鐵礦石是我國鋼鐵工業(yè)的保障性資源，屬國家的重大戰(zhàn)略需求。鐵礦綠色開發(fā)利用方向針對我國鐵礦資源稟賦特點，結(jié)合2011鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心重大任務(wù)，提出了鐵礦資源“劣質(zhì)能用、優(yōu)質(zhì)優(yōu)用”的發(fā)展戰(zhàn)略，凝練出“難選鐵礦石預(yù)富集-懸浮焙燒-磁選技術(shù)與裝備”、“難選鐵礦石煤基深度還原短流程技術(shù)”、“超級鐵精礦與潔凈鋼基料短流程綠色制備關(guān)鍵技術(shù)”、“鐵礦石新型綠色高效浮選藥劑研制及應(yīng)用”等課題。經(jīng)過4年來的理論和實驗室試驗等基礎(chǔ)研究，形成了系列復(fù)雜難選鐵礦資源高效利用關(guān)鍵技術(shù)，在中試試驗和工業(yè)應(yīng)用中取得顯著成果。下面將分別對上述研究內(nèi)容的成果予以介紹說明。
東北大學(xué)鐵礦資源綠色開發(fā)利用研究團隊在國家自然科學(xué)基金重點項目、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目的支持下，開展了極難選鐵礦資源深度還原基礎(chǔ)研究和工藝技術(shù)研發(fā)，建立了難選鐵礦深度還原復(fù)雜體系熱力學(xué)基礎(chǔ)理論，確定了深度還原動力學(xué)機理函數(shù)和限制性環(huán)節(jié)，揭示了礦石微觀結(jié)構(gòu)和物相演變規(guī)律，闡明了金屬相形核及生長機制，探討了有害元素磷的微觀相際遷移機理，開發(fā)了深度還原-高效磁選、深度還原富磷-高磷鐵粉脫磷綜合利用、深度還原短流程熔煉等關(guān)鍵技術(shù)，建成了處理能力50噸/天的深度還原短流程熔煉中試系統(tǒng)，完成了紅土鎳礦、釩鈦磁鐵礦等典型難選鐵礦石深度還原短流程熔煉半工業(yè)試驗。目前，該技術(shù)得到國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)的高度關(guān)注，正在加速其工業(yè)化推廣應(yīng)用。
針對常規(guī)選礦方法和磁化焙燒技術(shù)也難以高效經(jīng)濟開發(fā)利用的極難選鐵礦資源，研究團隊突破選礦-球團（燒結(jié)）-高爐的傳統(tǒng)理念，創(chuàng)造性提出了深度還原短流程技術(shù)，即以煤粉為還原劑將礦石中的鐵礦物還原為金屬鐵，之后通過磁選或熔煉的技術(shù)實現(xiàn)渣鐵分離，獲得金屬鐵粉或鐵水。通過對復(fù)雜難選鐵礦石選冶一體化研究，突破極難選鐵礦資源高效利用的技術(shù)瓶頸，開發(fā)了深度還原選冶一體化流程參數(shù)優(yōu)化調(diào)控、金屬相形成過程調(diào)控、有害元素磷遷移走向控制等關(guān)鍵技術(shù)，以高磷鮞狀赤鐵礦石、羚羊鐵礦石、紅土鎳礦為原料進行了半工業(yè)試驗，取得了良好指標，為該類資源的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
1、基礎(chǔ)研究
針對深度還原過程中礦物反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)機制、物相和結(jié)構(gòu)演變規(guī)律、金屬相的形成生長機理、有害元素磷的遷移規(guī)律等開展了深入系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究。
