淡水河谷球团厂使用卡粉的生产实践

李晓波 Marcus Emrich Alexandre Veiga

(1.淡水河谷金属(上海)有限公司，上海 524072；2.淡水河谷技术市场部，巴西 999074；3.淡水河谷阿曼球团公司，阿曼 999046)

0 引言

中国钢铁工业传统的炉料结构是以大比例的高碱度烧结矿+少量酸性球团矿和块矿为主。目前，国内高炉球团矿的平均入炉比例为15%左右，但随着一大批更严格的环保法律法规的施行，提高球团矿在炉料结构中的比例已成为清洁生产的趋势[1]。2019年，首钢京唐5 500 m3的高炉中，球团矿的比例已突破55%，是国内率先实行高球团比冶炼的典范[2]。此外，近期各大钢铁公司也兴起了建设球团产线的热潮，三明钢铁1×200万吨带式焙烧机已于2019年底投产，还有其他将近十个正在建设的球团项目。可见，提高球团比例已成为国内越来越多钢铁厂的共识。而从全球各大矿山公司新建项目来看，鲜有球团原料增量的报道，并且国内高成本的铁精粉供应量有逐年下降的趋势。因此，如何满足未来球团原料的需求是值得探讨的问题。本文介绍了淡水河谷公司在其图巴朗球团厂和阿曼球团厂使用卡粉的生产实践经验，可为国内球团厂拓宽原料来源，提高资源保障能力提供借鉴。

1 卡粉原料性能

卡粉产自巴西北部帕拉州的卡拉加斯矿区，该矿区铁矿储量达66亿吨以上，是世界上最大的单体铁矿。随着其新建项目S11D于2016年投产，卡粉年产量已接近2亿吨，具有十分稳定的市场供应，见图1。

图1 卡拉加斯地区矿石产量

1.1 化学成分及粒度组成

卡粉以其全铁品位高、有害杂质少、冶炼性能好等特点著称，其典型化学成分及粒度组成见表1。

表1 卡粉的化学组成和粒度组成(质量分数) %

从化学成分来看，卡粉具有高铁低硅的特点，另外其有害元素极低(S<0.01%，Na2O+K2O 0.03%,Pb 0.002%,Zn 0.007%),可作为优质的球团原料。

从粒度组成来看，卡粉粒度较粗是典型的烧结粉矿，若要用于球团生产需将其研磨至适宜的粒度。

1.2 矿物组成及晶粒尺寸

卡粉的矿物组成如表2所示，其主要矿物组成为赤铁矿，含量约为85%，另外还含有10%左右的褐铁矿和少量磁铁矿。与其它赤铁矿相比，卡粉含铁矿物的平均晶粒尺寸较小，见表3，使其具有可磨性好和还原性佳的特点。

表2 卡粉主要矿物组成 %

表3 赤铁矿的晶粒尺寸比较 μm

1.3 卡粉的可磨性及表面性质

卡粉属于软质赤铁矿，其磨矿邦德功指数仅为11 kW·h/t，较其它矿物低(见表4)，容易磨成精粉用于球团生产。

表4 不同矿石邦德功指数比较 (kW·h·t-1)

通过湿式球磨工艺，将卡粉研磨至-200目60%～70%后，其表面性质如表5所示。首先，研磨以后的卡粉，润湿热较大，接触角较小，表明其亲水性好；其次，其静态成球性指数为0.68，表明其成球性能优异[3]；最后，其比表面积高达1 445 cm2/g，较国内同等粒度组成的磁铁矿高。由此可见，研磨后的卡粉是一种成球性能优异的球团原料。

表5 卡粉磨矿后的表面性质

卡粉细粒级颗粒在扫描电镜下的照片如图2所示，可见其微观颗粒的特点是颗粒表面粗糙、可见较多的微细颗粒(<30 μm)，对于颗粒的成球非常有利。

图2 卡粉的微观颗粒形貌

2 淡水河谷球团厂使用卡粉的经验

2.1 图巴朗球团厂使用卡粉的实绩

鉴于卡粉上述的优异的特性，它具有成为优质球团原料的潜力，淡水河谷公司从2016年起，在其巴西图巴朗球团厂和阿曼球团厂开始使用卡粉，并取得了良好的效果。

图巴朗球团厂位于巴西圣埃斯皮里图州，是淡水河谷最大的球团生产系统，共有8座球团厂，设计产能达3 750万吨/年，使用带式焙烧机工艺，原料预处理工艺如图3所示，包括湿式球磨及高压辊磨系统[4]。

