助熔剂对某赤铁矿直接还原效果的影响

陈 建，肖月华，杜远超，宋宏伟

（文山学院 冶金与材料学院，云南 文山 663099）

我国的铁矿石资源分布范围广泛，储存量较大，但是矿石平均品位低，矿山分布零散[1]。有很多因技术问题无法利用的低品位难选铁矿石，以及处理成本太高生产价值不大的铁矿石资源存在。因此，我国对于铁矿石的整体开发利用程度不高。要解决我国目前的问题，提升铁矿石利用生产技术是关键，研究如何强化铁矿石直接还原的过程具有重要意义。近年来，随着焦炭资源的日益消耗，各种直接还原炼铁工艺迅速发展[2]。我国的煤炭资源丰富，也为铁矿石煤基直接还原的研究提供了条件[3-4]。

在铁矿石的直接还原过程中，除了还原剂的影响外，助熔剂的种类及用量也对还原产品的质量有较大影响。广西大学沈慧庭对某难选鲕状赤铁矿，在环状装料方式下进行直接还原焙烧，使用CaCO3为固体碳的气化促进剂，焙烧产物的金属化率达90%以上[5]。徐承焱等研究了不同还原剂对某难选铁矿石直接还原效果的影响，研究表明，在添加助熔剂的情况下，无烟煤及褐煤的还原效果均有改善，而且对褐煤的改善效果更明显[6]。

本文以某赤铁矿为实验对象，分别添加石灰石、白云石、消石灰、生石灰、膨润土作为助熔剂，进行直接还原实验，研究助熔剂的种类及用量对直接还原效果的影响。

1 实验原料

实验选用的赤铁矿主要成分如表1所示：

表1 试验赤铁矿原料主要成分表

实验选用无烟煤作为还原剂，对赤铁矿进行直接还原实验。研究助熔剂的种类及用量对铁矿石煤基直接还原效果的影响。试验选用的助熔剂为：a—石灰石（CaCO3）、b—白云石（CaCO3·MgCO3）、c—消石灰（Ca(OH)2）、d—生石灰（CaO）、e—膨润土。

2 实验方法

将赤铁矿粉碎至-200目，在还原温度1 200 ℃、还原剂用量25%、还原时间90 min的条件下，不添加助熔剂对赤铁矿进行直接还原。实验结果表明，在该条件下可得金属化率84.82%的还原产品。

现将赤铁矿粉碎至-200目，加入还原剂及助熔剂a，混匀后装入坩埚，放入马弗炉中。在同样的还原条件（还原温度1 200 ℃、还原剂用量25%、还原时间90 min）下，进行赤铁矿的直接还原实验，以研究助熔剂a的用量对还原效果的影响。之后重复上述步骤，依次得出助熔剂b、c、d、e的最佳用量，并对添加不同助熔剂、以及不添加助熔剂的还原效果进行横向比较，得出效果最佳的方案。

3 实验结果与讨论

3.1 不同助熔剂的用量对铁矿石直接还原效果的影响

在本实验中，以还原产品的金属化率作为考察还原效果的主要因素。图1～图5分别表示，在同样的还原条件（还原温度1 200 ℃、还原剂用量25%、还原时间90 min）下，赤铁矿的还原效果随着助熔剂a、b、c、d、e加入量的变化。

由图1～图5可知，助熔剂a、b、c、d、e对赤铁矿还原效果的影响趋势呈现出一致性。随着不同的助熔剂的用量增加，赤铁矿的直接还原效果也随之提高，表现为金属化率的上升；达到最佳用量时，金属化率达到最高；而超过最佳用量后，反而导致金属化率开始下降。总体上表现为还原效果随助熔剂加入量的提高先上升后下降。各助熔剂的最佳用量分别为：助熔剂a为18%，助熔剂b为12%，助熔剂c为24%，助熔剂d为18%，助熔剂e为18%。相对于同样的还原条件下不添加助熔剂的还原效果，在各助熔剂的最佳加入量下，还原效果均有不同程度的提高。

对图1～图5进行比较，得出不同助熔剂对赤铁矿直接还原效果的促进作用为：d＞a＞c＞ b＞e。其中提高还原效果最显著的为助熔剂d-生石灰（CaO）。在生石灰加入量18%的条件下，还原产品的金属化率可达到98.07%。