1.1難選鐵礦深度還原熱力學(xué)和動力學(xué)機制
基于礦石的物質(zhì)組成，借助熱力學(xué)計算軟件對深度還原熱力學(xué)進行了系統(tǒng)地模擬計算。鐵礦物的還原歷程為Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe，要實現(xiàn)礦石中赤鐵礦的完全還原，深度還原的溫度應(yīng)高于1000℃；赤鐵礦還原的中間產(chǎn)物FeO可能與SiO2、Al2O3生成鐵橄欖石、鐵尖晶石等鐵復(fù)雜化合物，隨著溫度的升高，鐵復(fù)雜化合物會被固體碳還原為金屬鐵；礦石主要雜質(zhì)成分SiO2、Al2O3、CaO之間可能發(fā)生固相反應(yīng)，生成CaO·SiO2、CaO·Al2O3、CaO·Al2O3·SiO2等復(fù)雜化合物；還原溫度高于1343℃時，磷礦物會被固體碳還原為單質(zhì)磷，SiO2的存在會促進磷礦物的還原；還原體系組分越多，反應(yīng)平衡時的物相組成越復(fù)雜，反應(yīng)達到平衡時所需的溫度越高。由此，建立了難選鐵礦深度還原熱力學(xué)基礎(chǔ)理論體系，對于優(yōu)化還原條件、促進鐵礦物還原具有重要指導(dǎo)意義。
利用自行組建的試驗系統(tǒng)，通過等溫和非等溫兩種熱分析技術(shù)對深度還原動力學(xué)進行了研究，考察了還原溫度、C/O摩爾比、升溫速率對還原度及還原速率的影響規(guī)律，并對機理函數(shù)和動力學(xué)參數(shù)進行了求解，獲得了反應(yīng)活化能和指前因子，建立了深度還原反應(yīng)動力學(xué)模型；隨著還原的進行，還原機理發(fā)生改變；還原前期階段，發(fā)生還原反應(yīng)的主要物質(zhì)為Fe2O3、Fe3O4和FeO，反應(yīng)由界面化學(xué)反應(yīng)控制；還原后期階段則主要是Fe2SiO4和FeAl2O4，固相擴散為還原反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)。
1.2礦石物相轉(zhuǎn)化及微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律
鐵礦石組成礦物的物相轉(zhuǎn)化及微觀結(jié)構(gòu)的演變過程對于探明難選鐵礦石深度還原機制、優(yōu)化調(diào)控還原過程具有非常重要的意義。采用XRD、SEM檢測技術(shù)，查明了深度還原過程中鐵礦物及雜質(zhì)組分的反應(yīng)歷程，闡述了鐵礦物還原反應(yīng)機理，探明了礦石微觀結(jié)構(gòu)的破壞過程，建立了深度還原過程的簡化物理模型，如圖1所示。
▲圖1難選鐵礦深度還原過程中鐵礦物還原及微觀結(jié)構(gòu)演變示意圖
研究發(fā)現(xiàn)，深度還原過程中存在著復(fù)雜的物相轉(zhuǎn)化，不僅包含鐵礦物的還原，還有鐵復(fù)雜化合物的生成及還原，以及Si、Al、Ca主要雜質(zhì)成分之間的反應(yīng)。鐵礦物按照Fe2O3→Fe3O4→FeO（Fe2SiO4，F(xiàn)eAl2O4）→Fe的順序發(fā)生一系列反應(yīng)相變，最終還原為金屬鐵。雜質(zhì)組分則主要依據(jù)Fe-Al-Si-O→Fe-Ca-Al-Si-O→Ca-Al-Si-O的歷程發(fā)生反應(yīng)，最終形成渣相。礦石微觀結(jié)構(gòu)將按照由外至內(nèi)的空間順序逐漸發(fā)生破壞，演變過程可分為邊緣破壞、內(nèi)部破壞、完全破壞三個階段。