关键共性技术研发工作进展
编者按：在深入推进新型工业化，加快建设现代化产业体系背景下，自主研发创新技术，加快推动钢铁行业高质化、数字化、绿色化发展，迫在眉睫，势在必行！东北大学钢铁共性技术协同创新中心（以下简称：中心）新一轮建设启动以来，紧紧围绕铁矿资源绿色开发利用、低碳炼铁、高效炼钢-连铸、高端特殊钢、先进热轧工艺、先进冷轧工艺、短流程、数字化、汽车用钢九大研发方向，攻克了一系列行业关键共性技术难题，引领了行业发展方向。为集中展示中心取得的创新研发成果，本报特组织该专题，以飨读者。
铁矿石是我国钢铁工业的保障性资源，属国家重大战略需求。我国铁矿资源禀赋差、难利用，长期大量依赖进口，进口量已连续多年超10亿吨。自主研发创新技术，实现难选铁矿资源的高效利用，意义重大。2023年，在钢铁共性技术协同创新中心新一轮建设期内，东北大学钢铁共性技术协同创新中心铁矿资源绿色开发利用方向韩跃新教授团队面向我国铁矿资源的重大战略需求，立足国家“双碳”战略目标背景，在上一轮研究方向基础上进行有机延续，主要围绕“难选铁矿资源氢基矿相转化高效分选技术与装备”“菱铁矿低氧势自磁化焙烧高效利用新技术与装备”“新型多基团协同铁矿石高效浮选药剂开发与应用”等关键共性创新技术开展研究工作。主要研究工作进展如下。
难选铁矿资源氢基矿相转化高效分选技术与装备
针对难选铁矿资源开发利用率低的现状，研究团队突破传统磁化焙烧的理念，提出了难选铁矿资源氢基矿相转化高效分选技术，遵循“基础研究-小试突破-中试验证-工程示范-推广应用”科技成果转化新模式，围绕典型铁矿物氢基矿相转化规律及调控机制、氢基矿相转化系统气固流动特性及工程放大、难选铁矿石氢基矿相转化半工业试验、示范工程建设及推广应用等关键环节开展工作，取得了显著成果。
1.1海南矿业200万吨/年氢基矿相转化项目
针对海南矿业含硫铁矿石，研发成功了预选脱硫-氢基矿相转化-磁选技术。在原矿TFe品位40.60%的条件下，获得了铁精矿TFe品位65.68%、铁回收率85.56%的优异指标，较现有工艺铁精矿品位提高了3个百分点，铁回收率提高了20个百分点。东北大学联合海南矿业、上海逢石等企业在海南矿业完成了200万吨/年氢基矿相转化高效利用示范工程建设工作（图1），2023年11月份完成点火烘炉；目前天然气裂解、脱硫脱硝等附属设施正在建设，预计2024年投料试车，实现达产顺行。
1.2白云鄂博中贫氧化矿160万吨/年氢基矿相转化项目
白云鄂博选矿厂堆存废石中富含稀土、铁、萤石等有价组分，该类废石堆存量大，仅中贫氧化矿堆存约2000万吨。东北大学采用预选-氢基矿相转化-阶段磨磁-反浮选脱氟工艺，获得TFe品位65.26%、TFe回收率80.68%、氟含量0.28%的铁精矿，实现有价元素的高效回收。目前已完成160万吨/年氢基矿相转化项目可研工作，计划与当地政府合作建厂，2024年开工建设。
1.3国外难选铁矿和排岩废石沿海加工建厂项目
基于前期良好的工程实践基础，提出了国外难选铁矿和排岩废石沿海加工建厂新思路，即以国外TFe品位45%-55%的难选铁矿石为原料，在辽宁、江苏、山东等沿海地区新建或改造氢基矿相转化工程，将生产TFe品位大于65%的铁精矿产品进行销售，尾矿作为建筑材料的原料，实施全组分利用。目前拟与丹东临港集团有限公司合作在丹东港建设600万吨/年氢基矿相转化工程，已完成可行性研究报告，年产铁精矿452万吨；与青岛特钢集团合作，在青岛建设300万吨/年海外铁矿氢基矿相转化工程，计划2025年建成投产。
氢基矿相转化属于国际首创的难选铁矿资源高效利用新技术，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。该技术的成功推广，一方面可实现我国难选铁矿资源的高效利用，初步估计可盘活国内外铁矿资源数亿吨以上；另一方面可大幅提高我国难选铁矿石的回收率，较现有工艺提高15个百分点以上，推广应用前景广阔。
菱铁矿低氧势自磁化焙烧高效利用新技术与装备
针对菱铁矿品位低、禀赋差、整体利用率低的现状，研究团队提出了菱铁矿低氧势自磁化焙烧新技术，即通过精准控制焙烧体系氧势将矿石中菱铁矿定向分解为磁铁矿和CO，同时利用生成的CO将矿石中赤、褐铁矿原位还原为磁铁矿。团队围绕菱铁矿受热分解行为及影响因素、菱铁矿物相定向转化调控机制等科学问题进行了深入研究，开发了菱铁矿低氧势自磁化新技术。
