張國(guó)鋒

【摘 要】為揭示實(shí)際鐵礦石鈉化還原焙燒過(guò)程中鐵、硅、鋁各礦物分離的微觀機(jī)制及不同鈉鹽對(duì)鋁鐵分離的作用機(jī)理，本文以高鋁鐵礦為原料，深入研究了焙燒球團(tuán)的微觀結(jié)構(gòu)，還原氣氛下鈉鹽的熔融特性及鈉化還原焙燒動(dòng)力學(xué)規(guī)律，為新工藝的開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】高鋁鐵礦石；還原焙燒；礦物分離

熱力學(xué)及純物質(zhì)試驗(yàn)研究結(jié)果表明，硫酸鈉、碳酸鈉均能與硅、鋁發(fā)生反應(yīng)優(yōu)先生成鋁硅酸鈉，為鐵氧化物的還原創(chuàng)造有利條件；同時(shí)由于硫酸鈉與碳酸鈉本身的性質(zhì)差異，兩者對(duì)鐵氧化物的還原歷程亦產(chǎn)生不同的影響。

1.研究方法

1.1鈉鹽熔融特性研究

鈉鹽熔融特性試驗(yàn)在臥式管爐中進(jìn)行，還原氣體為70%CO+30%CO2，保護(hù)氣為N2，為消除氣體在試樣外層的外擴(kuò)散阻力，保證氣體流速大于5cm/s，氣體的流速控制為2.5L/min。首先將5g硫酸鈉或碳酸鈉分析純裝入石墨瓷舟內(nèi)，將瓷舟推入可通氣的密封玻璃管內(nèi)，同時(shí)通N2排除玻璃管內(nèi)空氣，再將玻璃管推入管爐中，使瓷舟位于管爐高溫區(qū)。待爐內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)定溫度，停止通N2，改通還原氣CO，焙燒30min后停止通還原氣，同時(shí)通N2保護(hù)，取出玻璃管冷卻至室溫。

1.2微觀機(jī)理研究

高鋁鐵礦石各礦物分離的微觀機(jī)理主要進(jìn)行了不同鈉鹽添加劑作用下還原球團(tuán)的物相轉(zhuǎn)變規(guī)律！礦物組成及顯微結(jié)構(gòu)研究"焙燒試驗(yàn)采用爐膛直徑為70rnm配有自動(dòng)控溫系統(tǒng)的豎式電阻爐作為還原設(shè)備，反應(yīng)罐為60mmx150mm的敞口不銹鋼罐.試驗(yàn)時(shí)先將高鋁鐵礦石及鈉鹽添加劑按一定比例混勻后制成必10mm的球團(tuán)，濕球團(tuán)置于100℃下干燥"為盡可能消除試樣升溫滯后現(xiàn)象和防止試樣氧化，試驗(yàn)前首先稱取509還原煤鋪于反應(yīng)罐底部，再稱取209干球團(tuán)放進(jìn)反應(yīng)罐中，再在其上鋪上足量的還原煤。

2.焙燒球團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)研究

高鋁鐵礦石鋁鐵分離效果除了受鐵氧化物還原程度（即金屬化率）的影響，還與還原后金屬鐵顆粒的大小及其與脈石成分的解離特性相關(guān)"為進(jìn)一步確定不同鈉鹽添加劑對(duì)高鋁鐵礦石還原焙燒過(guò)程中金屬鐵晶粒長(zhǎng)大特性的影響，對(duì)不同鈉鹽添加劑作用下的還原球團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，還原球團(tuán)的焙燒條件為焙燒溫度1050e，焙燒時(shí)間60min。

2.1無(wú)添加劑

不加鈉鹽還原焙燒，球團(tuán)內(nèi)部大部分顆粒呈灰白色，亮白色的鐵晶粒很少。為進(jìn)一步確定其礦物組成，對(duì)其進(jìn)行能譜分析（EDX），亮白色的顆粒主要成分為鐵，而灰白色的顆粒中主要包含有鐵、鋁、硅三種元素，表明還原焙燒后大部分鐵仍與鋁！硅礦物結(jié)合緊密，將導(dǎo)致單體解離性能差，鋁鐵分離效果不佳。

2.2硫酸鈉的影響

還原球團(tuán)內(nèi)部鐵晶粒（白色顆粒）與脈石礦物（灰白色）出現(xiàn)了較明顯的界限"此時(shí)，雖然鐵晶粒間相互連接、聚攏，但晶粒長(zhǎng)大仍然不充分，大部分鐵晶粒呈單獨(dú)細(xì)小顆粒，一般為5～10納米。