金屬相及渣相的形成與聚集生長是礦石微觀結(jié)構(gòu)破壞的直接動力。礦石物相轉(zhuǎn)化與微觀結(jié)構(gòu)演變并不是兩個孤立的過程，二者之間相輔相成，同時進行。物相轉(zhuǎn)化是微觀結(jié)構(gòu)改變的根本原因，微觀結(jié)構(gòu)的演變是物相轉(zhuǎn)化的必然結(jié)果，同時微觀結(jié)構(gòu)的破壞對物相轉(zhuǎn)化也具有一定的促進作用。
1.3深度還原過程中金屬鐵顆粒形成及粒度預(yù)測模型
借助SEM和化學(xué)分析技術(shù)，對鐵礦物的金屬化過程、金屬相的存在形態(tài)及聚集生長規(guī)律進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)金屬化過程可以分為金屬相快速形成階段和金屬相含量穩(wěn)定階段。金屬顆粒的形成過程為：還原生成的Fe原子在礦石表面析出，形成微小的不規(guī)則金屬凸起，成為金屬顆粒生長的核心；后續(xù)還原生成的Fe原子由渣相擴散遷移至金屬顆粒核心表面，與之融合生長為類球形的金屬顆粒。
光學(xué)顯微圖像分析技術(shù)是測量深度還原物料中金屬顆粒粒度的最佳方法。利用光學(xué)顯微圖像分析技術(shù)對還原物料中金屬鐵顆粒粒度進行測量，考察還原溫度和還原時間對鐵顆粒粒度的影響，并采用MATLAB軟件對試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析，建立鐵顆粒粒度與還原條件之間的數(shù)學(xué)模型，模型的計算值與試驗值具有良好的吻合性，可用于預(yù)估深度還原過程中金屬鐵顆粒的粒度。基于該模型，可通過調(diào)整T和t以實現(xiàn)金屬鐵顆粒粒度的優(yōu)化與控制。
1.4深度還原過程中磷元素的遷移調(diào)控機制
借助XRD、SEM-EDS、EPMA等檢測分析技術(shù)對深度還原過程中磷礦物的還原特性、磷在各相間的分布規(guī)律、磷在還原物料中的賦存狀態(tài)、以及磷的微觀遷移進行了系統(tǒng)的研究。研究發(fā)現(xiàn)，SiO2在磷灰石的還原過程中起著決定性作用，可以顯著降低磷灰石還原反應(yīng)的起始溫度；Fe2O3被還原為金屬鐵之后，因可以提供磷的最易傾向富集位置（金屬相）而促進了磷灰石的還原，但這種促進作用是以磷灰石還原反應(yīng)的發(fā)生為前提。
在深度還原物料金屬相中，磷以Fe3P化合物和Fe-P固溶體的形式存在；在渣相中，磷主要賦存于磷灰石和CaO-SiO2-P2O5固溶體中。深度還原過程中，磷在金屬相、渣相和氣相中分布，在金屬相中的含量及分布率明顯高于渣相和氣相，在氣相中的分布率最低，磷傾向富集的順序為：金屬相＞渣相＞氣相。磷的富集方向為渣相→金屬相，遷移過程包括渣相中擴散、鐵-磷化合物形成和金屬相中擴散三個環(huán)節(jié)。磷的遷移路徑為：還原生成的單質(zhì)磷通過渣相中的孔隙擴散至渣-鐵界面；到達界面后被金屬鐵捕獲，發(fā)生反應(yīng)生成Fe3P化合物；金屬相邊界處的磷以固溶擴散的方式逐漸遷移至金屬相內(nèi)部。
2、關(guān)鍵技術(shù)
基于深度還原熱力學(xué)基礎(chǔ)、動力學(xué)機理、物相及微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律、金屬鐵顆粒形成及生長、有害元素磷的遷移與控制機制等關(guān)鍵科學(xué)問題的揭示，本研究創(chuàng)新性地提出了深度還原-高效磁選選冶一體化技術(shù)、深度還原富磷-高磷鐵粉脫磷綜合利用技術(shù)和煤基深度還原短流程熔煉技術(shù)。
