高配比褐鐵礦在線球磨礦在球團生產中的應用

劉 桐，張俊杰，賈來輝，雷 杰，張巧玉，劉勝歌，王玉會，龍紅明

（1.中天鋼鐵集團（南通）有限公司，江蘇 南通 216100；2.安徽工業大學a.冶金工程學院；b.冶金工程與資源綜合利用安徽省重點實驗室，安徽 馬鞍山 243002）

球團礦具有鐵品位高、有害元素少、形狀規則、粒度均勻、冷態強度高、冶煉渣量少等優點。除此之外，相較于燒結工序，球團工序的能耗僅為前者的50%左右，煙氣排放量只有75%左右，SO2和NOx排放量分別只有1/2和1/3，且其環保投入和運行成本都要低得多［1－3］。大力發展球團工藝、提高球團礦入爐比能有效緩解鋼鐵工業“雙碳”目標壓力。出于成球性的差異，長期以來行業內形成了“粉礦用于燒結，精礦用于球團”的造塊基本原則。但是由于“精礦”價格普遍高于“粉礦”，部分企業為追求短期利益，甚至減少球團產能進而降低球團入爐比。因此，拓寬球團生產原料結構、降低球團生產成本是大力發展高配比球團進而降低碳排放的關鍵。

球團生產工藝的轉變在一定程度上是為了滿足設備大型化和日益增長的產量的需要，也是為了適應種類繁多且性能復雜的球團原料的需求，如鏡鐵礦、高硫磁鐵精礦和針鐵礦等［4－7］。此類原料大多具有成球性差［8－9］、難焙燒等共性難處理特點［10］，需要使用強化技術手段改善其成球性能、焙燒性能和冶金性能［11－16］。眾多學者針對上述問題展開了研究，例如潤磨工藝可以起到優化粒級和物料潤濕的作用［17－21］，高壓輥磨工藝有助于物料比表面積的提升［22－25］，但二者仍然僅限于成球性相對較差的鐵精礦使用，難以從根本上拓寬球團原料結構。當原料粒度較粗時，如以燒結粉礦為原料，通常需要采用球磨得到細粒粉料后才能用于造球。

本文以拓寬球團原料結構、降低球團生產成本為目標，優化球團工藝路徑，引入在線磨礦工藝將褐鐵礦用于球團原料，鐵礦粉經球磨、塔磨后、濃縮沉淀以及板框壓濾后直接用于球團生產，并提出精礦搭配富礦粉的組合磨礦方式，利用精礦的粒度性能，帶動礦粉可磨性提升。本文所述在線磨礦工藝在國內首次實現零膨潤土造球，其球團的各項性能指標都滿足高爐入爐要求。

1 試驗原料與研究方法

1.1 試驗原料

出于原料結構穩定和生產效率最大化考慮，本文所用的鐵礦粉包括4種褐鐵礦粉和4種鐵精礦，其化學成分和粒度組成分別如表1～3所示。由表1可知：褐鐵礦粉的品位為61.00%～63.00%，SiO2質量分數為3.00%～5.00%，但Al2O3質量分數達到了1.56%～2.32%，FeO質量分數小于1.00%，燒損都在3.90%以上，是典型的高鋁褐鐵礦。如果扣除燒損，則4種粉礦的品位可達63.70%～64.9 3%。鐵精礦中除PM精礦外品位都在64.00%左右，SiO2質量分數稍高，在5.50%以上，H精礦的Al2O3質量分數也較高，達到1.50%；PC精礦的FeO質量分數為2.86%，為赤鐵精礦，其余3種均為磁鐵精礦；PM精礦品位僅為60.21%，CaO、MgO、TiO2質量分數分別達到2.00%、3.39%、2.54%，H精礦的堿金屬質量分數較高，在生產中都要嚴格控制使用。

表1 褐鐵礦粉和鐵精礦的主要化學成分和燒損（質量分數）Table 1 Main chem ical com positions and burning loss of limonite powder and iron concentrate %

由表2、3可知，4種褐鐵礦粉的粒度都較粗，＞0.50 mm粒級占比為80.00%以上，無法直接用于球團生產。H、T精粉的＜74.00μm粒級占比達到95.00%以上，完全滿足球團要求，但PC、PM精礦的＜74.00μm粒級占比僅在59.00%左右，成球性較差。

