脫磷劑及焙燒溫度對(duì)高磷鮞狀赤鐵礦石還原產(chǎn)物磨礦特性的影響

陳 澤 坤 孫 體 昌 吳 世 超 李 宗 蔚

（北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083）

占我國(guó)鐵礦石儲(chǔ)量1/9的高磷鮞狀鐵礦石被認(rèn)為是世界上最難選的鐵礦石之一［1］，一直以來(lái)未能得到有效利用［2-4］。研究表明，采用煤基直接還原焙燒—磁選的方法處理礦石可以獲得磷含量很低的直接還原鐵［5-16］。

已有的關(guān)于高磷鮞狀鐵礦石直接還原焙燒—磁選試驗(yàn)研究中，大都研究了磨礦細(xì)度與直接還原鐵品位的關(guān)系，卻鮮有關(guān)于還原產(chǎn)物磨礦特性的研究。李茂林［17］等研究了磁化焙燒條件對(duì)鄂西鐵礦石磨礦性能的影響，發(fā)現(xiàn)焙燒礦中粗顆粒增多、細(xì)顆粒減少，焙燒條件影響還原產(chǎn)物的可磨度。顏亞梅等［18］研究了磁化焙燒對(duì)鄂西鐵礦石磨礦性能的影響，發(fā)現(xiàn)由于焙燒礦結(jié)構(gòu)致密導(dǎo)致還原產(chǎn)物可磨性變差。上述研究表明，高磷鮞狀赤鐵礦石的磁化焙燒對(duì)焙燒礦的可磨度有一定的影響。而高磷鮞狀赤鐵礦石的直接還原溫度比磁化焙燒溫度高很多，所得還原產(chǎn)物的性質(zhì)與天然礦石性質(zhì)相差較大。此外，還原產(chǎn)物中的鐵主要以金屬鐵的形式存在，具有延展性，在磨礦過(guò)程中存在塑性形變，對(duì)磨礦特性的影響更大。因此，有必要研究焙燒條件對(duì)還原產(chǎn)物磨礦特性的影響。

基于上述背景，本研究以高磷鮞狀赤鐵礦為對(duì)象，考察脫磷劑種類、用量及焙燒溫度對(duì)還原產(chǎn)物可磨度、磨礦后鐵和磷分布情況的影響。

1 原料性質(zhì)及研究方法

1.1 原料性質(zhì)

試驗(yàn)所用高磷鮞狀赤鐵礦石來(lái)自阿爾及利亞，鐵品位55.58%，含磷0.57%，主要鐵礦物為赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦和少量的菱鐵礦，其中部分磁鐵礦無(wú)規(guī)律地嵌布于褐鐵礦、鮞綠泥石鮞粒周圍或附近，粒度均較細(xì)，大部分小于0.02 mm；磷一部分以磷灰石的形式存在，另一部分則存在于鐵礦物中；主要脈石礦物為鮞綠泥石，石英和方解石少量［19］。

所用還原劑為秸稈炭，粒度-2 mm，固定碳含量為80.12%、揮發(fā)分6.26%、灰分3.80%、水分9.82%；脫磷劑為分析純的鈣鹽或鈉鹽（CaCO3、Na2CO3、CaF2）。

1.2 研究方法

焙燒過(guò)程如下：將原礦破碎至-2 mm，與脫磷劑、還原劑按比例混合（脫磷劑、還原劑添加量按與原礦的質(zhì)量百分比表示）混勻后放入加蓋的坩堝中，待馬弗爐升至一定的溫度后放入坩堝，焙燒70 min取出，在空氣中自然冷卻后得到還原產(chǎn)物。

