某釩鈦磁鐵礦精礦深度還原鐵顆粒長大特性研究

張 凱 丁 亞 卓

（成都利君實業股份有限公司，四川 成都 610000）

近年來，針對某些鐵品位低、浸染粒度微細、礦物組成復雜的難選鐵礦石，相關科研工作者提出了深度還原技術［1-5］。該技術通過一定溫度下的深度還原反應，將一定粒度鐵礦石中的鐵礦物還原成金屬鐵，還原成的金屬鐵自由收縮、不斷兼并長大，最終得到一定粒度的鐵顆粒。還原后的物料冷卻過程中鐵顆粒與脈石礦物兩相界面發生收縮，有利于后續磨礦過程中金屬鐵顆粒與脈石礦物的單體解離，為后續分選創造良好條件［6-10］。深度還原包括鐵氧化物的還原和鐵顆粒的長大兩個過程，其中鐵顆粒粒度越大，越易實現與脈石礦物的分離，其粒度特征將直接影響分選指標。

釩鈦磁鐵礦石深度還原過程中，以鐵的金屬化率為中心，生成的鐵顆粒尺寸通常小于20 μm，磨礦過程中單體解離困難，不利于后續磁選富集［11-13］。為了解攀西某釩鈦磁鐵礦精礦的深度還原性能，開展了工藝條件和鐵顆粒長大規律研究。

1 原料性質

試驗用釩鈦磁鐵礦樣取自攀西某礦山生產現場，-0.074 mm含量大于80%，主要有價元素Fe及Ti含量分別為50.99%、6.12%，主要礦物組成見表1，主要有用礦物解離情況見表2。

?

?

試驗用還原劑為固定碳含量75%左右的木炭，粒度-0.074 mm80%以上；添加劑為碳酸鈉，文獻［14］指出碳酸鈉對鈦鐵礦的還原有強化作用。

2 試驗方法

將試樣與木炭和碳酸鈉按比例混合均勻，在100℃的干燥箱中干燥2 h后放入剛玉坩堝內，于設定溫度的馬弗爐中保溫一定時間后迅速取出坩堝并覆蓋煤粉冷卻，對還原產物進行MLA檢測及化學分析。

3 試驗結果及分析

3.1 還原溫度對鐵顆粒長大的影響

還原溫度是影響深度還原過程中鐵顆粒長大的決定性因素。固定Na2CO3質量分數為15%，還原時間為2 h，不同溫度下還原樣中還原鐵含量及鐵顆粒粒度分布分別見表3、表4。

?

?

由表3及表4可知，隨著還原溫度的升高，試樣中還原鐵含量增加，鐵金屬化率升高；-38 μm顆粒產率減小，+38 μm顆粒產率增大。這是由于溫度升高提高了還原反應速度，鐵金屬鐵顆粒增多并聚集長大。

圖1為不同溫度下還原樣中鐵顆粒SEM圖。

由圖1可知，隨著還原溫度的升高，金屬鐵顆粒在聚集長大的同時形成連續的鐵晶鏈并不斷向顆粒邊緣擴散。這是因為溫度的升高使得鐵相的結晶收縮加劇，依據界面自由能最小的原則，金屬鐵會逐漸析出并以球狀顆粒的形式凝聚長大，形成連續的鐵晶鏈。此外，由于本試驗中加入了一定量的Na2CO3，降低了試樣局部溶化性溫度，在一定溫度下可以使還原物料局部產生一定量的液相，增加了還原鐵的擴散和遷移速度；隨著還原溫度的升高液相量增多，金屬鐵的擴散速率增加，促進了金屬鐵的擴散遷移，更多的金屬大顆粒形成。

3.2 還原時間對鐵顆粒長大的影響

固定還原溫度為1 000℃，Na2CO3質量分數為15%，不同時間還原樣中還原鐵含量及鐵顆粒粒度分布分別見表5、表6。

?

?

由表5及表6可知，隨著還原時間的延長，試樣中還原鐵含量增加，鐵金屬化率升高，還原時間達到2 h后繼續延長還原時間，還原鐵含量增加有限；隨著還原時間的延長，-27 μm顆粒產率逐漸減小，+27 μm顆粒產率逐漸增大。

圖2為不同時間還原樣中鐵顆粒SEM圖。

由圖2可知，隨著還原時間的延長，鐵大顆粒的比例逐漸增加，且有一定量的鐵晶鏈形成，不斷聚集長大的同時向顆粒邊緣移動，且還原時間為2 h時，金屬鐵晶鏈已基本形成且遷移至顆粒邊緣。說明還原時間的延長使得礦石中更多的鐵礦物還原為金屬鐵，同時為金屬鐵的聚集生長及遷移提供了充足的時間。

3.3 Na2CO3質量分數對鐵顆粒長大的影響

固定還原溫度為1 000℃，還原時間為2 h，考察Na2CO3質量分數對還原樣中還原鐵含量及鐵顆粒粒度分布的影響，結果分別見表7、表8。

?

