高磷鮞狀鐵礦氧化球氣基還原?磁選提鐵降磷研究①

吳世超，孫體昌，張 樂

（1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京100083；2.中鋼石家莊工程設(shè)計研究院有限公司，河北 石家莊050000）

世界鮞狀鐵礦石儲量豐富，開發(fā)這類鐵礦石具有重要意義［1-2］。但這類礦石中鐵礦物與脈石礦物嵌布關(guān)系十分復(fù)雜，高磷鮞狀鐵礦脫磷成為世界性難題［3-4］。研究表明，采用直接還原?磁選工藝從高磷鮞狀鐵礦回收金屬鐵是高效的［5-6］。文獻(xiàn)［7］對某高磷鮞狀鐵礦石進(jìn)行氣基還原取得了很好的提鐵降磷效果，但所得球團(tuán)強(qiáng)度較低。為了提高球團(tuán)強(qiáng)度，進(jìn)行了一系列氧化焙燒試驗，分別以CaCO3、Na2CO3為脫磷劑時，都獲得了符合豎爐要求的氧化球。本文以得到的氧化球為試樣，研究了豎爐氣基還原?磁選制備粉狀還原鐵的可行性，目的是獲得磷含量低于0.1%的高質(zhì)量粉狀還原鐵，為高磷鐵礦氧化焙燒、豎爐還原?磁選新工藝實(shí)際應(yīng)用于該礦石提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗

1.1 實(shí)驗原料

實(shí)驗所用高磷鮞狀鐵礦來自國外某地區(qū)，簡稱原礦。原礦鐵品位和磷含量分別為55.81%和0.72%，原礦主要由赤鐵礦和磁鐵礦構(gòu)成，礦石中磷存在于磷灰石和鐵礦物中，礦石性質(zhì)詳見文獻(xiàn)［8］。

實(shí)驗中脫磷劑為分析純CaCO3以及Na2CO3，黏結(jié)劑為高硅物質(zhì)；氧化氣體為空氣，還原氣體為H2和CO的混合氣體。

1.2 實(shí)驗設(shè)備及方法

實(shí)驗設(shè)備主要有對輥壓球機(jī)、氣氛爐、豎爐、三輥四筒棒磨機(jī)以及磁選管，實(shí)驗過程如下：

1）稱取一定量的原礦、脫磷劑、黏結(jié)劑以及水混勻，采用對輥壓球機(jī)壓制成球，將濕球烘干后置于耐火磚上，然后放入氣氛爐中，當(dāng)爐溫升至500℃時通入一定流量的空氣，保溫到指定時間，停止通入空氣，爐溫降至300℃時，取出耐火磚，得到氧化球。

2）將豎爐溫度升至指定溫度，通入5 L／min氮?dú)庖耘懦磻?yīng)管中的空氣，將裝有氧化球的吊籃送入反應(yīng)管內(nèi)，立即通入H2和CO流量比3∶1的還原氣體，并停止通入氮?dú)?，開始計時，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)還原時間后，關(guān)閉H2和CO，再次通入流量為5 L／min的氮?dú)?，取出吊籃，迅速將還原球埋入裝有石墨粉的石墨盒冷卻至室溫，得到還原球。

3）將還原球破碎至-1 mm，混勻后進(jìn)行階段磨礦?階段磁選實(shí)驗，兩次磨礦時間分別為5 min和15 min，兩段磁選磁場強(qiáng)度分別為111.41 kA／m和95.49 kA／m，磁選精礦即為粉狀還原鐵。

2 實(shí)驗結(jié)果及討論

2.1 以CaCO3為脫磷劑的脫磷實(shí)驗

由于CaCO3來源廣泛、成本低，首先對CaCO3為脫磷劑時獲得的氧化球進(jìn)行氣基還原研究。原礦壓球?氧化焙燒條件為：CaCO3用量25%，水量8%，黏結(jié)劑用量1.5%，氧化焙燒溫度1 300℃，氧化焙燒時間30 min，空氣充氣量6 L／min。

2.1.1 還原氣體總流量對還原鐵指標(biāo)的影響

工業(yè)上應(yīng)用的豎爐還原溫度一般在850～950℃之間，因此首先將還原溫度設(shè)為950℃。根據(jù)以往研究結(jié)果，將還原時間確定為90 min。在還原溫度950℃、還原時間90 min條件下，考察了還原氣體總流量對還原效果的影響，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，鐵品位隨著還原氣體總流量增加基本不變，保持在67.45%左右，這說明被還原成的金屬鐵顆粒細(xì)小，與脈石礦物分離效果差；鐵回收率隨還原氣體總流量增加略微增加，但整體鐵回收效果較差。磷含量隨著氣體總流量增加緩慢下降，但磷含量遠(yuǎn)大于0.1%。從上述結(jié)果可以看出，在較低的還原溫度（950℃）下，改變氣體總流量無法得到合格的粉末還原鐵。綜合考慮，選擇還原氣體總流量5 L／min。

圖1 還原氣體總流量對直接還原?磁選的影響

2.1.2 還原溫度對還原鐵指標(biāo)的影響

適當(dāng)升高還原溫度，有利于提高鐵品位和鐵回收率，并能降低產(chǎn)品中磷含量［9］。在還原時間90 min、還原氣體總流量5 L／min條件下，考察了還原溫度對還原效果的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 還原溫度對氣基直接還原?磁選的影響

