钠盐强化某低品位铁矿含碳球团还原研究

2019-01-29   作者：佚名   网友评论 0 条

　　采用直接还原-磁选方法处理该类铁矿石是目前研究热点之一，在还原温度1000-1200℃和还原时间60min-120min的条件下，还原产品的金属化率在85%以上；磨矿、磁选后精矿铁品位、铁回收率分别在85%~95%和80%以上[5-7]。但该类铁矿石硅含量较高，在还原过程中生成的FeO会与SiO2生产铁橄榄石（Fe2SiO4）。铁橄榄石易与其他化合物形成低熔点体系[8]，在高温下转变为液相，阻碍铁氧化物的进一步还原。此外，铁橄榄石本身难以被还原[9-10]，从而造成铁元素的流失。因此如何使氧化铁快速还原成为金属铁，避免生成过多的铁橄榄石在直接还原过程中至关重要。

　　研究表明，碱金属及碱土金属化合物对铁氧化物的还原反应有一定的促进作用。Na2CO3、Na2SO4、K2CO3以及NaCl等碱土金属盐被广泛用于促进铁氧化物的还原，且效果显著效果[11-16]。对于碱土金属促进铁氧化物的还原机理，有研究认为碱土金属盐添加剂可以破坏矿石结构，使某些与脉石有复杂嵌布关系的物质从束缚态中释放出来，从而促进铁氧化物的还原[12]。也有研究认为碱土金属盐可以弱化FeO中Fe-O键，促进铁氧分离，加快还原[11]。此外，大量研究表明碱土金属盐可以大幅促进碳的气化反应[17-19]，这对加快铁氧化的还原是有利的。鉴于碱土金属盐对铁氧化物的还原具有显著的促进作用，在本研究中采用某钠盐作为添加剂强化某还原低品位铁矿还原，从而提高对该类铁矿资源的利用效率。然而，尽管对碱土金属盐促进铁氧化物还原作用的机理研究众多，但其作用机理也随原料变化而存在较大差异。因而，深入研究钠盐对低品位铁矿还原的作用机理，对采用直接还原法利用该类铁矿资源具有重要的指导意义。

　　本研究以某高硅低品位微细粒嵌布赤铁矿石为研究对象，采用内配煤造球后进行还原焙烧，并添加钠盐强化还原效果。研究了温度、时间、内配煤用量和添加剂用量对还原过程的影响。采用了烟气分析的方法和SEM-EDS和XRD研究了钠盐促进还原作用的机理。

　　1 原料性能与试验方法

　　1.1 原料性能

　　铁矿是来自湖南某地，其化学成分如表1所示，X射线衍射结果如图1所示。

　　 　　表1 铁矿化学成分分析/wt%　　

　　由表1可知，该铁矿铁品位仅为33.86%；脉石主要是SiO2（40.61%），其次是Al2O3，有害元素P、 S含量较低。由图1可知铁矿中主要含铁矿物为赤铁矿；主要脉石为石英，并伴生有少量的绢云母和绿泥石。

　　
　　图1 铁矿的X射线衍射分析图谱

　　图2为铁矿的扫描电镜分析图谱，表2为矿石中铁氧化物的嵌布粒度分析结果。由图2和表2可知，矿石中主要含赤铁矿(Fe2O3)和石英(SiO2)两种矿物，两者呈浸染状相互交生，嵌布关系十分复杂。赤铁矿粒度极其细小，小于0.01mm部分占赤铁矿质量分数的39.94%，分散程度高，主要呈星点状无规则地分布。将铁矿石破碎、磨细（小于0.037mm部分占71.20%）用于造球。

　　表2 原矿中铁矿物的粒度组成

　　实验所用的还原煤工业分析结果如表3所示。将还原煤破碎、磨细（小于0.037mm占58.89%）用于造球。

　　 　　表3 还原煤工业分析　　

　　注：Fcad为空气干燥基固定碳；Mad为空气干燥基水分； Ad为干基灰分；Vdaf为干基挥发分。

　　
　　H-赤铁矿  Q-石英

　　图2 铁矿扫描电镜图谱

　　　　1.2 实验方法

　　将煤粉和铁矿粉料按固定碳含量和全铁含量质量比值为m（C）/m（Fe）=0.4进行混合，添加一定比例的添加剂、1.5%的膨润土和8%预配水混匀。然后在圆盘造球机中（直径为1m，倾角为45°，转速为28r/min）制成粒级为5-8mm的生球，并放入110℃的烘箱进行干燥2h以做备用。

　　还原焙烧使用的设备如图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），将石英玻璃管中的空气排出。将石英管缓缓放入炉中，待还原炉的温度升至所需温度时开始计时，达到预定时间后将还原小球取出萃冷防止再氧化。还原效果用还原球团的金属化率表示：

　　η = MFe/TFe×100%                                   (1)式中：η-还原球团的金属化率，%；

　　MFe-还原球团中金属铁的含量，%；

　　TFe-还原球团中全贴的含量，%。

　　磨矿实验是在XMQ240×90型的锥形球磨机中进行的，磨矿时矿浆浓度为50％；磨矿细度为小于-0.045mm占100%。磁选设备为XCGS一73型磁选管, 磁场强度为2300Gs。

　　
　　1―N2  2―智能温控仪  3―气体流量计  4―耐火材料  5―石英玻璃管  6―硅碳棒  7―内配煤制粒小球  8―计算机（记录气体成分用） 9―粉尘过滤器  10―烟气分析仪11―固体干燥剂

　　图3 还原焙烧设备示意图

　　研究钠盐作用机理所用方法、实验设备和还原焙烧设备相同，不同之处为用烟气分析仪对还原气氛进行了分析（如图3所示）。将排出的尾气与烟气分析仪连接，分析还原时产生的气体进行成分与含量。烟气分析仪为MUR烟气分析仪，可以分析出气体中所含有O2、CO、CO2、SO2和CxHy体积分数的含量。烟气分析仪与计算机连接，每隔10s自动记录CO、CO2的含量。试验前烟气分析仪中CO、CO2示数为0%， O2的含量小于0.2%。当反应开始后，玻璃管中的气体向外排出进入烟气分析仪进行分析。

　　烟气分析仪得出的气体含量数据表明，石英玻璃管中气体成分主要为CO、CO2和N2三种。由于N2为惰性气体，不参与反应，因此可以认为使用该方法测出的CO、CO2的含量能比较真实的反映出反应体系中的CO、CO2含量。将CO和CO2的体积分数含量按照式（2）计算，用于还原过程中气氛分析。

　　式中: XCO -气氛中CO占的比例，%；

　　VCO -气氛中CO的体积含量，cm3；

　　VCO2 -气氛中CO的体积含量，cm3。

　　此外，采用了XRD和SEM-EDS等技术对还原焙烧产物进行检测，以分析其还原机理。

　　2 结果与讨论
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