?

由表7及表8可知，隨著Na2CO3質量分數的增加，試樣中還原鐵含量增加，鐵金屬化率增加；-19 μm顆粒產率逐漸減小，+38 μm顆粒產率逐漸增大。

圖3為不同Na2CO3質量分數還原樣中鐵顆粒SEM圖。

由圖3可知，隨著Na2CO3質量分數的增加，金屬鐵顆粒在聚集長大的同時不斷向顆粒邊緣擴散。隨著Na2CO3添加量的增加還原后礦物中金屬鐵量也不斷增加，這是由于堿金屬鹽對碳的氣化反應具有催化作用，而且高溫作用下碳酸鈉分解產生的CO2與混合料中未反應的碳反應生成CO，使總的碳熱還原反應被加速，促進了礦物的還原［14-16］。此外，由于Na2CO3能與鈦的氧化物或硅氧化學物形成低熔點的化合物，使礦物局部產生一定量的液相，隨著Na2CO3添加量的增加局部液相量逐漸增多，促進了鐵顆粒的遷移擴撒，使得金屬鐵顆粒不斷長大。

分析上述單因素試驗結果可知，當還原溫度為1 000℃、還原時間為2 h、Na2CO3質量分數為15%時，還原出的還原鐵含量為44.28%，金屬化率達到了86.84%，繼續升高溫度或著延長時間后還原出的還原鐵含量和金屬化率提高有限。在此還原條件下還原出的金屬鐵+19 μm粒級含量為53.29%，+53 μm粒級含量達到了13.35%，進一步磨礦和磁選后金屬鐵的回收率可達93%以上。因此，綜合考慮能耗及鐵的回收率，本工藝適宜的還原參數為：還原溫度1 000℃，還原時間2 h，Na2CO3質量分數15%。

4 深度還原過程中鐵顆粒長大機理

固定還原溫度1 000℃、Na2CO3添加量15%，選擇還原時間分別為0.5 h、1.5 h、2 h的還原產物進行掃描電鏡分析，結果如圖4所示。

圖4反映了鐵顆粒長大的三個階段，概括為形核、長大、冷卻。當還原時間達到0.5 h時，顆粒內部及邊緣產生大量的微細鐵顆粒，這些顆粒將成為鐵晶粒長大的晶核。隨著還原反應的進行，還原出的鐵顆粒不斷增多，當還原時間達到1.5 h后，最初的微細鐵顆粒在界面自由能和濃度梯度的作用下相互融合兼并，形成連續的鐵晶鏈或聚集長大成大顆粒，以降低界面自由能，使系統的能量降低。當還原時間達到2 h后，形成鐵晶鏈或鐵顆粒的同時不斷向顆粒邊緣或內部孔洞邊緣遷移擴散，在一定溫度下顆粒邊緣或內部孔洞周圍與Na2CO3接觸發生軟化并在局部產生一定的液相量，促進了鐵顆粒向其周圍遷移擴撒；鐵顆粒在遷移過程中周圍的微細鐵顆粒不斷向其聚集繼續長大，在顆粒邊緣或內部孔洞邊緣形成了更大的鐵顆粒。在冷卻過程中，周圍液相存在促使鐵顆粒解離形成單體鐵顆粒，最終還原形成的鐵顆粒50%以上形成單體（表9），剩余大量鐵顆粒存在于礦物邊緣或內部孔洞邊緣，少量存在于礦物顆粒內部。

?

5 結論

（1）在深度還原過程中，隨著還原溫度升高、還原時間延長和添加劑質量分數的增大，金屬化率不斷提高，鐵顆粒數不斷增多，鐵顆粒大小不斷增大。

（2）當還原溫度為1 000℃、還原時間為2 h、Na2CO3質量分數為15%時，還原鐵含量為44.28%，金屬化率達到了86.84%；在此還原條件下還原出的金屬鐵+19 μm粒級含量為53.29%，+53 μm粒級含量達到了13.35%，進一步磨礦和磁選后金屬鐵的回收率可達93%以上。

（3）深度還原過程中鐵顆粒長大經歷了形核、長大、冷卻三個階段，最終還原形成的鐵顆粒50%以上形成單體，剩余大量鐵顆粒存在于礦物邊緣或內部孔洞邊緣，少量存在于礦物顆粒內部。