鄂西某鮞狀赤鐵礦石深度還原—弱磁選試驗*

李國峰 高 鵬 韓躍新 孫永升 王澤紅

(東北大學資源與土木工程學院)

我國鐵礦資源豐富，是世界鐵礦資源大國，截至2007年底，全國鐵礦石累計查明資源儲量680億t、保有資源儲量607億t［1］。但我國鐵礦石的特點是“貧”、“細”、“雜”，平均鐵品位只有32.67%，比全球鐵礦石平均鐵品位低11個百分點，其中97%的鐵礦石需要選礦處理［2］。

在我國復雜難選鐵礦資源中，鮞狀赤鐵礦石儲量最大，約占國內鐵礦資源總儲量的12%、赤鐵礦石儲量的30%。由于鮞狀赤鐵礦石鐵礦物結晶粒度微細、礦物組成復雜等原因，采用傳統選礦方法難以取得理想的選別指標，故至今尚未實現工業化利用［3-5］。東北大學采用深度還原—弱磁選技術處理鮞狀赤鐵礦石，取得了較好指標，為鮞狀赤鐵礦石的開發利用開辟了新途徑［6-7］。本研究分別以煤和焦炭作為還原劑，對鄂西某鮞狀赤鐵礦石進行深度還原—弱磁選試驗。

1 試驗原料

1.1 鮞狀赤鐵礦石

取自鄂西某地，破碎至－2 mm(d50=0.4 mm)使用，其化學多元素分析結果見表1，X射線衍射分析結果見圖1。

表1 原礦化學多元素分析結果 %

圖1 原礦XRD圖譜▲—赤鐵礦;◆—石英;●—鮞綠泥石;■—膠磷礦

圖1 表明，礦石中主要有用礦物為赤鐵礦，主要脈石礦物為石英、鮞綠泥石和膠磷礦。

1.2 還原劑

分別采用取自吉林松原的煙煤和取自鞍鋼的焦炭作為還原劑，均經對輥破碎機破碎至－0.5 mm使用，其工業分析結果如表2所示。

表2 煤和焦炭的工業分析結果

由表2可以看出:煤和焦炭中的有害元素S含量比較低;與煤相比，焦炭的固定碳和灰分含量較高、揮發分和水分含量較低，表明焦炭比煤的活性低。

2 試驗方法

(1)將15 g原礦和按理論計算配入的煤或焦炭混勻后裝入坩堝中。

(2)將本實驗室自制的豎式高溫加熱爐升溫到預設溫度，快速放入坩堝，保溫至規定時間后取出還原產物水淬冷卻并烘干。

(3)取10 g烘干的還原產物，用GJ－AX型振動研磨機研磨1 min，取樣化驗其TFe、MFe品位，計算金屬化率。

(4)在107 kA/m磁場強度下，用 XCSG－ 50 mm磁選管對剩余的還原產物進行1次弱磁選，將所得精礦烘干稱重后化驗其TFe品位，計算鐵的回收率。

3 試驗結果與討論

3.1 鮞狀赤鐵礦的還原過程

鮞狀赤鐵礦的深度還原可分為直接反應和間接反應兩種方式［8］。其中直接反應為鮞狀赤鐵礦與C直接接觸發生還原反應，反應式為

間接反應為C氣化生成CO，CO與鮞狀赤鐵礦發生還原反應，反應式為

在高溫條件下，C會快速氣化，鮞狀赤鐵礦的還原將以間接反應為主，因此本研究按間接還原反應考慮還原劑的配加量。

3.2 還原溫度試驗

分別采用煤和焦炭作還原劑，固定還原時間為60 min、n(C)/n(O)(C與O的摩爾比)為2.5，改變還原溫度為1 150、1 200、1 250和1 300℃進行深度還原—弱磁選，試驗結果如圖2～圖4所示。

圖2 還原溫度對還原產物金屬化率的影響

圖3 還原溫度對弱磁選精礦鐵品位的影響●—煤為還原劑;○—焦炭為還原劑

圖4 還原溫度對弱磁選精礦鐵回收率的影響

由圖2～圖4可見:還原溫度由1 150℃提高到1 300℃的過程中，還原產物的金屬化率和弱磁選精礦的鐵回收率均逐漸上升。煤作還原劑時，弱磁選精礦的鐵品位隨還原溫度的提高先逐漸上升，并在1 250℃時達到最大，之后略有下降;焦炭作還原劑時，弱磁選精礦的鐵品位隨還原溫度的提高不斷上升，但1 250℃之后上升的幅度明顯變緩。此外，試驗現象顯示，1 300℃還原溫度下，采用兩種還原劑時還原產物均出現了較為嚴重的結塊現象，不利于后續的磨礦—弱磁選，且還原產物與坩堝的黏結導致還原產物損失。因此，選擇還原溫度為1 250℃。

從圖2～圖4還可以看到:采用煤作還原劑時，還原產物的金屬化率和弱磁選精礦的鐵回收率均高于采用焦炭作還原劑時的相應指標;與焦炭相比，煤作還原劑時，還原溫度對弱磁選精礦的鐵品位影響更大。這是因為煤的反應活性高于焦炭，采用煤作為還原劑時，鮞狀赤鐵礦還原得更加充分。

3.3 還原時間試驗

分別采用煤和焦炭作還原劑，固定還原溫度為1 250℃、n(C)/n(O)為2.5，考察還原時間對還原產物金屬化率及弱磁選精礦鐵品位和鐵回收率的影響，試驗結果如圖5～圖7所示。