相對(duì)可磨度試驗(yàn)方法如下：還原產(chǎn)物破碎至-2 mm，混勻后縮分取15 g，用RK/BM型三輥四筒棒磨機(jī)進(jìn)行一段磨礦，磨礦濃度為66.67%，磨礦時(shí)間為5 min，將磨礦產(chǎn)品用篩孔0.074 mm、0.045 mm和0.030 mm的篩子在濕式振篩機(jī)上篩分，振動(dòng)頻率為400 Hz，篩分時(shí)間為10 min，各粒級(jí)產(chǎn)品分別過(guò)濾烘干。用4個(gè)粒級(jí)（+0.074 mm、-0.074+0.045 mm、-0.045+0.030 mm、-0.030 mm）的產(chǎn)率來(lái)表征還原產(chǎn)物的相對(duì)可磨度。對(duì)各粒級(jí)的鐵品位和磷含量進(jìn)行測(cè)定，研究其變化規(guī)律。

將+0.074 mm粒級(jí)的產(chǎn)品在模具中加入環(huán)氧樹脂固化劑進(jìn)行固化，用切片機(jī)將固化好的樣品拋光處理得到光片，噴碳處理光片后在（SEM-EDS）掃描電鏡觀察磨礦產(chǎn)品的粒度形狀和解離特性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 脫磷劑種類及用量對(duì)還原產(chǎn)物磨礦特性的影響

固定條件為：原礦40 g，還原劑秸稈炭用量15%，焙燒溫度1 200℃，焙燒時(shí)間70 min。脫磷劑添加種類為CaCO3、Na2CO3、CaF2、CaCO3+Na2CO3和 CaCO3+CaF2，不同添加種類下用量變化范圍為0～20%。混合脫磷劑配比采用探索試驗(yàn)中確定的m（CaCO3）∶m（Na2CO3）=13∶2、m（CaCO3）∶m（CaF2）=13∶2。

2.1.1 可磨度

脫磷劑種類及用量對(duì)還原產(chǎn)物可磨度的影響見圖1。

由圖1可知：①還原產(chǎn)物磨礦產(chǎn)品的顆粒粒度主要分布在+0.074 mm和-0.030 mm這2個(gè)粒級(jí)，-0.074+0.045 mm和-0.045+0.030 mm粒級(jí)含量較少。②脫磷劑用量對(duì)還原產(chǎn)物的可磨度影響規(guī)律基本一致。不添加脫磷劑時(shí)，+0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)率為64.07%，-0.074+0.045 mm粒級(jí)產(chǎn)率為10.33%，-0.045+0.030 mm粒級(jí)產(chǎn)率為4.67%，-0.030 mm粒級(jí)產(chǎn)率為20.93%；隨著脫磷劑用量的增加，+0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)率逐漸下降，-0.074+0.045 mm和-0.045+0.030 mm粒級(jí)產(chǎn)率略微升高，-0.030 mm粒級(jí)產(chǎn)率明顯升高。③脫磷劑的種類對(duì)還原產(chǎn)物可磨度影響程度不同，由大到小依次為CaCO3+Na2CO3、Ca-CO3、CaCO3+CaF2、CaF2、Na2CO3。對(duì)于混合脫磷劑 Ca-CO3+Na2CO3，當(dāng)CaCO3+Na2CO3用量增至20%時(shí)，+0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)率降至39.73%，-0.074+0.045 mm和-0.045+0.030 mm分別升至16.80%和10.67%，-0.030 mm粒級(jí)升至32.80%，說(shuō)明脫磷劑用量對(duì)+0.074 mm、-0.030 mm粒級(jí)產(chǎn)生的影響較大。

2.1.2 +0.074 mm粒級(jí)鐵、磷品位及分布率

由于+0.074 mm粒級(jí)中連生體數(shù)量最多，且富集了大量的鐵，磷分布率的變化最為明顯，因此以+0.074 mm粒級(jí)為研究對(duì)象，分析脫磷劑種類及用量對(duì)鐵、磷品位及分布率的影響。

