復(fù)雜難選礦石深度還原技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀

李鳳久,王會靜,賈清梅

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室,河北 唐山 063009)

鐵礦資源作為重要的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。我國鐵礦資源儲量豐富，但富礦少，復(fù)雜難選礦多。統(tǒng)計結(jié)果顯示，我國鐵礦石資源的平均鐵品位為32%，比世界鐵礦石平均品位低11個百分點，且97.5%屬貧鐵礦石。

近年來，隨著我國鋼鐵工業(yè)的飛速發(fā)展，鐵礦石需求量日益增加，使得過去認(rèn)為難以處理的復(fù)雜難選礦石具有了開發(fā)利用的價值。傳統(tǒng)的選冶工藝無法經(jīng)濟、合理地充分利用我國目前已探明的難選鐵礦資源。加強我國復(fù)雜難選鐵礦石的研究，以至實現(xiàn)高效開發(fā)與利用意義重大。

東北大學(xué)突破傳統(tǒng)的選礦-燒結(jié)(球團)-冶煉工藝，創(chuàng)新性地采用深度還原技術(shù)處理復(fù)雜難選礦石，將不能直接作為高爐原料的復(fù)雜難選鐵礦石在比磁化焙燒更高的溫度和更強的還原氣氛下，使鐵礦石中的鐵礦物還原為金屬鐵，并使金屬鐵生長為一定粒度的鐵顆粒。還原后的熟料經(jīng)冷水萃取，鐵顆粒與脈石兩相界面發(fā)生收縮，在后續(xù)磨礦中更易解離。經(jīng)分選后的產(chǎn)品成分穩(wěn)定，粒度均勻，具有高品位，高回收率，高金屬化率的特點，可以代替資源不足的廢鋼作為電爐煉鐵的優(yōu)質(zhì)原料，以得到高質(zhì)量的鋼材。不同于直接還原，深度還原工藝不造球、不壓塊，不用對球團礦進行焙燒，因此可以降低能耗。深度還原產(chǎn)品也不同于海綿鐵[1]。深度還原的原料是復(fù)雜難選鐵礦石，還原過程不僅包含鐵氧化物的還原，還存在其他礦物的還原及礦物之間更復(fù)雜的反應(yīng)[2]。

深度還原技術(shù)為我國復(fù)雜難選鐵礦石的利用提供了一種新思路，可以改善和緩解我國鐵礦資源的短缺現(xiàn)狀，在一定程度上解決我國鋼鐵工業(yè)所面臨的難題，具有較強的經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢，必將成為將來鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的重要發(fā)展方向。

1 深度還原技術(shù)在鮞狀赤鐵礦中的應(yīng)用

鮞狀赤鐵礦中金屬礦物有赤鐵礦、褐鐵礦等，非金屬礦物有石英、鮞綠泥石、黏土礦物等。礦石主要呈鮞狀、浸染狀構(gòu)造，同心環(huán)帶狀結(jié)構(gòu)。此類礦石鐵礦物嵌布粒度極細(xì)， 如要實現(xiàn)單體解離，必須磨至30μm以下甚至幾個微米；礦石中一般有黏土礦物伴生，在碎礦過程中易形成含鐵較高的礦泥，影響后續(xù)的選別作業(yè)；礦物本身構(gòu)造復(fù)雜， 有無核心、以赤鐵礦或褐鐵礦為核心和以石英為核心的多種類型的鮞粒；此外，有些礦石中伴生有較高的磷礦物等有害雜質(zhì)[3]。大量實驗表明，采用傳統(tǒng)選礦工藝處理鮞狀赤鐵礦無法獲得理想的選別指標(biāo)[4-6]。

東北大學(xué)采用深度還原-磁選工藝處理某高磷鮞狀赤鐵礦，在原料粒度為-2mm、還原溫度1350℃、還原時間50min、鐵礦與煤的配比3:2的工藝條件下得到了金屬化率97%左右的還原產(chǎn)品[7-8]。將還原產(chǎn)品進行磁選后，得到了鐵品位85%以上，鐵的回收率92%以上的精礦。同時，對該鮞狀赤鐵礦深度還原過程進行了研究，結(jié)果表明，還原過程中鐵的氧化物的還原順序為Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe；整個深度還原過程可分為成核、反應(yīng)和長大等三個階段，最終得到的金屬鐵以鐵顆粒的形式存在于還原物料中。

劉紅召等采用深度還原-磁選工藝處理宣龍式鮞狀赤鐵礦，在原礦磨礦細(xì)度為-0.074mm占70%、煤粉添加量為20%、還原溫度為1350℃、還原時間為50min的條件下，得到的深度還原產(chǎn)物的鐵金屬化率達到97%以上，還原產(chǎn)物磨細(xì)至-0.074mm占70%，經(jīng)一次磁選，獲得了鐵品位為88.79%，回收率為92.85%的優(yōu)質(zhì)鐵粉[9]。

