高磷鲕状赤铁矿石深度还原探索性试验研究.pdf
高磷鲕状赤铁矿石深度还原探索性试验研究 ① 孙永升, 韩跃新, 高 鹏, 王 琴 (东北大学 资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819) 摘 要 采用深度还原⁃磁选工艺处理湖北官店的高磷鲕状赤铁矿石,考察了还原温度、还原时间和配碳系数对还原指标的影响,以 及温度对还原产物微观形貌的影响。 结果表明在还原温度1200 ℃、还原时间60 min、配碳系数2.0 的适宜工艺条件下可获得金属 化率 90.72%的还原产物,磁选后还原铁粉品位达 90.55%,铁回收率达 92.03%;随着还原温度提高,铁颗粒逐渐长大,原矿的鲕状结 构被破坏。 关键词 高磷鲕状赤铁矿; 深度还原; 磁选; 金属化率; 微观形貌 中图分类号 TD925.7文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2015.05.019 文章编号 0253-6099(2015)05-0068-04 Exploratory Tests on Deep Reduction of High⁃phosphorus Oolitic Hematite Ore SUN Yong⁃sheng, HAN Yue⁃xin, GAO Peng, WANG Qin (College of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning, China) Abstract The oolitic hematite ore from Hubei Guandian was treated with the process of deep reduction⁃magnetic separation, for investigating effects of reduction temperature, reduction time and carbon addition coefficient on the reduction results, as well as the effect of reduction temperature on the microstructure of the reduction product. The results showed that the reduced material with metallization rate up to 90. 72% was obtained under the reduction conditions such as reduction temperature of 1 200 ℃, reduction time of 60 min and carbon addition coefficient of 2.0. After magnetic separation of the reduced product, the grade of iron powder reached to 90.55%, and the iron recovery to 92.03%. With the increase of reduction temperature, the iron particles gradually grew up leading to the oolitic structure of the raw ore destroyed. Key words high⁃phosphorusoolitichematiteore; deepreduction; magneticseparation; metallizationrate; microstructure 近年来我国对铁矿石的需求量迅速增长,充分开 发利用复杂难选铁矿资源受到越来越多的关注[1-3]。 高磷鲕状赤铁矿是我国一种重要的复杂难选铁矿石, 现已探明储量达 37.2 亿吨[4]。 从 20 世纪 60 年代开 始,选矿工作者针对鲕状赤铁矿相继开展了大量的选矿 试验工作,但由于矿石中铁矿物结晶粒度细、含磷高、铁 品位低等原因,至今未能取得合格的选别指标[5]。 