某海滨铁砂矿流态化气基还原—高温熔分试验

刘 瑛 郭汉杰 郭 磊 李永麒 孙贯永

(1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083；2．钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083)

·矿物工程·

某海滨铁砂矿流态化气基还原—高温熔分试验

刘 瑛1郭汉杰1郭 磊2李永麒1孙贯永1

(1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083；2．钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083)

为了确定印度尼西亚某海滨铁砂矿的合理开发利用方案，在模拟流化床的竖直管式炉内，以CO与H2的混合气体为还原剂，对该海滨铁砂矿进行了直接还原试验，并对最佳条件下的还原产物进行了熔分条件试验。结果表明：①反应温度和还原气氛对还原效果影响显著，在还原温度为900 ℃、还原气体H2和CO的体积比为7∶3、还原时间为80 min情况下，还原产物中铁的还原度为96.11%、铁的金属化率为93.40%。②确定条件下的还原产物适宜的熔分温度为1 570 ℃、碱度为1.2、熔分时间为15 min，对应的铁回收率为92.99%。因此，流态化气基还原—高温熔分工艺是该海滨铁砂矿开发利用的有效工艺。

海滨铁砂矿 流态化气基还原 流化床 高温熔分 还原度 金属化率

随着现代化和新型城镇化建设的不断推进，我国钢铁工业经历了10余年的高速发展期，这期间，铁矿石的需求量增长了近10倍。需求量的快速增长加快了我国中高品位铁矿石资源枯竭的速度，与此同时，铁矿石的对外依存度迅速增长[1]，其中，开展海滨铁砂矿开发利用研究就是我国尝试利用海外资源的一部分[2-4]。

海滨铁砂矿虽然通常具有储量大、开采成本低、粒度细小均匀等特点，但选矿工艺却不成熟[5-6]。高炉法、回转窑—电炉法、转底炉—电炉法、竖炉—电炉法等均因投资大、流程长、能耗高、污染严重、还原效果不佳等原因而一直未得到高效、合理的利用[7-8]。由于流态化气基还原工艺具有气体与矿砂接触充分、传热快、传质迅速、反应温度均匀、反应速度快等优点[9]，因而本试验将探讨该工艺还原海滨铁砂矿的效果。

1 试验原料

1.1 海滨铁砂矿

试验原料为印度尼西亚某海滨铁砂矿，磨圆度好、粒度均匀，除渣后试样的粒度为80～100目占90%，主要矿物相为钛磁铁矿，钛铁矿少量，铁、钛以固溶体的形式存在，物理方法难以分离。试样主要化学成分分析结果见表1。

表1 试样主要化学成分分析结果

从表1可见，试样中主要有用元素为铁、钛，主要脉石成分为SiO2、Al2O3、MgO、CaO等，有害杂质S、P等含量较低。

1.2 还原煤粉

试验用还原剂为印尼当地的褐煤，其工业分析结果见表2。

表2 褐煤工业分析结果

1.3 助熔剂

试验用助熔剂CaO为分析纯，白色粉末状。

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

试验用还原炉为自主设计的、模拟热态可视流化床的竖直管式电阻炉(见图1)，升温速率和保温时间可控，其反应器为双层透明石英管，内、外径分别为30和70 mm，内管为流化床，从上而下流经外管与内管夹层的还原气体在此过程中被预热，然后从内管下端进入，穿过流化床分布板上的小孔和分布板上部的试样(分布板上的小孔不允许试样颗粒通过)。通过热电偶监控流化床内的还原温度。电阻炉留有观察窗口，肉眼可直接观察床层流化状态，同时通过压力传感器记录床层压差变化。

图1 竖直管式电阻炉

2.2 试验方法

将60 g试样置于流化床的分布板上，给竖直管式电阻炉升温，同时通入保护性气体N2。当流经试样的气体温度达到试验设定温度后，在质量流量计的调配下将通入1.7 L/min的还原性气体(高纯CO、H2或这2种气体的混合气体)。还原一定时间后即关闭加热系统，并将还原气体切换成N2，在N2保护下使炉内温度降至室温。然后测定还原产物的全铁、金属铁和亚铁含量，计算还原度和金属化率，并使用日本理学Rigaku DMAX-RB 12kW 旋转阳极衍射仪分析还原前后试样的物相。

