高磷鮞狀赤鐵礦煤基還原焙燒制備直接還原鐵

蔣 曼，王依帆，張 樂，樊 潔，于福順，董風(fēng)芝

(1. 山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2. 淄博市科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，山東 淄博 255040；3.中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，河北 秦皇島 066004)

高磷鮞狀赤鐵礦磷含量高、鐵品位低，不能直接作煉鐵原料，是一類典型的復(fù)雜難處理鐵礦石。但高磷鮞狀鐵礦儲(chǔ)量豐富，價(jià)格相對(duì)低廉，仍是一種比較重要的鐵礦資源。為有效利用高磷鮞狀赤鐵礦，國(guó)內(nèi)外研究者開展了大量的提鐵降磷研究工作[1-2]。由于高磷鮞狀赤鐵礦石易泥化，磷灰石嵌布粒度細(xì)，與鐵礦物共生關(guān)系復(fù)雜，因此常規(guī)的選冶工藝不能有效地處理該類鐵礦資源[3-4]。目前在高磷鮞狀赤鐵礦工藝礦物學(xué)特性的基礎(chǔ)之上開發(fā)了鈉鹽強(qiáng)化煤基還原焙燒-磁選的新工藝[5-7]。通過添加鈉鹽來改善氧化鐵的還原條件，同時(shí)通過細(xì)磨磁選工藝強(qiáng)化細(xì)粒級(jí)磁性礦物的回收并實(shí)現(xiàn)磷的深度脫除[8-9]。本文以鄂西高磷鮞狀赤鐵礦為原料，采用煤基直接還原焙燒-磁選技術(shù)制備直接還原鐵，并對(duì)煤基還原焙燒過程中的影響因素進(jìn)行研究，以期得到高品位直接還原鐵，為解決高磷鮞狀赤鐵礦的綜合開發(fā)利用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)原料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

對(duì)礦樣進(jìn)行工藝礦物學(xué)和化學(xué)成分分析，化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 礦樣化學(xué)成分分析
Tab.1 Chemical composition analysis of ore samples

成分 TFeSiO2Al2O3MgOCaOSP含量/% 43.6517.109.280.593.580.0480.830成分 TiO2V2O5SrOK2O MnOAs2O3含量/% 0.200.0750.0200.650.200.023

高磷鮞狀赤鐵礦中鐵品位43.65%，P含量0.83%。經(jīng)鏡下鑒定和X-射線衍射分析表明,樣品中鐵礦物種主要是以赤鐵礦和褐鐵礦形式存在，少量磁鐵礦、菱鐵礦，微量黃鐵礦、鈦鐵礦。脈石礦物主要為石英等硅氧礦物，少量膠磷礦，碳酸鹽類礦物主要為方解石、少量白云石等。與赤褐鐵礦伴生的雜質(zhì)主要為磷和硅，其次是鋁。鐵礦物和磷礦物主要成鮞粒狀，磷以膠磷礦的形式存在，膠磷礦與赤鐵礦組成鮞粒交互連生，嵌布緊密。

試驗(yàn)用還原劑選用寧夏煙煤，煤質(zhì)分析結(jié)果見表2。

表2 煤質(zhì)分析(空氣干燥基)
Tab.2 Coal quality analysis (air drying base)

煤種固定碳水分灰分揮發(fā)分含量/% 45.8111.7717.5624.86

1.2 試驗(yàn)方法

焙燒試驗(yàn)在馬弗爐中進(jìn)行。分別稱取40 g原礦，以及一定比例的寧夏煙煤，將兩者混合均勻，放入石墨坩堝中，加蓋保護(hù)，待爐膛溫度升至設(shè)定溫度后，將坩堝放入爐膛中。到達(dá)焙燒時(shí)間后，將坩堝取出，在空氣中自然冷卻。將冷卻的焙燒礦取出并稱重，放入棒磨機(jī)中磨礦。將達(dá)到一定磨礦細(xì)度的礦漿采用磁選管進(jìn)行磁選，磁選出的產(chǎn)品過濾、烘干、稱重。磁選所得直接還原鐵的鐵含量測(cè)定執(zhí)行GB/T32786-2016，對(duì)直接還原鐵的品位進(jìn)行測(cè)定記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算其回收率。煤基直接還原焙燒-磁選工藝流程圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)工藝流程圖Fig. 1 The flow diagram of the experiment process

