【Materials Studio应用实例】超级铁精矿与洁净钢基料绿色制备技术

摘要：

在实验室对生产的超级铁精矿进行了直接还原和电炉熔炼探索性试验，最终获得了TFe＞99.90%、C＜0.0011%、S＜0.0030%、P＜0.0025%的超纯铁，为该项技术的工业化生产提供了重要支撑。

 

引言：

超级铁精矿也称为高品位铁精矿、高纯铁精矿、优质铁精矿等，是指含铁量高、脉石含量低的铁精矿既是选矿的深加工产品，又是一种具有发展潜力的新型功能材料。目前超级铁精矿主要分为两类：一类指铁品位高于70%，二氧化硅及其他杂质含量小于2%的铁精矿，主要用于生产直接还原铁(DRI)；另一类是指铁品位高于71.50%，二氧化硅及其他杂 质含量(酸不溶物)小于0.20%的铁精矿，是粉末冶金、磁性材料、超纯铁及洁净钢基料的重要原料，以其为原料生产的优质还原铁粉广泛用于交通、机械、电子、航天、航空及新能源等领域。

 

东北大学韩跃新教授及其科研团队早在2003年就提出了铁矿石优质优用的学术思想，并将超级铁精矿生产作为重要研究方向，以满足直接还原铁和粉末冶金等行业的需要。针对我国铁精矿品质较差、洁净钢基料匮乏的现状，提出了基于源头控制杂质含量的“铁精矿深度提质—直接还原—电炉熔炼”洁净钢基料低成本制备新工艺技术，具有以下优点：

 

(1)以高品质铁精矿为原料，产品洁净度的控制从原料开始，最大限度地控制残留元素进入生产过程，降低冶金过程去除残留元素的生产成本。

 

(2)在低温固态下以直接还原的方式完成铁氧化物的还原，还原及熔炼过程中不会引入其他干扰元素，产品化学成分稳定。

 

(3)直接还原—电炉熔炼工艺与传统高炉—转炉工艺相比，CO2排放量大幅度降低。

 

(4)该工艺单机生产能力可以大幅度调整，可与洁净钢生产能力相匹配。

 

(5)产品可多样化，即可生产洁净钢基料(纯铁TFe＞99.90%)，也可生产粉末冶金基料(高品位直接还原铁TFe＞98.50%)。

 

结果与讨论：

选取我国典型的铁精矿为研究对象，以原料的基本物理化学特性为基础，围绕铁精矿深度提质、高纯铁精矿直接还原、直接还原铁熔炼技术中的关键问题开展研究工作，研发出铁矿物高效解离、常温绿色高效浮选、高效直接还原、直接还原铁无污染熔炼等一系列关键技术，开发出低成本、高品质、绿色化的基于杂质源头控制的“铁精矿深度提质—直接还原—零污染熔炼”一体化技术与装备，生产出可用于冶炼洁净钢的原料，项目具体实施方案如下：

 

(1) 工艺矿物学研究： 选取我国大型铁矿选矿厂生产的铁精矿为研究对象，通过化学分析、光学显微镜、EPMA、XRD、FSEM-EDS等分析手段研究化学组成、矿物组成、微观形貌、结晶粒度、晶体结构特征，重点查明铁矿物与脉石矿物之间的嵌布特征，根据工艺矿物学特性制定相应的铁精矿深度除杂选矿工艺原则流程。

 

(2) 高效磨矿技术开发： 采用岩石破裂过程软件 RFPA3D对矿物颗粒在外力作用下的塑性、蠕变、膨胀等力学响应行为模拟计算；基于离散元方法建立矿物颗粒随机解离模型，分析表征颗粒的各向异性力学特性，在此基础上分析力学各向异性对矿物颗粒变形、破坏的影响规律；根据矿物颗粒的受力粉碎规律，对磨矿形式、介质尺寸、形状等条件进行设计优化，实现铁精矿窄级别粉磨。

 

(3) 复合力场磁选设备研发： 采用Fluent软件对重力场、磁力场、流体力场三场叠加作用下各种矿物颗粒的受力状态及运动状态进行模拟，分析力场作用强度、作用深度、叠加形式等参数对颗粒运动的影响规律，建立颗粒复合力场运动模型据此设计新型磁选设备的分选空间，研发出复合力场磁选装备，分选示意图如图1所示。

 

(4) 常温浮选药剂研制： 运用Materials Studio软件对矿物晶体结构、表面组成、表面能、表面悬键进行模拟计算；基于晶体表面性质计算结果，以脂肪酸为基体，通过在其 α 位碳 原子引入 Cl、Br、胺基等原子或基团的方法设计新型药剂的分子结构，并采用Materials Studio软件计算模拟新型药剂在矿物表面的作用过程，通过差分电子密度分析二者作用强弱及药剂选择性，对药剂分子进行优化；在实验室合成出新型药剂，对其溶解性、常温捕收性能、毒性等进行检测，据此对药剂分子进一步优化，最终确定常温药剂的分子结构及合成工艺。

 

(5) 超级铁精矿制备技术体系： 将上述研发的新技术、新设备、新产品用于普通铁精矿的深度提质，基于典型铁精矿的工艺矿物学性质，对分选工艺流程进行组合优化，针对不同种类铁精矿确定最佳制备超级铁精矿的技术，建立以我国普通铁精矿为原料的超级铁精矿制备技术体系数据库，为超级铁精矿的高效、快速制备提供技术支撑。

 

(6) 超级铁精矿直接还原技术： 采用恒温和程序升温两种热分析技术进行超级铁精矿还原动力学研究，确定铁矿物反应历程、各反应阶段的动力学方程和动力学参数，确定反应的限制环节。采用TG、XRD、EPMA等检测技术对添加剂组分在还原过程中的分解及转化规律进行研究，同时分析还原后添加剂残留程度及对还原产品的污染程度；采用软件对还原过程中的热量传输进行模拟分析；依据上述结果，对直接还原技术进行优化，确定直接还原工艺的最佳参数范围。