还原度及金属化率的计算公式分别为

(1)

(2)

式中，R为还原产物中铁的还原度，%；a1为还原产物中亚铁的含量，%；a2为还原产物中金属铁的含量，%；a为还原产物中全铁的含量，%；η为还原产物中铁的金属化率，%。

3 试验结果与讨论

3.1 气基还原试验

3.1.1 还原气体成分对还原效果的影响

还原气体为H2和CO，H2与CO组成对还原效果影响试验的还原时间为80 min,还原温度为850 ℃，试验结果见图2。

图2 还原气体成分对还原效果影响试验结果

从图2可以看出，随着H2占比的提高，还原产物中铁的还原度和铁的金属化率均先上升后下降，高点均在H2占70%时，即H2和CO的体积比为7∶3时，还原产物中铁的还原度和铁的金属化率分别为86.60%和78.54%。

提高H2占比，还原产物指标上升的主要原因是，高温下H2的还原能力和利用率高于CO，且H2的扩散能力比CO大得多，此外H2O比CO2容易从反应界面上脱附，这就使得H2的还原动力学条件大大优于CO；但当H2的占比超过某一极限后，还原产物中铁的还原度和铁的金属化率将下降，这与H2的还原反应属吸热反应，H2的比热低于CO，带入的显热少，且还原产物H2O的比热高于CO2，带出的显热多有关[10]。因此，还原气体中H2的占比过高会引起炉内供热不足，导致反应速率下降，使还原不充分，还原产物中铁的还原度和铁的金属化率下降。根据试验结果，确定还原气体中H2与CO的体积比为7∶3。

3.1.2 还原温度对还原效果的影响

还原温度对还原效果影响试验的还原气体H2与CO的体积比为7∶3，还原时间为80 min，试验结果见图3。

图3 还原温度对还原效果影响试验结果

从图3可以看出，在试验温度范围内，随着还原温度的升高，还原产物中铁的还原度和铁的金属化率显著提高，900 ℃时，还原产物中铁的还原度和铁的金属化率分别达96.11%和93.40%。

还原温度升高，还原气体的分子活跃度提高、扩散速度加快，化学反应的ΔG⊖的负值越大，反应向产物方向进行的程度越大，因此，温度升高可以使还原产物中铁的还原度和铁的金属化率增加。当然，还原温度也不宜过高，否则会影响矿粉在床内的流化状态，甚至使部分矿粉发生黏结。因此，确定还原温度为900 ℃。

3.1.3 还原时间对还原效果的影响

还原时间对还原效果影响试验的还原气体H2与CO的体积比为7∶3，还原温度为900 ℃，试验结果见图4,确定还原时间下焙烧产物的XRD图谱见图5。

从图4可以看出，在试验还原时间内，随着还原时间的延长，还原产物中铁的还原度和铁的金属化率均小幅上升，还原时间从80 min延长至120 min，还原产物中铁的还原度和铁的金属化率分别从96.11%和93.40%提高至99.50%和97.43%，升幅十分有限。因此，确定还原时间为80 min。

图4 还原时间对还原效果影响试验结果

图5 确定条件下还原产物的XRD图谱

从图5可以看出，在H2和CO的体积比为7∶3，还原温度为900 ℃，还原时间为80 min情况下，还原产物的XRD图谱中主要是金属铁和二氧化钛的衍射峰。

3.2 高温熔分试验

熔分条件确定采用正交试验方法，焙烧产物加还原煤粉量按氧碳物质的量之比1∶1添加(避免已金属化的铁在熔分时被再次氧化)，按一定的碱度加CaO，混合均匀后加入坩埚内，在电阻炉内进行高温熔化分离试验。