劉淑賢等采用深度還原技術(shù)處理某貧鮞狀赤鐵礦，在還原溫度為1200℃、還原時間為120min、礦煤比為2的條件下實現(xiàn)了鐵的有效富集，經(jīng)過一段磨礦、兩段磁選，獲得了鐵品位92.18%、鐵回收率90.45%的精礦[10-11]。同時，研究了助熔劑對鮞狀赤鐵礦深度還原工藝的影響，發(fā)現(xiàn)NaCO3是最適宜的助熔劑，能夠大幅度降低還原溫度。

倪文等采用深度還原-磁選工藝處理某鮞狀赤鐵礦，在還原溫度為1200℃、還原時間為2h、二元堿度為0.2的工藝條件下，獲得了品位為91.94%、回收率為95.85%的鐵精礦粉[12]。

賈巖等研究了還原溫度、還原時間、二元堿度等工藝條件對深度還原物料中鐵粒的聚集、兼并和長大的影響[13]。指出提高還原溫度或延長還原時間均有利于鐵顆粒的聚集、兼并和長大，而過高的二元堿度不利于鐵顆粒的生長。

郭倩等研究了原礦粒度對深度還原工藝的影響，發(fā)現(xiàn)還原較大粒度的鮞狀赤鐵礦是可行的，但是需要提高還原溫度并延長還原時間[14]。

徐承焱等研究了不同還原劑對鮞狀赤鐵礦還原過程的影響，發(fā)現(xiàn)還原劑用量較小時，還原劑中固定碳含量越高，還原產(chǎn)品中鐵顆粒聚集和長大的趨勢越明顯；還原劑用量較大時，還原劑中揮發(fā)分含量越高，還原產(chǎn)品中鐵顆粒聚集和長大的趨勢越明顯[15]。

何洋等研究了助還原劑對某低品位難選赤鐵礦深度還原的影響。并采用X射線衍射技術(shù)和掃描電鏡對還原過程中助還原劑JZQ-F1和JZQ-F2的作用機理進行了研究，指出JZQ-F1可以促進浮氏體還原為金屬鐵，并且起到抑制鐵橄欖石生成的作用[16]。JZQ-F2也可抑制鐵橄欖石的生成，并且與原礦中石英發(fā)生反應(yīng)，破壞原礦結(jié)構(gòu)，使還原性氣體更易和赤鐵礦接觸發(fā)生還原反應(yīng)。

高鵬等為了建立完整的深度還原評價體系，將數(shù)字處理技術(shù)引入鐵顆粒的檢測過程，采用數(shù)碼反光顯微鏡獲取深度還原產(chǎn)品的數(shù)字圖像，通過處理得到鐵顆粒的二維特征參數(shù)，結(jié)合鐵顆粒的球形特征，推導(dǎo)了鐵顆粒累計粒度特性曲線的計算方法[17]。并通過試驗證明，鐵粉的分選指標(biāo)和鐵顆粒粒度的變化趨勢具有相關(guān)性，基于數(shù)字圖像處理的鐵礦石深度還原評價方法是可行的。

2 深度還原技術(shù)白云鄂博氧化礦中的應(yīng)用

白云鄂博礦床的開發(fā)利用難點主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1)礦物組成多。礦石中鐵礦物和含鐵礦物20余種，稀土礦物16種，鈮礦物20種。還含有害元素氟、磷、鉀、鈉等礦物數(shù)十種。

2)有用礦物含量低。礦石中鐵品位30%左右，并含有硅酸鐵、硫化鐵等；稀土含量6%左右；鈮含量0.1%左右。

3)有用礦物的結(jié)晶粒度細(xì)。鐵礦物粒度一般在0.01～0.2mm之間；稀土礦物粒度在0.01～0.06 mm之間；鈮礦物粒度多數(shù)小于0.04 mm。

4)礦石中礦物組成變化大，礦石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造比較復(fù)雜。白云鄂博礦中同種元素常以多種礦物形式存在，并且少量的鐵、稀土和鈮以分散相存在于其他脈石礦物中。

韓躍新等采用深度還原技術(shù)處理白云鄂博氧化礦石，針對還原物料礦物組成復(fù)雜、金屬鐵粒度較粗、殘?zhí)己扛叩奶攸c，先采用磁重聯(lián)合工藝預(yù)先脫碳，再經(jīng)階段磨礦-粗細(xì)分選流程選鐵，獲得了鐵品位為92.02%，金屬化率為94.18%，鐵回收率為93.27 的鐵粉，可作為煉鋼的原料；尾礦中稀土品位為15.10%，回收率為97.18%，可作為分選稀土的原料[18-20]。

高鵬等研究了白云鄂博氧化礦石深度還原過程中還原特性及金屬鐵顆粒的成核及長大過程[21-22]。認(rèn)為隨還原時間的延長，金屬鐵顆粒以小顆粒向大顆粒聚集的方式逐漸長大，最終以鐵顆粒的形式存在于還原物料中，鐵顆粒的生長過程可分為還原成核、深度還原、鐵顆粒長大三個階段[21-22]。此外，根據(jù)深度還原物料中鐵顆粒的球形特征，通過測量鐵顆粒二維截面參數(shù)，求取了其累計粒度特性曲線，定性地描述了不同工藝條件對鐵顆粒粒度的影響規(guī)律。指出適當(dāng)?shù)奶岣哌€原溫度、延長還原時間、增大配碳系數(shù)，都有利于鐵顆粒的長大，但還原溫度過高、配碳系數(shù)過大將阻礙鐵顆粒長大。