圖2為不同脫磷劑種類及用量下+0.074 mm粒級(jí)鐵、磷品位及分布率。

由圖2可知：①不添加脫磷劑時(shí)，+0.074 mm粒級(jí)鐵品位和磷含量最高，分別為85.66%和0.60%；隨著脫磷劑用量的增加，+0.074 mm粒級(jí)鐵品位先降低后升高，而磷含量大體都呈下降的趨勢(shì)。需要特別注意的是，CaCO3用量的增加對(duì)磷含量的影響較小，不同CaCO3用量下磷含量基本維持在0.35%左右。②不添加脫磷劑時(shí)，+0.074 mm粒級(jí)鐵分布率為70.70%，說(shuō)明鐵主要富集于粗粒級(jí)中。隨著Na2CO3用量的增加，+0.074 mm粒級(jí)鐵分布率幾乎不變，圖1（a）顯示該粒級(jí)產(chǎn)率降低，說(shuō)明鐵在該粒級(jí)逐漸富集；隨著CaCO3、CaCO3+Na2CO3、CaCO3+CaF2用量的增加，+0.074 mm粒級(jí)鐵分布率逐漸降低，說(shuō)明鐵在該粒級(jí)的富集情況并不明顯；隨著CaF2用量的增加，+0.074 mm粒級(jí)鐵分布率先基本不變后逐漸降低，說(shuō)明CaF2用量較低時(shí)，鐵在粗粒級(jí)富集，CaF2用量較高時(shí)，鐵逐漸進(jìn)入中細(xì)粒。③不添加脫磷劑時(shí)，+0.074 mm粒級(jí)磷分布率為48.29%，大量磷會(huì)富集在粗顆粒當(dāng)中；隨著脫磷劑用量的增加，磷更容易進(jìn)入到中細(xì)粒級(jí)中，加入20%的CaCO3+Na2CO3可以使+0.074 mm粒級(jí)磷分布率降至最低17.46%。

特別發(fā)現(xiàn)，不添加脫磷劑時(shí)，還原產(chǎn)物鐵品位為77.63%，磷含量為0.81%，隨著脫磷劑用量的增加，鐵品位和磷含量逐漸下降。+0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)品與還原產(chǎn)物相比，鐵品位有明顯提高，磷含量明顯降低，說(shuō)明鐵主要富集在粗粒中，磷主要分布于中細(xì)粒級(jí)中。

2.1.3 脫磷劑對(duì)+0.074 mm粒級(jí)顆粒形狀及結(jié)構(gòu)的影響

為探究脫磷劑對(duì)+0.074 mm粒級(jí)顆粒形狀及結(jié)構(gòu)的影響，分別選取不添加脫磷劑，添加20%的CaCO3、Na2CO3、CaF2或CaCO3+Na2CO3等5個(gè)條件，通過(guò)SEM掃描電鏡觀察脫磷劑對(duì)磨礦產(chǎn)品+0.074 mm粒級(jí)顆粒形狀、金屬鐵粒度、鐵與脈石礦物的嵌布關(guān)系、磷存在形態(tài)的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，不添加脫磷劑時(shí)，+0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)品中存在少量單體鐵顆粒和單體脈石顆粒，大多數(shù)顆粒以連生體的形式存在，形狀較為不規(guī)則，磷主要存在于磷灰石中，少量的磷會(huì)進(jìn)入到鐵中，導(dǎo)致該粒級(jí)磷含量較高；添加脫磷劑時(shí)，單體鐵顆粒消失，脈石顆粒的數(shù)量也逐漸減少，顆粒仍以連生體的形式存在，但形狀為類橢圓形塊狀，這樣形狀較為規(guī)則的顆粒在磨礦中更易單體解離，在該粒級(jí)下的顆粒大小與不加脫磷劑相比沒(méi)有太大變化，不同的是，當(dāng)脫磷劑選用Na2CO3時(shí)，發(fā)現(xiàn)多數(shù)連生體顆粒均為富顆粒，當(dāng)脫磷劑選用CaCO3或混合脫磷劑時(shí)，才會(huì)有貧顆粒的存在，由此推斷，貧顆粒中的鐵更易通過(guò)磨礦與脈石相解離，但由于該條件下焙燒生成的鐵比較細(xì)小，單體解離后進(jìn)入到中細(xì)粒級(jí)當(dāng)中。