表2 褐鐵礦粉的粒度組成（質量分數）Tab le 2 Particle size com positions of limonite powder %

表3 鐵精礦的粒度組成（質量分數）Table 3 Particle size compositions of iron concentrate %

1.2 研究方法

1.2.1 磨礦原料結構優化

通過粒度組成分析，PC、PM 精礦和P、M、N以及B粉礦必須經過磨礦至一定細度后方能用于造球。設計試驗方案如表4所示。由表4可知，以純PC精礦為基準，分別以70%的PC精礦搭配30%的4種褐鐵礦粉，標記為A1～A4，開展單種礦粉濕式磨礦—壓濾—干燥工業試驗，每個試驗方案連續生產7 d，在出料線皮帶取壓濾樣品?；趩畏N礦粉磨礦試驗結果，設計多種礦粉組合磨礦工業試驗，標記為B1～B3。試驗流程如圖1所示，主要工藝流程包括球磨/塔磨＋旋流分級＋絮凝劑沉淀＋板框壓濾脫水干燥：鐵礦粉按照預定配比混合后，進入球磨機，礦漿質量分數控制為60%～65%；礦漿經旋流器分級后，≤74μm物料直接進入塔磨或者濃縮池， ＞74μm物料再次返回球磨機，直至進入濃縮池礦漿≤74μm粒級占比達到85%以上；礦漿經濃縮池沉淀后，泵送至板框壓濾干燥，形成自產精粉，與直配磁精粉按照預定配比進行造球。

圖1 磨礦工藝流程Fig.1 The grinding process of orematerials

表4 在線磨礦配礦方案（質量分數）Table 4 Blending schemes of online grinding %

其中，制約球團磨礦產量的關鍵因素在于板框壓濾階段，壓濾脫水干燥過程時間周期越短，相應的球團磨礦產量越高，同時板框壓濾后自產精粉水分應控制在10%以內，才能滿足造球要求。因此，本文設計精粉搭配富礦粉的組合磨礦方式。

1.2.2 球團生產工藝參數

按照自產精粉、H精礦、T精礦配比為55∶25∶20進行球團生產工業試驗，試驗期間帶焙機上料量穩定為250 t/h。在圓輥篩取生球樣品，按照標準方法檢測生球的落下強度和抗壓強度。300萬噸帶式焙燒機生產工藝參數如表5所示，其中，鋪底料厚度為100 mm，生球料層厚度為350 mm。

表5 帶式焙燒機生產參數Table 5 Production parameters of belt roaster

2 結果與討論

2.1 磨礦結構優化工業試驗

單種礦粉濕式磨礦—壓濾—干燥工業試驗，以70%PC精礦搭配30%的4種褐鐵礦粉，磨礦過程主要工藝參數如表6中A1～A4所示。由表6可知，添加30%的褐鐵礦粉后，物料的可磨性變化不大，≤74μm粒級占比基本保持不變，A1、A2工況略有下降，A3、A4工況小幅上升。A1、A2工況的壓濾進礦和壓濾干燥時間較基準條件縮短1.76min，磨礦效率提升。因此，自產精粉的產量由4 169 t/d增加至4 405、4 298 t/d。A3、A4工況的壓濾進礦和壓濾干燥時間較基準條件分別上升了3.17、3.41 min，壓濾較為困難，造成自產精粉產量分別下降26.0%、23.5%。通過現場調研發現，造成磨礦產量下降的主要原因在于兩個方面：A3、A4工況在板框壓濾環節易出現濾板堵塞現象；A3、A4磨礦結構壓濾難度高于A1、A2，板框壓濾后濾餅水分經常出現超出11%的現象，超出了適宜的造球水分，并造成壓濾時間延長，不利于生產穩定。

表6 磨礦結構優化試驗參數及結果Table 6 Parameters and results of grinding structure op tim ization test

對單種粉礦進行磨礦試驗，試驗結果如圖2所示。由圖2可知，4種粉礦的可磨性由高到低排序為：N粉礦≈B粉礦＞P粉礦＞M粉礦。由此推斷，壓濾難易程度與礦粉的可磨性有關，以PC精礦搭配可磨性相對較差的P、M粉礦反而有利于壓濾脫水效率的提升。綜合而言，M、P粉礦搭配PC精礦的球團磨礦結構較N、B粉礦適宜。

圖2 單種粉礦磨礦試驗結果Fig.2 Experimental results of grinding w ith single orematerials

基于單種礦粉組合PC精礦磨礦的工業試驗，優選出M、P粉礦。為進一步降低原料成本，提高褐鐵礦粉的用量，設計多種礦粉磨礦結構，結果如表6中B1～B3所示。B1～B3工況的粉礦配比分別達到60%、65%、70%，PM精礦的粒度組成與PC精礦相差不大，對試驗結果影響不大。相較基準條件，B1、B2工況≤74μm粒級占比變化不大，分別為92%、90%，但B3工況≤74μm粒級占比僅為87%，可見磨礦最終粒度與粉礦添加量負相關。由于粒度相對較粗，B3工況的壓濾進礦和壓濾干燥時間是所有方案中最短的，較基準條件縮短1.89 min，對應的自產精粉產量也處于最高水平，達到4 432 t/d。B1工況的壓濾進礦和壓濾干燥時間較基準條件縮短1.44 min，自產精粉產量小幅上升至4 213 t/d，B2工況雖然壓濾進礦和壓濾干燥時間較基準條件縮短1.03 min，但自產精粉產量降低至3 582 t/d。

