高磷鲕状赤铁矿煤基还原焙烧制备直接还原铁

蒋 曼，王依帆，张 乐，樊 洁，于福顺，董风芝

(1. 山东理工大学 资源与环境工程学院，山东 淄博 255049；2. 淄博市科学技术情报研究所，山东 淄博 255040；3.中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司，河北 秦皇岛 066004)

高磷鲕状赤铁矿磷含量高、铁品位低，不能直接作炼铁原料，是一类典型的复杂难处理铁矿石。但高磷鲕状铁矿储量丰富，价格相对低廉，仍是一种比较重要的铁矿资源。为有效利用高磷鲕状赤铁矿，国内外研究者开展了大量的提铁降磷研究工作[1-2]。由于高磷鲕状赤铁矿石易泥化，磷灰石嵌布粒度细，与铁矿物共生关系复杂，因此常规的选冶工艺不能有效地处理该类铁矿资源[3-4]。目前在高磷鲕状赤铁矿工艺矿物学特性的基础之上开发了钠盐强化煤基还原焙烧-磁选的新工艺[5-7]。通过添加钠盐来改善氧化铁的还原条件，同时通过细磨磁选工艺强化细粒级磁性矿物的回收并实现磷的深度脱除[8-9]。本文以鄂西高磷鲕状赤铁矿为原料，采用煤基直接还原焙烧-磁选技术制备直接还原铁，并对煤基还原焙烧过程中的影响因素进行研究，以期得到高品位直接还原铁，为解决高磷鲕状赤铁矿的综合开发利用提供技术支持。

1 试验原料和试验方法

1.1 试验原料

对矿样进行工艺矿物学和化学成分分析，化学成分分析结果见表1。

表1 矿样化学成分分析
Tab.1 Chemical composition analysis of ore samples

成分 TFeSiO2Al2O3MgOCaOSP含量/% 43.6517.109.280.593.580.0480.830成分 TiO2V2O5SrOK2O MnOAs2O3含量/% 0.200.0750.0200.650.200.023

高磷鲕状赤铁矿中铁品位43.65%，P含量0.83%。经镜下鉴定和X-射线衍射分析表明,样品中铁矿物种主要是以赤铁矿和褐铁矿形式存在，少量磁铁矿、菱铁矿，微量黄铁矿、钛铁矿。脉石矿物主要为石英等硅氧矿物，少量胶磷矿，碳酸盐类矿物主要为方解石、少量白云石等。与赤褐铁矿伴生的杂质主要为磷和硅，其次是铝。铁矿物和磷矿物主要成鲕粒状，磷以胶磷矿的形式存在，胶磷矿与赤铁矿组成鲕粒交互连生，嵌布紧密。

试验用还原剂选用宁夏烟煤，煤质分析结果见表2。

表2 煤质分析(空气干燥基)
Tab.2 Coal quality analysis (air drying base)

煤种固定碳水分灰分挥发分含量/% 45.8111.7717.5624.86

1.2 试验方法

焙烧试验在马弗炉中进行。分别称取40 g原矿，以及一定比例的宁夏烟煤，将两者混合均匀，放入石墨坩埚中，加盖保护，待炉膛温度升至设定温度后，将坩埚放入炉膛中。到达焙烧时间后，将坩埚取出，在空气中自然冷却。将冷却的焙烧矿取出并称重，放入棒磨机中磨矿。将达到一定磨矿细度的矿浆采用磁选管进行磁选，磁选出的产品过滤、烘干、称重。磁选所得直接还原铁的铁含量测定执行GB/T32786-2016，对直接还原铁的品位进行测定记录数据并计算其回收率。煤基直接还原焙烧-磁选工艺流程图如图1所示。

图1 试验工艺流程图Fig. 1 The flow diagram of the experiment process

2 高磷鲕状赤铁矿煤基直接还原焙烧试验

2.1 焙烧温度对还原焙烧效果的影响

对于还原过程而言，焙烧温度是影响反应速率的主要因素，随着温度的升高，反应物活性增强，反应速度加快。焙烧温度过低, 还原反应速度慢, 影响生产能力; 温度过高, 发生过还原, 焙烧产品质量不佳, 所以焙烧温度要适中。因此，首先考察温度对煤基还原焙烧-磁选实验的影响。试验初步确定宁夏烟煤用量30%，焙烧时间50 min，磨矿细度-0.074 mm粒级占90%，磁场强度128 kA/m，焙烧温度对高磷鲕状赤铁矿还原焙烧过程的影响规律如图2所示。

图2 焙烧温度对还原焙烧效果的影响规律Fig. 2 Effect of different roasting temperature on the roasting

由图2可知，随着焙烧温度的升高，直接还原铁的铁品位及回收率先是明显增加然后趋于稳定。分析其原因是还原气氛随焙烧温度升高而增强，铁矿物得到充分还原，从而使铁回收率增加。考虑到能耗成本，因此确定1 100 ℃为最佳焙烧温度，此时直接还原铁品位为79.02%，铁回收率为81.15%。