此外，分別加入20%的CaCO3或混合脫磷劑后，磷的分布較為集中，會(huì)逐漸遷移到磷灰石中，此時(shí)的磷灰石主要以單體顆粒的形式存在；加入20%的Na2CO3時(shí)，磷分布較為均勻，且主要存在于脈石中，該類脈石與鐵嵌布關(guān)系較為緊密；當(dāng)加入20%的CaF2后，磷的分布較為均勻，主要存在于磷灰石及其它脈石顆粒中，仍有少量的磷進(jìn)入鐵中，說(shuō)明CaF2對(duì)脫磷的效果較差。由此可以推斷，當(dāng)磷存在于單體脈石顆粒中時(shí)，通過(guò)磁選可以去除大部分磷，分選的效率較高；當(dāng)磷的分布較為均勻，含磷脈石與鐵以連生體的形式存在時(shí)，經(jīng)過(guò)一段磨礦后通過(guò)磁選除磷的效率并不高，很難達(dá)到降磷的指標(biāo)，需多段磨礦才能將脈石與鐵解離完全，達(dá)到合格的除磷指標(biāo)。混合脫磷劑對(duì)+0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)品的顆粒粒度、脈石與鐵顆粒的關(guān)系、磷的分布情況大體相同。

2.2 焙燒溫度對(duì)還原產(chǎn)物磨礦特性的影響

固定條件為：原礦40 g，還原劑秸稈炭用量15%，焙燒時(shí)間70 min，CaCO3+Na2CO3用量20%。

2.2.1 可磨度

焙燒溫度對(duì)還原產(chǎn)物可磨度的影響見圖4。

由圖4可知，還原產(chǎn)物的磨礦產(chǎn)品集中+0.074 mm和-0.030 mm這2個(gè)粒級(jí)；焙燒溫度對(duì)還原產(chǎn)物的可磨度影響較大，隨著焙燒溫度的升高，還原產(chǎn)物的可磨度降低，越來(lái)越難磨。當(dāng)焙燒溫度由1 150℃升至1 300℃時(shí)，+0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)率從32.93%上升至67.53%，增長(zhǎng)了34.60個(gè)百分點(diǎn)；-0.030 mm粒級(jí)從39.20%降至19.00%，其余的粒級(jí)分布率下降幅度較小。

2.2.2 +0.074 mm粒級(jí)鐵、磷品位及分布率

圖5不同焙燒溫度下磨礦產(chǎn)品+0.074 mm粒級(jí)鐵、磷品位及分布率。

由圖5可知：①焙燒溫度對(duì)+0.074 mm粒級(jí)鐵品位、磷含量的影響較小；燒溫度由1 150℃升高至1 300℃，鐵品位由79.26%小幅升至82.35%，磷含量基本維持在0.38%左右。②隨著焙燒溫度的升高，+0.074 mm粒級(jí)鐵分布率及磷分布率逐漸升高，這和+0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)率的升高有關(guān)。

該還原產(chǎn)物鐵品位約為68.89%，磷含量約為0.71%，焙燒溫度對(duì)于還原產(chǎn)物鐵品位和磷含量影響不大，而+0.074 mm粒級(jí)鐵品位明顯高于還原產(chǎn)物，磷含量較低。結(jié)合不同溫度下該粒級(jí)的產(chǎn)率可知，隨著焙燒溫度的升高，鐵、磷分布率與該粒級(jí)產(chǎn)率之差越來(lái)越大，說(shuō)明鐵、磷會(huì)很明顯地富集到粗粒級(jí)當(dāng)中。

