高炉灰与高磷鲕状赤铁矿共还原回收铁的研究

曹允业 孙体昌 寇 珏 高恩霞 徐承焱

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083;2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083)

高炉灰与高磷鲕状赤铁矿共还原回收铁的研究

曹允业1,2孙体昌1,2寇 珏1,2高恩霞1,2徐承焱1,2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083;2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083)

为考察高炉灰作为还原剂用于高磷鲕状赤铁矿石还原焙烧的可能性，以鄂西某铁品位为42.72%的鲕状赤铁矿石和河北某铁品位为23.96%、固定碳含量为32.83%的高炉灰为原料，进行了共还原焙烧回收铁试验。结果表明：在高炉灰用量为30%、共还原焙烧温度为1 150 ℃、焙烧时间为60 min、还原产品磨矿细度为-0.043 mm占96%、磁选磁场强度为87.58 kA/m条件下，可获得铁品位为91.88%、回收率为88.38%、磷含量为0.072%的还原铁。不同高炉灰用量下焙烧产品的XRD分析结果表明：随高炉灰用量的增加，铁的衍射峰逐渐增强，增加高炉灰用量有利于含铁矿物被还原成金属铁，但还原铁产品磷含量也升高。高炉灰作为还原剂用于高磷鲕状赤铁矿共还原焙烧，为高效利用高炉灰和难选铁矿石提供了一种新思路，又可以降低鲕状赤铁矿石直接还原焙烧的成本，同时减轻高炉灰对环境的污染，具有较高的经济和环境效益。

高炉灰 高磷鲕状赤铁矿 共还原焙烧

高炉灰是钢铁工业的副产品，主要由碳和含铁氧化物及其他有价金属等组成。在我国，大部分的高炉灰仍是直接堆放，对环境造成污染的同时也对铁资源造成了很大浪费[1-2]。据统计，每生产1 t铁将产生约20 kg含铁20%～30%的高炉灰。我国高炉灰的年产出量约在1 500万t，折合金属铁含量为300万t～450万t。因此，实现对高炉灰的有效利用具有重要的现实意义[3]。

近年来，随着钢铁工业的高速发展，使得原本难选的高磷鲕状赤铁矿也被纳入开发利用范畴。但高磷鲕状赤铁矿矿石结构复杂，采用常规的选别方法不能获得合格的产品[4-6]。研究表明，采用煤作为还原剂的直接还原焙烧—磁选工艺可以获得铁品位高的还原铁产品[6-10]，实现高磷鲕状赤铁矿石的高效利用。例如，李永利[6]应用该方法处理某高磷鲕状赤铁矿石，获得了铁品位为91.35%、回收率为85.12%、磷含量为0.081%的还原铁。

高磷鲕状赤铁矿还原焙烧时，增加煤粉用量可以提高铁的还原效果，但同时也会增加还原铁生产的成本，而高炉灰中含有固定碳和铁氧化物，用其替代煤粉作为还原剂使用，既可以利用高炉灰中的碳和铁，又可以降低高磷鲕状赤铁矿直接还原的成本，同时减轻高炉灰对环境造成的污染，可以达到一举多得的效果。因此，本研究进行了高炉灰作为还原剂进行鲕状赤铁矿石还原焙烧回收铁的可行性试验，为高炉灰和高磷鲕状赤铁矿资源化和工业化应用提供参考依据。

1 试验样品

1.1 高炉灰

试验用高炉灰来自于河北省某钢铁企业，为了查明高炉灰的成分，对其进行了工业分析，结果见表1。

表1 高炉灰的工业分析结果

Table 1 The results of industrial analysisof blast furnace dust

%

从表1可知：高炉灰中具有还原作用的固定碳含量为32.83%，灰分含量较高，为55.43%，挥发分含量很少，仅为8.82%，因此高炉灰的挥发分和灰分的含量与煤的有很大的差别。为了查明高炉灰除碳以外的矿物成分，对其进行了XRD和SEM分析，结果见图1。

