鈉鹽強化某低品位鐵礦含碳球團還原機理

鐘榮海，黃柱成，易凌云，漢合童

?

鈉鹽強化某低品位鐵礦含碳球團還原機理

鐘榮海，黃柱成，易凌云，漢合童

(中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙，410083)

采用內配煤造球還原焙燒的方法對某高硅低品位鐵礦進行處理，并加入鈉鹽強化還原，研究溫度、時間和添加劑質量分數對還原的影響，并采用煙氣分析儀研究含鈉鹽對還原過程的影響。計算CO體積分數對FeO還原和鐵橄欖石(Fe2SiO4)生成反應的熱力學影響，并采用SEM和XRD等分析還原球團的微觀結構和成分。研究結果表明：還原中間產物FeO可與SiO2反應生成難以再還原的鐵橄欖石(Fe2SiO4)；提高還原反應體系中CO的體積分數可以促進FeO的還原和減少鐵橄欖石(Fe2SiO4)的生成；鈉鹽能夠有效地促進球團中碳的氣化反應，提高球團內CO的體積分數，從而促進FeO的還原，減少Fe2SiO4的生成，進而改善還原效果；當內配煤質量分數(即C與Fe質量比(C)/(Fe))為0.4，鈉鹽質量分數為3%，焙燒時間為30 min以及焙燒溫度為950 ℃時，還原效果最佳，還原球團的金屬化率為56.74%，磨礦、磁選后精礦鐵品位和鐵回收率分別為74.16%和74.57%。

低品位鐵；鈉鹽添加劑；內配煤球團；還原焙燒

低品位赤鐵礦是我國難選鐵礦資源中的一種，具有鐵品位低、硅酸鹽質量分數高、鐵氧化物晶粒粒度小(平均粒度在0.045 mm以下)以及鐵氧化物與含鐵硅酸鹽脈石礦物共生緊密、物理化學性質相近等特點，難以采用常規選礦方法進行有效富集[1?4]。該類赤鐵礦石總儲量將近30億t，若這部分鐵礦資源能得到有效利用，則對緩解我國鐵礦石資源壓力具有重要意義。采用直接還原?磁選方法處理該類鐵礦石是目前研究熱點之一，在還原溫度為1 000~1 200 ℃和還原時間為60~120 min條件下，還原產品的金屬化率在85%以上，磨礦、磁選后精礦鐵品位、鐵回收率分別在85%~95%和80%以上[5?8]。但該類鐵礦石硅質量分數較高，在還原過程中生成的FeO會與SiO2生產鐵橄欖石(Fe2SiO4)。鐵橄欖石易與其他化合物形成低熔點體 系[9]，在高溫下轉變為液相，阻礙鐵氧化物進一步還原。此外，鐵橄欖石本身難以被還原[10?11]，從而造成鐵元素流失，因此，如何使氧化鐵快速還原成為金屬鐵，避免生成過多的鐵橄欖石在直接還原過程中至關重要。研究表明，堿金屬及堿土金屬化合物對鐵氧化物的還原反應有一定的促進作用。Na2CO3，Na2SO4，K2CO3以及NaCl等堿土金屬鹽被廣泛用于促進鐵氧化物的還原，且效果顯著[12?17]。對于堿土金屬促進鐵氧化物的還原機理，有研究認為堿土金屬鹽添加劑可以破壞礦石結構，使某些與脈石有復雜嵌布關系的物質從束縛態中釋放出來，從而促進鐵氧化物還原[13]。也有研究認為堿土金屬鹽可以弱化FeO中Fe—O鍵，促進鐵氧分離，加快還原[12]。此外，堿土金屬鹽可以大力促進碳的氣化反應[18?20]，這對加快鐵氧化的還原是有利的。鑒于堿土金屬鹽對鐵氧化物的還原具有顯著促進作用，本文采用某鈉鹽作為添加劑強化某還原低品位鐵礦還原，從而提高對該類鐵礦資源的利用效率。目前，人們對堿土金屬鹽促進鐵氧化物還原作用的機理研究眾多，但其作用機理隨原料變化而存在較大差異，因而，深入研究鈉鹽對低品位鐵礦還原的作用機理，對采用直接還原法還原該類鐵礦資源具有重要的指導意義。本文以某高硅低品位微細粒嵌布赤鐵礦石為研究對象，采用內配煤造球后進行還原焙燒，并添加鈉鹽強化還原效果。研究溫度、時間、內配煤質量分數和添加劑質量分數對還原過程的影響，采用煙氣分析的方法以及SEM-EDS和XRD研究鈉鹽促進還原作用的機理。