图 1 助熔剂a-石灰石（CaCO3）的用量对直接还原效果的影响

图 2 助熔剂b-白云石（CaCO3·MgCO3）的用量对直接还原效果的影响

图 3 助熔剂c-消石灰（Ca(OH)2）的用量对直接还原效果的影响

图 4 助熔剂d-生石灰（CaO）的用量对直接还原效果的影响

图 5 助熔剂e-膨润土的用量对直接还原效果的影响

助熔剂在直接还原的过程中，能够与硅铝钙镁等氧化物反应并生成新的化合物，降低熔点，改善铁氧化物的还原条件，对直接还原有促进作用。而且铁矿石中的SiO2，在较低温度下即可与铁矿石还原生成的FeO反应，生成铁橄榄石；铁橄榄石的熔点较低，容易形成液相包裹铁矿石，使铁矿石的还原条件恶化，影响还原效果。助熔剂中的CaO可与SiO2反应生成硅酸钙，从而阻止铁橄榄石的形成，以改善还原效果。

但助熔剂用量过多时，助熔剂颗粒会阻碍还原剂与铁氧化物的接触，影响还原条件，导致还原效果降低；且过量的CaO无法消耗，也对还原产品的品位提高不利。因此助熔剂的用量不宜过多，而且助熔剂要求碱性氧化物含量高、酸性氧化物含量少，CaO的含量越高越好，有害杂质S、P的含量越少越好[7]。

3.2 还原产品的物相检测

分别对还原温度1 200 ℃、还原剂用量25%、还原时间90 min的条件下，不添加助熔剂与添加18%生石灰所得的还原产品进行XRD检测，结果见图6、图7。

图6是在不添加助熔剂的情况下所得的还原产品，在其XRD衍射图谱中，有明显的铁橄榄石衍射峰存在，说明在还原过程中生成了低熔点的铁橄榄石（2FeO·SiO2），而铁橄榄石会在还原矿的表面形成大量液相，阻碍还原气氛向内部扩散，影响还原效果。

图7是添加18% 生石灰的条件下所得还原产品的XRD衍射图谱，由图7可知，在添加了助熔剂生石灰后，还原产品中的铁橄榄石衍射峰消失，单质铁的衍射峰与图6相比更加突出。说明在添加了助熔剂生石灰后，其中的CaO与SiO2的结合力大于FeO与SiO2的结合力，CaO与SiO2竞争性结合，从而游离出FeO，有利于FeO的还原，并阻止了铁橄榄石（2FeO·SiO2）的生成，减少液相的产生，改善了赤铁矿的还原条件，使铁矿石充分还原，从而提高直接还原的效果。在图7中还可观察到CaO的衍射峰，说明在18%的生石灰添加量下，有少量CaO过量；如果再提高生石灰的用量，则会导致过量的CaO增多，反而会导致直接还原条件的恶化，影响还原效果。

图 6 不添加助熔剂的还原产品XRD分析

图 7 添加18% 生石灰的还原产品XRD分析

4 结论

（1）以某赤铁矿为实验对象，添加助熔剂石灰石、白云石、消石灰、生石灰、膨润土进行直接还原实验，研究不同种类及用量的助熔剂对还原效果的影响。实验结果表明，在适量添加的情况下，各助熔剂均在不同程度上改善了赤铁矿的还原效果。而过量添加时，各助熔剂均造成还原效果的下降。其中在添加18%的生石灰的条件下，还原效果的提高最显著，可得到金属化率98.07%的还原铁。

（2）对不添加助熔剂与添加18%生石灰所得的还原产品分别进行XRD检测。结果表明，不添加助熔剂的还原产品，有明显的铁橄榄石衍射峰存在，说明在还原过程中生成了低熔点的铁橄榄石（2FeO·SiO2）；而添加了助熔剂生石灰后，还原产品的铁橄榄石衍射峰消失，说明生石灰中的CaO与SiO2结合，阻止了铁橄榄石（2FeO·SiO2）的生成，游离出FeO，使铁矿石充分还原，从而提高直接还原的效果。