针对高磷鲕状赤铁矿复杂难选特性,相关科研工 作者提出采用深度还原⁃高效分选工艺处理该矿石,即 采用深度还原技术将矿石中的铁矿物还原为金属铁, 然后通过磁选将铁富集[6-14]。 本文探讨了还原温度、 还原时间及配碳系数对还原产物的金属化率及分选指 标的影响,并对还原物料的微观结构进行了分析,为进 一步深入开展高磷鲕状赤铁矿石深度还原研究提供 依据。 1 试 验 1.1 试验原料 试验用矿样为湖北官店高磷鲕状赤铁矿,化学元 素分析结果见表 1。 由表 1 可知,矿石中全铁品位为 42.21%,P 含量高达 1.31%,SiO2和 Al2O3含量远高于 CaO 和 MgO 含量,因此该矿石为酸性矿石。 ①收稿日期 2015-05-04 基金项目 国家自然科学基金资助项目(51134002);国家科技支撑计划资助项目(2012BAB14B02) 作者简介 孙永升(1986-),男,山东济南人,博士研究生,主要研究方向为复杂难选铁矿高效分选与利用。 通讯作者 韩跃新(1961-),男,内蒙古赤峰人,教授,博士研究生导师,主要从事矿产资源高效开发与利用方面的教学与研究工作。 第 35 卷第 5 期 2015 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.35 №5 October 2015 表 1 主要化学成分分析结果(质量分数) / % TFeFeO SiO2Al2O3 CaOMgO 42.214.3121.805.474.330.59 PSTiO2KMn 1.310.130.190.410.20 矿石中矿物组成见表 2,XRD 结果见图 1。 由表 2 及图 1 可以看出,矿石中主要含铁矿物为赤褐铁矿,含 量高达 69.22%;磷主要存在于胶磷矿中,胶磷矿含量 为 4.26%;脉石矿物主要为石英和鲕绿泥石。 表 2 矿石中主要矿物组成(质量分数) / % 磁铁矿赤铁矿褐铁矿鲕绿泥石胶磷矿菱铁矿 0.3561.577.658.674.261.10 黑云母方解石白云石石英长石黄铁矿 1.080.261.2613.120.520.16 赤铁矿 石英 缅绿泥石 胶磷矿 2 / θ 102030405060708090 C C Q Q Q Q Q H H H H H H P H H H HHH H Q C P 图 1 原矿 XRD 图谱 试验所用还原剂为无烟煤,其工业分析结果如表 3 所示。 该无烟煤固定碳含量达 67.83%,且磷、硫含 量很低,是良好的还原剂。 表 3 煤的工业分析结果/ % 固定碳挥发份灰分水分SP 67.8318.4512.021.480.0280.004 1.2 研究方法 深度还原试验在 KSL-1400X 箱式电阻炉中进行。 将矿样和无烟煤均粉碎至-2 mm,按试验设计的配碳 系数将二者混合均匀后装入坩埚中。 待炉腔内温度达 到预设值时,迅速将坩埚放入炉腔中,自动恒温至设定 时间。 还原好的物料经水冷、烘干得到还原产物。 取 部分还原产物,采用 XCSG-Φ50 mm 磁选管进行磁选, 控制磨矿细度为-0.074 mm 粒级占 85%及磁场强度为 72 kA/ m;另取部分还原后产物,磨碎至-0.074 mm 后 进行缩分、取样,用于化验金属铁含量;另取还原后产 物与胶木粉按体积比 4 ∶1均匀混合,经压块、研磨、抛 光制作成 Φ30 mm 15 mm 的光片,采用日立高新技 术公司的 S-3500N 型扫描电子显微镜对抛光后样品 进行检测。 2 结果与讨论 2.1 还原温度试验 在配碳系数 2.0 条件下,还原温度对还原产物金 属化率的影响如图 2 所示。 从图 2 可以看出,在 950~ 1 200 ℃范围内,随温度升高,金属化率升高幅度较大。 1 200~1 300 ℃范围内,金属化率随温度变化不大,甚 至还略有降低。 这主要是因为矿石中的 SiO2在还原 性气氛下与 FeO 发生反应,生成低熔点的铁橄榄石, 且铁橄榄石又可与 FeO、SiO2分别组成 2 个低熔点化 合物 FeO⁃2FeOSiO2、SiO2⁃2FeOSiO2,其熔点分别 为 1 178 ℃和 1 177 ℃。 