1 原料性能與試驗方法

1.1 原料性能

鐵礦來自湖南某地，其化學成分如表1所示，X線衍射結果如圖1所示。

表1 鐵礦化學成分分析結果(質量分數)

圖1 鐵礦的X線衍射分析圖譜

由表1可知：該鐵礦鐵品位僅為33.860%；脈石主要為SiO2(品位為40.610%)，其次是Al2O3，有害元素P和 S質量分數較低。由圖1可知：鐵礦中主要含鐵礦物為赤鐵礦；主要脈石為石英，并伴生有少量絹云母和綠泥石。

圖2所示為鐵礦的掃描電鏡分析圖譜，表2所示為礦石中鐵氧化物的嵌布粒度分析結果。由圖2和表2可知：礦石中主要含赤鐵礦(Fe2O3)和石英(SiO2)這2種礦物，兩者呈浸染狀相互交生，嵌布關系十分復雜；赤鐵礦粒度很小，粒度小于0.01 mm部分赤鐵礦的質量分數為39.94%，分散程度高，主要呈星點狀無規則地分布。將鐵礦石破碎、磨細(粒度小于0.037 mm的鐵礦石質量分數占71.20%)用于造球。

表2 原礦中鐵礦物的粒度組成(質量分數)

H表示赤鐵礦，Q表示石英。

實驗所用的還原煤工業分析結果如表3所示。將還原煤破碎、磨細(粒度小于0.037 mm的鐵礦石質量分數占58.89%)用于造球。

表3 還原煤工業分析結果(質量分數)

注：Fcad為空氣干燥基固定碳；Mad為空氣干燥基水分； Ad為干基灰分；Vdaf為干基揮發分。

1.2 實驗方法

將煤粉和鐵礦粉料按固定碳質量和全鐵質量比值(C)/(Fe)=0.4進行混合，添加一定比例的添加劑，將質量分數為1.5%膨潤土和質量分數為8%預配水混勻。然后，在圓盤造球機中(直徑為1 m，傾角為45°，轉速為28 r/min)制成粒度為5~8 mm的生球，并放入110 ℃的烘箱中干燥2 h以備用。

還原焙燒使用的設備如圖3所示。每次取30 g干燥小球置于石英管中，先向玻璃管中通入N2(通氣速度為0.18 m3/h)，將石英玻璃管中的空氣排出。將石英管緩緩放入爐中，待還原爐的溫度升至所需溫度時開始計時，達到預定時間后將還原小球取出萃冷，以防止再氧化。還原效果用還原球團的金屬化率表征：

=(MFe)/(TFe)×100% (1)

式中：(MFe)為還原球團中金屬鐵的質量分數，%；(TFe)為還原球團中全鐵的質量分數，%。

1—N2；2—智能溫控儀；3—氣體流量計；4—耐火材料；5—石英玻璃管；6—硅碳棒；7—內配煤制粒小球；8—計算機(記錄氣體成分用)；9—粉塵過濾器；10—煙氣分析儀；11—固體干燥劑。

磨礦實驗在XMQ240×90型的錐形球磨機中進行，磨礦時礦漿質量分數為50%，磨礦粒度小于 0.045 mm的質量分數為100%。磁選設備為XCGS?73型磁選管, 磁場強度為1 840 kA/m。研究鈉鹽作用機理時，用煙氣分析儀對還原氣氛進行分析。將排出的尾氣與煙氣分析儀連接，分析還原時產生的氣體成分與質量分數。煙氣分析儀為MUR煙氣分析儀，用于分析氣體中所含有的O2，CO，CO2，SO2和CH體積分數。煙氣分析儀與計算機連接，每隔10 s自動記錄CO和CO2的體積分數。試驗前，煙氣分析儀中CO和CO2體積分數為0，O2體積分數小于0.2%。當反應開始后，玻璃管中的氣體向外排出，進入煙氣分析儀。