2 高磷鮞狀赤鐵礦煤基直接還原焙燒試驗(yàn)

2.1 焙燒溫度對(duì)還原焙燒效果的影響

對(duì)于還原過程而言，焙燒溫度是影響反應(yīng)速率的主要因素，隨著溫度的升高，反應(yīng)物活性增強(qiáng)，反應(yīng)速度加快。焙燒溫度過低, 還原反應(yīng)速度慢, 影響生產(chǎn)能力; 溫度過高, 發(fā)生過還原, 焙燒產(chǎn)品質(zhì)量不佳, 所以焙燒溫度要適中。因此，首先考察溫度對(duì)煤基還原焙燒-磁選實(shí)驗(yàn)的影響。試驗(yàn)初步確定寧夏煙煤用量30%，焙燒時(shí)間50 min，磨礦細(xì)度-0.074 mm粒級(jí)占90%，磁場(chǎng)強(qiáng)度128 kA/m，焙燒溫度對(duì)高磷鮞狀赤鐵礦還原焙燒過程的影響規(guī)律如圖2所示。

圖2 焙燒溫度對(duì)還原焙燒效果的影響規(guī)律Fig. 2 Effect of different roasting temperature on the roasting

由圖2可知，隨著焙燒溫度的升高，直接還原鐵的鐵品位及回收率先是明顯增加然后趨于穩(wěn)定。分析其原因是還原氣氛隨焙燒溫度升高而增強(qiáng)，鐵礦物得到充分還原，從而使鐵回收率增加。考慮到能耗成本，因此確定1 100 ℃為最佳焙燒溫度，此時(shí)直接還原鐵品位為79.02%，鐵回收率為81.15%。

2.2 還原劑用量對(duì)還原焙燒效果的影響

試驗(yàn)研究采用固態(tài)煤寧夏煙煤(粒度<2 mm)作還原焙燒的還原劑。還原劑用量也是影響磁化焙燒的因素之一。還原劑的用量過低，則還原反應(yīng)不充分，影響焙燒結(jié)果；反之，則造成資源的浪費(fèi)和成本的增加。因此需要考察不同還原劑用量，即還原氣氛對(duì)還原焙燒效果的影響規(guī)律。在焙燒溫度1 100 ℃條件下，煤用量分別為20%、30%、40%、50%，考察煤用量對(duì)鮞狀赤鐵礦中還原焙燒的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 還原劑用量對(duì)還原焙燒效果的影響規(guī)律Fig. 3 Effect of different reductant dosage on the roasting

由圖3可知，隨煤用量的增加,鐵的品位緩慢降低并逐漸趨于穩(wěn)定，鐵的回收率迅速上升后慢慢趨于穩(wěn)定。因此，確定還原劑最佳用量為30%，此時(shí)直接還原鐵品位為75.04%，鐵的回收率為88.13%。

2.3 焙燒時(shí)間對(duì)還原焙燒效果的影響

進(jìn)行焙燒時(shí)間的試驗(yàn)，以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高鐵的品位和回收率。還原焙燒時(shí)間的長(zhǎng)短與焙燒溫度、礦石粒度、礦石性質(zhì)和還原劑的成分有關(guān)。焙燒條件為還原劑用量30%，焙燒時(shí)間20 min、40 min、60 min、80 min，焙燒溫度1 100 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 焙燒時(shí)間對(duì)還原焙燒效果的影響規(guī)律Fig. 4 Effect of different roasting time on the roasting