2.1深度還原-高效磁選選冶一體化技術(shù)
針對鐵和有害元素相對較低的鐵礦石，創(chuàng)新性提出了深度還原-高效磁選選冶一體化技術(shù)。在低于礦石熔化溫度下將礦石中的鐵礦物還原為金屬鐵，并通過調(diào)控促使金屬鐵聚集生長為一定粒度的鐵顆粒，還原物料經(jīng)高效分選獲得煉鋼用金屬鐵粉。將深度還原物料工藝礦物學(xué)特點與深度還原控制技術(shù)進行有機結(jié)合，揭示了深度還原工藝條件（還原溫度、還原時間、還原劑用量、還原劑種類等）與分選效果之間的內(nèi)在關(guān)系，查明了礦石粒度、造粒與散料、布料方式、還原劑種類等對傳質(zhì)傳熱的影響規(guī)律，結(jié)合深度還原物料粉磨和分選條件優(yōu)化設(shè)計，建立了深度還原選冶一體化流程參數(shù)優(yōu)化調(diào)控技術(shù)。
2.2深度還原富磷-高磷鐵粉脫磷綜合利用技術(shù)
針對磷含量相對較高的鐵礦石，開發(fā)了深度還原富磷-高磷鐵粉脫磷綜合利用技術(shù)。在深度還原過程中，鐵礦物還原的同時將磷礦物也還原為單質(zhì)磷，并促使其進入鐵相，通過磁選得到富磷鐵粉；之后，采用脫磷冶煉技術(shù)對富磷鐵粉進行精煉，在獲得合格鐵水的同時，得到高磷鋼渣，將高磷鋼渣用于制作磷肥或作為進一步提取磷的原料。以高磷鮞狀赤鐵礦為原料，開展了深度還原富磷和高磷鐵粉脫磷研究，獲得了鐵含量99.17%、磷含量0.10%、鐵回收率84.41%的鐵水和磷含量5.72%、磷回收率67.23%的富磷渣。該技術(shù)為含磷難選鐵礦資源鐵磷綜合利用開辟了新的途徑。資源鐵磷綜合利用開辟了新的途徑。
2.3煤基深度還原短流程熔煉新技術(shù)
針對鐵品位相對較高或伴生鎳、釩、鈦等金屬的鐵礦資源，創(chuàng)造性提出了煤基深度還原短流程熔煉技術(shù)。以煤粉為燃料和還原劑對復(fù)雜難選鐵礦石進行預(yù)還原，將鐵礦中的鐵氧化物在礦石不融化的溫度下轉(zhuǎn)化為金屬鐵，然后直接進入礦熱爐進一步還原熔煉得到可深加工的液態(tài)金屬。該技術(shù)流程環(huán)節(jié)熱流不中斷，各工序熱損失小，熱量利用效率高，生產(chǎn)流程短，以煤代焦、以煤代電，大幅降低了生產(chǎn)成本，原燃料適應(yīng)性廣，屬新型冶煉技術(shù)。
3、小型試驗研究
基于基礎(chǔ)研究的成果，在實驗室利用自行研制的單行加熱爐，針對臨江羚羊鐵礦石、凌源鮞狀赤鐵礦石、白云鄂博氧化鐵礦石、官店高磷鮞狀赤鐵礦石等典型難選鐵礦資源，進行了深度還原流程優(yōu)化試驗研究，取得了良好的技術(shù)指標。
3.1臨江羚羊鐵礦石深度還原磁選試驗
吉林臨江的羚羊鐵礦石儲量約10億噸，含鐵品位30%-35%，因無法實現(xiàn)選礦分離而成為“呆礦”。研究團隊以羚羊鐵礦石為原料進行了深度還原-磁選試驗，確定了適宜的深度還原條件為：還原溫度1275℃、還原時間50min、料層厚度30mm、配碳系數(shù)3.0、還原煤粒度-2.0mm和礦石粒度-2.0mm，可獲得全鐵品位46.11%、金屬鐵含量41.30%、金屬化率89.57%的還原物料。還原物料經(jīng)高效選別試驗，在磨礦粒度為-45μm占87%條件下，經(jīng)三段磁選，獲得了全鐵品位90.09%、鐵回收率88.32%、金屬化率89.81%的良好指標。
3.2白云鄂博氧化鐵礦石深度還原磁選試驗