據煙氣分析儀得出的氣體體積分數發現，石英玻璃管中氣體成分主要為CO，CO2和N2共3種。由于N2為惰性氣體，不參與反應，因此，可以認為使用該方法測出的CO和CO2體積分數能比較真實地反映反應體系中的CO和CO2體積分數。將CO和CO2的體積分數按照下式計算，用于表征還原反應體系中還原氣氛體積分數：

此外，采用XRD和SEM?EDS等技術對還原焙燒產物進行檢測，以分析其還原機理。

2 結果與討論

2.1 含碳球團的還原行為

當添加劑鈉鹽質量分數為3%和還原焙燒時間為30 min時，不同還原溫度對還原球團金屬化率的影響如圖4所示。

圖4 還原溫度對還原球團金屬化率的影響

從圖4可知：隨著還原焙燒溫度提高，還原球團的金屬化率顯著提高，由860 ℃時的20.14%升高到950 ℃時的56.74%；繼續提高溫度到980 ℃，還原球團的金屬化率為58.07%，提高幅度并不明顯。因此，較合適的還原焙燒溫度為950 ℃。

當添加劑質量分數為3%以及還原焙燒為950 ℃時，還原焙燒時間對還原球團金屬化率的影響如圖5所示。

圖5 還原時間對還原球團金屬化率的影響

從圖5可以看出：還原球團金屬化率隨著還原時間的延長而增大；當還原時間為10 min時，還原球團的金屬化率為12.73%；當還原時間延長到30 min時，還原球團的金屬化率提高到56.74%；進一步延長還原時間對還原球團的金屬化率提高不明顯。綜上可知，取還原時間為30 min較合適。

當還原溫度為950 ℃和還原時間為30 min時，不同質量分數的鈉鹽對還原球團金屬化率的影響如圖6所示。從圖6可知：加入鈉鹽可以有效提高還原球團的金屬化率；當不添加鈉鹽時，還原球團的金屬化率僅為34.68%；添加質量分數為1%的鈉鹽后，還原球團的金屬化率提高到48.38%；當鈉鹽質量分數為3%時，還原球團的金屬化率為56.74%，繼續提高鈉鹽質量分數到5%，還原效果變化不明顯。研究表明：影響碳的氣化反應的主要因素為溫度，而當溫度低于 1 100 ℃時，含碳球團中鐵氧化物的還原受碳氣化反應限制的影響[21]。本研究中還原溫度在1 100 ℃以下，因而，鐵氧化的還原受碳氣化反應限制的影響，即使加大鈉鹽的質量分數，其作用效果也有限。以上結果說明該鈉鹽可以有效促進鐵氧化物的還原。

圖6 鈉鹽質量分數對還原球團金屬化率的影響

2.2 鈉鹽強化含碳球團還原機理

在溫度為950 ℃，時間為30 min時，采用煙氣分析儀對鈉鹽還原氣氛進行分析，結果如圖7所示。不同還原時間下球團的金屬化率如表4所示。

由圖7可見：還原體系中還原氣氛CO的體積分數隨著還原時間的延長快速提高，當還原時間為0~500 s時，不同鈉鹽質量分數的球團氣相組成大致相同且鈉鹽質量分數對還原球團的金屬化率影響不明顯(見表4)；當還原時間為500~1 050 s時，CO體積分數保持在最大值；當不含鈉鹽時，還原體系中還原氣氛CO的體積分數為65%左右；在還原時間為1 050 s時金屬化率為14.87%。而添加質量分數為1%和3%的鈉鹽后，還原體系中還原氣氛CO的體積分數分別提高到70%和75%左右，在1 050 s時，金屬化率則分別提高到18.59%和25.62%；當鈉鹽質量分數為5%時，還原體系中還原氣氛CO的體積分數基本上與鈉鹽質量分數(3%)的一致；當還原時間超過1 050 s時，不含鈉鹽的體系中CO體積分數基本保持不變，而加入鈉鹽后CO的體積分數則不斷降低。

