高温还原过程中发生Fe3O4向FeO转变，产生晶格脆化，引起矿石粉化，加之铁矿石在破碎过程产生细粒粉矿，这些在还原过程中是主要引起结圈长大的重要因素，另外高温还原过程产生FeO或矿石自身含有的FeO，在还原时会跟SiO2、Al2O3、CaO等成分结合，形成较低熔点的物质如FeO-SiO2-CaO熔点为1080℃，FeO-SiO2-CaO-Al2O3熔点为1030℃。并且在大于1200℃高温条件下，Fe3O4就与矿石中SiO2反应产生液相，极易黏附其它物质粘结在窑体耐火砖上而产生结2023/3/29第十一页，共十三页，2022年，8月28日圈。虽然目前磁化焙烧是在800-900℃温度条件下进行，但是不可忽视在加煤量过大，喷煤不均匀时产生的窑内局部高温，而引起结圈的发生。以上分析可知，还原性回转窑高温还原生产结圈的可能性相对而言是比较大的。回转窑磁化焙烧在生产上常用喷煤加热，煤即作