含鈮鐵礦粉氣基選擇性還原實驗研究

陳義勝，石 強，閆永旺，武 錦，馮運來

（內蒙古科技大學，內蒙古自治區 包頭 014010）

鈮是有色金屬中稀有高熔點金屬，有良好導熱性及可塑性等。白云鄂博礦有十分豐富的鈮資源總儲量達到660萬t僅次于巴西，居于世界第二[1]。目前采用選別得到的含鈮礦粉，存在大量鐵、硫、磷等有害雜質元素，仍達不到直接冶煉的要求。如何通過選擇性還原把鈮和鐵及其他有害元素分離開來是目前研究的熱點[2]。

為了解決這些問題提高鈮的回收率進行了大量實驗探究。陳宏等[3]把CO-CO2混合氣體作還原劑還原鐵采用磁選分離、鹽酸浸漬方法得到鈮品位較高爐渣。文章對H2選擇性還原（保溫時間、溫度和通氫量）進行探究，采用自制管式電爐還原含鈮礦粉能夠進行充分還原有效脫除Fe、S、P等有害雜質提高鈮品位。

1 實驗

取白云鄂博礦含鈮礦粉為實驗原料化學成分如表1，粒度約100目。采用質量分數99.99%H2作為還原氣體，質量分數99.99%Ar氣作為保護氣體。采用自制管式電爐進行還原實驗。還原設備包括還原氣供給、滲透床氣基還原兩個部分。使用型號ZT-50-20真空碳爐對還原后含鈮礦粉進行熔分實驗。

表1 化學成分表

2 實驗結果和分析

2.1 正交實驗結果分析

由于實驗量較大對這3個因素進行正交實驗研究，表2為設計的正交實驗表。

表2 選擇性還原正交實驗表

由上表可計算出失重率指標總和Q和均值x，如Q1=在940℃的實驗溫度下失重率指標總和=19.5109+20.5133+21.6643+21.7590=83.4556，均值 x1=Q1/次數=83.4556/4=20.8639 極差 R=第一列中 x1、x2、x3、x4的最大與最小值之差=21.2304-20.8125=0.4179。同理計算第二列、第三列Q、均值x和極差R。

通過計算可得極差：通氫量>保溫時間>實驗溫度，說明文章探究范圍內通氫量和保溫時間對實驗影響較大實驗溫度影響特別小。

由表2失重率可得，隨著溫度升高，熔渣失重率先增高后降低，當溫度在940℃時，氧化鐵未能完全與氫氣發生反應，從而導致失重率較低。當溫度高于950℃時，試樣硬度逐漸增加，而且表面會生成一層致密金屬膜，導致氫氣擴散速度降低，因此，導致失重率降低，因此實驗溫度選取950℃。隨著保溫時間的增加，熔渣失重率逐步增加，當保溫時間達到3 h后，失重率有略微增幅，基本保持不變，因為還原時間較長，還原基本達到平衡，綜合考慮，保溫時間取3 h。隨著通氫量的增加，熔渣的失重率呈上升趨勢，因為通氫量達到100 L/h易把料層吹漏，出現短路現象，所以通氫量選取90 L/h。綜上，本實驗最佳還原條件為 950℃、3 h、90 L/h。

2.2 正交實驗結果驗證

通過反應前后失氧量，可以計算70 g礦粉理論上失重12.618 g。通過實驗失重量，計算鈮鐵礦粉的還原度式（1）和金屬化率式（2）。

式中：O0i為最初和鐵結合氧質量；Oii為還原至某時刻和鐵結合氧質量；ΔW為還原至某時刻失重；W1為鐵礦石揮發性失重。

MFe為還原出鐵質量；TFe為原料中全鐵質量。

圖1 不同溫度、時間的還原度和金屬化率

由圖1可得，在950℃時金屬化率、還原度達到最高，還原3h后金屬化率、還原度有較小上升。綜合考慮，取950℃、3h和正交實驗所得結果相同。通氫量越大，效果越好，達到一定程度會出現短路，所以在此不做再次驗證。在溫度950℃、保溫3 h、通氫量90 L/h時金屬化率、還原度為95.23%和96.24%。因此950℃、3h和90L/h為最佳還原條件。

2.3 熔分試樣ICP成分分析

本實驗最佳還原條件下，還原得到的含鈮鐵礦粉使用真空爐進行渣金熔分實驗，溫度為1550℃、保溫時間25min，分離得到Fe相和渣相。3組平行試驗分別對Fe相和渣相進行ICP成分檢測，結果見表3。

表3 熔分成分結果

由表3結果看出，熔分后渣相中鈮含量在1.90%左右，鈮品位提高了近2.1倍，鐵含量在3.4%左右，鈮鐵分離效果比較好。利用表3中數據，可計算鈮收得率η、脫鐵率ρ、脫磷率α及脫硫率β，計算公式如下：

mNb（slag）渣中鈮質量 g；mNb（iron）鐵中鈮質量 g；mFe（slag）鐵質量 g；mFe（iron）鐵塊質量 g；mP理論 P 質量 g；渣中 P 質量 g；mS理論 S 質量 g；mS（slag）渣中 S 質量 g。計算結果如圖2。

圖2 不同試樣鈮收得率、脫鐵率、脫磷率、脫硫率

由圖2看出鈮的收得率大于98%以及脫鐵率在97%左右，脫磷率在95%左右和脫硫率在99.5%左右。在實驗條件下鐵、磷和硫有害雜質得到較好脫除鈮得到很好地富集。

3 結語

通過正交實驗探究，對還原后含鈮鐵礦粉失重率、金屬化率、還原度的計算，得到最佳還原條件為溫度950℃、保溫時間3 h、通氫量90 L/h時，金屬化率及還原度分別為95.23%和96.24%。在950℃、3 h、90 L/h條件下，還原后鈮鐵礦粉經過高溫熔分后熔渣脫鐵率、脫磷率及脫硫率效果很好，而且鈮也在渣中得到了很好富集，鈮的品位約為之前2.1倍。