王代軍^1，2

( 1 北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司北京中國100043)

( 2 北京市冶金三維仿真設(shè)計工程技術(shù)研究中心北京中國100043)

摘要：隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，鉻鐵合金的需求量逐年增加，以鉻球團(tuán)礦代替粉礦入爐冶煉可提高高碳鉻鐵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。當(dāng)鉻精礦和焦粉的比表面積為1 700 cm2 /g 時，生球落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)最好，爆裂溫度為435 ℃。隨著預(yù)熱溫度提高、預(yù)熱時間延長，預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度增加，隨著還原溫度升高、還原時間延長，鉻和鐵的還原指標(biāo)均呈增加趨勢，在相同溫度和時間下，鐵比鉻易還原。生產(chǎn)實踐表明，預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度達(dá)500 N/P，鉻預(yù)還原球團(tuán)鉻的還原度為55.98%，綜合還原度為69.25%，礦熱爐使用50%鉻預(yù)還原球團(tuán)熱裝配加50%冷燒結(jié)礦，鐵合金日產(chǎn)量提高52 t、鉻回收率提高3%，冶煉電耗降至2 600 kWh /t，渣中鉻含量降低2%。

關(guān)鍵詞：鉻精礦；鏈箅機(jī)－ 回轉(zhuǎn)窯；還原度；冶煉電耗

前言

鉻礦是重要的戰(zhàn)略資源，鉻塊礦和鉻粉礦是礦熱爐冶煉鉻鐵合金的主要原料^［1］。鉻鐵合金又是一種生產(chǎn)不銹鋼和高鐵素體合金的重要合金材料，可作為鋼的添加料生產(chǎn)多種高強(qiáng)度、抗腐蝕、耐磨、耐高溫、耐氧化的特種鋼^{［2，3］}。隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，鉻鐵合金的需求量逐年增加，與此同時，鉻礦的開采量加大及原礦品位的降低，鉻粉礦的產(chǎn)出量越來越高，鉻粉礦的市場占有率已經(jīng)達(dá)到50%^［4－6］。在鉻鐵合金冶煉過程中，鉻粉礦容易導(dǎo)致礦熱爐透氣性變差、爐況波動大、造成噴料刺火現(xiàn)象，鉻塊礦更利于確保爐料在礦熱爐中的透氣性，但是鉻粉礦的品位和價格優(yōu)于鉻塊礦^［7］。因此，鉻粉礦造塊是一種充分利用鉻精礦資源的有效途徑。

鉻精礦造塊主要有壓團(tuán)法、燒結(jié)法、球團(tuán)法，其中球團(tuán)法比傳統(tǒng)的塊礦冶煉節(jié)電30%，冶煉用焦減少45%，電爐生產(chǎn)率提高60%，鉻回收率提高1%～2%，礦熱爐煙氣量減少約20%。日本周南電工、南非CMI 公司、加拿大國際金屬公司等企業(yè)，礦熱爐采用熱裝鉻礦預(yù)還原球團(tuán)生產(chǎn)高碳鉻鐵，均達(dá)到了電耗2 000 kWh /t、鉻回收率達(dá)93% 的先進(jìn)水平^{［8 － 10］}。2014 年11 月之前，我國鐵合金冶煉以塊礦和燒結(jié)礦為主，原因在于沒有掌握鏈箅機(jī)－ 回轉(zhuǎn)窯鉻礦預(yù)還原球團(tuán)工藝技術(shù)。

2000 年10 月，北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司成功研發(fā)鏈箅機(jī)－ 回轉(zhuǎn)窯鐵礦球團(tuán)工藝，發(fā)展至今，已積累了豐富的鐵礦球團(tuán)經(jīng)驗。為此，受內(nèi)蒙豐鎮(zhèn)某鐵合金公司委托，北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司相關(guān)技術(shù)人員，依托其鐵礦球團(tuán)經(jīng)驗，開展我國首套鏈箅機(jī)－ 回轉(zhuǎn)窯20 萬t /a 鉻礦預(yù)還原球團(tuán)工藝研究與應(yīng)用，有利于鏈箅機(jī)－ 回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)技術(shù)拓寬原料發(fā)展，為充分利用鉻精礦制備還原球團(tuán)奠定基礎(chǔ)。

