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一、研究的背景與問題

 

隨著國防、交通、石油、汽車等行業(yè)發(fā)展和技術(shù)進步，對鋼材的性能要求日益提高，對鋼中雜質(zhì)元素、夾雜物含量的要求也日益嚴格。潔凈鋼是指對鋼中雜質(zhì)元素含量具有非常嚴格要求的鋼種，一般要求硫、磷的質(zhì)量分數(shù)小于0.01%，且對氫、氧以及低熔點金屬的含量也有嚴格的要求。國內(nèi)外對潔凈鋼的研究都給予了高度重視和極大關(guān)注，新世紀以來，我國高效率、低成本潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)取得了一定進展，但潔凈鋼生產(chǎn)的數(shù)量、品種、質(zhì)量和成本均與世界先進水平有很大的差距，無法滿足我國國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，嚴重影響我國裝備制造、國防等工業(yè)的發(fā)展。

 

潔凈鋼生產(chǎn)需要低碳、低硫、低磷、有害及殘留元素低的鐵源原料—潔凈鋼水或冶煉潔凈鋼基料。我國目前生產(chǎn)的潔凈鋼主要采用高爐-轉(zhuǎn)爐傳統(tǒng)冶煉流程。我國鐵礦資源稟賦差，整體呈現(xiàn)出“貧細雜”的特點，雖然經(jīng)過復(fù)雜的選礦工藝處理可以生產(chǎn)出滿足高爐冶煉要求的鐵精礦，然而冶煉得到的鐵水通常含有較多雜質(zhì)，這些雜質(zhì)需在鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐煉鋼等過程中去除，造成了煉鋼工藝流程的復(fù)雜和成本的上升，限制了我國潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。此外，高爐煉鐵以焦碳為主要能源，排放大量污染物，嚴重污染環(huán)境。

 

除采用傳統(tǒng)的高爐鐵水外，高品質(zhì)純鐵也是冶煉潔凈鋼的基料。直接還原煉鐵是以非焦煤為能源，在不熔化、不造渣的條件下，原料基本保持原有物理形態(tài)，鐵的氧化物經(jīng)還原獲得以金屬鐵為主要成分的固態(tài)產(chǎn)品的技術(shù)方法。其產(chǎn)品直接還原鐵中硅、錳、鎳、鉻、鈦、釩等元素含量比高爐鐵水及廢鋼低1～2個數(shù)量級，是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼鐵材料不可或缺的原材料。然而，由于受高品位鐵礦資源缺乏的制約，我國直接還原鐵工業(yè)發(fā)展極其緩慢。

 

針對我國鐵精礦品質(zhì)較差、潔凈鋼基料匱乏的現(xiàn)狀，東北大學韓躍新教授項目團隊提出了基于源頭控制雜質(zhì)含量的“鐵精礦深度提質(zhì)—直接還原—電爐熔煉”潔凈鋼基料低成本制備新工藝，并圍繞超級鐵精礦和潔凈鋼基料高效制備過程中鐵精礦深度去雜、高純鐵精礦直接還原、直接還原鐵品質(zhì)控制等關(guān)鍵技術(shù)開展研究工作，以期解決我國直接還原鐵原料和潔凈鋼基料匱乏的問題，為鋼鐵的短流程綠色生產(chǎn)提供技術(shù)支撐，促進鋼鐵工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

 

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

 

針對我國超級鐵精礦與直接還原鐵技術(shù)研究現(xiàn)狀，本項目基于鐵礦石優(yōu)質(zhì)優(yōu)用的學術(shù)思想，以優(yōu)化鐵礦產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、延伸鐵礦產(chǎn)業(yè)鏈及鋼鐵清潔生產(chǎn)為目標，將礦物加工、直接還原和電爐熔煉有機結(jié)合，通過從普通鐵精礦到純鐵產(chǎn)品的全流程關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)超級鐵精礦與潔凈鋼基料短流程綠色制備技術(shù)，并實現(xiàn)其工業(yè)化應(yīng)用。本項目總體思路如圖1所示。

 

 

針對典型的鐵精礦開展工藝礦物學研究，重點查明樣品中磁鐵礦的連生體特征及結(jié)晶粒度，并對樣品進行分選試驗，建立基于鐵礦石工藝礦物學基因特性的超級鐵精礦制備可行性評價體系，實現(xiàn)了超級鐵精礦原料的高效、快速、便捷篩選；針對鐵礦物的過磨和欠磨都不利于超級鐵精礦制備的技術(shù)難題，采用攪拌磨機開展系統(tǒng)地鐵精礦再磨技術(shù)及理論研究，利用CFD軟件對攪拌磨磨腔內(nèi)的流場進行模擬計算，建立不同直徑介質(zhì)和攪拌器轉(zhuǎn)速的磨礦動力學方程，考察攪拌磨與球磨兩種磨礦方式的磨礦效果，形成攪拌磨窄級別磨礦技術(shù)，實現(xiàn)了鐵礦物與脈石礦物的高效解離；針對超級鐵精礦制備過程中二氧化硅及其他雜質(zhì)（酸不溶物）難以去除的技術(shù)難題，采用MaterialsStudio軟件模擬計算磁鐵礦和石英礦物表面的物理化學差異，設(shè)計并合成具有新型分子結(jié)構(gòu)的常溫捕收劑，并通過藥劑分子結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及純礦物浮選試驗，確定新型浮選捕收劑的適宜工藝條件，為實現(xiàn)磁鐵礦與石英的高效浮選分離提供技術(shù)與理論指導(dǎo)；以超純和高純兩種鐵精礦為原料，研究氣基豎爐直接還原專用氧化球團制備工藝，模擬HYL氣基豎爐直接還原生產(chǎn)工藝，研究超級鐵精礦氧化球團的氣基還原特性，并以生產(chǎn)的直接還原鐵為原料開展了低碳電爐熔煉試驗，獲得可作為優(yōu)質(zhì)潔凈鋼基料TFe＞99.90%、C＜0.0010%、S含量＜0.0066%、P含量＜0.0020%的純鐵，形成超級鐵精礦選擇性還原-低碳熔煉純鐵新技術(shù)。