由图1可知，高炉灰含铁氧化物主要是赤铁矿和磁铁矿，脉石矿物为石英和石膏。化学成分分析结果表明，高炉灰铁品位为23.96%。

1.2 高磷鲕状赤铁矿

试验用高磷鲕状赤铁矿试样为破碎至-2 mm的鄂西某“宁乡式”鲕状赤铁矿石，铁品位为42.72%，磷含量为0.79%。矿石的其他性质见文献[8]。

2 试验方法

将一定量高炉灰、高磷鲕状赤铁矿石、CaCO3、Na2CO3混匀后(其中，高炉灰、CaCO3、Na2CO3的加入量以高炉灰、CaCO3、Na2CO3与高磷鲕状赤铁矿石的质量比表示；固定CaCO3用量为20%、Na2CO3用量为2.5%)，装入加盖的石墨坩埚中，将石墨坩埚放置于马弗炉中在一定温度下进行共还原焙烧(因为是通过直接还原焙烧的方法共同回收高炉灰和高磷鲕状赤铁矿中的铁，所以本研究将这种直接还原焙烧

1—赤铁矿(Fe2O3);2—磁铁矿(Fe3O4);

图1 高炉灰的XRD和SEM分析结果

称为共还原焙烧)，将焙烧产品磨细至-0.043 mm占96%，经磁选管在磁场强度为87.58 kA/m条件下磁选分离，得到的磁性产品称为还原铁。以还原铁的铁品位、铁回收率、磷含量作为焙烧效果的评价指标，其中还原铁的铁回收率是指高炉灰和高磷鲕状赤铁矿中铁的总回收率。

3 试验结果与讨论

3.1 高炉灰用量对还原铁指标的影响

为考察高炉灰能否作为还原剂进行使用，考察了高炉灰用量对还原铁指标的影响。固定共还原焙烧温度为1 150 ℃、焙烧时间为60 min，在高炉灰用量分别为20%、25%、30%、35%条件下进行试验，结果如图2所示。

图2 高炉灰用量对还原铁指标的影响

由图2可知：高炉灰可以作为还原剂应用于高磷鲕状赤铁矿还原焙烧，并且高炉灰用量的改变对还原铁各项指标的影响明显；随着高炉灰用量的增加，还原铁的铁品位和回收率均逐渐提高，但还原铁的磷含量也逐渐提高。随着高炉灰用量的增加，还原气氛增强，还原铁品位和回收率逐渐提高，高炉灰用量增加至35%时，还原铁磷含量达0.1%(大于上限值0.08%)。因此，为了保证焙烧过程中的还原气氛，并获得合格的还原铁产品，选择高炉灰用量为30%。

3.2 焙烧温度对还原铁指标的影响

在还原焙烧过程中，还原焙烧温度对还原铁指标有较大影响[10]。在高炉灰用量为30%，焙烧时间为60 min，共还原焙烧温度分别为1 050、1 100、1 150、 1 200、1 250 ℃条件下进行试验，结果如图3所示。

图3 共还原焙烧温度对还原铁指标的影响

由图3可知：随着共还原焙烧温度的上升，还原铁铁品位和回收率逐渐提高；还原铁磷含量先降低后升高，在1 050 ℃时还原铁磷含量为0.12%， 1 150 ℃时还原铁磷含量为0.072%(小于0.08%)，在 1 250 ℃时还原铁磷含量升高至0.13%。焙烧温度较低时，炉内还原气氛不足，铁氧化物未能完全还原，铁回收率较低；提高焙烧温度加快了铁颗粒的聚集长大成核，还原铁的铁品位和回收率升高。综合考虑，选择共还原焙烧温度为1 150 ℃。

3.3 焙烧时间对还原铁指标的影响

铁颗粒的成核、聚集和长大在还原过程中所需时间因还原剂的不同而有差异。在还原剂高炉灰用量为30%、焙烧温度为1 150 ℃、共还原焙烧时间分别为20，40，60，80，120，200 min条件下进行试验，结果如图4所示。

由图4可知：还原铁的铁品位和回收率随共还原焙烧时间的延长而逐渐提高，还原铁的磷含量逐渐提高后保持不变，最高值达0.12%。在一定范围内延长共还原时间，一方面有利于赤铁矿被充分还原，另一方面在焙烧反应中间过程生成的硅酸铁也将被还原，此两方面的作用提高了还原铁回收率；与此同时，铁颗粒在还原焙烧过程中受界面自由能和浓度梯度的作用聚集和长大形成铁连晶[11]，大片铁连晶的形成可使还原铁产品的铁品位大于90%。延长焙烧时间，铁颗粒和脉石的相互熔融增强，增加了焙烧产品中含磷矿物与铁颗粒之间的分离难度，仅通过细磨不能够使得铁颗粒和含磷矿物分离，所以造成了还原铁磷含量的增加。综合考虑，确定共还原焙烧时间为60 min，此时可以获得铁品位为91.88%、回收率为88.38%、磷含量为0.072%的还原铁。

