高磷鲕状铁矿氧化球气基还原⁃磁选提铁降磷研究①

吴世超，孙体昌，张 乐

（1.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京100083；2.中钢石家庄工程设计研究院有限公司，河北 石家庄050000）

世界鲕状铁矿石储量丰富，开发这类铁矿石具有重要意义［1-2］。但这类矿石中铁矿物与脉石矿物嵌布关系十分复杂，高磷鲕状铁矿脱磷成为世界性难题［3-4］。研究表明，采用直接还原⁃磁选工艺从高磷鲕状铁矿回收金属铁是高效的［5-6］。文献［7］对某高磷鲕状铁矿石进行气基还原取得了很好的提铁降磷效果，但所得球团强度较低。为了提高球团强度，进行了一系列氧化焙烧试验，分别以CaCO3、Na2CO3为脱磷剂时，都获得了符合竖炉要求的氧化球。本文以得到的氧化球为试样，研究了竖炉气基还原⁃磁选制备粉状还原铁的可行性，目的是获得磷含量低于0.1%的高质量粉状还原铁，为高磷铁矿氧化焙烧、竖炉还原⁃磁选新工艺实际应用于该矿石提供技术基础。

1 实 验

1.1 实验原料

实验所用高磷鲕状铁矿来自国外某地区，简称原矿。原矿铁品位和磷含量分别为55.81%和0.72%，原矿主要由赤铁矿和磁铁矿构成，矿石中磷存在于磷灰石和铁矿物中，矿石性质详见文献［8］。

实验中脱磷剂为分析纯CaCO3以及Na2CO3，黏结剂为高硅物质；氧化气体为空气，还原气体为H2和CO的混合气体。

1.2 实验设备及方法

实验设备主要有对辊压球机、气氛炉、竖炉、三辊四筒棒磨机以及磁选管，实验过程如下：

1）称取一定量的原矿、脱磷剂、黏结剂以及水混匀，采用对辊压球机压制成球，将湿球烘干后置于耐火砖上，然后放入气氛炉中，当炉温升至500℃时通入一定流量的空气，保温到指定时间，停止通入空气，炉温降至300℃时，取出耐火砖，得到氧化球。

2）将竖炉温度升至指定温度，通入5 L／min氮气以排除反应管中的空气，将装有氧化球的吊篮送入反应管内，立即通入H2和CO流量比3∶1的还原气体，并停止通入氮气，开始计时，当达到预设还原时间后，关闭H2和CO，再次通入流量为5 L／min的氮气，取出吊篮，迅速将还原球埋入装有石墨粉的石墨盒冷却至室温，得到还原球。

3）将还原球破碎至-1 mm，混匀后进行阶段磨矿⁃阶段磁选实验，两次磨矿时间分别为5 min和15 min，两段磁选磁场强度分别为111.41 kA／m和95.49 kA／m，磁选精矿即为粉状还原铁。

2 实验结果及讨论

2.1 以CaCO3为脱磷剂的脱磷实验

由于CaCO3来源广泛、成本低，首先对CaCO3为脱磷剂时获得的氧化球进行气基还原研究。原矿压球⁃氧化焙烧条件为：CaCO3用量25%，水量8%，黏结剂用量1.5%，氧化焙烧温度1 300℃，氧化焙烧时间30 min，空气充气量6 L／min。

2.1.1 还原气体总流量对还原铁指标的影响

工业上应用的竖炉还原温度一般在850～950℃之间，因此首先将还原温度设为950℃。根据以往研究结果，将还原时间确定为90 min。在还原温度950℃、还原时间90 min条件下，考察了还原气体总流量对还原效果的影响，结果如图1所示。

由图1可知，铁品位随着还原气体总流量增加基本不变，保持在67.45%左右，这说明被还原成的金属铁颗粒细小，与脉石矿物分离效果差；铁回收率随还原气体总流量增加略微增加，但整体铁回收效果较差。磷含量随着气体总流量增加缓慢下降，但磷含量远大于0.1%。从上述结果可以看出，在较低的还原温度（950℃）下，改变气体总流量无法得到合格的粉末还原铁。综合考虑，选择还原气体总流量5 L／min。

图1 还原气体总流量对直接还原⁃磁选的影响

2.1.2 还原温度对还原铁指标的影响

适当升高还原温度，有利于提高铁品位和铁回收率，并能降低产品中磷含量［9］。在还原时间90 min、还原气体总流量5 L／min条件下，考察了还原温度对还原效果的影响，结果如图2所示。