图3 图巴朗球团厂原料预处理工艺流程

在配加卡粉前，该厂使用100%巴西南部的硬质赤铁矿为原料，生产过程中主要遇到的问题是原料可磨性差，导致球磨系统生产能力不足，产量难以提高。配入10%的软质赤铁矿卡粉以后，每台球磨机台时能力平均增加了16.4 t/h，从而使球团厂生产能力增加，并且球团矿质量保持稳定。另外，球团矿的还原度明显增加，年度统计数据见表6。主要原因是卡粉具有微晶粒结构，使得配加卡粉作为原料的球团更容易被还原。

表6 使用卡粉前后球团矿的还原度变化情况 %

2.2 阿曼球团厂使用卡粉的实绩

淡水河谷阿曼球团厂位于阿曼苏哈尔市利瓦工业港内，于2011年4月开始运营[5]，设计产能为2×450 万吨/年，历年产量如图4所示。该厂为干式球磨+链箅机回转窑工艺。2016年以前，主要使用巴西南部硬质赤铁矿生产氧化球团，作为生产直接还原铁的原料。从2016年开始，逐步配入卡粉作为原料，目前卡粉的配比已达25%～30%。

图4 淡水河谷阿曼球团厂历年产量

表7为配入卡粉前后对磨矿指标的影响，配入25%的卡粉替代硬质赤铁矿后，球磨机处理能力增加了11%，同时，钢球消耗量降低48%，电耗也降低了7%，而所得到磨矿产品的比表面积增加了600 cm2/g。这也验证了卡粉具有良好的可磨性，可降低磨矿成本。

表7 卡粉对磨矿指标的影响

表8、表9对比了配加卡粉后对造球过程以及焙烧球性能的影响。由表8可见，配入25%的卡粉以后，适宜的造球水分由7.8%降低至7.4%；膨润土添加量由7.0 kg/t降低至5.9 kg/t，降幅达16%；与此同时，生球落下次数由5.4 次/0.5 m提高至8.0 次/0.5 m。可见，卡粉具有优异的成球性，即使在生球水分和膨润土用量同时降低的情况下，仍可以提高生球的落下强度。

由于生球质量改善，该产线的台时生产能力由557 t/h提高至615 t/h，增幅达10%。热能消耗由242 Mcal/t降低至222 Mcal/t，能耗降低了8%，其原因主要在于适宜的造球水分降低了，可节约用于生球干燥的热量；生球质量提高后，降低了生球在干燥预热过程中粉末的产生，从而提高料层透气性，改善传质传热条件[6]。

表8 卡粉对造球及焙烧过程的影响

由表9可见，配入卡粉前后，在预热焙烧工艺条件无明显变化的条件下，球团矿的抗压强度均保持在3 000 N以上；筛下粉含量则由6.9%降低至3.6%，降幅达48%，这也从另一个角度证明了配入卡粉以后，生球在干燥预热过程中产生的粉率减小；磨损指数由3.7%降低至3.2%，表明使用卡粉生产的球团矿更耐磨了。

表9 卡粉对球团矿质量的影响

从阿曼球团厂的生产实绩来看，配入卡粉以后，对整个生产系统各个指标均有显著的改善作用，这也是阿曼球团厂的年产量逐年攀升，并超过设计产能的主要原因。

3 结语

1)卡粉是一种典型的赤铁矿粗粉，铁品位高达65.1%，二氧化硅及其他有害元素含量均较低，磨矿功指数仅为11 kW·h/t ，可将其磨矿至适宜粒度作为优质球团原料。

2)淡水河谷球团厂的生产实绩表明，卡粉极易研磨，无论是在湿式还是干式磨矿体系下，均可提高磨矿系统的产量，并提高研磨后产品的比表面积，改善混合料造球性能。

3)淡水河谷球团厂的工业实践表明，磨矿后的卡粉具有优异的成球性，可降低膨润土用量和造球水分；减少生球在干燥预热过程中粉末的产生，改善料层传质传热条件，提高热能利用效率，从而降低工序能耗；同时，还可以提高台时产量，改善球团矿质量。