還原劑組分對高磷鮞狀赤鐵礦直接還原效果的影響

徐承焱 孫體昌 寇 玨 高恩霞 曹允業

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

·礦物工程·

還原劑組分對高磷鮞狀赤鐵礦直接還原效果的影響

徐承焱1,2孫體昌1,2寇 玨1,2高恩霞1,2曹允業1,2

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

分別以活性炭、焦炭、無煙煤1和褐煤為還原劑，并添加混合鈉鹽脫磷劑，通過直接還原焙燒—磨礦—弱磁選對鄂西高磷鮞狀赤鐵礦石進行提鐵降磷試驗，發現灰分、固定碳和揮發分3種組分含量的不同導致4種還原劑對所獲直接還原鐵指標(鐵品位、鐵回收率、磷含量)的影響也不相同，但由于還原劑中3種組分的影響相互交織在一起，因而較難分別歸納出各組分對直接還原鐵指標的影響規律。為此，又引入另6種還原劑，采取將不同單一還原劑進行復配，使復配還原劑只有1種組分的含量發生改變的方法進行了進一步研究，結果表明：還原劑中揮發分的含量較高有利于提高直接還原鐵的鐵回收率，但對直接還原鐵的鐵品位和磷含量有不利影響；還原劑中固定碳的含量較高也有利于提高所獲直接還原鐵的鐵回收率而對直接還原鐵的鐵品位影響不大，但對降磷不利；還原劑灰分含量過高對直接還原鐵的鐵品位、鐵回收率和磷含量都有不利影響。以上研究成果為采用直接還原焙燒—弱磁選工藝對高磷鮞狀赤鐵礦石進行提鐵降磷時合適還原劑的選擇提供了有益的參考。

高磷鮞狀赤鐵礦石 直接還原焙燒 還原劑組分 直接還原鐵指標

鮞狀赤鐵礦石具有鐵礦物嵌布粒度細、與脈石礦物夾雜共生等特點，采用常規的選礦方法難以獲得好的選別指標[1-2]。對于高磷鮞狀赤鐵礦石，雖然采用磁化焙燒—弱磁選、磁化焙燒—弱磁選—反浮選等工藝能得到鐵品位較高的鐵精礦，但鐵精礦中P含量仍較高[3]。要解決高磷鮞狀赤鐵礦石的含磷問題，有效的辦法是采取添加脫磷劑的直接還原技術。如孫體昌等采用添加脫磷劑的直接還原焙燒工藝來處理磷含量為0.83%的鄂西高磷鮞狀赤鐵礦石，焙燒產物經磨礦—弱磁選后可以得到鐵品位>90%、鐵回收率>87%的還原鐵粉，其磷含量降至0.1%以下[4]。

還原劑的種類及用量直接影響鐵礦石或(復合)球團礦的直接還原效果[5-7]。筆者在對鄂西高磷鮞狀赤鐵礦石進行的直接還原焙燒提鐵降磷研究中發現[8]，不同種類和用量的煤或固體炭對直接還原效果的影響較大，但對還原劑組分(固定碳、揮發分和灰分)的影響尚不清楚，本試驗著重開展這方面的研究，以期為采用直接還原焙燒—弱磁選工藝對高磷鮞狀赤鐵礦石進行提鐵降磷時合適還原劑的選擇提供參考。

1 試驗材料

1.1 礦 石

試驗用礦石為鄂西高磷鮞狀赤鐵礦石，其鐵品位和磷含量分別為43.65%和0.83%。

礦石中主要有用礦物為赤鐵礦，有少量褐鐵礦。赤、褐鐵礦中的鐵占全鐵的97.82%，其他形式的鐵占有率較少。脈石礦物主要為石英等二氧化硅礦物(含玉髓、蛋白石)，其次為綠泥石(鮞綠泥石、鱗綠泥石)、黏土類(高嶺石、水云母)，有少量膠磷礦、碳酸鹽類、黑云母、絹云母及微量蛇紋石、鋯石等。

