鈉鹽強化某低品位鐵礦含碳球團還原研究

2019-01-29

針對某高硅低品位鐵礦采用內(nèi)配煤造球還原焙燒的方法進行處理，并加入鈉鹽強化還原。

　　鐘榮海,黃柱成,易凌云

　　中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院

　　低品位赤鐵礦是我國難選鐵礦資源中的一種，其具有鐵品位低、硅酸鹽含量高、鐵氧化物晶粒微細（平均粒度在0.045mm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(xué)性質(zhì)相近等特點，難以用常規(guī)選礦方法進行有效的富集[1-4]。該類赤鐵礦石總儲量將近30億噸，如果這部分鐵礦資源能得到有效的利用，對緩解我國鐵礦石資源壓力具有重要的幫助。

　　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1000-1200℃和還原時間60min-120min的條件下，還原產(chǎn)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[5-7]。但該類鐵礦石硅含量較高，在還原過程中生成的FeO會與SiO2生產(chǎn)鐵橄欖石（Fe2SiO4）。鐵橄欖石易與其他化合物形成低熔點體系[8]，在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵璧K鐵氧化物的進一步還原。此外，鐵橄欖石本身難以被還原[9-10]，從而造成鐵元素的流失。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(guān)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(yīng)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，且效果顯著效果[11-16]。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(jié)構(gòu)，使某些與脈石有復(fù)雜嵌布關(guān)系的物質(zhì)從束縛態(tài)中釋放出來，從而促進鐵氧化物的還原[12]。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[11]。此外，大量研究表明堿土金屬鹽可以大幅促進碳的氣化反應(yīng)[17-19]，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的促進作用，在本研究中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。然而，盡管對堿土金屬鹽促進鐵氧化物還原作用的機理研究眾多，但其作用機理也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，對采用直接還原法利用該類鐵礦資源具有重要的指導(dǎo)意義。

　　本研究以某高硅低品位微細粒嵌布赤鐵礦石為研究對象，采用內(nèi)配煤造球后進行還原焙燒，并添加鈉鹽強化還原效果。研究了溫度、時間、內(nèi)配煤用量和添加劑用量對還原過程的影響。采用了煙氣分析的方法和SEM-EDS和XRD研究了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

　　鐵礦是來自湖南某地，其化學(xué)成分如表1所示，X射線衍射結(jié)果如圖1所示。

　　　　表1 鐵礦化學(xué)成分分析/wt%　　

TFe	FeO	SiO₂	Al₂O₃	CaO	MgO	P	S	K₂O	Na₂O	LOI
33.86	1.67	40.61	4.36	1.57	1.05	0.38	0.082	1.58	0.03	1.49

　　由表1可知，該鐵礦鐵品位僅為33.86%；脈石主要是SiO2（40.61%），其次是Al2O3，有害元素P、 S含量較低。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，并伴生有少量的絹云母和綠泥石。

　　
　　圖1 鐵礦的X射線衍射分析圖譜

　　圖2為鐵礦的掃描電鏡分析圖譜，表2為礦石中鐵氧化物的嵌布粒度分析結(jié)果。由圖2和表2可知，礦石中主要含赤鐵礦(Fe2O3)和石英(SiO2)兩種礦物，兩者呈浸染狀相互交生，嵌布關(guān)系十分復(fù)雜。赤鐵礦粒度極其細小，小于0.01mm部分占赤鐵礦質(zhì)量分數(shù)的39.94%，分散程度高，主要呈星點狀無規(guī)則地分布。將鐵礦石破碎、磨細（小于0.037mm部分占71.20%）用于造球。

　　表2 原礦中鐵礦物的粒度組成

粒級/mm	分布率/%	累計分布率/%
+0.037	4.27	4.27
-0.037+0.01	55.79	60.06
-0.01	39.94	100.00

　　實驗所用的還原煤工業(yè)分析結(jié)果如表3所示。將還原煤破碎、磨細（小于0.037mm占58.89%）用于造球。

　　　　表3 還原煤工業(yè)分析　　

組分	w(Fcad)/%	w(Mad)/%	w(Ad)/%	w(Vdaf)/%
含量	58.53	3.16	5.44	36.03

　　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(fā)分。

　　
　　H-赤鐵礦 Q-石英

　　圖2 鐵礦掃描電鏡圖譜

　　　　1.2 實驗方法

　　將煤粉和鐵礦粉料按固定碳含量和全鐵含量質(zhì)量比值為m（C）/m（Fe）=0.4進行混合，添加一定比例的添加劑、1.5%的膨潤土和8%預(yù)配水混勻。然后在圓盤造球機中（直徑為1m，傾角為45°，轉(zhuǎn)速為28r/min）制成粒級為5-8mm的生球，并放入110℃的烘箱進行干燥2h以做備用。

　　還原焙燒使用的設(shè)備如圖3所示。每次取30g的干燥小球置于石英管中，先向玻璃管中通入N2（0.18m3/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(yù)定時間后將還原小球取出萃冷防止再氧化。還原效果用還原球團的金屬化率表示：

　　η = MFe/TFe×100% (1)式中：η-還原球團的金屬化率，%；

　　MFe-還原球團中金屬鐵的含量，%；

　　TFe-還原球團中全貼的含量，%。

　　磨礦實驗是在XMQ240×90型的錐形球磨機中進行的，磨礦時礦漿濃度為50％；磨礦細度為小于-0.045mm占100%。磁選設(shè)備為XCGS一73型磁選管, 磁場強度為2300Gs。

　　
　　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(nèi)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

　　圖3 還原焙燒設(shè)備示意圖

　　研究鈉鹽作用機理所用方法、實驗設(shè)備和還原焙燒設(shè)備相同，不同之處為用煙氣分析儀對還原氣氛進行了分析（如圖3所示）。將排出的尾氣與煙氣分析儀連接，分析還原時產(chǎn)生的氣體進行成分與含量。煙氣分析儀為MUR煙氣分析儀，可以分析出氣體中所含有O2、CO、CO2、SO2和CxHy體積分數(shù)的含量。煙氣分析儀與計算機連接，每隔10s自動記錄CO、CO2的含量。試驗前煙氣分析儀中CO、CO2示數(shù)為0%， O2的含量小于0.2%。當(dāng)反應(yīng)開始后，玻璃管中的氣體向外排出進入煙氣分析儀進行分析。

　　煙氣分析儀得出的氣體含量數(shù)據(jù)表明，石英玻璃管中氣體成分主要為CO、CO2和N2三種。由于N2為惰性氣體，不參與反應(yīng)，因此可以認為使用該方法測出的CO、CO2的含量能比較真實的反映出反應(yīng)體系中的CO、CO2含量。將CO和CO2的體積分數(shù)含量按照式（2）計算，用于還原過程中氣氛分析。