 

(7) 熔炼过程外源杂质控制理论及技术： 利用SEMEDS、EPMA等先进检测技术分析还原铁粉中杂质组分在熔渣中和熔渣组分在金属铁中的富集迁移规律，通过优化渣系组成及熔炼条件最大限度地去除还原铁粉中的杂质组分，并消除熔渣组分对金属铁的污染；分析熔炼过程中炉衬组分与金属铁发生化学作用的可能性，查明炉衬组分在金属铁中渗透的行为规律，据此选择最适宜的炉衬材质，防止炉衬材质对金属铁造成污染。

 

(8)“铁精矿深度提质 - 高效直接还原 - 零污染熔炼”- 体化技术优化： 基于上述研究，对超级铁精矿制备、还原、熔炼技术进行整体优化和开发，在实验室建立“铁精矿深度提质—高效直接还原—零污染熔炼”试验系统，并针对各流程工艺条件开展试验，确定适宜的工艺参数；在实验室试验基础上，开发建立半工业试验系统，并进行半工业试验，为超级铁精矿和洁净钢基料制备技术的工业化推广提供技术原型。

 

总结：

超级铁精矿和洁净钢基料绿色高效制备技术的成功研发及应用，不仅给我国洁净钢基料生产开辟了新途径，而且对钢铁生产流程的变革和节能减排的影响深远。该技术生产出的纯铁产品(TFe＞99.90%)可作为洁净钢生产的优质基料，改变我国纯铁、超纯铁主要依赖进口的局面，促进我国钢铁产品品质的提升。该技术缩短了钢铁冶炼流程，杂质组分在源头和还原及熔炼过程中得以有效控制，省去了铁水脱硅、脱硫、脱磷、脱碳等工艺，从而缩短生产流程、提高生产效率、降低生产成本。高效直接还原技术摆脱了钢铁生产对焦煤的依赖，可有效地减少CO2排放和污染，促进我国直接还原铁技术的发展，对改变钢铁生产的能源结构和流程具有重要意义。经初步测算，与传统的高炉—转炉生产洁净钢工艺相比，吨纯铁CO2排放量可减少165.0-180.0kg。总之，超级铁精矿和洁净钢基料绿色制备技术发展潜力巨大，具有显著的经济、社会及环境效益。

 

原文：世界金属报道 2015年6月30日 编辑：任秀平

 

北京泰科博思科技有限公司是BIOVIA Materials Studio官方指定代理商，有关软件详情或者技术支持请咨询北京泰科。

电话：010-64951848

邮箱：sales@tech-box.com.cn

北京泰科为广大学习分子模拟科研人员提供了交流讨论平台，泰科建立了BIOVIA Pipeline Pilot和Materials Studio交流群，群里有专业老师解答问题，如有兴趣一起交流，欢迎来电/邮申请入群，作者期待您的参与！

 

北京泰科涉及行业

材料研发

基于BIOVIA Materials Studio材料设计平台，提供涉及电池、航空航天、国防军工、建筑、涂料涂层等多领域材料研发软件及综合解决方案

 

药物研发

针对药物设计、药物研发等提供基于Discovery Studio、COSMOLOGIC等软件的ADME、构象比对、溶剂筛选、结晶、成盐、共晶筛选、稳定性、溶解度pKa、分配系数等性质的模拟预测软件及方案

 

化工设计

面向精细化工、新能源、石油化工等领域提供精馏萃取催化剂设计、热力学性质（溶解度、粘度等）、提纯表面处理吸附等性质模拟软件平台及解决方案

 

数据挖掘

基于Pipeline Pilot提供数据搜集、数据清洗、特征工程、机器学习、流程设计等多种数据挖掘综合解决方案

 

一体化实验室

• 实验室信息管理

• 电子实验记录本/SOP执行

• 试剂耗材管理

• 仪器管理

• 数据管理

 

部分产品

量化材料类

• Crystal：固体化学和物理性质计算软件

• Diamond：晶体结构数据可视化分析

• Endeavour：强大的求解晶体结构的软件

• Molpro：高精度量化软件

• Molcas：多参考态量软件                   

• Turbomole：快速稳定量化软件

• TeraChem：GPU上运行的量化计算软件

• Spartan：分子计算建模软件

 

数据分析类

• GelComparll：凝胶电泳图谱分析软件

• SimaPro：生命周期评估软件             

• Unscrambler：完整多变量数据分析和实验设计软件      

• CSDS：剑桥晶体结构数据库

• lCDD：国际衍射数据中心数据库                

• ICSD：无机晶体结构数据库

• Pearson’s CD：晶体数据库

 

公司简介

北京泰科博思科技有限公司（Beijing Tech-Box S&T Co. Ltd.）成立于2007年，是国内领先的分子模拟及虚拟仿真综合解决方案提供商。

 

北京泰科博思科技有限公司与国际领先的模拟软件厂商、开发团队深入合作，为高校、科研院所和企业在材料、化工、药物、生命科学、环境、人工智能及数据挖掘、虚拟仿真教学等领域提供专业的整体解决方案。用户根据需要在我们的平台上高效的进行各种模拟实验，指导实际的生产设计。

 

北京泰科博思科技有限公司拥有一支一流的技术服务团队和资深的专家咨询团队，以客户真正需求出发，服务客户，为客户创造价值。我们秉承“职业、敬业、担当、拼搏、合作”的企业精神，致力于用国际领先的软件产品和专业全面的技术支持服务，成为客户可信赖的合作伙伴。