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钢铁共性技术协同创新中心

新一轮建设启动

2月20日，钢铁共性技术协同创新中心（以下简称：中心）新一轮建设正式启动。中心将依托工艺与装备研发和高端产品开发两大平台，坚持“四个面向”，围绕钢铁行业关键共性技术和前沿引领技术，通过“四维协同”机制，产出一批重大原创科技成果，培养一批创新人才，推动一批科技成果实施转化，为将我国钢铁行业建设成为国际领先的工业集群贡献力量。针对工艺与装备研发平台九大研发方向的关键技术内容、研发思路以及实施方案，本报特组织相关报道，以飨读者！

研究背景

磁化焙烧是处理复杂难选铁矿石的有效方法，东北大学韩跃新教授及其研究团队发明了悬浮磁化焙烧关键技术和成套装备，在赞比亚建成了60万吨/年的工业化生产系统（见下图），破解了国际上公认的复杂难选铁矿石高效清洁利用技术难题。随着各国环保意识的提升，低碳发展成为当今世界发展主旋律。基于此，东北大学韩跃新教授研究团队在悬浮磁化焙烧技术的基础上，提出了难选铁矿资源氢基矿相转化创新技术，即采用氢气或富氢气体作为还原剂将矿石中弱磁性铁矿物赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿转化为强磁性磁铁矿，进而实现高效分选。为此，氢基矿相转化新理论与技术将成为复杂难选铁矿资源高效利用领域最主要的发展趋势。

关键共性技术内容

复杂难选铁矿资源矿物组成复杂，弱磁性铁矿物赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿共存，矿相转化过程中反应相变同步发生，易出现铁矿物的欠还原或过还原现象。因此，系统研究铁矿物氢基矿相转化过程热力学、动力学机制，明晰磁铁矿生成的边界条件及影响规律，实现复杂体系铁矿物矿相转化的精准控制是该工艺的核心问题；非均质矿石颗粒在矿相转化炉内运动状态的控制是实现流态化高效转化的前提，也是矿相转化装备稳定顺行的关键。针对上述问题，重点研究以下关键技术内容。

2.1 典型铁矿物氢基矿相转化规律及调控机制研究

在氢基矿相转化过程中，不同种类铁矿物转化为磁铁矿的反应差异较大，实现矿相转化过程精准调控至关重要。具体研究内容包括赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿氢基矿相转化过程热力学模拟计算，明晰氢基体系下铁矿物转化为磁铁矿的边界条件；研究赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿氢基矿相转化过程动力学机制，建立矿相转化动力学模型；厘清氢基矿相转化过程铁矿物矿相重构、比磁化率及微观结构的变化特征，探明温度、气氛等条件对矿相转化的影响规律；研究H 2 /CO与铁矿物的吸附、反应及扩散机理，分析H 2 -CO体系反应行为差异和氢碳吸放热互补特性，揭示H 2 /CO与铁矿物气固反应微观本质特征。

2.2 氢基矿相转化系统气固流动特性及工程放大规律研究

氢基矿相转化系统为矿石颗粒聚集的浓相和流体运动的稀相共存体系，气固流动涵盖了鼓泡床、快速流态化、气力输送等流态化形式，探明多因素耦合影响下矿石颗粒流动特性可为工程放大提供理论支撑。具体研究内容包括典型铁矿石颗粒流态化特征参数对其流化行为的影响规律研究，构建给料预热系统、加热系统、还原系统及冷却系统三维物理模型，探明物料特性、操作参数及结构参数对全系统内矿石颗粒和气体流动行为影响规律，确定关键结构参数放大对全系统气固两相流动及传热特性的影响，建立工业型氢基矿相转化系统放大设计准则，为实现矿石颗粒悬浮态高效转化及矿相转化装备结构优化提供支撑。

2.3 工业型氢基矿相转化装备结构及分选全流程优化研究

基于典型铁矿物氢基矿相转化规律及气固流动特性等研究结果，设计出异步分腔氢基还原矿相转化系统，对矿相转化装备结构及矿相转化-磁选全流程进行工艺优化。具体研究内容包括开展难选铁矿石氢基矿相转化扩大连续试验，获得适宜的矿相转化参数及工艺方案，计算氢基矿相转化系统内热平衡组成，完成新型氢基矿相转化主体设备计算与选型，建成百万吨级/年以上规模示范工程，实现高效稳定运行，获得铁精矿TFe品位>65%，铁回收率>85%的技术指标，为氢基矿相转化技术的推广应用提供支撑。

研究技术路线与实施方案

氢基矿相转化技术是矿物加工、冶金、流体力学等多学科有机融合，利用现代测试手段和分析技术，系统地研究复杂难选铁矿石矿相转化过程及调控机制，开展典型铁矿物氢基矿相转化规律、矿石颗粒流态化控制等研究，配合化学物相、显微结构、微观形貌等分析，形成难选铁矿石氢基矿相转化理论体系。在此基础上完成实验室、半工业型氢基矿相转化装备设计及结构优化，为工业化装备的开发奠定基础。具体实施方案如下。