这些物质组成共熔点混合物, 出现局部熔融[15],使矿物原料的孔隙率下降,阻碍还 原气氛向内部扩散。 还原温度/℃ 金属化率/ 回 @ A A A A 回 @ A A A A 回 @ A A A A 回 @ A A A A 回 @ A A A A 回 @ A A A A 回 @ A A A A 回 @A A A A 回 @ A A A A 10 min 20 min 30 min 40 min 50 min 60 min 100 80 60 40 20 0 105012001100 115010009501250 1300 图 2 还原温度对还原产物金属化率的影响 在配碳系数 2.0 和还原时间 60 min 条件下,取不 同还原温度下的还原产物进行磁选,考察还原温度对 分选指标的影响,结果见图 3。 还原温度/℃ 品位/ 回收率/ 回 回 回 回 回 回 回 回 A A A A A A AA 回 A 品位 回收率 100 80 60 40 20 100 90 80 70 60 50 40 30 105012001100 115010009501250 1300 图 3 还原温度对磁选指标的影响 96第 5 期孙永升等 高磷鲕状赤铁矿石深度还原探索性试验研究 从图 3 可以看出,随着温度升高,还原铁粉的品位 和回收率逐渐升高,但当温度升高到一定程度后,指标 略有下降。 综合考虑工艺过程的可行性及生产成本,确定适宜 的还原温度为1200 ℃,在此条件下,还原产物的金属化 率为 90.84%,铁粉品位为 90.56%,回收率为 92.03%。 2.2 还原时间试验 图 2 同时显示了配碳系数 2.0 条件下还原时间对 还原产物金属化率的影响规律。 由图 2 可知,在同一 还原温度下,随着还原时间延长,金属化率呈先明显增 加后趋于稳定的变化趋势。 例如,还原温度 1 200 ℃ 时,随着还原时间由 10 min 增加到 30 min,金属化率 从 50.52%增加到 87.44%;而当还原时间由40 min 增 加到 60 min 时,金属化率仅从 88.48%增加到 90.84%。 选取配碳系数 2.0 和还原温度 1 200 ℃条件下不同还 原时间的还原产物进行分选试验,考察还原时间对分 选指标的影响,结果见图 4。 由图 4 可知,当还原时间 从 10 min 延长到 40 min 时,磁选铁粉中铁品位和回收 率分别由 30.76% 和 40.76% 迅速增长至 85�� 09% 和 90.78%,之后增加幅度减小。 当还原时间达到 60 min 时,铁粉品位和回收率达到最大值,分别为 90.56%和 92.03%。 因此,确定适宜的还原时间为 60 min。 还原时间/min 品位/ 回收率/ 回 A 回 A 回 A 回 A 回 A 回 A 100 80 60 40 20 100 90 80 70 60 50 40 30 20 203040105060 回 A 品位 回收率 图 4 还原时间对磁选指标的影响 2.3 配碳系数试验 在还原时间 60 min 条件下,配碳系数对还原产物 金属化率的影响如图 5 所示。 由图 5 可以看出,随着 配碳系数增加,还原产物的金属化率逐渐增加,在配碳 系数2.0 之后基本不再变化。 分别取还原时间 60 min 和还原温度 1 200 ℃时不同配碳系数条件下的还原产 物进行磁选,图 6 给出了配碳系数对磁选铁粉的品位 及回收率的影响。 从图 6 可以看出,当配碳系数小于 2.0 时,随着配碳系数增加,铁粉品位和回收率都迅速 升高;当配碳系数超过 2.0 后,铁粉品位略有下降,回 收率没有太大变化。 这可能是因为配碳系数较低时, 铁氧化物未能完全反应,故造成品位和回收率均较低。 这是因为配碳系数越大,还原炉内的还原气氛越充足, 越有利于铁的还原。 但是,当配碳系数过大时,未反应 的残留煤粉阻碍了铁相的扩散凝聚,使得铁的氧化物 还原不完全,从而降低了还原产物的金属化率。 同时, 残留的煤粉还会阻碍金属铁颗粒长大,生成的细小颗 粒增多,使还原产物的可选性变差,造成铁品位有一定 降低。 根据上述分析可知,以煤作还原剂还原铁矿物 时,配碳系数应远高于理论值,才能获得较好的还原及 分选指标。 