1 原料性能及研究方法

1.1 原料性能

1.1.1 鉻精礦的物化性能

試驗和擬建成鏈箅機(jī)－ 回轉(zhuǎn)窯鉻礦預(yù)還原球團(tuán)生產(chǎn)線所用原料主要包括南非鉻精礦和其他鉻精礦，鉻精礦的化學(xué)成分、粒度組成詳見表1、表2。

由表1 可見，鉻精礦化學(xué)成分主要包括Cr₂O₃、FeO、MgO、Al₂O₃等，南非礦粉與其他礦粉相比，Cr₂O₃含量均為42.00%，F(xiàn)eO 含量南非礦粉要高6.50%，SiO₂含量南非礦粉要低3.70%，MgO 含量南非礦粉要低2.90%，Al₂O₃含量南非礦粉要高1.30%，其他成分含量兩者相差不多。由表2 可見，南非礦粉與其他礦粉粒度組成主要集中在1～3 mm，分別為95.72%、94.51%，為滿足成球?qū)α６鹊囊?，須對礦粉進(jìn)行磨細(xì)處理。

1.1.2 膨潤土的物化性能

鉻精礦制備生球過程中，采用膨潤土作為黏結(jié)劑，其化學(xué)成分主要為SiO₂和Al₂O₃，此外還含有一定數(shù)量的K₂O、Na₂O，以及少量的CaO、MgO、Fe₂O₃等。其主要化學(xué)成分及物理性能見表3、表4。

由表3 可見，膨潤土的化學(xué)成分主要為SiO₂和Al₂O₃，占礦物總量的77.99%，其次是MgO、CaO 等，根據(jù)CaO 和Na₂O 的含量可知，該膨潤土為鈉基膨潤土。

由表4 可見，作為評價膨潤土物理性能的主要影響因素吸水率達(dá)436.01%，且蒙脫石含量達(dá)62.22%，因此，該膨潤土屬優(yōu)質(zhì)膨潤土。

1.1.3 焦粉和煤粉的性能

制備鉻精礦還原球團(tuán)，制備生球時內(nèi)配焦粉、回轉(zhuǎn)窯內(nèi)焙燒還原采用煤粉，焦粉和煤粉的工業(yè)分析結(jié)果及灰分化學(xué)組成如表5 至表7 所示。

1.2 研究方法

根據(jù)礦熱爐冶煉對擬建20 萬t /年鏈箅機(jī)－ 回轉(zhuǎn)窯鉻礦預(yù)還原球團(tuán)生產(chǎn)線產(chǎn)品的要求，生球配比如表8 所示。

按照表8 生球配比要求，將兩種鉻精礦混合后干燥至水分＜ 3%，焦粉也被干燥至水分＜ 3%，分別磨細(xì)再按表8 添加膨潤土和水制備成生球。生球制備在圓盤造球機(jī)中進(jìn)行，其主要技術(shù)參數(shù)為: 圓盤直徑Ф=1 000 mm，轉(zhuǎn)速22 r /min，邊高h(yuǎn)=150 mm，傾角α=47°。合格生球放入溫度為110 ～120 ℃ 的鼓風(fēng)烘箱中至少干燥2 h，以確保生球烘干。每次取10 個烘干球團(tuán)配加一定量的煤粉置于石墨坩堝內(nèi)，再放入設(shè)定好溫度的豎式高溫氣氛管式爐，以2 L /min 氮氣作為保護(hù)氣體，調(diào)整還原時間進(jìn)行焙燒還原反應(yīng)。待達(dá)到試驗設(shè)定的時間和溫度，取出球團(tuán)并在2 L /min 的氮氣流里冷卻至室溫，得到鉻精礦預(yù)還原球團(tuán)。

鉻精礦球團(tuán)還原采用η 表示還原程度，其表達(dá)式如下^{［3， 11］}:

式( 1) － ( 3) 中: MFe— 還原樣中金屬鐵的含量，%; TFe— 還原樣中全鐵的含量，%; MCr— 還原樣中金屬鉻的含量，%; TCr——— 還原樣中全鉻的含量，%; η_Fe— 鐵的還原度，%; η_Cr— 鉻的還原度，%;η_cd— 綜合還原度，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 比表面積對生球性能的影響

鉻精礦、焦粉采取干燥、干磨預(yù)處理。將混合鉻精礦和焦粉分別干燥至水分含量低于1%，采用快速水分分析儀測定，型號: GYW － Ⅲ。然后分別干磨，粒度采取比表面積測定儀測定，型號: F －Sorb2400。分別取四組不同比表面積物料，按照表8制備生球，取15～20 mm 之間的合格生球測定落下強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和爆裂溫度，其結(jié)果如表9 所示。

由表9 可見，隨著混合鉻精礦和焦粉的比表面積增加，生球落下強(qiáng)度增加，抗壓強(qiáng)度也顯著提高，生球的爆裂溫度反而降低。根據(jù)鐵礦球團(tuán)鏈箅機(jī)抽風(fēng)干燥段通常要求生球的爆裂溫度大于400 ℃，當(dāng)比表面積達(dá)到1 700 cm² /g 時，生球的落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度達(dá)到最佳，分別為5.2 次/( 0.5 m) 、11.0 N/P，生球的爆裂溫度降至435 ℃，但滿足鏈箅機(jī)抽風(fēng)干燥段對生球爆裂溫度的要求。因此，后續(xù)研究物料比表面積均按1 700 cm2 /g 進(jìn)行干磨處理。

2.2 預(yù)熱制度對預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響

2.2.1 預(yù)熱溫度對預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響

按照表8 制備生球，取15～20 mm 之間的合格生球在120 ℃ 烘箱中烘干，在700 ～900 ℃ 下預(yù)熱15 min，研究預(yù)熱溫度對鉻精礦預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖1 所示。

由圖1 可見，隨著預(yù)熱溫度升高，預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度提高，當(dāng)預(yù)熱溫度提高到900 ℃時，預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度達(dá)到400 N/P 以上，其他溫度條件下，抗壓強(qiáng)度均小于400 N/P。

2.2.2 預(yù)熱時間對預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響

按照表8 制備生球，取15～20 mm 之間的合格生球在120 ℃ 烘箱中烘干，在900 ℃ 下預(yù)熱10 ～18 min，研究預(yù)熱時間對鉻精礦預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 可見，隨著預(yù)熱時間延長，預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度升高。當(dāng)預(yù)熱時間小于14 min 時，抗壓強(qiáng)度增加幅度較大。當(dāng)預(yù)熱時間大于14 min 時，抗壓強(qiáng)度增加幅度趨于平緩，但抗壓強(qiáng)度均大于400 N/P。通過考察預(yù)熱溫度和預(yù)熱時間對鉻精礦預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響，在900 ℃下預(yù)熱14 min，抗壓強(qiáng)度達(dá)到400 N/P，滿足回轉(zhuǎn)窯對預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的要求。

2.3 還原制度對預(yù)還原球團(tuán)的影響

2.3.1 還原溫度對預(yù)還原球團(tuán)的影響

有關(guān)研究表明，只有當(dāng)含碳球團(tuán)內(nèi)固定碳物質(zhì)的量與被還原的氧化物所含氧物質(zhì)的量比I( C /O)≥1，且在溫度大于1 200 ℃時，含碳球團(tuán)才能被快速還原，獲得較高的金屬化率^{［12 － 14］}。因此，含碳鉻精礦球團(tuán)還原的研究也建立在此基礎(chǔ)上。

試驗條件: 生球配比按表6，生球內(nèi)配碳比I( C /O) = 1.4，在不同的溫度下還原4 h，還原劑采用煤粉，還原溫度對內(nèi)配焦粉鉻精礦預(yù)還原球團(tuán)的影響如圖3 所示。