表4 不同還原時間下球團的金屬化率

本研究中使用的鈉鹽在高溫下會遷移揮發[22]。當只加入質量分數為1%的鈉鹽時，在高溫下較快揮發，因而，在1 050 s后碳氣化作用減弱，且鈉鹽促進了碳的消耗，所以，還原體系中還原氣氛CO的體積分數下降明顯；但添加質量分數為3%和5%的鈉鹽時，在相同時間內球團中殘余鈉鹽較多，仍存在較強的促進作用。因此，盡管前期碳消耗較多，但由于殘余鈉鹽的促進作用，還原體系中還原氣氛CO的體積分數比只加入質量分數為1%的鈉鹽時的CO體積分數高。含質量分數為5%的鈉鹽時，氣相中CO的體積分數比質量分數為3%鈉鹽時下降較慢。不含鈉鹽時氣相中CO體積分數保持穩定，但對鐵氧化的還原作用較弱。

取不同鈉鹽質量分數還原球團，制樣后進行XRD檢測，結果如圖8所示。由圖8可知：當不添加鈉鹽時，還原球團中主要含有SiO2，Fe2SiO4和金屬鐵，此外，還含有少量長石(CaAl2Si2O8)和未被還原徹底的Fe3O4；當添加質量分數為1%的鈉鹽后，還原球團中的Fe2SiO4大量減少，Fe3O4被徹底還原；繼續增加鈉鹽質量分數到3%，Fe2SiO4的特征衍射峰明顯減小，說明鈉鹽對Fe2SiO4的生成有顯著的抑制作用。

圖8 不同鈉鹽質量分數時焙砂的XRD分析圖

在本研究過程中，還原溫度大于570 ℃。在Fe2O3還原過程中，按Fe2O3，Fe3O4, FeO和Fe逐級進行，而FeO還原為Fe較難[23]。

本文試驗所用的礦石為高硅赤鐵礦，原礦的脈石成分中含有大量的SiO2。在還原過程中，中間產物FeO與SiO2反應，生成鐵橄欖石：

在用碳直接還原Fe2O3的體系中，一般認為直接還原作用較弱，而主要是間接還原反應[23]：

C+CO2=2CO (5)

FeO+CO=FeO?1+CO2(6)

由式(3)~(6)可以得出鐵氧化物還原反應的氣相平衡圖如圖9所示。

圖9 Fe2O3-SiO2體系煤基還原反應氣相平衡圖

由圖9可知：在相同溫度下，Fe2SiO4還原成Fe相比FeO還原成Fe需要更高的CO體積分數，當FeO轉化為Fe2SiO4后，再還原為Fe較難。因而，需減少Fe2SiO4的生成，這在用直接還原法處理該類鐵礦石中至關重要。

非標準態下的吉布斯自由能計算式為

式中：為理想氣體常數，8.314 4 J/(mol·K)；P為反應平衡常數。反應平衡常數可以按下式進行計算：

P=(CO2)/(CO) (8)

在標準大氣壓下，根據反應(3)~(4)和反應(6)~(8)，計算CO體積分數對反應吉布斯自由能的影響，結果如圖10所示。

由圖10可見：提高CO的體積分數可以促進FeO的還原；當氣氛中CO體積分數達到90%且還原溫度大于1 000 K時，反應(3)的吉布斯自由能比反應(4)的小，這說明反應(3)比反應(4)更容易發生，即反應(3)有利于FeO還原為Fe。加入鈉鹽后，還原球團的金屬化率顯著提高，這是因為該鈉鹽具有催化作用，提高了碳的氣化反應速度和CO的體積分數，促進了FeO的還原，從而減少了Fe2SiO4的生成。

1—反應(4)；2—反應(3)，CO體積分數為50%；3—反應(3)，CO體積分數為60%；4—反應(3)，CO體積分數為70%；5—反應(3)，CO體積分數為80%；6—反應(3)，CO體積分數為90%。