白云鄂博礦由于其礦物成分復(fù)雜，共生關(guān)系密切，嵌布粒度細而不均及可利用的有價成分多等原因，導(dǎo)致選礦過程中鐵礦物和稀土礦物的回收率均較低。研究團隊系統(tǒng)研究了還原溫度、還原時間、配碳系數(shù)、煤粉粒度等因素對深度還原效果的影響。試驗確定的適宜深度還原條件為：還原溫度1225℃，還原時間30min，配碳系數(shù)2.0，煤粉粒度-1.5mm，礦石粒度-2.0mm。在此條件下制備出的還原物料鐵品位35.30%，金屬鐵含量33.05%，金屬化率93.63%。針對深度還原物料可磨性差的特點，提出“階段磨礦，粗細分選”工藝選別流程，獲得了鐵粉品位92.02%，回收率93.27%，金屬化率94.18%的良好指標，該產(chǎn)品可直接作為煉鋼原料。
3.3凌源鮞狀赤鐵礦石深度還原磁選試驗
鮞狀赤鐵礦石礦物組成復(fù)雜、礦物結(jié)晶粒度細、加之鮞狀結(jié)構(gòu)獨特，傳統(tǒng)選礦工藝難以加工利用，被公認為是世界上最難選的鐵礦石。研究團隊以煤作為還原劑對凌源鮞狀赤鐵礦進行了深度還原-磁選試驗，在還原溫度1275℃、還原時間40min、配煤量3.0、礦石粒度-2.0mm、配煤粒度-2.0mm、料層厚度30mm、物料堿度0.1的適宜條件下，還原物料金屬化率可達91.01%。還原物料經(jīng)兩段磨礦-兩段磁選-電磁精選流程處理，可獲得Fe品位86.10%、回收率93.21%、Mn品位1.54%、回收率19.68%的鐵粉產(chǎn)品，鐵粉中Fe、Mn品位總計87.64%。該流程在回收利用鐵的同時，綜合回收了礦石中伴生的錳元素。
3.4高磷鮞狀赤鐵礦石深度還原富磷-高磷鐵粉脫磷試驗
在我國部分鮞狀赤鐵礦含磷量高，一般在0.4%-1.1%，稱為高磷鮞狀赤鐵礦，已探明高磷鮞狀赤鐵礦儲量37.2億噸。研究團隊開展了深度還原富磷和高磷鐵粉脫磷試驗。確定適宜深度還原工藝條件為：還原溫度1250℃、還原時間50min、配碳系數(shù)2.0、CaO用量6%，可獲得金屬化率95.68%的還原物料。采用階段磨礦磁選對還原物料進行分選，獲得了鐵品位91.41%、回收率92.26%、金屬化率93.42%、磷含量1.74%、磷回收率71.70%的高磷鐵粉。高磷鐵粉適宜脫磷條件為：渣系堿度3.5、FeO含量55%和Al2O3含量6%，渣金比0.2、脫磷溫度1600℃、脫磷時間20min，可將金屬相中的磷降至0.2%、脫磷率達88.51%，同時可獲得P2O5含量14.41%的富磷渣。
4、中試試驗
根據(jù)實驗室研究的結(jié)果，研究團隊開發(fā)建成了深度還原-高效分選中試試驗系統(tǒng)和深度還原短流程熔煉半工業(yè)試驗平臺，先后以臨江羚羊鐵礦石、鮞狀赤鐵礦石和紅土鎳礦為原料進行了中試試驗，取得了顯著的成果。
4.1深度還原-高效分選中試試驗
深度還原-高效分選中試試驗系統(tǒng)處理能力為200kg/h，該系統(tǒng)主要由板式深度還原爐、顎式破碎機、球磨機、磁選機組成，系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)系圖如圖2所示。礦石深度還原試驗在板式還原爐中進行，板式還原爐采用雙層加熱方式，即把燃燒空間分為上下兩層，以承載礦石的托盤為界。還原爐主體結(jié)構(gòu)為爐體、爐襯、燃燒系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、托盤傳動系統(tǒng)。還原爐以液化石油氣為燃料。
▲圖2深度還原-高效分選中試系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)系圖