圖5 還原時間對還原產物金屬化率的影響

圖6 還原時間對弱磁選精礦鐵品位的影響

圖7 還原時間對弱磁選精礦鐵回收率的影響

由圖5～圖7可以看出:不同還原時間下，采用兩種還原劑時弱磁選精礦的鐵品位均變化不大。煤作為還原劑時，還原50 min，還原產物的金屬化率和弱磁選精礦的鐵回收率均達到最高，分別為78.19%、84.51%;焦炭作為還原劑時，還原時間160 min，還原產物的金屬化率和磁選精礦的鐵回收率分別上升到85.94%、85.86%，再延長還原時間對繼續提高還原產物金屬化率和磁選精礦鐵回收率意義不大。綜合考慮，確定煤和焦炭作還原劑時的還原時間分別為50 min和160 min。

從以上試驗結果看，鮞狀赤鐵礦還原得不夠充分。分析原因，認為是隨著反應的進行，爐管內還原氣氛降低造成的。因此應增大還原劑的用量即增大n(C)/n(O)，以保證爐管內有足夠的還原氣氛。

3.4 還原劑用量試驗

固定還原溫度為1 250℃、煤作還原劑時還原時間為50 min、焦炭作還原劑時還原時間為160 min，改變還原劑用量使 n(C)/n(O)分別為2.5、3.0、3.5和4.0進行深度還原—弱磁選，試驗結果如圖8～圖10所示。

由圖8～圖10可知:改變n(C)/n(O)，弱磁選精礦的鐵品位變化不大，均能達到95%以上，而還原產物的金屬化率和弱磁選精礦的鐵回收率變化較大，且在n(C)/n(O)為3.5時能夠得到最好指標，因此選擇n(C)/n(O)為3.5。采用煤作還原劑時，該條件下還原產物的金屬化率為91.63%、磨礦細度為－200目占88.92%，弱磁選精礦的鐵品位和鐵回收率分別為96.07%和88.54%;采用焦炭作還原劑時，該條件下還原產物的金屬化率為90.50%、磨礦細度為－200目占84.45%，弱磁選精礦的鐵品位和鐵回收率分別為96.47%和87.62%。

圖8 n(C)/n(O)對還原產物金屬化率的影響

圖9 n(C)/n(O)對弱磁選精礦鐵品位的影響

圖10 n(C)/n(O)對弱磁選精礦鐵回收率的影響

當其他工藝條件相同時，在一定范圍內，隨著n(C)/n(O)的增大，還原產物的金屬化率得以提高。因為n(C)/n(O)越大，碳的氣化速度越快，CO濃度也就越高，一方面可加速深度還原反應的進行，另一方面強還原氣氛可促使鐵氧化物還原得更充分。因此，適當提高n(C)/n(O)有利于改善深度還原效果。但n(C)/n(O)過大時，未反應的殘碳會對鐵相的凝聚起阻礙作用，使鐵的氧化物還原不完全;同時，在高溫下n(C)/n(O)過大，加速還原出來的金屬鐵會發生滲碳反應生成FeC，從而也導致還原產物金屬化率的降低。

4 結論

(1)采用煤作為還原劑時，在還原溫度為1 250℃、還原時間為50 min、n(C)/n(O)為3.5的適宜工藝條件下，還原產物的金屬化率為91.63%。還原產物磨至－200目占88.92%后經1次弱磁選，可得到鐵品位為96.07%、鐵回收率為88.54%的深度還原鐵粉。

(2)采用焦炭作為還原劑時，在還原溫度為1 250℃、還原時間為160 min、n(C)/n(O)為3.5的適宜工藝條件下，還原產物的金屬化率為90.50%。還原產物磨至－200目占84.45%后經1次弱磁選，可得到鐵品位為96.47%、鐵回收率為87.62%的深度還原鐵粉。

(3)在適宜工藝條件下，采用煤作還原劑得到的綜合指標略好，同時，采用煤作還原劑可大幅度縮短還原時間，加之煤的價格低于焦炭，故選擇煤作為還原劑較為合理。

［1］ 葉 卉，孫錫麗．進口鐵礦石現狀分析及策略研究［J］.金屬礦山，2008(9):7-11．

［2］ 孫炳泉．近年我國復雜難選鐵礦石選礦技術進展［J］.金屬礦山，2006(3):11-13．

［3］ 袁致濤，高 太，印萬忠，等．我國難選鐵礦石資源利用的現狀及發展方向［J］.金屬礦山，2007(1):1-6．

［4］ 張裕書，丁亞卓，龔文琪．寧鄉式鮞狀赤鐵礦選礦研究進展［J］.金屬礦山，2010(8):92-96．

［5］ 張錦瑞，胡力可，梁銀英，等．難選鮞狀赤鐵礦的研究利用現狀及展望［J］.中國礦業，2007，16(7):74-76．

［6］ 孫永升，李淑菲，史廣全，等．某鮞狀赤鐵礦深度還原試驗研究［J］.金屬礦山，2009(5):80-83．

［7］ 韓躍新，孫永升，高 鵬，等．某鮞狀赤鐵礦深度還原機理研究［J］.中國礦業，2009，18(增刊):284-287．

［8］ 龔竹青，龔 勝，陳白珍，等．用硫鐵礦燒渣制取海綿鐵的碳還原過程［J］.中南大學學報:自然科學版，2006，37(4):703-708．