3 深度還原技術(shù)在紅土鎳礦中的應(yīng)用

全球已探明的鎳儲量約為116億t，其中硫化礦約占30%，紅土鎳礦約占70%。由于紅土鎳礦品位較低，回收困難，經(jīng)濟效益差，世界上僅約42%的鎳產(chǎn)量來源于紅土鎳礦。隨著鎳資源的開采，硫化鎳礦和高品位紅土鎳礦資源不斷減少，大量品位為1%～2%左右的紅土鎳礦越來越引起選礦工作者的關(guān)注[23-25]。

李艷軍等采用深度還原技術(shù)，在添加氧化鈣作助熔劑的條件下，將某紅土鎳礦中鎳和鐵的氧化物還原成金屬鎳鐵，然后經(jīng)磁選使金屬鎳鐵得到富集。在適宜的工藝條件下，得到鎳、鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.01%， 22.46%的鎳鐵產(chǎn)品，鎳、鐵回收率分別為96.05%，79.69%[26]。并指出還原物料中鎳和鐵以金屬合金顆粒形式存在，提高還原溫度有利于鎳鐵金屬相凝聚，適當(dāng)延長還原時間有利于鎳鐵顆粒的還原和聚集長大。

王亞琴等采用深度還原-弱磁-強磁工藝對低品位紅土鎳礦進行了開發(fā)利用研究。在還原溫度1275℃、還原時間50min、配碳系數(shù)2.5、料層厚度25mm、強磁精礦返回量占原礦量的25%的最佳工藝條件下，獲得了鎳、鐵品位分別為6.96%、34.74%，鎳、鐵總回收率分別為94.06%、80.44%的優(yōu)質(zhì)鎳鐵精礦產(chǎn)品[27]。同時，認(rèn)為富含大量細(xì)小鎳鐵顆粒的強磁精礦是紅土鎳礦深度還原的優(yōu)質(zhì)成核劑。

孫體昌等分別采用石煤和無煙煤作為還原劑，考察了煤種對紅土鎳礦中鎳的選擇性還原的影響[28]。結(jié)果表明，石煤為還原劑時還原產(chǎn)物主要以鎳紋石的形式存在，同時金屬鐵的生成量比無煙煤作還原劑時低，用石煤作為還原劑能夠達到鎳選擇性還原的目的[28]。采用X射線衍射分析及掃描電鏡分析等分析手段對紅土鎳礦的深度還原過程進行了研究，指出還原過程中鎳、鐵先以鎳紋石形式存在；隨著煤用量增加，逐漸變?yōu)橐澡F紋石形式存在，得到的含鎳鐵礦物中鎳的比例逐漸遞減，而鐵的比例逐漸遞增。

4 結(jié)語

1)隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，高品位、優(yōu)質(zhì)礦石的日益消耗，低品位、復(fù)雜難選礦石的開發(fā)利用具有重要的實際意義，怎樣將深度還原工藝更經(jīng)濟合理的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，實際解決低品位難選鐵礦石資源開發(fā)利用率低的問題是今后的研究方向。

2)采用傳統(tǒng)的選礦工藝處理鮞狀赤鐵礦、白云鄂博氧化礦和紅土鎳礦等復(fù)雜難選礦石，無法獲得理想的選別指標(biāo)或不能實現(xiàn)資源的有效利用。采用深度還原技術(shù)處理復(fù)雜難選礦石展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，普遍取得了鐵品位和回收率均在90%左右的產(chǎn)品，該工藝具有較強的經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢。

4)除了20世紀(jì)開發(fā)的一些高能耗磁化焙燒技術(shù)(如豎爐技術(shù)、梁式豎爐技術(shù)、斜坡爐技術(shù))外，近些年研究開發(fā)的回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒技術(shù)、沸騰爐磁化焙燒技術(shù)、閃速磁化焙燒技術(shù)、固定床磁化焙燒技術(shù)等，均處于實驗室初步研究或工業(yè)試驗階段，要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還有很多技術(shù)難題要克服(如回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈問題、傳質(zhì)傳熱速度問題、出爐產(chǎn)物防氧化問題、能量高效利用問題、有害元素與有益元素的控制問題、進一步提高鐵精礦品位問題和提高回收率的問題)，總之目前直接還原技術(shù)處理復(fù)雜難選鐵礦石尚處于實驗室研究階段，基礎(chǔ)理論和工藝都不成熟，有待于進一步研究。

3)當(dāng)前的研究成果表明，深度還原技術(shù)在工藝上已經(jīng)取得了較大的突破，低成本的工業(yè)化應(yīng)用將成為該研究方向工作者攻克的主要難題。開展深度還原一高效分選工藝設(shè)備大型化、自動化的研發(fā)，將對復(fù)雜難選鐵礦石大規(guī)模的開發(fā)利用產(chǎn)生積極的推動作用。

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