綜合而言，B1工況無論是粒度組成還是磨礦效率都是3種方案中最佳，當然粉礦添加量也在3種方案中最低。

2.2 對球團生產指標的影響

不同磨礦原料結構下的球團質量指標、膨潤土消耗如表7所示。實際生產中，以生球落下強度大于6.0次/（0.5 m）作為球團考核標準。此時基準條件下，膨潤土消耗量為18.1 kg/t，引入30%褐鐵礦粉在線磨礦系統后，膨潤土消耗有不同程度的下降，但是生球內返率有小幅上升，說明粉礦的應用會小幅降低生球耐磨指數。其中，A1、A2工況膨潤土消耗量分別下降至8.9、4.2 kg/t，且落下強度提升至7.0次/（0.5 m）；A3、A4工況落下強度與基準條件持平，膨潤土消耗量分別下降至10.3、14.6 kg/t。相較基準條件，方案A1～A4的抗壓強度出現不同幅度的降低，分析原因認為，褐鐵礦作為高結晶水礦在200～500℃時發生結晶水脫附，使球團礦內部孔隙度增大，進而導致球團抗壓強度的降低［5－7］，同時球團的還原性小幅提高至61.85%～63.58%，還原膨脹指數也有小幅度降低，但考慮到基準條件的還原膨脹指數本身較小，其對生產的影響忽略不計。

表7 不同磨礦方案部分球團指標和球團生產成本Table 7 Partial pelletizing indexes and production costs of different grinding schemes

采用多種礦粉磨礦結構（B1～B3）后，生球內返率較基準條件和A1～A4進一步小幅上升至11.80%～13.50%，且粉礦配比越高生球內返率越高。但隨著粉礦配比的提高，生球落下強度出現不同程度的提升，落下強度分別達到6.5、6.8、6.6次/（0.5 m），且膨潤土消耗量出現大幅下降，尤其值得注意的是B1、B2工況膨潤土消耗量為零。即粉礦的配入有助于生球落下強度的提升和膨潤土用量的降低，甚至實現零膨潤土造球。分析原因認為，褐鐵礦粉中的Al2O3質量分數均在1.56%以上，特別是M、P粉礦的Al2O3質量分數分別達到2.32%、2.19%，含鋁黏土在生球中起到黏結作用，能夠部分甚至全部替代膨潤土作為黏結劑，進而大幅降低膨潤土用量。B1～B3工況的抗壓強度相較基準條件基本變化不大，但是褐鐵礦粉配比的增加會小幅降低抗壓強度。與A1～A4工況類似，球團的還原性小幅提高和還原膨脹指數小幅度降低。

此外，由表7可知，基準條件下球團生產成本為1100.93元/t，A1～A3、B3工況的球團成本優勢不大，甚至出現了上升的情況（如A3）。B1、B2工況的球團生產成本較基準條件分別降低了13.99、12.80元/t，優勢較大。所有方案的利用系數相差不大，但B3工況的成品率有較大幅度的下降。通過綜合評估可知，B1、B2工況無論是磨礦效果、磨礦效率以及生產成本都是所有方案中最低的。

生產實踐表明，通過在線磨礦工藝的引入和磨礦原料結構的優化，實現了褐鐵粉礦在球團配料結構中的超高配比應用（33%），年化效益約為1 093萬元。

3 結 論

（1）M、P粉礦搭配PC精礦的球團磨礦結構較N、B粉礦適宜，隨著粉礦配比的升高，物料的≤74μm粒級占比逐漸下降，20%PC精礦＋20%PM精礦＋60%M粉礦的磨礦方案無論是粒度組成還是磨礦效率都是3種方案中最佳。

（2）將褐鐵礦粉用于球團生產，生球內返率隨著粉礦用量的增加而小幅提升，膨潤土消耗量隨著粉礦用量的增加而大幅降低，褐鐵礦粉的應用對抗壓強度影響不大，球團的還原性小幅提高和還原膨脹指數小幅度降低，粉礦的應用會小幅降低生球耐磨指數。

（3）由于褐鐵礦粉中含鋁黏土在生球中起到黏結作用，粉礦的配入有助于膨潤土用量的降低。

（4）生產實踐表明，通過在線磨礦工藝的引入和磨礦原料結構的優化，褐鐵粉礦在球團配料結構中的配比達到33%，實現了零膨潤土造球的突破，年化效益約為1 093萬元。