礦石性質詳見文獻[9]。

1.2 還原劑和脫磷劑

試驗中共選用了不同產地的4種煙煤、2種無煙煤、1種褐煤、1種石煤、1種活性炭和1種焦炭作為還原劑，各種還原劑的代號和工業分析結果見表1。

表1 還原劑代號及工業分析結果

從表1可以看出，各還原劑的水分、灰分、揮發分、固定碳含量都有明顯的差異：水分以M6含量最高，達13.18%，其次是M4、M5和R1～R4，水分含量為2.63%～1.22%，而M1～M3水分含量較低，都在1%以下；灰分以R3含量最高，達35.64%，其次是M2、R1、R2，灰分含量為28.30%～24.82%，再次是M1、M3～M5，灰分含量為13.63%～11.93%，而M6和R4灰分含量較低，分別為7.15%和8.01%；揮發分以M6含量最高，達50.13%，其次是M2和R2、R3，揮發分含量為32.16%～23.68%，再次是M1和M5，揮發分含量分別為18.53%和10.21%，而M3、R1和R4揮發分含量較低，為7.11%～5.02%；固定碳以M3、M4和R4含量較高，為84.99%～80.15%，其次是M1、M2、M5和R1，固定碳含量為77.86%～51.50%，而M6和R2、R3固定碳含量較低，均在43%以下。

脫磷劑采用代號分別為SY1和SY2的2種分析純鈉鹽的混合物，SY1與SY2的質量比為2∶1。

2 試驗方法

將礦石和還原劑破碎到-2 mm，與脫磷劑按一定比例混勻，裝入石墨坩堝，在馬弗爐中于950 ℃下直接還原焙燒40 min，焙燒產物經兩段階段磨礦、階段弱磁選獲得直接還原鐵產品(簡稱還原鐵)。磨礦設備采用RK/BM三輥四筒智能棒磨機，磨筒體積為1 L，磨礦介質為φ14 mm×120 mm鋼棒，介質充填率為45%，磨礦濃度為67%，一段磨礦時間為3 min(相應磨礦細度為-74 μm占67%左右)，二段磨礦時間為20 min(相應磨礦細度為-25 μm占97%左右)；弱磁選設備采用CCS型磁選管，兩段弱磁選場強均為89.13 kA/m。

試驗在進一步考察還原劑種類和用量對還原鐵指標(鐵品位、鐵回收率和磷含量)影響的基礎上，著重研究還原劑組分(灰分、揮發分、固定碳)對還原鐵指標的影響。

試驗中還原劑和脫磷劑的用量均為與礦石的質量比，其中脫磷劑的用量固定為30%。

3 試驗結果與討論

3.1 還原劑種類和用量對還原鐵指標的影響

采用不同用量的M3(活性炭)、M4(焦炭)、M5(無煙煤1)和M6(褐煤)進行直接還原焙燒—磨礦—弱磁選，試驗結果見圖1。

從圖1可以看出，灰分、固定碳和揮發分3種組分含量的不同導致4種還原劑對還原鐵指標的影響也不相同。但由于還原劑中3種組分的影響相互交織在一起，因而較難歸納出哪種組分對還原鐵的哪個指標具有怎樣的影響。

圖1 還原劑種類和用量對還原鐵指標的影響

3.2 還原劑組分對還原鐵指標的影響

3.2.1 還原劑的復配

為了掌握還原劑各組分對還原鐵指標的影響規律，采取將單一還原劑進行復配的辦法，即將不同單一還原劑按一定配比混合，使混合后的還原劑只有1種組分的含量發生改變而另2種組分的含量固定，從而避免還原劑中3種組分的互相干擾。復配時各單一還原劑的配比按下式通過建立方程組求得[10]：

(1)

式中，w為復配還原劑中某組分的含量；wi為第i種單一還原劑相應組分的含量；γi為第i種單一還原劑的配比。

由于按式(1)經過探索性計算，發現僅采用M3～M6不能滿足復配要求，故又引入了其他6種還原劑M1、M2和R1～R4。

3.2.2 還原劑復配的可行性

按3.2.1節方法配出4種灰分、固定碳和揮發分的含量都相同的復配還原劑A1～A4，在其用量均為40%的條件下考察所得還原鐵的指標是否一致，以驗證對還原劑進行復配的可行性。A1～A4的配比及它們的用量為40%時各組分與礦石的質量比見表2，所得還原鐵的指標見表3。

表2 A1～A4的配比及其各組分與礦石的質量比

表3 A1～A4所得還原鐵的指標

從表3可以看出，A1～A4所得還原鐵的鐵品位、鐵回收率、磷含量都非常相近，說明采用對還原劑進行復配的方法來研究還原劑中某種組分對所得還原鐵指標的影響是可行的。

3.2.3 還原劑揮發分對還原鐵指標的影響

按3.2.1節方法配出5種僅揮發分的含量不同的復配還原劑B1～B5，在其用量均為40%的條件下進行直接還原焙燒—磨礦—弱磁選試驗。B1～B5的配比及它們的用量為40%時各組分與礦石的質量比見表4，所得還原鐵的指標變化見圖2。

