張 凱 丁 亞 卓

（成都利君實業(yè)股份有限公司，四川 成都 610000）

近年來，針對某些鐵品位低、浸染粒度微細、礦物組成復(fù)雜的難選鐵礦石，相關(guān)科研工作者提出了深度還原技術(shù)［1-5］。該技術(shù)通過一定溫度下的深度還原反應(yīng)，將一定粒度鐵礦石中的鐵礦物還原成金屬鐵，還原成的金屬鐵自由收縮、不斷兼并長大，最終得到一定粒度的鐵顆粒。還原后的物料冷卻過程中鐵顆粒與脈石礦物兩相界面發(fā)生收縮，有利于后續(xù)磨礦過程中金屬鐵顆粒與脈石礦物的單體解離，為后續(xù)分選創(chuàng)造良好條件［6-10］。深度還原包括鐵氧化物的還原和鐵顆粒的長大兩個過程，其中鐵顆粒粒度越大，越易實現(xiàn)與脈石礦物的分離，其粒度特征將直接影響分選指標(biāo)。

釩鈦磁鐵礦石深度還原過程中，以鐵的金屬化率為中心，生成的鐵顆粒尺寸通常小于20 μm，磨礦過程中單體解離困難，不利于后續(xù)磁選富集［11-13］。為了解攀西某釩鈦磁鐵礦精礦的深度還原性能，開展了工藝條件和鐵顆粒長大規(guī)律研究。

1 原料性質(zhì)

試驗用釩鈦磁鐵礦樣取自攀西某礦山生產(chǎn)現(xiàn)場，-0.074 mm含量大于80%，主要有價元素Fe及Ti含量分別為50.99%、6.12%，主要礦物組成見表1，主要有用礦物解離情況見表2。

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試驗用還原劑為固定碳含量75%左右的木炭，粒度-0.074 mm80%以上；添加劑為碳酸鈉，文獻［14］指出碳酸鈉對鈦鐵礦的還原有強化作用。

2 試驗方法

將試樣與木炭和碳酸鈉按比例混合均勻，在100℃的干燥箱中干燥2 h后放入剛玉坩堝內(nèi)，于設(shè)定溫度的馬弗爐中保溫一定時間后迅速取出坩堝并覆蓋煤粉冷卻，對還原產(chǎn)物進行MLA檢測及化學(xué)分析。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 還原溫度對鐵顆粒長大的影響

還原溫度是影響深度還原過程中鐵顆粒長大的決定性因素。固定Na2CO3質(zhì)量分數(shù)為15%，還原時間為2 h，不同溫度下還原樣中還原鐵含量及鐵顆粒粒度分布分別見表3、表4。

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由表3及表4可知，隨著還原溫度的升高，試樣中還原鐵含量增加，鐵金屬化率升高；-38 μm顆粒產(chǎn)率減小，+38 μm顆粒產(chǎn)率增大。這是由于溫度升高提高了還原反應(yīng)速度，鐵金屬鐵顆粒增多并聚集長大。

圖1為不同溫度下還原樣中鐵顆粒SEM圖。

由圖1可知，隨著還原溫度的升高，金屬鐵顆粒在聚集長大的同時形成連續(xù)的鐵晶鏈并不斷向顆粒邊緣擴散。這是因為溫度的升高使得鐵相的結(jié)晶收縮加劇，依據(jù)界面自由能最小的原則，金屬鐵會逐漸析出并以球狀顆粒的形式凝聚長大，形成連續(xù)的鐵晶鏈。此外，由于本試驗中加入了一定量的Na2CO3，降低了試樣局部溶化性溫度，在一定溫度下可以使還原物料局部產(chǎn)生一定量的液相，增加了還原鐵的擴散和遷移速度；隨著還原溫度的升高液相量增多，金屬鐵的擴散速率增加，促進了金屬鐵的擴散遷移，更多的金屬大顆粒形成。

3.2 還原時間對鐵顆粒長大的影響

固定還原溫度為1 000℃，Na2CO3質(zhì)量分數(shù)為15%，不同時間還原樣中還原鐵含量及鐵顆粒粒度分布分別見表5、表6。

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由表5及表6可知，隨著還原時間的延長，試樣中還原鐵含量增加，鐵金屬化率升高，還原時間達到2 h后繼續(xù)延長還原時間，還原鐵含量增加有限；隨著還原時間的延長，-27 μm顆粒產(chǎn)率逐漸減小，+27 μm顆粒產(chǎn)率逐漸增大。

圖2為不同時間還原樣中鐵顆粒SEM圖。

由圖2可知，隨著還原時間的延長，鐵大顆粒的比例逐漸增加，且有一定量的鐵晶鏈形成，不斷聚集長大的同時向顆粒邊緣移動，且還原時間為2 h時，金屬鐵晶鏈已基本形成且遷移至顆粒邊緣。說明還原時間的延長使得礦石中更多的鐵礦物還原為金屬鐵，同時為金屬鐵的聚集生長及遷移提供了充足的時間。