2.3碳酸鈉的影響

球團(tuán)內(nèi)部鐵晶粒數(shù)目很多，但晶粒間并未相互連接長(zhǎng)大，僅以粒度細(xì)小的顆粒聚集，并且嵌布緊密，鐵晶粒粒度一般在1～3納米之間，說(shuō)明碳酸鈉促進(jìn)了鐵氧化物的還原，球團(tuán)內(nèi)部白色顆粒中的主要元素有鐵、鋁、硅、鈉，可見(jiàn)金屬鐵與鋁硅酸鈉仍然結(jié)合緊密，嵌布關(guān)系復(fù)雜，將難以實(shí)現(xiàn)單體解離，不利于分選。

2.4碳酸鈉和硫酸鈉的影響

在硫酸鈉和碳酸鈉的共同作用下，還原球團(tuán)內(nèi)部鐵晶粒的數(shù)目較單獨(dú)添加硫酸鈉時(shí)要多，而且鐵晶粒與脈石礦物之間界限分明，由此表明在兩者共同作用下，鐵晶粒與脈石礦物的分離較好，但是鐵晶粒比較細(xì)小，且晶粒之間沒(méi)有互相連接。

3.鈉化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究

3.1鈉鹽對(duì)還原度的影響

未添加鈉鹽時(shí)，高鋁鐵礦石還原速率很慢，隨著焙燒時(shí)間從5min增加到90min，其還原度從3.32%逐漸增加到85.16%。添加鈉鹽后，還原速率明顯加快，其中添加硫酸鈉還原，隨著焙燒時(shí)間從5min增加到90min，還原度從42.98%升高到94.91%，添加碳酸鈉還原，還原度從12.43升高到96.75%。與添加碳酸鈉的還原球團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)比較可知，高鋁鐵礦石添加硫酸鈉還原焙燒，還原初期金屬鐵晶粒數(shù)目明顯較之碳酸鈉要多，鐵氧化物還原速度快。這主要是因?yàn)樘妓徕c在還原初期快速分解產(chǎn)生大量CO2，使得體系內(nèi)氣體分壓增大，間接降低了還原氣CO的濃度，因此還原初期鐵氧化物還原速率較慢。

3.2不同鈉鹽對(duì)鋁鐵分離的作用機(jī)理

在鈉化還原過(guò)程中，硫酸鈉、碳酸鈉均在熔化溫度以下即開(kāi)始與鋁、硅氧化物發(fā)生反應(yīng)，起到破壞礦石結(jié)構(gòu)的作用，但是由于硫酸鈉和碳酸鈉的性質(zhì)差異，導(dǎo)致它們對(duì)鐵、鋁、硅氧化物在鈉化還原過(guò)程中的反應(yīng)歷程產(chǎn)生不同的影響"還原球團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明，硫酸鈉能促進(jìn)鐵晶粒與脈石礦物分離，有利于鐵鋁的分離；而在碳酸鈉作用下，球團(tuán)內(nèi)部鐵晶粒與脈石礦物仍然結(jié)合緊密，不利于單體解離。

4.結(jié)論

（1）還原產(chǎn)物物相研究結(jié)果表明，高鋁鐵礦石不添加鈉鹽還原焙燒，鐵氧化物部分被還原成無(wú)磁性的Fe，難以通過(guò)磁選回收；添加鈉鹽后，鐵氧化物的還原得到改善，脈石礦物SiO2、Al2O3與鈉鹽發(fā)生反應(yīng)生成鋁硅酸鈉，使礦石結(jié)構(gòu)被破壞，有利于鋁鐵分離，比較而言，硫酸鈉的作用比碳酸鈉要強(qiáng)。

（2）還原氣氛下鈉鹽熔融特性研究結(jié)果表明，硫酸鈉存在的還原體系將新生成S、Na2S、FeS等物質(zhì)，形成低熔點(diǎn)化合物，進(jìn)一步在局部形成液相，為鐵離子的擴(kuò)散提供通道。而碳酸鈉存在的還原體系沒(méi)有新相生成，鐵離子的遷移只能通過(guò)固相擴(kuò)散進(jìn)行，遷移阻力較大，因此鐵晶粒與脈石礦物的界限不及添加硫酸鈉時(shí)分明。

（3）還原動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明，硫酸鈉和碳酸鈉均能顯著提高鐵礦石的還原速率，比較而言，在還原初期，添加碳酸鈉還原速率較硫酸鈉要慢一些?？梢?jiàn)，高鋁鐵礦石添加碳酸鈉焙燒時(shí)，在還原初期，鐵氧化物的還原速度較硫酸鈉慢，碳酸鈉與鋁、硅礦物反應(yīng)溫度低，速度快，當(dāng)鐵氧化物被還原為金屬鐵時(shí)，鋁硅酸鈉成為鐵離子遷移的壁壘，鐵離子擴(kuò)散的勢(shì)壘增大，這是添加碳酸鈉還原鐵晶粒與脈石礦物的界限不及添加硫酸鈉時(shí)分明的另一個(gè)因素。

【參考文獻(xiàn)】

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