但当配碳系数过大时,不仅会降低金属化 率及分选指标,还会造成能源浪费。 因此,最终确定适 宜的配碳系数为 2.0。 配碳系数 品位/ 回 A A A 回 A 1100 ℃ 1150 ℃ 1200 ℃ 1250 ℃ 100 80 60 40 20 0 1.01.52.00.52.53.0 @ 回 A A @ 回 A A @ 回 A A @ @ 回 AA @ 回 AA @ 回 AA@ 图 5 配碳系数对还原产物金属化率的影响 配碳系数 品位/ 回收率/ 回 A 回 A 回 A 回 A 回 A 回 A 回 A 100 90 80 70 60 50 40 100 90 80 70 60 50 40 1.01.52.00.52.53.0 回 A 品位 回收率 图 6 配碳系数对磁选指标的影响 2.4 条件优化试验 条件试验结果表明,鲕状赤铁矿适宜的深度还原 条件为还原温度 1 200 ℃,还原时间 60 min,配碳系 数 2.0。 在此条件下进行了 3 次深度还原⁃磁选试验, 磨矿细度为-0.074 mm 含量占 85%,磁选磁场强度为 72 kA/ m。 试验结果如表 4 所示。 表 4 深度还原⁃磁选试验结果 试验编号金属化率/ %TFe 品位/ %TFe 回收率/ % 190.8490.5692.03 291.0290.8891.63 390.2990.2192.42 平均值90.7290.5592.03 07矿 冶 工 程第 35 卷 由表 4 可知,3 次平行试验的结果比较稳定,均得 到了金属化率大于 90%的还原产物,经磁选获得了铁 品位大于 90%、回收率大于 91%的磁选铁粉。 3 次试 验指标的平均值为金属化率 90.72%、铁品位 90.55%、 铁回收率 92.03%。 2.5 还原产物微观形貌 利用扫描电镜对还原产物的光片进行了观察。 不 同温度的还原产物的微观形貌如图 7 所示,图中亮白 色部分(用“1”表示)为金属铁。 从图 7 可以看出,还 原温度 950 ℃时还原产物基本保持原矿的鲕状结构, 但鲕状的边缘部分结构变得疏松,而且出现了细小的 裂纹;还原温度为 1 050 ℃ 时铁相以圆形或圆柱形密 集分布在产物中,相互之间未形成连接,截面直径约为 5 μm 左右;当温度升高到1 150 ℃时,鲕状结构已不存 在,铁相之间开始相互连接,金属相尺寸明显增大; 1 200 ℃时金属铁相尺寸进一步增加,铁相之间连接更 加充分,并且分布区域广泛,遍及整个视野。 图 7 不同还原温度下还原产物的扫描电镜形貌 (a) 950 ℃; (b) 1 050 ℃; (c) 1 150 ℃; (d) 1 200 ℃ 由此可见,还原温度是影响铁颗粒长大的决定性 因素,还原温度的提高促进了金属铁相的迁移扩散,有 利于金属铁颗粒的聚集和长大。 在还原温度相对较低 时,还原相变只在矿石的局部发生,铁矿物的还原较为 困难。 温度的提高破坏了矿石中的鲕状结构,改善了 还原条件,金属铁相逐渐形成并长大。 因此,可以判断 适当控制还原温度和时间,使得还原产物中的铁颗粒 粒径生长到合适的范围,有利于金属铁相与渣相的解 离和分选,后续工作中将对此进行深入研究。 3 结 论 1) 湖北官店高磷鲕状赤铁矿主要由赤铁矿、褐铁 矿、石英、鲕绿泥石、胶磷矿、白云石等矿物组成;矿石 全铁品位为 42.21%,主要赋存于赤褐铁矿中;有害元素 磷含量为 1.31%,相对较高,主要以胶磷矿形式存在。 2) 还原温度、还原时间和配碳系数对还原产物的 金属化率及磁选指标影响显著。 在还原温度 1 200 ℃、 还原时间 60 min、配碳系数 2.0 的适宜工艺条件下可 获得金属化率 90.72%的还原产物,磁选后可获得品位 90.55%、回收率 92.03%的还原铁粉。 3) 还原过程中,矿石的鲕状结构逐渐遭到破坏。 随着还原温度升高,鲕状结构被破坏的程度加剧,同时 铁颗粒尺寸明显增加,为后续磨矿和磁选创造了有利 条件。 参考文献 [1] 余永富. 国内外铁矿选矿技术进展及对炼铁的影响[J]. 矿冶工 程,2004(1)26-29. 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