由圖3 可見，隨著還原溫度的升高，鉻和鐵的還原指標(biāo)均呈增加趨勢，當(dāng)還原溫度超過1 300 ℃時，增加趨勢變緩，原因在于鉻精礦球團(tuán)表面形成的還原產(chǎn)物殼層較為密實，覆蓋在未還原的礦物周圍，阻礙還原氣體CO 的擴(kuò)散反應(yīng)，反應(yīng)界面收縮，還原程度減弱。當(dāng)還原溫度為1 300 ℃時，鉻的還原度為82.35%，鐵的還原度已接近100%。

鉻精礦中Cr₂O₃大多以MgO 和Al₂O₃含量各不相同的鉻鐵尖晶石( ( Fe，Mg) ( Cr，F(xiàn)e，Al)₂O₄) 形式存在，Cr₂O₃在900～1 400 ℃下被還原。Cr₂O₃與焦粉熱還原按下式進(jìn)行^［15］:

反應(yīng)式( 4) 和反應(yīng)式( 5) 表明: Cr₂O₃的還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此，還原溫度越高越有利于Cr₂O₃的還原，還原溫度大于1 200 ℃以后Cr₂O₃才開始快速還原。

由圖3 還可見，在相同的還原溫度下，鐵的還原度大于鉻的還原度，表明還原溫度對鉻還原度的影響比對鐵的大。

2.3.2 還原時間對預(yù)還原球團(tuán)的影響

固定生球內(nèi)配碳比I ( C /O) =1.4、煤粉作還原劑，在不同的還原溫度下，還原時間對鉻、鐵的還原度及球團(tuán)礦的綜合還原度的影響詳見圖4 至圖6所示。

由圖4 至圖6 可見，在相同的還原溫度下，隨著還原時間延長，鉻、鐵的還原度及球團(tuán)礦的綜合還原度增加。當(dāng)還原溫度大于等于1 300 ℃時，鉻的還原度在75% 以上，鐵的還原度在95% 以上，還原1 h 后，還原度趨于穩(wěn)定。當(dāng)還原溫度越高時，還原度指標(biāo)的增加幅度受還原時間的影響越小。

由圖4 至圖6 還可見，當(dāng)還原溫度為1 150 ℃時，鐵優(yōu)先于鉻還原，還原2 h 后，鐵的還原度增加變小。當(dāng)還原進(jìn)行了2 h 后，鉻的還原度大幅增加，整個還原過程需要3～4 h。當(dāng)還原溫度為1 200 ℃時，還原1～2 h 后，鉻的還原度增加幅度減小至趨于穩(wěn)定，隨著還原時間延長，鐵的還原度增加。

3 鉻精礦預(yù)還原球團(tuán)生產(chǎn)實踐

3.1 主要設(shè)備選型及熱風(fēng)工藝

借鑒鐵礦鏈箅機(jī)－ 回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)的成功經(jīng)驗，結(jié)合預(yù)熱制度對預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響，以及還原制度對鉻精礦還原度的影響，依據(jù)年產(chǎn)20 萬t，鏈箅機(jī)規(guī)格定為2.8 m×36 m，回轉(zhuǎn)窯規(guī)格Ф4.0 m×60 m。

生球經(jīng)過鏈箅機(jī)干燥、預(yù)熱后，預(yù)熱球團(tuán)在送入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行焙燒還原，還原溫度低于鉻礦熔化溫度，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度控制在1 100 ～1 350 ℃，焙燒還原氣氛氧含量低于2%，綜合還原度為55%～70%適合于高碳鉻鐵生產(chǎn)，過高的還原度會破壞埋弧爐連續(xù)操作^［9］，因此，鏈箅機(jī)－ 回轉(zhuǎn)窯主要參數(shù)見表10，高架回轉(zhuǎn)窯如圖7 所示，鏈箅機(jī)－ 回轉(zhuǎn)窯預(yù)還原熱風(fēng)工藝如圖8 所示。

 由圖7 可見，回轉(zhuǎn)窯與電爐之間實現(xiàn)了柔性連接，焙燒還原出來的熱球團(tuán)通過料罐直接運至電爐，有效提高了冶煉爐料溫度及降低冶煉電耗。

