李國峰 高 鵬 韓躍新 孫永升 王澤紅

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)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(jì)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(diǎn)是“貧”、“細(xì)”、“雜”，平均鐵品位只有32.67%，比全球鐵礦石平均鐵品位低11個(gè)百分點(diǎn)，其中97%的鐵礦石需要選礦處理［2］。

在我國復(fù)雜難選鐵礦資源中，鮞狀赤鐵礦石儲量最大，約占國內(nèi)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(jié)晶粒度微細(xì)、礦物組成復(fù)雜等原因，采用傳統(tǒng)選礦方法難以取得理想的選別指標(biāo)，故至今尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化利用［3-5］。東北大學(xué)采用深度還原—弱磁選技術(shù)處理鮞狀赤鐵礦石，取得了較好指標(biāo)，為鮞狀赤鐵礦石的開發(fā)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(jìn)行深度還原—弱磁選試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)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(xué)多元素分析結(jié)果見表1，X射線衍射分析結(jié)果見圖1。

表1 原礦化學(xué)多元素分析結(jié)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(jīng)對輥破碎機(jī)破碎至－0.5 mm使用，其工業(yè)分析結(jié)果如表2所示。

表2 煤和焦炭的工業(yè)分析結(jié)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(fā)分和水分含量較低，表明焦炭比煤的活性低。

2 試驗(yàn)方法

(1)將15 g原礦和按理論計(jì)算配入的煤或焦炭混勻后裝入坩堝中。

(2)將本實(shí)驗(yàn)室自制的豎式高溫加熱爐升溫到預(yù)設(shè)溫度，快速放入坩堝，保溫至規(guī)定時(shí)間后取出還原產(chǎn)物水淬冷卻并烘干。

(3)取10 g烘干的還原產(chǎn)物，用GJ－AX型振動研磨機(jī)研磨1 min，取樣化驗(yàn)其TFe、MFe品位，計(jì)算金屬化率。

(4)在107 kA/m磁場強(qiáng)度下，用 XCSG－ 50 mm磁選管對剩余的還原產(chǎn)物進(jìn)行1次弱磁選，將所得精礦烘干稱重后化驗(yàn)其TFe品位，計(jì)算鐵的回收率。

3 試驗(yàn)結(jié)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(yīng)和間接反應(yīng)兩種方式［8］。其中直接反應(yīng)為鮞狀赤鐵礦與C直接接觸發(fā)生還原反應(yīng)，反應(yīng)式為

間接反應(yīng)為C氣化生成CO，CO與鮞狀赤鐵礦發(fā)生還原反應(yīng)，反應(yīng)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(yīng)為主，因此本研究按間接還原反應(yīng)考慮還原劑的配加量。

3.2 還原溫度試驗(yàn)

分別采用煤和焦炭作還原劑，固定還原時(shí)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(jìn)行深度還原—弱磁選，試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 還原溫度對還原產(chǎn)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(chǎn)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(shí)，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(shí)達(dá)到最大，之后略有下降;焦炭作還原劑時(shí)，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(yàn)現(xiàn)象顯示，1 300℃還原溫度下，采用兩種還原劑時(shí)還原產(chǎn)物均出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的結(jié)塊現(xiàn)象，不利于后續(xù)的磨礦—弱磁選，且還原產(chǎn)物與坩堝的黏結(jié)導(dǎo)致還原產(chǎn)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(shí)，還原產(chǎn)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(shí)的相應(yīng)指標(biāo);與焦炭相比，煤作還原劑時(shí)，還原溫度對弱磁選精礦的鐵品位影響更大。這是因?yàn)槊旱姆磻?yīng)活性高于焦炭，采用煤作為還原劑時(shí)，鮞狀赤鐵礦還原得更加充分。

3.3 還原時(shí)間試驗(yàn)

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(shí)間對還原產(chǎn)物金屬化率及弱磁選精礦鐵品位和鐵回收率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 還原時(shí)間對還原產(chǎn)物金屬化率的影響

圖6 還原時(shí)間對弱磁選精礦鐵品位的影響

圖7 還原時(shí)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(shí)間下，采用兩種還原劑時(shí)弱磁選精礦的鐵品位均變化不大。煤作為還原劑時(shí)，還原50 min，還原產(chǎn)物的金屬化率和弱磁選精礦的鐵回收率均達(dá)到最高，分別為78.19%、84.51%;焦炭作為還原劑時(shí)，還原時(shí)間160 min，還原產(chǎn)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(shí)間對繼續(xù)提高還原產(chǎn)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(shí)的還原時(shí)間分別為50 min和160 min。

從以上試驗(yàn)結(jié)果看，鮞狀赤鐵礦還原得不夠充分。分析原因，認(rèn)為是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，爐管內(nèi)還原氣氛降低造成的。因此應(yīng)增大還原劑的用量即增大n(C)/n(O)，以保證爐管內(nèi)有足夠的還原氣氛。

3.4 還原劑用量試驗(yàn)

固定還原溫度為1 250℃、煤作還原劑時(shí)還原時(shí)間為50 min、焦炭作還原劑時(shí)還原時(shí)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(jìn)行深度還原—弱磁選，試驗(yàn)結(jié)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(dá)到95%以上，而還原產(chǎn)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(shí)能夠得到最好指標(biāo)，因此選擇n(C)/n(O)為3.5。采用煤作還原劑時(shí)，該條件下還原產(chǎn)物的金屬化率為91.63%、磨礦細(xì)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(shí)，該條件下還原產(chǎn)物的金屬化率為90.50%、磨礦細(xì)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(chǎn)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(dāng)其他工藝條件相同時(shí)，在一定范圍內(nèi)，隨著n(C)/n(O)的增大，還原產(chǎn)物的金屬化率得以提高。因?yàn)閚(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(yīng)的進(jìn)行，另一方面強(qiáng)還原氣氛可促使鐵氧化物還原得更充分。因此，適當(dāng)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(shí)，未反應(yīng)的殘?zhí)紩﹁F相的凝聚起阻礙作用，使鐵的氧化物還原不完全;同時(shí)，在高溫下n(C)/n(O)過大，加速還原出來的金屬鐵會發(fā)生滲碳反應(yīng)生成FeC，從而也導(dǎo)致還原產(chǎn)物金屬化率的降低。

4 結(jié)論

(1)采用煤作為還原劑時(shí)，在還原溫度為1 250℃、還原時(shí)間為50 min、n(C)/n(O)為3.5的適宜工藝條件下，還原產(chǎn)物的金屬化率為91.63%。還原產(chǎn)物磨至－200目占88.92%后經(jīng)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(shí)，在還原溫度為1 250℃、還原時(shí)間為160 min、n(C)/n(O)為3.5的適宜工藝條件下，還原產(chǎn)物的金屬化率為90.50%。還原產(chǎn)物磨至－200目占84.45%后經(jīng)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(biāo)略好，同時(shí)，采用煤作還原劑可大幅度縮短還原時(shí)間，加之煤的價(jià)格低于焦炭，故選擇煤作為還原劑較為合理。

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