利用深度還原-高效分選中試系統(tǒng)針對臨江羚羊鐵礦石進行了中試試驗。深度還原中試條件試驗確定最佳的深度還原條件為：還原溫度1275℃、還原時間60min、配碳系數(shù)3.0、料層厚度30mm。在最佳條件下，深度還原試驗連續(xù)穩(wěn)定運行10天，生產(chǎn)獲得40噸鐵品位42.29%、金屬化率90.32%的還原物料。針對深度還原物料進行了連續(xù)分選試驗。連選試驗流程為：還原熟料經(jīng)過一段捶碎后通過2mm篩子，捶碎后產(chǎn)品經(jīng)過一段磁選回收過剩還原劑，一段磁選精礦給入球磨機中進行磨礦，磨細后產(chǎn)品經(jīng)過二段磁選后給入精選機中進行精選，精選后產(chǎn)品為最終產(chǎn)品。連選試驗在給礦量180t/h條件下，連續(xù)穩(wěn)定運行72h，最終可獲得鐵品位為90.49%、回收率88.07%的還原鐵粉產(chǎn)品（圖3）。
▲圖3深度還原鐵粉產(chǎn)品SEM圖像
4.2深度還原短流程熔煉中試試驗
在深度還原-高效分選技術(shù)基礎(chǔ)上，研究團隊進一步拓展開發(fā)出煤基深度還原短流程熔煉新技術(shù)，并于朝陽東大礦冶研究院建成日處理量為50噸的半工業(yè)試驗系統(tǒng)，如圖4所示。深度還原短流程中試平臺主要由混料系統(tǒng)、預(yù)還原系統(tǒng)、還原熔煉系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)組成。該平臺利用一次性能源煤做為燃料和還原劑，用少量的電能輔助完成還原和冶煉的過程。
▲圖4深度還原短流程熔煉中試平臺
利用深度還原短流程熔煉中試平臺，針對印尼紅土鎳礦進行了中試試驗，中試試驗給礦量為2t/h。通過試驗確定的適宜工藝條件為：預(yù)還原溫度1100℃、熔池溫度1600℃，最終獲得了鐵含量86.18%、鐵回收率95.12%、鎳含量4.34%、鎳回收率94.28%的鎳鐵產(chǎn)品。此外，針對難選鐵礦石、釩鈦磁鐵礦等典型難選鐵礦資源進行了深度還原熔煉半工業(yè)探索試驗，鐵水產(chǎn)品化學(xué)組成如表1所示。
鐵礦資源綠色開發(fā)利用方向針對常規(guī)選礦方法不能處理的鐵礦資源，突破了傳統(tǒng)的選礦-球團-高爐煉鐵限制，創(chuàng)造性提出了深度還原短流程技術(shù)，并圍繞其開展了大量的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)工作，建成了半工業(yè)試驗平臺，完成了多種典型難選鐵礦資源的實驗室和中試試驗，取得了良好的技術(shù)指標，為我國復(fù)雜難選鐵礦高效經(jīng)濟開發(fā)利用提供了新途徑。
難選鐵礦石煤基深度還原短流程新技術(shù)對鋼鐵生產(chǎn)流程的變革和節(jié)能減排具有深遠影響。該技術(shù)適應(yīng)性強，不僅能高效處理難選鐵礦，還適用于銅、鎳等有色金屬的回收；同時省去了選礦、球團等工藝，從而縮短了鋼鐵生產(chǎn)流程、提高了生產(chǎn)效率并降低了能源消耗。此外，難選鐵礦石煤基深度還原短流程新技術(shù)以普通煤粉為還原劑，擺脫了鋼鐵生產(chǎn)對焦煤的依賴，可有效地減少因煉焦造成的環(huán)境污染。綜上所述，難選鐵礦石煤基深度還原短流程新技術(shù)具有顯著的經(jīng)濟、社會及環(huán)境效益。
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