由圖4可知，隨焙燒時(shí)間的增加，鐵品位和回收率逐漸上升，但上升幅度不大。因此，確定最佳焙燒時(shí)間為50 min，此時(shí)直接還原鐵的鐵品位74.89%，鐵回收率80.24%。

2.4 助熔劑對(duì)還原焙燒效果的影響

已有研究資料表明[10-11]：硫酸鈉在還原氣氛下有新相S及Na2S生成，易形成低熔點(diǎn)化合物，在局部形成液相，為Fe2+的遷移提供有利通道，促進(jìn)鐵晶粒和脈石成分的分離，從而破壞礦石結(jié)構(gòu)。碳酸鈉能促進(jìn)鐵氧化物的還原，但效果不及硫酸鈉。因此采用鈉鹽做為添加劑，研究添加劑種類及用量對(duì)高磷鮞狀赤鐵礦還原焙燒提鐵降磷的影響，結(jié)果如圖5和圖6所示。

(a)碳酸鈉

(b)硫酸鈉圖5 單一助熔劑對(duì)還原焙燒效果的影響規(guī)律Fig. 5 Effect of single flux on the roasting

圖6 混合助熔劑對(duì)還原焙燒效果的影響規(guī)律Fig.6 Effect of mix flux on the roasting

由圖5(a)、5(b)可知，相比于無助熔劑條件下，鮞狀赤鐵礦添加鈉鹽添加劑還原焙燒，提鐵效果明顯改善。其中碳酸鈉作用下，隨著其用量增加，鐵的回收率逐漸增加，碳酸鈉用量15%時(shí)回收率可達(dá)到89.95%，而硫酸鈉作用下，鐵的回收率逐漸降低，但鐵品位逐漸增加，可達(dá)到90.75%。因此，在碳酸鈉用量15%條件下考察硫酸鈉對(duì)鮞狀赤鐵礦還原焙燒提鐵效果的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)Na2CO3用量15%、Na2SO4用量30%時(shí)，直接還原鐵的鐵品位可達(dá)到90.80%，鐵回收率79.27%。

2.5 最佳條件驗(yàn)證試驗(yàn)

高磷鮞狀赤鐵礦煤基直接還原焙燒-磁選的最佳工藝條件如圖7所示。煤基還原焙燒-磁選數(shù)質(zhì)量流程如圖8所示。

圖 7 最佳工藝條件Fig. 7 The process flow diagram of the best craft conditions

圖8 煤基還原焙燒-磁選數(shù)質(zhì)量流程圖Fig. 8 Digital quality flow by coal-based direct reduction roasting

3 結(jié)論

1)煤基直接還原焙燒-磁選工藝處理高磷鮞狀赤鐵礦僅添加還原劑，無助熔劑作用時(shí)，磁選所得直接還原鐵的鐵品位及回收率較低。

2)助熔劑Na2CO3對(duì)高磷鮞狀赤鐵礦煤基還原焙燒-磁選所得鐵的回收率的增加有明顯作用，而Na2SO4對(duì)直接還原鐵的鐵品位增加起作用。選擇Na2SO4和Na2CO3為助熔劑，Na2CO3用量15%，Na2SO4用量30%時(shí)，直接還原鐵的鐵品位可達(dá)到90.80%，鐵回收率79.27%。

3)高磷鮞狀赤鐵礦煤基直接還原焙燒-磁選的最佳工藝條件為：還原劑寧夏煙煤用量為30%，助熔劑Na2CO3用量為15%，Na2SO4用量為30%，焙燒溫度為1 100 ℃，焙燒時(shí)間為50 min，磨礦細(xì)度-0.043 mm粒級(jí)占60.30%，磁場(chǎng)強(qiáng)度為128 kA/m。在最佳工藝條件下，所得直接還原鐵的鐵品位為91.13%，鐵的回收率為78.87%，S殘余含量0.03%。