Fig. 10 Effects of CO volume fractions on Gibbs free energy of reactions (3) and (4)

取含鈉鹽質量分數為0及3%的還原球團進行SEM分析，結果如圖11所示。從圖11可知：有無添加劑的內配煤還原球團表層與中心的顯微結構都較接近，內外還原均勻；與無添加劑的還原球團相比，配加質量分數為3%的鈉鹽后，還原球團內鐵晶粒粒度明顯增大，局部出現了聚集現象。

取含不同質量分數的鈉鹽還原所得球團進行磨礦、磁選，結果如圖12所示。從圖12可見：不含鈉鹽時，磨礦、磁選后精礦產率為41.43%，鐵品位為52.42%，鐵回收率為67.52%；隨著鈉鹽質量分數增加，還原球團的金屬化率提高，磨礦、磁選所得精礦鐵品位也相應提高；當鈉鹽質量分數為3%時，精礦鐵品位和鐵回收率則分別提高到74.16%和74.57%。鈉鹽促進了還原球團中金屬鐵的聚集長大(見圖11)，這有利于磨礦、磁選中的金屬鐵與脈石礦物分離，從而提高分選指標。繼續提高鈉鹽的質量分數至5%時，還原效果變化不明顯，磨礦、磁選結果變化也不明顯。

當加入鈉鹽后，煤的活性提高，在同樣溫度下，碳的氣化反應速度加快，氣相中CO體積分數提高，從而加快了鐵氧化物的還原速度。由實驗結果可知，加入質量分數為3%的鈉鹽時還原效果較好。

(a) 不含鈉鹽，球團外層；(b) 不含鈉鹽，球團中心；(c) 質量分數為3%的鈉鹽，球團外層；(d) 質量分數為3%的鈉鹽，球團外層

I—金屬鐵；Q—石英；C—碳；P—孔洞。

圖11 不同添加劑質量分數的還原球團顯微結構

Fig. 11 Microstructures of reduced pellets with different sodium salt mass fractions

1—精礦產率；2—精礦鐵品位；3—鐵回收率。

3 結論

1)該低品位赤鐵礦鐵品位僅為33.18%，而SiO2的質量分數則達40.61%。原礦中鐵氧化物結晶粒度小于0.037 mm，而小于0.010 mm的氧化物質量分數為39.94%。該類鐵礦石難以用傳統的選礦方法進行 富集。

2) 提高還原溫度、加入鈉鹽添加劑可有效促進鐵氧化物的還原，改變還原時間對還原效果影響較小。當(C)/(Fe)=0.4，添加劑質量分數為3%，還原溫度為950 ℃和還原時間為30 min時，可得到金屬化率為56.74%的還原球團。

3) 鈉鹽可以促進碳的氣化反應，使氣氛中CO的體積分數提高10%~15%，從而促使FeO快速還原為金屬鐵，減少Fe2SiO4的生成，促進鐵晶粒的長大遷移，進而改善還原效果。加入鈉鹽添加劑可以使還原球團的金屬化率提高20%以上。

[1] 張涇生. 我國鐵礦資源開發利用現狀及發展趨勢[J]. 中國冶金, 2007, 17(1): 1?6.ZHANG Jingsheng. Status and trend of exploitation and utilization of iron ore resources in China[J]. China Metallurgy, 2007, 17(1): 1?6.

[2] 侯宗林. 中國鐵礦資源現狀與潛力[J]. 地質找礦論叢, 2005, 20(4): 242?247. HOU Zonglin. Current situation and potential of iron ore resources in China[J]. Contributions to Geology and Mineral Resource Research, 2005, 20(4): 242?247.

[3] 袁致濤, 高太, 印萬忠, 等. 我國難選鐵礦石資源利用的現狀及發展方向[J]. 金屬礦山, 2007(1): 1?6. YUAN Zhitao, GAO Tai, YIN Wanzhong, et al. Status and development orientation of China’s refractory ore resource utilization[J]. Metal Mine, 2007(1): 1?6.