3.2.1 试验因素水平安排

在前期探索试验基础上确定的熔分温度A、碱度B、熔分时间C均取3水平，各水平具体取值见表3。

表3 正交试验因素水平安排

3.2.2 正交试验结果

根据因素水平安排，按正交表L9(33)进行正交试验，由于不同条件下熔融铁的铁含量均在90%以上，差异较小，因此，将铁回收率指标作为优选条件的依据，试验结果见表4，对表4中数据进行极差分析，结果见表5，各条件下的渣铁的分离情况见图6。

表4 正交试验结果

表5 正交试验极差分析结果

从表4可以直观地看出，因素组合为A3B2C3时的回收率最高，即熔分温度为1 570 ℃、碱度为1.2、熔分时间为15 min时，铁回收率为92.99%。

从表5可以看出，对于铁回收率而言，熔分时间引起的极差最大，达7.00，表明该因素对铁回收率的影响最显著；熔分温度引起的极差次之，为4.12；碱度引起的极差最小，为2.72，表明该因素对铁回收率的影响最小。因素的优化组合为A3B2C3，即熔分温度为1 570 ℃、碱度为1.2、熔分时间为15 min，这与表4的直观结果一致。

图6 渣铁分离情况照片

从图6可以看出，正交试验编号为6、7的2个试验的渣铁分离效果较好，铁饼表面光洁无渣，2、9号次之，其余5个试验的渣铁分离效果相对较差，铁饼表面粗糙程度不一，以3号试验的为最盛，呈现渣铁界限不清晰情况。2、6、7号试验渣铁分离效果较好主要与熔分时间最长有关，3号试验渣铁分离效果较差则主要由熔分温度最低、熔分时间最短决定。

4 结 论

(1)利用热态可视流化床对印尼某海滨铁砂矿进行还原，可以得到含一定单质Fe的还原熟料。还原温度和还原气体成分对海滨铁砂矿的还原程度影响最大，还原温度提高，还原产物铁的还原度和金属化率明显增加；在一定范围内提高H2与CO的体积比有助于提高还原产物中铁的还原度和金属化率；在一定范围内延长还原时间，对铁的还原度和金属化率影响不大。

(2)该海滨铁砂矿的最佳还原温度为900 ℃、还原气体H2和CO的体积比为7∶3、还原时间为80 min，对应产物中铁的还原度为96.11%、铁的金属化率为93.40%。

(3)最佳还原条件下的产物适宜的熔分温度为1 570 ℃、碱度为1.2、熔分时间为15 min，对应的铁回收率为92.99%。

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(责任编辑 罗主平)

Fluidized Gas Reduction-High Temperature Smelting Tests of a Beach Iron Placer

Liu Ying1Guo Hanjie1Guo Lei2Li Yongqi1Sun Guanyong1

(1.SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China; 2.StakeKeyLaboratoryofAdvancedMetallurgy，Beijing100083，China)

In order to find a reasonable development and utilization program for a beach placer in Indonesia，the direct reduction experiments using CO-H2gas mixture as reducing gas were conducted in a vertical tubular resistance furnace.Smelting tests on products obtained at optimum condition were conducted.The results revealed that ① both reaction temperature and reduction circumstances can dramatically influence the reaction efficiency，reduction products with iron reduction degree of 96.11% and metallization ratio of 93.40% was obtained at conditions of volume ratio of H2to CO 7∶3，and reducing temperature at 900 ℃ for 80 min.② under the optimum smelting temperature 1 570 ℃，alkalinity 1.2，smelting time 15 min for the reduction products，the recovery of iron reached 92.99%.To sum up，the fluidized gas reduction-high temperature smelting process is an efficient process in developing the beach placer.

Beach iron placer，Fluidized gas reduction，Fluidized bed，High temperature smelting，Reduction degree，Metallization ratio

2014-05-27

刘 瑛(1988—)，男，硕士研究生。通讯作者 郭汉杰(1957—)，男，教授，博士，博士研究生导师。

TD925.7

A

1001-1250(2014)-09-043-05