3.1 典型铁矿物氢基矿相转化规律及调控机制研究

采集具有代表性的难选铁矿石样品，制备赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿纯矿物样品；采用HSC软件进行典型铁矿物氢基矿相转化的热力学模拟计算，获取铁矿物转化为磁铁矿的吉布斯自由能变、焓变等热力学参数，确定生成磁铁矿的反应温度、还原气氛等边界条件；基于密度泛函理论，采用MS软件解析H 2 、CO与铁矿物反应过程的吸附、扩散和电子转移过程，从微观层面揭示H 2 、CO与铁矿物反应的本质；搭建氢基矿相转化动力学分析系统，在线检测矿相转化过程气相产物组成，获得活化能、机理函数等动力学参数，建立氢基矿相转化动力学方程；借助FESEM-EDS、XRD及穆斯堡尔谱等检测技术分析不同试验条件下转化样品的物相组成、比磁化率、微观结构等特性，归纳还原温度、还原时间等条件参数对上述性质的影响规律，建立铁矿物氢基矿相转化精准调控理论体系。

3.2 氢基矿相转化系统气固流动特性及工程放大规律

采用冷态试验和数值模拟方法研究氢基矿相转化过程气固两相流动特性，建模分析加热系统内表观气速、设备结构参数等因素对铁矿颗粒浓度及流动速度分布的影响；对还原反应器进行物理建模，基于CFD数值模拟软件，对反应器进行气固两相流动阻力特性研究，分析松动风速、流化风速和反应器结构参数对气固两相流动特性的影响规律，并在高浓度固气两相流动模拟中确定管道最优流速。依据Glicksman等流体力学相似放大准则，对工业放大后氢基矿相转化装备内关键部件的气固两相流动特性进行计算，获得工业系统设计参数。

3.3 工业化连续型氢基矿相转化装备研制及工业化示范基地的建设

基于氢基矿相转化理论及数值模拟研究结果，对连续型矿相转化装备进行结构优化设计，保证矿石颗粒在炉内悬浮态高效转化；在悬浮磁化焙烧的基础上，分别设计改造实验室和半工业试验装备，完成氢基矿相转化实验室和半工业试验；开展给料粒度、还原温度、还原时间等试验研究，确定适宜的工艺参数；针对矿相转化产品开展磨矿分选试验，确定磁选流程及参数，分选出合格铁精矿，形成氢基矿相转化-磁选流程参数优化调控机制。在半工业试验及装备的基础上，设计开发系列化大型的工业化氢基矿相转化装备并建成示范工程。

研究计划

在已有复杂难选铁矿石悬浮磁化焙烧研究工作的基础上，利用3年时间，完成相关研究内容，实现氢基矿相转化技术的工业化应用。具体计划：

◆ 2023年：完成典型铁矿物氢基矿相转化规律及调控、矿石颗粒流态化控制等相关理论研究，为氢基矿相转化装备的设计及优化奠定基础。

◆ 2024年：完成实验室和半工业型氢基矿相转化装备结构与参数的优化，开展相关的矿相转化小试和半工业试验，检验氢基矿相转化对难选铁矿石分选效果的影响；完成200万吨/年工业化氢基矿相转化装备的结构与参数优化。

◆ 2025年：形成氢基矿相转化共性关键技术和成套工艺装备，建成200万吨/年氢基矿相转化工业化示范工程，预期在国内推广2-3家，检验工程应用成效。

预期效果

氢基矿相转化工艺属于国际首创的复杂难选铁矿石高效利用新技术，该技术具有生产能力大、环保无污染、生产成本低及自动化程度高的特点。目前，东北大学不仅围绕难选铁矿资源氢基矿相转化开展了基础研究工作，还将该技术推广至含铁多金属等矿产资源加工利用领域。研究表明，采用氢基矿相转化技术处理海南含硫铁矿石、包钢中贫氧化矿、昆钢包子铺铁矿石、塞拉利昂唐克里里难选铁矿石等均获得了优异的选别指标。海南矿业200万吨/年氢基矿相转化工程项目已开工建设，包钢已完成320万吨/年工程的可行性研究，以上项目的建设及运行，将为氢基矿相转化技术的推广应用奠定坚实基础。

复杂难选铁矿石氢基矿相转化技术的成功推广，一方面可实现我国难选赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿石以及含铁多金属矿产资源的高效利用，初步估计可盘活铁矿资源100亿吨以上；另一方面可大幅提高我国难选铁矿石的回收率，预计较现有工艺提高15个百分点以上，属我国复杂难选铁矿石高效利用方面的重大突破，推广应用前景广阔。

《世界金属导报》

2023年第16期 B05