3.3 Na2CO3質(zhì)量分數(shù)對鐵顆粒長大的影響

固定還原溫度為1 000℃，還原時間為2 h，考察Na2CO3質(zhì)量分數(shù)對還原樣中還原鐵含量及鐵顆粒粒度分布的影響，結(jié)果分別見表7、表8。

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由表7及表8可知，隨著Na2CO3質(zhì)量分數(shù)的增加，試樣中還原鐵含量增加，鐵金屬化率增加；-19 μm顆粒產(chǎn)率逐漸減小，+38 μm顆粒產(chǎn)率逐漸增大。

圖3為不同Na2CO3質(zhì)量分數(shù)還原樣中鐵顆粒SEM圖。

由圖3可知，隨著Na2CO3質(zhì)量分數(shù)的增加，金屬鐵顆粒在聚集長大的同時不斷向顆粒邊緣擴散。隨著Na2CO3添加量的增加還原后礦物中金屬鐵量也不斷增加，這是由于堿金屬鹽對碳的氣化反應(yīng)具有催化作用，而且高溫作用下碳酸鈉分解產(chǎn)生的CO2與混合料中未反應(yīng)的碳反應(yīng)生成CO，使總的碳熱還原反應(yīng)被加速，促進了礦物的還原［14-16］。此外，由于Na2CO3能與鈦的氧化物或硅氧化學(xué)物形成低熔點的化合物，使礦物局部產(chǎn)生一定量的液相，隨著Na2CO3添加量的增加局部液相量逐漸增多，促進了鐵顆粒的遷移擴撒，使得金屬鐵顆粒不斷長大。

分析上述單因素試驗結(jié)果可知，當(dāng)還原溫度為1 000℃、還原時間為2 h、Na2CO3質(zhì)量分數(shù)為15%時，還原出的還原鐵含量為44.28%，金屬化率達到了86.84%，繼續(xù)升高溫度或著延長時間后還原出的還原鐵含量和金屬化率提高有限。在此還原條件下還原出的金屬鐵+19 μm粒級含量為53.29%，+53 μm粒級含量達到了13.35%，進一步磨礦和磁選后金屬鐵的回收率可達93%以上。因此，綜合考慮能耗及鐵的回收率，本工藝適宜的還原參數(shù)為：還原溫度1 000℃，還原時間2 h，Na2CO3質(zhì)量分數(shù)15%。

4 深度還原過程中鐵顆粒長大機理

固定還原溫度1 000℃、Na2CO3添加量15%，選擇還原時間分別為0.5 h、1.5 h、2 h的還原產(chǎn)物進行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4反映了鐵顆粒長大的三個階段，概括為形核、長大、冷卻。當(dāng)還原時間達到0.5 h時，顆粒內(nèi)部及邊緣產(chǎn)生大量的微細鐵顆粒，這些顆粒將成為鐵晶粒長大的晶核。隨著還原反應(yīng)的進行，還原出的鐵顆粒不斷增多，當(dāng)還原時間達到1.5 h后，最初的微細鐵顆粒在界面自由能和濃度梯度的作用下相互融合兼并，形成連續(xù)的鐵晶鏈或聚集長大成大顆粒，以降低界面自由能，使系統(tǒng)的能量降低。當(dāng)還原時間達到2 h后，形成鐵晶鏈或鐵顆粒的同時不斷向顆粒邊緣或內(nèi)部孔洞邊緣遷移擴散，在一定溫度下顆粒邊緣或內(nèi)部孔洞周圍與Na2CO3接觸發(fā)生軟化并在局部產(chǎn)生一定的液相量，促進了鐵顆粒向其周圍遷移擴撒；鐵顆粒在遷移過程中周圍的微細鐵顆粒不斷向其聚集繼續(xù)長大，在顆粒邊緣或內(nèi)部孔洞邊緣形成了更大的鐵顆粒。在冷卻過程中，周圍液相存在促使鐵顆粒解離形成單體鐵顆粒，最終還原形成的鐵顆粒50%以上形成單體（表9），剩余大量鐵顆粒存在于礦物邊緣或內(nèi)部孔洞邊緣，少量存在于礦物顆粒內(nèi)部。

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5 結(jié)論

（1）在深度還原過程中，隨著還原溫度升高、還原時間延長和添加劑質(zhì)量分數(shù)的增大，金屬化率不斷提高，鐵顆粒數(shù)不斷增多，鐵顆粒大小不斷增大。

（2）當(dāng)還原溫度為1 000℃、還原時間為2 h、Na2CO3質(zhì)量分數(shù)為15%時，還原鐵含量為44.28%，金屬化率達到了86.84%；在此還原條件下還原出的金屬鐵+19 μm粒級含量為53.29%，+53 μm粒級含量達到了13.35%，進一步磨礦和磁選后金屬鐵的回收率可達93%以上。

（3）深度還原過程中鐵顆粒長大經(jīng)歷了形核、長大、冷卻三個階段，最終還原形成的鐵顆粒50%以上形成單體，剩余大量鐵顆粒存在于礦物邊緣或內(nèi)部孔洞邊緣，少量存在于礦物顆粒內(nèi)部。