[4] 陳雯, 張立剛. 復雜難選鐵礦石技術現狀及發展趨勢[J]. 有色金屬(選礦部分), 2013(增刊): 19?23. CHEN Wen, ZHANG Ligang. Status and development trend of beneficiation technology on complex refractory ores[J]. Nonferrous Metals Mineral Processing, 2013(Suppl): 19?23.

[5] 朱德慶, 翟永, 潘建, 等. 煤基直接還原?磁選超微細貧赤鐵礦新工藝[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2008, 39(6): 1132?1136.ZHU Deqing, ZHAI Yong, PAN Jian, et al. Beneficiation of super microfine low-grade hematite ore by coal-based direct reduction-magnetic concentration process[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2008, 39(6): 1132?1138.

[6] 陳偉鵬,王強, 馮志明, 等. 干熄焦除塵灰作還原劑直接還原低品位褐鐵礦機理分析[J]. 鋼鐵釩鈦, 2018, 39(1): 78?83. CHEN Weipeng, WANG Qiang, FENG Zhiming, et al. Analysis on the mechanism of direct reduction of limonite by coke quenching ash as reducing agent[J]. Iron Steel Vanadium Titanium, 2018, 39(1): 78?83.

[7] 陳偉鵬, 王強, 陳曉丹, 等. 干熄焦除塵灰對低品位褐鐵礦的直接還原[J]. 礦冶工程, 2018, 38(4): 87?90. CHEN Weipeng, WANG Qiang, CHEN Xiaodan, et al. Direct reduction of low-grade limonite by coke dry quenching dust[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 2018, 38(4): 87?90.

[8] 魏玉霞, 孫體昌, 寇玨, 等. 內配煤質量分數對某難選鐵礦石壓塊直接還原焙燒的影響[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2013, 44(4): 1305?1311. WEI Yuxia, SUN Tichang, KOU Yu, et al. Effect of coal dosage on direct reduction roasting of refractory iron ore briquettes[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2013, 44(4): 1305?1311.

[9] 付菊英, 姜濤, 朱德慶. 燒結球團學[M]. 長沙: 中南大學出版社, 1996: 127?130, 224?245, 256?259. FU Jiuying, JIANG Tao, ZHU Deqing. Sintering and pelletizing[M]. Changsha: Central South University Press, 1996: 127?130, 224?245, 256?259.

[10] FAN Duncheng, WEN Ni, WANG Jianyue, et al. Effect of CaO and Na2CO3on the reduction of high silicon iron ores[J]. Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition), 2017, 32(3): 508?516.

[11] KIM W H, LEE Y S, SUH I K, et al. Influence of CaO and SiO2on the reducibility of wustite using H2and CO as gas[J]. The Iron and Steel Institute of Japan International, 2012, 52(8): 1463?1471.

[12] 白云, 陳德勝, 馬文會, 等. 直接還原處理低品位釩鈦磁鐵精礦[J]. 有色冶金(冶煉部分), 2017(9): 48?53. BAI Yun, CHEN Desheng, MA Huiwen, et al. Treatment of low grade vanadium-bearing titanomagnetite concentrates by direct reduction[J]. Nonferrous Metals(Extractive Metallurgy), 2017(9): 48?53.

[13] 李永利, 孫體昌, 徐承焱, 等. 高磷鮞狀赤鐵礦直接還原同步脫磷新脫磷劑[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2012, 43(3): 827?834. LI Yongli, SUN Tichang, XU Chenyan, et al. New dephosphorizing agent for phosphorus removal from high-phosphorus oolitic hematite ore in direct reduction roasting[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2012, 43(3): 827?834.

[14] 劉牡丹, 劉勇, 李珍珍, 等. 直接還原工藝在稀有金屬伴生鐵礦綜合利用中的應用[J]. 材料研究與應用, 2018, 12(2): 123?128. LIU Mudan, LIU Yong, LI Zhenzhen, et al. The application of direct reduction process in the comprehensive utilization of rare metal associated iron ores[J]. Materials Research and Application, 2018, 12(2): 123?128.

[15] SHEARER C R, PROVIS J L, BERNAL S A, et al. Alkali-activation potential of biomass-coal co-fired fly ash[J]. Cement and Concrete Composites, 2016(73): 62?74.