图2 还原温度对气基直接还原⁃磁选的影响

从图2可以看出，铁品位和铁回收率均随还原温度升高而升高，这可能是高温破坏了氧化球的结构，导致液相量的生成，从而有利于金属铁颗粒的聚集长大［10］，足够大的铁颗粒粒度促进了铁的回收；但1 200℃下的铁品位和回收率仍达不到目标要求。磷含量随着还原温度升高略微下降，但磷含量与要求指标相差很大。考虑脱磷指标，选择还原温度1 200℃。

2.1.3 还原时间对还原铁指标的影响

延长还原时间可改善铁颗粒的生长和聚集，有利于磨矿过程中实现铁颗粒的高效释放，从而提高铁品位和铁回收率、降低磷含量［11］。还原温度1 200℃、还原气体总流量5 L／min条件下，研究了还原时间对还原效果的影响，结果如图3所示。

图3 还原时间对气基直接还原⁃磁选的影响

从图3可以看出，铁品位以及铁回收率均随着还原时间增加而逐渐提高，还原时间180 min时，铁品位以及铁回收率分别为90.29%和94.23%，满足要求。磷含量随着还原时间延长而降低，但180 min时磷含量仍有0.16%，不满足要求。这是由于充足的还原时间促进了铁颗粒粗化，从而明显提高铁磷分离效率。进一步增加还原时间，粉末还原铁指标基本不变。

2.1.4 综合实验

在CaCO3用量25%、还原温度1 200℃、还原时间180 min条件下，获得了铁品位90.29%、铁回收率94.23%、磷含量0.16%的粉末还原铁。

以CaCO3为脱磷剂，未能获得合格的粉末还原铁。

2.2 以Na2CO3为脱磷剂的脱磷实验

在水量8%、不添加黏结剂、H2和CO流量分别为3.75 L／min和1.25 L／min、在氧化焙烧温度1 200℃条件下焙烧60 min，考察Na2CO3用量对粉末还原铁指标的影响。

由于Na2CO3价格较高，考虑到成本问题，首先选择Na2CO3用量10%、还原时间180 min进行还原实验，结果见图4。

图4 Na2CO3用量10%时还原温度对气基直接还原⁃磁选的影响

从图4可以看出，升高还原温度促进了铁磷分离，但对铁回收率影响很小。铁品位随还原温度升高而升高，当温度达到1 100℃时，铁品位达到92.66%，能够满足指标要求；铁回收率随还原温度升高变化不大，所有条件下铁回收率都大于94%，都能满足要求；磷含量随还原温度升高先下降而后迅速上升，1 100℃时磷含量最低，但仍有0.16%。尽管适当升高温度有利于去除磷，但实验温度范围内无法获得合格产品。

Na2CO3用量15%，其他条件不变，进行了还原温度实验，结果如图5所示。

图5 Na2CO3用量15%时还原温度对气基直接还原⁃磁选的影响

从图5可知，铁品位和回收率首先随着还原温度增加而增加，当温度达到1 100℃时，铁品位和回收率均达到最大，当温度进一步增加到1 200℃时，铁品位和回收率均降低。这可能是高温导致液相量生成，从而有利于金属铁颗粒的聚集长大，促进了铁的高效回收，但过高的还原温度导致液相量明显增加，不利于还原气体的扩散，从而导致了铁回收率降低。磷含量随还原温度升高先降低后升高，1 100℃时磷含量最低，为0.08%，该温度下磷含量满足要求；温度继续上升至1 200℃时，磷含量升高至0.25%，这可能是高温促进了氧化球中含磷矿物的还原，导致磷含量升高。由此可知，在一定范围内，升高还原温度有利于回收铁和脱除磷，但超出该范围，升高还原温度并不利于脱除磷。

综上所述，在Na2CO3用量15%、1 100℃下还原180 min，可获得粉末还原铁中铁品位96.55%、铁回收率94.99%、磷含量0.08%，实现了铁磷高效分离与铁的充分回收。

3 结 论

1）以CaCO3为脱磷剂时，工业上常用的气基还原温度下不能实现提铁降磷的目标，低温条件下改变还原气体总流量对粉末还原铁指标影响不大，在实验范围内，铁品位和回收率均小于90%，磷含量均在0.35%以上；升高还原温度和延长还原时间均有利于铁的回收，但铁品位和回收率仍低于90%，磷含量均高于0.1%。以CaCO3为脱磷剂无法获得合格的粉末还原铁。

2）以Na2CO3为脱磷剂时，适当升高还原温度以及增加Na2CO3用量有利于提铁降磷。在Na2CO3用量15%、H2与CO流量分别为3.75 L／min和1.25 L／min、1 100℃下还原180 min，经过磨矿磁选后得到了铁品位96.55%、铁回收率94.99%和磷含量0.08%的粉末还原铁，该工艺为高磷铁矿的利用提供了新思路。