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 土木與資源工程學院，北京100083；2.中鋼石家莊工程設計研究院有限公司，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系十分復雜，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［7］對某高磷鮞狀鐵礦石進行氣基還原取得了很好的提鐵降磷效果，但所得球團強度較低。為了提高球團強度，進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?磁選新工藝實際應用于該礦石提供技術基礎。

1 實 驗

1.1 實驗原料

實驗所用高磷鮞狀鐵礦來自國外某地區，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成，礦石中磷存在于磷灰石和鐵礦物中，礦石性質詳見文獻［8］。

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

1.2 實驗設備及方法

實驗設備主要有對輥壓球機、氣氛爐、豎爐、三輥四筒棒磨機以及磁選管，實驗過程如下：

1）稱取一定量的原礦、脫磷劑、黏結劑以及水混勻，采用對輥壓球機壓制成球，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氮氣以排除反應管中的空氣，將裝有氧化球的吊籃送入反應管內，立即通入H2和CO流量比3∶1的還原氣體，并停止通入氮氣，開始計時，當達到預設還原時間后，關閉H2和CO，再次通入流量為5 L／min的氮氣，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，混勻后進行階段磨礦?階段磁選實驗，兩次磨礦時間分別為5 min和15 min，兩段磁選磁場強度分別為111.41 kA／m和95.49 kA／m，磁選精礦即為粉狀還原鐵。

2 實驗結果及討論

2.1 以CaCO3為脫磷劑的脫磷實驗

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的影響

工業上應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為950℃。根據以往研究結果，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，但磷含量遠大于0.1%。從上述結果可以看出，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的影響

適當升高還原溫度，有利于提高鐵品位和鐵回收率，并能降低產品中磷含量［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構，導致液相量的生成，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了鐵的回收；但1 200℃下的鐵品位和回收率仍達不到目標要求。磷含量隨著還原溫度升高略微下降，但磷含量與要求指標相差很大?？紤]脫磷指標，選擇還原溫度1 200℃。

2.1.3 還原時間對還原鐵指標的影響

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現鐵顆粒的高效釋放，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了鐵顆粒粗化，從而明顯提高鐵磷分離效率。進一步增加還原時間，粉末還原鐵指標基本不變。

2.1.4 綜合實驗

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為脫磷劑的脫磷實驗

在水量8%、不添加黏結劑、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進行還原實驗，結果見圖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，當溫度達到1 100℃時，鐵品位達到92.66%，能夠滿足指標要求；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%。盡管適當升高溫度有利于去除磷，但實驗溫度范圍內無法獲得合格產品。

Na2CO3用量15%，其他條件不變，進行了還原溫度實驗，結果如圖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，當溫度達到1 100℃時，鐵品位和回收率均達到最大，當溫度進一步增加到1 200℃時，鐵品位和回收率均降低。這可能是高溫導致液相量生成，從而有利于金屬鐵顆粒的聚集長大，促進了鐵的高效回收，但過高的還原溫度導致液相量明顯增加，不利于還原氣體的擴散，從而導致了鐵回收率降低。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；溫度繼續上升至1 200℃時，磷含量升高至0.25%，這可能是高溫促進了氧化球中含磷礦物的還原，導致磷含量升高。由此可知，在一定范圍內，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%，實現了鐵磷高效分離與鐵的充分回收。

3 結 論

1）以CaCO3為脫磷劑時，工業上常用的氣基還原溫度下不能實現提鐵降磷的目標，低溫條件下改變還原氣體總流量對粉末還原鐵指標影響不大，在實驗范圍內，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。