以我国典型的陕西大西沟菱铁矿石为原料，开展低氧势自磁化焙烧试验，验证采用该技术处理菱铁矿石的可行性。结果表明：大西沟菱铁矿石低氧势自磁化焙烧适宜条件为CO2浓度15%、焙烧温度700℃、焙烧时间20min，可获得磁选精矿TFe品位59.50%、铁回收率85.23%的良好指标。基于菱铁矿低氧势自磁化焙烧的研究成果，开发设计了低氧势自磁化焙烧新型装备，于朝阳东大矿冶研究院建成了低氧势自磁化焙烧半工业试验系统，如图2所示。以陕西大西沟堆存的菱铁矿尾矿为原料开展了半工业试验，获得了铁精矿品位58.5%、回收率81.2%的良好指标。
菱铁矿低氧势自磁化焙烧技术与装备，实现了在无需添加还原剂条件下弱磁性铁矿物向强磁性铁矿物的矿相转化，丰富和发展了磁化焙烧理论和技术体系，可以显著降低难选铁矿资源磁化焙烧高效利用过程的能耗和碳排放，为我国复杂难选菱铁矿资源的高效清洁利用开辟了新途径。
新型多基团协同铁矿石高效浮选药剂开发与应用
随着我国铁矿石入选品位日趋贫化、细粒化和复杂化，铁矿反浮选过程中现有浮选药剂选择性变差。针对微细粒贫杂铁矿石开发性能好、耐低温、环境友好的浮选药剂已迫在眉睫。研究团队紧密围绕铁矿选矿工艺开展新型低温高效浮选药剂研发，建立了基于“氢键耦合多基团协同”原理的贫杂铁矿石浮选药剂分子结构设计新方法，开发了高性能系列浮选药剂新产品；完成了微细贫杂铁矿石低温高效反浮选分离协同组合药剂体系优化；形成了微细粒贫杂铁矿石短流程高效分选技术，建成600万吨/年基于新型低温浮选药剂的短流程高效分选示范工程，为我国构建高质量铁矿资源保障体系提供科技支撑。
3.1新型铁矿低温浮选药剂分子设计原则
完成了新型低温浮选捕收剂分子结构设计，开发了浮选捕收剂极性基和非极性基的基团接枝及分子组装技术。研究了捕收剂极性基和非极性基结构对捕收剂分子活性的影响规律。构建了QSAR模型，分析了新型捕收剂分子结构与低温浮选性能的构效关系，优选出系列新型捕收剂分子。设计并优化了新型捕收剂分子的合成工艺，合成出择性好、捕收能力强、浮选无需加温的系列新型浮选捕收剂。
3.2新型低温浮选药剂界面精准调控机制
系统研究新型浮选药剂体系中矿物的浮选行为，揭示了新型捕收剂对矿物可浮性的影响规律。针对东鞍山铁矿石，应用新型低温浮选捕收剂，在常温下实验室试验获得了TFe品位66.28%、浮选作业回收率80.57%的优异技术指标。同时，针对东鞍山贫赤铁矿石现选矿工艺存在的主要问题，提出了铁矿石短流程高效分选新工艺，研制并优化筛选出综合效益优异的新型低温反浮选捕收剂，实现了微细粒贫杂铁矿浮选界面精准调控，获得了高品质铁精矿产品。半工业试验结果表明，短流程高效分选关键技术优势显著，针对东鞍山贫杂铁矿石，获得了铁精矿TFe品位66.15%、回收率74.31%的分选指标，较原工艺TFe品位和回收率分别提高了3个百分点和9个百分点以上。
3.3铁矿石短流程高效分选工业化进展
鞍钢集团矿业有限公司（东鞍山烧结厂）已经建成原矿处理能力600万吨/年铁矿短流程高效分选示范工程（图3）。采用两段连续磨矿、弱磁-强磁-扫强磁、窄级别磨矿、反浮选工艺流程，设计选矿指标为精矿品位66%、尾矿品位15.40%、精矿产量193.14万吨/年。目前已投产调试，预计2024年6月实现达产达标。
基于上述研究成果，铁矿资源绿色开发利用方向发表学术论文50篇，其中36篇被SCI收录，获授权专利11项，新申请专利26项；获第十四届辽宁青年科技奖“十大英才”称号1人，新增兴辽英才计划青年拔尖人才1人，入选中国科协青年人才托举工程1人，新增辽宁省优秀青年基金获得者1人；获批国家自然科学基金联合重点1项、面上项目4项，获批十四五国家重点研发计划青年科学家项目1项；获教育部高等学校科学研究优秀成果（技术发明）一等奖1项、甘肃省科技进步特等奖1项，获中华全国总工会全国工人先锋号荣誉称号，获辽宁省优秀博士论文1篇；建成了海南矿业200万吨/年氢基矿相转化技术改造示范工程以及2万吨/年菱铁矿低氧势自磁化焙烧半工业生产系统；签订了505万专利申请权转让合同，并完成VALE、BHP、RIO、FMG及国内宝武、鞍钢等多家企业相关技术研发，均获得良好的技术指标。