[16] 陳偉鵬, 張天睿, 李光為, 等. 添加劑對褐鐵礦煤基直接還原強化作用研究[J]. 礦冶工程, 2018, 38(1): 76?80. CHEN Weipeng, ZHANG Tianrui, LI Guangwei, et al. Strengthening effects of different additives on coal-based direct reduction of limonite[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 2018, 38(1): 76?80.

[17] WANG Xiaoping, SUN Tichang, CHEN Chao, et al. Effects of Na2SO4on iron and nickel reduction in a high-iron and low-nickel laterite ore[J]. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 2018, 25(4): 383?390.

[18] COETZEE S,NEOMAGUS H W J P,BUNT J R, et al. Improving reactivity of large coal particles by K2CO3addition during steam gasification[J]. Fuel Processing Technology, 2013(114): 75?80.

[19] ZHU W K, SONG W L, LIN W G. Catalytic gasification of char from co-pyrolysis of coal and biomass[J]. Fuel Processing Technology, 2008, 89(9): 890?896.

[20] 張松, 汪琦, 李金蓮, 等. 氧化物對碳氣化反應的影響[J]. 材料導報, 2013, 27(21): 115?116, 125. ZHANG Song, WANG Qi, LI Jinlian, et al. The effects of oxides on carbon gasification reaction[J]. Materials Review, 2013, 27(21): 115?116, 125.

[21] 楊天鈞, 黃典冰, 孔令壇. 熔融還原[M]. 北京: 冶金工業出版社, 1998: 150?151. YANG Tianjun, HUANG Dianbing, KONG Lingtan. Smelting reduction[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1998: 150?151.

[22] 孫進, 李清海, 李國岫, 等. 城市生活垃圾焚燒中NaCl遷移轉化的實驗和熱力學平衡分析[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(2): 272?278. SUN Jin, LI Qinghai, LI Guoxiu, et al. Experimental and thermodynamic investigation on partitioning and speciation of NaCl during municipal solid waste incineration[J]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2014, 34(2): 272?278.

[23] MAN Y, FENG J X, LI F J, et al. Influence of temperature and time on the reduction behavior in iron-coal composite pellets[J]. Powder Technology, 2014(256): 361?366.

Reduction enhancement mechanisms of low iron grade ore-coal composite pellets by sodium salt

ZHONG Ronghai, HUANG Zhucheng, YI Lingyun, HAN Hetong

(School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Method of reduction roasting with iron ore-coal composite pellets was adopted to deal with high silicon content-low iron grade ore, and sodium salt was used to enhance the reduction process. Effects of temperature, reduction time and mass fraction of sodium salt on reduction behavior were researched. Gas analysis was used to investigate effect of sodium salt on the reduction process. Effects of CO volume fraction on thermodynamic of reduction of FeO and formation of fayalite were analyzed, and SEM and XRD were applied to analyse microstructures and composition of reduced pellets. The results show that FeO may react with SiO2and form fayalite which can hardly be reduced again. Increasing CO volume fraction can improve the reduction of FeO, and thus decrease the formation of fayalite. Reduction of iron oxide can be facilitated effectively by sodium salt, which can be attributed to the fact that sodium improves the gasification reaction of carbon and increases CO volume fraction, which promotes the reduction of FeO. Reduced pellets with metallization ratio of 56.74% can be obtained with ratio of(C)/(Fe) 0.4, mass fraction of sodium salt 3% and reduces at 950 ℃for 30 min. TFe in the magnetic separation concentrate and iron recovery are 74.16% and 74.57%, respectively.

low grade iron ore; sodium salt additive; composite pellets; reduction roasting

TF551

A

1672?7207(2019)03?0506?08

10.11817/j.issn.1672-7207.2019.03.002

2018?05?10；

2018?07?21

國家自然科學基金資助項目(51504230) (Project(51504230) supported by the National Natural Science Foundation of China)

易凌云，博士，副教授，從事綠色冶金、多金屬復雜資源綜合利用研究；E-mail：ylycsu@126.com

(編輯 陳燦華)