表4 B1～B5的配比及其各組分與礦石的質量比

圖2 還原劑揮發分對還原鐵指標的影響

從圖2可以看出，總體上，隨著還原劑中揮發分含量的增加，所得還原鐵的鐵品位呈下降趨勢而鐵回收率和磷含量呈上升趨勢，說明增加還原劑中揮發分的含量有利于提高還原鐵的鐵回收率，但對還原鐵的質量不利。

3.2.4 還原劑固定碳對還原鐵指標的影響

按3.2.1節方法配出4種僅固定碳的含量不同的復配還原劑C1～C4，在其用量均為40%的條件下進行直接還原焙燒—磨礦—弱磁選試驗。C1～C4的配比及它們的用量為40%時各組分與礦石的質量比見表5，所得還原鐵的指標變化見圖3。

表5 C1～C4的配比及其各組分與礦石的質量比

圖3 還原劑固定碳對還原鐵指標的影響

從圖3可以看出，隨著還原劑中固定碳含量的增加，所得還原鐵的鐵品位逐漸下降而鐵回收率和磷含量逐漸上升，但鐵品位下降的幅度不大，說明增加還原劑中固定碳的含量也有利于提高還原鐵的鐵回收率而對還原鐵的鐵品位影響不大，但對降磷不利。

3.2.5 還原劑灰分對還原鐵指標的影響

按3.2.1節方法配出4種僅灰分的含量不同的復配還原劑D1～D4，在其用量均為40%的條件下進行直接還原焙燒—磨礦—弱磁選試驗。D1～D4的配比及它們的用量為40%時各組分與礦石的質量比見表6，所得還原鐵的指標變化見圖4。

表6 D1～D4的配比及其各組分與礦石的質量比

圖4 還原劑灰分對還原鐵指標的影響

從圖4中可以看出，隨著還原劑中灰分含量的增加，所得還原鐵的鐵品位呈波動下降趨勢，磷含量呈波動上升趨勢，鐵回收率則在86.21%～90.09%范圍內下降、上升、再下降。總體而言，還原劑灰分含量過高對還原鐵的鐵品位、鐵回收率和磷含量都有不利影響。

4 結 論

(1)還原劑中揮發分的含量較高有利于提高鄂西高磷鮞狀赤鐵礦石經直接還原焙燒—磨礦—弱磁選所獲直接還原鐵產品的鐵回收率，但對直接還原鐵的鐵品位和磷含量有不利影響。

(2)還原劑中固定碳的含量較高也有利于提高所獲直接還原鐵產品的鐵回收率而對直接還原鐵的鐵品位影響不大，但對降磷不利。

(3)還原劑灰分含量過高對所獲直接還原鐵產品的鐵品位、鐵回收率和磷含量都有不利影響。

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(責任編輯 孫 放)

EffectsofComponentsofReductantsonDirectReductionofHigh-phosphorusOoliticHematite

Xu Chengyan1，2Sun Tichang1，2Kou Jue1，2Gao Enxia1，2Cao Yunye1，2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，BeijingUniversityofScienceandTechnology，Beijing100083，China；2.KeyLaboratoryofforHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMines,MinistryofEducation，Beijing100083，China)

With activated carbon，coke，anthracite 1，and lignite as reductants，and with the addition of mixed sodium salts dephosphorization agent，through the direct reduction roasting-grinding-low intensity magnetic separation process，the experiment of iron increase and phosphorus removal for high-phosphorus oolitic hematite from Western Hubei Province was carried out.It is found that three components of ash，fixed carbon and volatile content in different lead to the different effect of four kinds of reductants on the obtained direct reduction iron(DRI) indexes(iron grade，iron recovery，and phosphorus content).However，due to the influence of three components in reductants is intertwined together，it is difficult to summarize respectively the influence law of each component on DRI index.Therefore，other 6 kinds of reductants were introduced.Through the blending of different single reductants，and the blended reductants has only one component changed，the further research was conducted.The results indicated that the reductants with higher volatile are beneficial to increasing iron recovery，but not beneficial to iron grade and phosphorus content.The reductants with higher fixed carbon are beneficial to iron recovery，and have little effect on iron grade，but not favorable for phosphorus removal.The reductants with over high ash are not benefit to iron grade，iron recovery，and phosphorus content.The above research results provide valuable references to selecting suitable reductants for iron increase and phosphorus removal by direct reduction roasting and low intensity magnetic separation technology for high phosphorus oolitic hematite.

High-phosphorus oolitic hematite，Direct reduction roasting，Components of reductants，Direct reduction iron(DRI)indexes

2014-08-11

國家自然科學基金重點項目(編號：51074016，51134002)。

徐承焱(1982—)，男，工程師，博士。

TD951.1，TD925.7

A

1001-1250(2014)-12-061-05