2.2 还原剂用量对还原焙烧效果的影响

试验研究采用固态煤宁夏烟煤(粒度<2 mm)作还原焙烧的还原剂。还原剂用量也是影响磁化焙烧的因素之一。还原剂的用量过低，则还原反应不充分，影响焙烧结果；反之，则造成资源的浪费和成本的增加。因此需要考察不同还原剂用量，即还原气氛对还原焙烧效果的影响规律。在焙烧温度1 100 ℃条件下，煤用量分别为20%、30%、40%、50%，考察煤用量对鲕状赤铁矿中还原焙烧的影响规律。试验结果如图3所示。

图3 还原剂用量对还原焙烧效果的影响规律Fig. 3 Effect of different reductant dosage on the roasting

由图3可知，随煤用量的增加,铁的品位缓慢降低并逐渐趋于稳定，铁的回收率迅速上升后慢慢趋于稳定。因此，确定还原剂最佳用量为30%，此时直接还原铁品位为75.04%，铁的回收率为88.13%。

2.3 焙烧时间对还原焙烧效果的影响

进行焙烧时间的试验，以对实验进行优化，进一步提高铁的品位和回收率。还原焙烧时间的长短与焙烧温度、矿石粒度、矿石性质和还原剂的成分有关。焙烧条件为还原剂用量30%，焙烧时间20 min、40 min、60 min、80 min，焙烧温度1 100 ℃。实验结果如图4所示。

图4 焙烧时间对还原焙烧效果的影响规律Fig. 4 Effect of different roasting time on the roasting

由图4可知，随焙烧时间的增加，铁品位和回收率逐渐上升，但上升幅度不大。因此，确定最佳焙烧时间为50 min，此时直接还原铁的铁品位74.89%，铁回收率80.24%。

2.4 助熔剂对还原焙烧效果的影响

已有研究资料表明[10-11]：硫酸钠在还原气氛下有新相S及Na2S生成，易形成低熔点化合物，在局部形成液相，为Fe2+的迁移提供有利通道，促进铁晶粒和脉石成分的分离，从而破坏矿石结构。碳酸钠能促进铁氧化物的还原，但效果不及硫酸钠。因此采用钠盐做为添加剂，研究添加剂种类及用量对高磷鲕状赤铁矿还原焙烧提铁降磷的影响，结果如图5和图6所示。

(a)碳酸钠

(b)硫酸钠图5 单一助熔剂对还原焙烧效果的影响规律Fig. 5 Effect of single flux on the roasting

图6 混合助熔剂对还原焙烧效果的影响规律Fig.6 Effect of mix flux on the roasting

由图5(a)、5(b)可知，相比于无助熔剂条件下，鲕状赤铁矿添加钠盐添加剂还原焙烧，提铁效果明显改善。其中碳酸钠作用下，随着其用量增加，铁的回收率逐渐增加，碳酸钠用量15%时回收率可达到89.95%，而硫酸钠作用下，铁的回收率逐渐降低，但铁品位逐渐增加，可达到90.75%。因此，在碳酸钠用量15%条件下考察硫酸钠对鲕状赤铁矿还原焙烧提铁效果的影响，结果如图6所示。由图6可知，当Na2CO3用量15%、Na2SO4用量30%时，直接还原铁的铁品位可达到90.80%，铁回收率79.27%。

2.5 最佳条件验证试验

高磷鲕状赤铁矿煤基直接还原焙烧-磁选的最佳工艺条件如图7所示。煤基还原焙烧-磁选数质量流程如图8所示。

图 7 最佳工艺条件Fig. 7 The process flow diagram of the best craft conditions

图8 煤基还原焙烧-磁选数质量流程图Fig. 8 Digital quality flow by coal-based direct reduction roasting

3 结论

1)煤基直接还原焙烧-磁选工艺处理高磷鲕状赤铁矿仅添加还原剂，无助熔剂作用时，磁选所得直接还原铁的铁品位及回收率较低。

2)助熔剂Na2CO3对高磷鲕状赤铁矿煤基还原焙烧-磁选所得铁的回收率的增加有明显作用，而Na2SO4对直接还原铁的铁品位增加起作用。选择Na2SO4和Na2CO3为助熔剂，Na2CO3用量15%，Na2SO4用量30%时，直接还原铁的铁品位可达到90.80%，铁回收率79.27%。

3)高磷鲕状赤铁矿煤基直接还原焙烧-磁选的最佳工艺条件为：还原剂宁夏烟煤用量为30%，助熔剂Na2CO3用量为15%，Na2SO4用量为30%，焙烧温度为1 100 ℃，焙烧时间为50 min，磨矿细度-0.043 mm粒级占60.30%，磁场强度为128 kA/m。在最佳工艺条件下，所得直接还原铁的铁品位为91.13%，铁的回收率为78.87%，S残余含量0.03%。