2.2.3 焙燒溫度對(duì)+0.074 mm粒級(jí)顆粒形狀及結(jié)構(gòu)的影響

為探究焙燒溫度對(duì)+0.074 mm粒級(jí)顆粒形態(tài)及結(jié)構(gòu)的影響，分別選取1 150℃和1 300℃，通過(guò)SEM掃描電鏡觀察焙燒溫度對(duì)磨礦產(chǎn)品+0.074 mm粒級(jí)顆粒形狀、金屬鐵粒度、鐵與脈石礦物的嵌布關(guān)系、磷存在形態(tài)的影響，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，隨著焙燒溫度的升高，+0.074 mm粒級(jí)中粗顆粒增多。當(dāng)焙燒溫度為1 150℃時(shí)，顆粒以連生體的形式存在，大多數(shù)為類圓形的較為規(guī)則形狀，而脈石顆粒形狀不規(guī)則，數(shù)量也較少；當(dāng)焙燒溫度升至1 300℃時(shí)，大多數(shù)顆粒仍以連生體的形式存在，形狀沒(méi)有太大變化，也沒(méi)有單體鐵顆粒的出現(xiàn)，但脈石顆粒的數(shù)量增加。說(shuō)明焙燒溫度的升高并不會(huì)對(duì)+0.074 mm粒級(jí)顆粒形態(tài)產(chǎn)生較大影響，但脈石顆粒的數(shù)量會(huì)增多。

此外，焙燒溫度為1 150℃時(shí)，磷主要以磷灰石的形式存在，一部分磷灰石與鐵嵌布關(guān)系較為密切，另一部分則是以磷灰石的形式存在；焙燒溫度升至1 300℃時(shí)，磷仍以磷灰石的形式存在，但此時(shí)大多數(shù)的磷灰石與其他脈石礦物形成連生體，只有少量的磷灰石仍與鐵形成連生體顆粒。說(shuō)明溫度升高不會(huì)改變磷的存在狀態(tài)，但會(huì)改變磷灰石與其他顆粒間的嵌布關(guān)系。

3 結(jié)論

（1）脫磷劑種類、用量對(duì)還原產(chǎn)物的可磨度有較大影響，隨著用量的增加，還原產(chǎn)物的可磨度升高，不同種類的脫磷劑對(duì)還原產(chǎn)物可磨度的影響程度由大到小依次為CaCO3+Na2CO3、CaCO3、CaCO3+CaF2、CaF2、Na2CO3。

（2）隨著脫磷劑用量的增加，+0.074 mm粒級(jí)鐵品位先下降后升高，磷含量逐漸下降，而粗粒級(jí)中的鐵和磷會(huì)逐漸進(jìn)入到中細(xì)粒級(jí)當(dāng)中，鐵和磷在粗粒級(jí)中的富集的情況較差。原因是脫磷劑含有CaCO3時(shí)，+0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)品中含有更多的貧顆粒，貧顆粒中的鐵更易通過(guò)磨礦與脈石解離，進(jìn)入到細(xì)粒級(jí)當(dāng)中。

（3）不加脫磷劑時(shí)，+0.074 mm粒級(jí)中磷主要賦存于磷灰石以及部分鐵中，加入CaCO3、混合脫磷劑時(shí)，磷的分布較為集中，主要是以磷灰石的形式存在；加入Na2CO3時(shí)，磷的分布較為均勻，存在于脈石中與鐵形成連生體；加入CaF2后，磷的分布較為均勻，存在于脈石以及鐵中，但脫磷的效果較差。

（4）焙燒溫度是影響還原產(chǎn)物可磨度的重要因素，隨著焙燒溫度的升高，+0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)率升高，其余粒級(jí)產(chǎn)率逐漸降低，還原產(chǎn)物的可磨度迅速降低。升高溫度可以使+0.074 mm粒級(jí)鐵品位和磷含量升高，鐵和磷逐漸富集到粗粒級(jí)當(dāng)中。