從圖2可以看出，鐵品位和鐵回收率均隨還原溫度升高而升高，這可能是高溫破壞了氧化球的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致液相量的生成，從而有利于金屬鐵顆粒的聚集長大［10］，足夠大的鐵顆粒粒度促進(jìn)了鐵的回收；但1 200℃下的鐵品位和回收率仍達(dá)不到目標(biāo)要求。磷含量隨著還原溫度升高略微下降，但磷含量與要求指標(biāo)相差很大?？紤]脫磷指標(biāo)，選擇還原溫度1 200℃。

2.1.3 還原時間對還原鐵指標(biāo)的影響

延長還原時間可改善鐵顆粒的生長和聚集，有利于磨礦過程中實(shí)現(xiàn)鐵顆粒的高效釋放，從而提高鐵品位和鐵回收率、降低磷含量［11］。還原溫度1 200℃、還原氣體總流量5 L／min條件下，研究了還原時間對還原效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 還原時間對氣基直接還原?磁選的影響

從圖3可以看出，鐵品位以及鐵回收率均隨著還原時間增加而逐漸提高，還原時間180 min時，鐵品位以及鐵回收率分別為90.29%和94.23%，滿足要求。磷含量隨著還原時間延長而降低，但180 min時磷含量仍有0.16%，不滿足要求。這是由于充足的還原時間促進(jìn)了鐵顆粒粗化，從而明顯提高鐵磷分離效率。進(jìn)一步增加還原時間，粉末還原鐵指標(biāo)基本不變。

2.1.4 綜合實(shí)驗

在CaCO3用量25%、還原溫度1 200℃、還原時間180 min條件下，獲得了鐵品位90.29%、鐵回收率94.23%、磷含量0.16%的粉末還原鐵。

以CaCO3為脫磷劑，未能獲得合格的粉末還原鐵。

2.2 以Na2CO3為脫磷劑的脫磷實(shí)驗

在水量8%、不添加黏結(jié)劑、H2和CO流量分別為3.75 L／min和1.25 L／min、在氧化焙燒溫度1 200℃條件下焙燒60 min，考察Na2CO3用量對粉末還原鐵指標(biāo)的影響。

由于Na2CO3價格較高，考慮到成本問題，首先選擇Na2CO3用量10%、還原時間180 min進(jìn)行還原實(shí)驗，結(jié)果見圖4。

圖4 Na2CO3用量10%時還原溫度對氣基直接還原?磁選的影響

從圖4可以看出，升高還原溫度促進(jìn)了鐵磷分離，但對鐵回收率影響很小。鐵品位隨還原溫度升高而升高，當(dāng)溫度達(dá)到1 100℃時，鐵品位達(dá)到92.66%，能夠滿足指標(biāo)要求；鐵回收率隨還原溫度升高變化不大，所有條件下鐵回收率都大于94%，都能滿足要求；磷含量隨還原溫度升高先下降而后迅速上升，1 100℃時磷含量最低，但仍有0.16%。盡管適當(dāng)升高溫度有利于去除磷，但實(shí)驗溫度范圍內(nèi)無法獲得合格產(chǎn)品。

Na2CO3用量15%，其他條件不變，進(jìn)行了還原溫度實(shí)驗，結(jié)果如圖5所示。

圖5 Na2CO3用量15%時還原溫度對氣基直接還原?磁選的影響

從圖5可知，鐵品位和回收率首先隨著還原溫度增加而增加，當(dāng)溫度達(dá)到1 100℃時，鐵品位和回收率均達(dá)到最大，當(dāng)溫度進(jìn)一步增加到1 200℃時，鐵品位和回收率均降低。這可能是高溫導(dǎo)致液相量生成，從而有利于金屬鐵顆粒的聚集長大，促進(jìn)了鐵的高效回收，但過高的還原溫度導(dǎo)致液相量明顯增加，不利于還原氣體的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致了鐵回收率降低。磷含量隨還原溫度升高先降低后升高，1 100℃時磷含量最低，為0.08%，該溫度下磷含量滿足要求；溫度繼續(xù)上升至1 200℃時，磷含量升高至0.25%，這可能是高溫促進(jìn)了氧化球中含磷礦物的還原，導(dǎo)致磷含量升高。由此可知，在一定范圍內(nèi)，升高還原溫度有利于回收鐵和脫除磷，但超出該范圍，升高還原溫度并不利于脫除磷。

綜上所述，在Na2CO3用量15%、1 100℃下還原180 min，可獲得粉末還原鐵中鐵品位96.55%、鐵回收率94.99%、磷含量0.08%，實(shí)現(xiàn)了鐵磷高效分離與鐵的充分回收。

3 結(jié) 論

1）以CaCO3為脫磷劑時，工業(yè)上常用的氣基還原溫度下不能實(shí)現(xiàn)提鐵降磷的目標(biāo)，低溫條件下改變還原氣體總流量對粉末還原鐵指標(biāo)影響不大，在實(shí)驗范圍內(nèi)，鐵品位和回收率均小于90%，磷含量均在0.35%以上；升高還原溫度和延長還原時間均有利于鐵的回收，但鐵品位和回收率仍低于90%，磷含量均高于0.1%。以CaCO3為脫磷劑無法獲得合格的粉末還原鐵。

2）以Na2CO3為脫磷劑時，適當(dāng)升高還原溫度以及增加Na2CO3用量有利于提鐵降磷。在Na2CO3用量15%、H2與CO流量分別為3.75 L／min和1.25 L／min、1 100℃下還原180 min，經(jīng)過磨礦磁選后得到了鐵品位96.55%、鐵回收率94.99%和磷含量0.08%的粉末還原鐵，該工藝為高磷鐵礦的利用提供了新思路。