 

三、主要創(chuàng)新性成果

 

1、提出了以低品位磁鐵礦為原料短流程制備高品質(zhì)純鐵技術(shù)。突破鐵礦石傳統(tǒng)的選礦-高爐-轉(zhuǎn)爐-RH精煉工藝流程的限制，以冷態(tài)物理精選方法剔除鐵礦石中大部分非鐵雜質(zhì)，取代傳統(tǒng)的高溫熔化、造渣工藝，形成“鐵精礦深度提質(zhì)-選擇性直接還原-低碳電爐熔煉”生產(chǎn)高品質(zhì)純鐵技術(shù)。

 

2、開發(fā)了攪拌磨窄級別磨礦與復(fù)合力場電磁精選技術(shù)。首先采用攪拌磨對普通鐵精礦進行細磨，制備窄級別物料，強化鐵礦物的高效單體解離，然后采用具有復(fù)合力場的電磁精選機進行深度提鐵除雜，可直接獲得TFe70.00%～71.50%，SiO2＜2.00%的高品位鐵精礦。

 

3、創(chuàng)建了基于MS模擬的常溫高效脫硅浮選藥劑結(jié)構(gòu)設(shè)計與合成技術(shù)�；贛S軟件模擬探明磁鐵礦和石英礦物表面物理化學性質(zhì)的差異，并據(jù)此設(shè)計合成了具有新型分子結(jié)構(gòu)的常溫高效脫硅浮選藥劑，該藥劑為控制SiO2及其他雜質(zhì)（酸不溶物）極低含量的關(guān)鍵性技術(shù)，經(jīng)反浮選脫硅后可獲得了TFe＞71.50%，SiO2＜0.20%的超純鐵精礦。

 

4、發(fā)明了選擇性直接還原-低碳熔煉純鐵技術(shù)。采用低溫選擇性還原技術(shù)將超級鐵精礦中的鐵礦物還原為金屬鐵，嚴格控制非鐵元素還原進入金屬鐵相，還原產(chǎn)品經(jīng)電爐高溫快速熔煉獲得高品質(zhì)純鐵，與傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐-RH精煉工藝相比純鐵Fe＞99.90%，C含量可＜0.0005%，噸純鐵CO2排放量減少70%以上。

 

四、應(yīng)用情況與效果

 

依托東北大學超級鐵精礦與潔凈鋼基料綠色制備創(chuàng)新技術(shù)，遼寧建平旗盛金屬新材料公司建成了10萬t/a超級鐵精礦生產(chǎn)線（圖2）和6萬t/a的低碳電爐熔煉生產(chǎn)潔凈鋼基料生產(chǎn)線（圖3）。生產(chǎn)的超級鐵精礦TFe品位高達72.22%、SiO2含量為0.20%、酸不溶物含量為0.18%，純鐵產(chǎn)品TFe品位＞99.92%，P含量≤0.0006%，S含量≤0.0092%，C含量≤0.0020%，達到優(yōu)質(zhì)潔凈鋼基料的標準。

 

 

超級鐵精礦與潔凈鋼基料綠色制備技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用實現(xiàn)了我國優(yōu)質(zhì)磁鐵礦資源的優(yōu)質(zhì)優(yōu)用目標，優(yōu)化了鐵礦產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、延伸了鐵礦產(chǎn)業(yè)鏈，解決了我國生產(chǎn)直接還原鐵原料匱乏的難題，填補了國內(nèi)外低品位磁鐵礦至純鐵全流程綠色制備技術(shù)空白，對于優(yōu)質(zhì)磁鐵礦資源的高效利用起到了示范性作用，為我國發(fā)展鋼鐵短流程及高端鋼材生產(chǎn)奠定了原料基礎(chǔ)。同時，與傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐工藝相比噸鋼CO2排放量降低70%以上，以非結(jié)焦煤為能源，有利于鋼鐵生產(chǎn)擺脫對焦煤的依賴，為我國潔凈鋼基料的生產(chǎn)開辟了新的途徑，對推動我國鋼鐵材料產(chǎn)品從中低端向中高端邁進，突破國外在國防、航天、航空及新能源等領(lǐng)域材料的封鎖具有重要意義。

 

（來源：東北大學）