图4 共还原焙烧时间对还原铁指标的影响

4 机理研究及产品分析

4.1 不同高炉灰用量焙烧产品成分分析

为了查明高炉灰用量对高磷鲕状赤铁矿石共还原焙烧效果的影响，对焙烧时间为60 min、焙烧温度为 1 150 ℃，不同高炉灰用量下获得的焙烧产品进行XRD分析，结果见图5。

图5 高炉灰用量不同时焙烧产品的XRD分析结果

由图5可知：高炉灰用量为20%时，共还原焙烧过程产生不能被弱磁选回收的铁钙橄榄石和蓝闪石，因而高炉灰用量较低时，还原铁的铁回收率低。而随着高炉灰用量的增加，铁钙橄榄石和蓝闪石的衍射峰强度逐渐减弱至消失，铁的衍射峰却在逐渐增强，说明含铁的矿物被还原成金属铁，这与工艺试验结果相吻合；随着高炉灰用量的增加，氟磷灰石的衍射峰逐渐增强，与试验结果一致。

4.2 产品分析

对最佳共还原焙烧条件下获得的还原铁产品进行XRD和SEM分析，结果见图6。

图6 最佳焙烧条件下还原铁的SEM和XRD分析结果

图6表明：最佳条件下获得的还原铁产品，主要物相是铁，且XRD分析结果未检出渣相。

5 结 论

(1)以高炉灰和高磷鲕状赤铁矿为原料共还原焙烧回收铁，试验确定的最佳工艺条件为高炉灰用量30%、共还原焙烧温度1 150 ℃、焙烧时间60 min，焙烧产品磨细至-0.043 mm占96%后在磁场强度为87.58 kA/m条件下磁选，获得的还原铁产品铁品位为91.88%、回收率为88.38%、磷含量为0.072%。

(2)高炉灰作为还原剂用于高磷鲕状赤铁矿共还原焙烧，为高效利用高炉灰和难选铁矿石提供了一种新思路，又可以降低鲕状赤铁矿石直接还原焙烧的成本，同时减轻高炉灰对环境的污染，具有较高的经济和环境效益。

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(责任编辑 王亚琴)

Research on Recovery of Iron from Blast Furnace Dust and HighPhosphorus Oolitic Hematite by Coreduction Roasting

Cao Yunye1,2Sun Tichang1,2Kou Jue1,2Gao Enxia1,2Xu Chengyan1,2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China;2.KeyLaboratoryofHigh-efficientMiningandSafetyofMetalMines，MinistryofEducation，Beijing100083，China)

In order to find the possibility of blast furnace dust as reducing agent in high phosphorus oolitic hematite reduction roasting，coreduction roasting experiments were conducted on a oolitic hematite ore with 42.72% iron from Western Hubei and a blast furnace dust with 23.96% iron，32.83% fixed carbon as raw material.Results show that with the conditions of the blast furnace dust dosage of 30%，coreduction roasting temperature of 1 150 ℃，roasting time of 60 min，grinding fineness for reduction product is 96% - 0.043 mm，magnetic field intensity is 87.58 kA/m，DRI with 91.88% iron，0.072% phosphorus and iron grade of 88.38% was obtained.XRD analysis results on different dosage of blast furnace dust calcined product show that with the increase dosage of the blast furnace dust，iron diffraction peak strengthen gradually.Increase the dosage of blast turance is beneficial for iron bearing minerals reduction to metallic iron,while phosphorus in DRI also increased.Blast furnace dust as a reducing agent for high phosphorus oolitic hematite reduction roasting，provides a new method in efficient utilization of blast furnace dust and refractory iron ore，and can reduce the cost of oolitic hematite direct reduction roasting，at the same time reduce the blast furnace dust pollution to the environment，has high economic and environmental benefits.

Blast furnace dust，High phosphorus oolitic hematite，Coreduction roasting

2015-07-04

国家自然科学基金重点项目(编号：51134002)。

曹允业(1987—)，男，博士研究生。通讯作者 孙体昌(1958—)，男，教授，博士研究生导师。

TD951

A

1001-1250(2015)-10-067-04