3.2 預(yù)還原球團(tuán)礦分析

生球經(jīng)鏈箅機(jī)干燥、預(yù)熱后，預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度達(dá)500 N/P，再進(jìn)回轉(zhuǎn)窯焙燒還原240 min，鏈箅機(jī)預(yù)熱段和回轉(zhuǎn)窯的溫度范圍為700～1 350 ℃，在此溫度區(qū)間發(fā)生反應(yīng)式( 4) 、( 5) 的還原反應(yīng); 除去產(chǎn)生的灰分和散料，得到成品球團(tuán)礦的主要指標(biāo)如表11 所示。

將表11 數(shù)據(jù)帶入公式( 1) ～ ( 3) ，得出: η_Cr =55.98%; ηFe= 86.10%; ηcd=69.25%。

鉻精礦預(yù)還原球團(tuán)鉻的還原度為55.98%，綜合還原度為69.25%，滿足礦熱爐冶煉生產(chǎn)高碳鉻鐵。

3.3 礦熱爐冶煉應(yīng)用效果

我國首套鏈箅機(jī)－ 回轉(zhuǎn)窯20 萬t /a 鉻礦預(yù)還原球團(tuán)生產(chǎn)線于2014 年11 月投產(chǎn)，內(nèi)蒙豐鎮(zhèn)某鐵合金公司25.5 MVA 礦熱爐分別使用50%鉻預(yù)還原球團(tuán)熱裝配加50% 冷燒結(jié)礦、100% 冷鉻燒結(jié)礦及100%鉻預(yù)還原球團(tuán)熱裝的冶煉工藝指標(biāo)見表12^［16］。

從表12 看出，與100% 冷燒結(jié)礦冶煉相比，礦熱爐使用50% 鉻預(yù)還原球團(tuán)熱裝配加50% 冷燒結(jié)礦，鐵合金日產(chǎn)量提高52 t、鉻回收率提高3%，電耗降至2 600 kWh /t，渣中鉻含量降低2%。礦熱爐使用100%鉻預(yù)還原球團(tuán)熱裝，鐵合金日產(chǎn)量提高到260 t，電耗降至2 100 kWh /t，渣中鉻含量降至3%。礦熱爐冶煉應(yīng)用效果表明，鉻精礦預(yù)還原球團(tuán)取代粉礦直接入礦熱爐冶煉，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

4 結(jié)語

( 1) 隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，鉻鐵合金的需求量逐年增加，鉻精礦鏈箅機(jī)－ 回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)工藝，既符合鉻粉礦造塊要求，又滿足鏈箅機(jī)－ 回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)技術(shù)發(fā)展，球團(tuán)礦代替粉礦直接入爐，是提高高碳鉻鐵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的一個有力措施。

( 2) 鉻精礦和焦粉的比表面積為1 700 cm² /g時，生球落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度指標(biāo)最好，爆裂溫度為435 ℃大于鏈箅機(jī)抽風(fēng)干燥段最高風(fēng)溫400 ℃，滿足鏈箅機(jī)抽風(fēng)干燥段對生球爆裂溫度的要求。

( 3) 隨著預(yù)熱溫度提高、預(yù)熱時間延長，預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度增加，在900 ℃下預(yù)熱14 min，鉻精礦預(yù)熱球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度達(dá)到400 N/P。隨著還原溫度升高、還原時間延長，鉻和鐵的還原指標(biāo)均呈增加趨勢，在相同溫度和時間下，鐵比鉻易還原。

( 4) 球團(tuán)生產(chǎn)實踐表明，生球經(jīng)鏈箅機(jī)干燥、預(yù)熱后，預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度達(dá)500 N/P，鉻精礦預(yù)還原球團(tuán)鉻的還原度為55.98%，綜合還原度為69.25%。電爐冶煉表明，礦熱爐使用50%鉻預(yù)還原球團(tuán)熱裝配加50%冷燒結(jié)礦，鐵合金日產(chǎn)量提高52 t、鉻回收率提高3%，電耗降至2 600 kWh/t，渣中鉻含量降低2%。

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