还原剂组分对高磷鲕状赤铁矿直接还原效果的影响

徐承焱 孙体昌 寇 珏 高恩霞 曹允业

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

·矿物工程·

还原剂组分对高磷鲕状赤铁矿直接还原效果的影响

徐承焱1,2孙体昌1,2寇 珏1,2高恩霞1,2曹允业1,2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

分别以活性炭、焦炭、无烟煤1和褐煤为还原剂，并添加混合钠盐脱磷剂，通过直接还原焙烧—磨矿—弱磁选对鄂西高磷鲕状赤铁矿石进行提铁降磷试验，发现灰分、固定碳和挥发分3种组分含量的不同导致4种还原剂对所获直接还原铁指标(铁品位、铁回收率、磷含量)的影响也不相同，但由于还原剂中3种组分的影响相互交织在一起，因而较难分别归纳出各组分对直接还原铁指标的影响规律。为此，又引入另6种还原剂，采取将不同单一还原剂进行复配，使复配还原剂只有1种组分的含量发生改变的方法进行了进一步研究，结果表明：还原剂中挥发分的含量较高有利于提高直接还原铁的铁回收率，但对直接还原铁的铁品位和磷含量有不利影响；还原剂中固定碳的含量较高也有利于提高所获直接还原铁的铁回收率而对直接还原铁的铁品位影响不大，但对降磷不利；还原剂灰分含量过高对直接还原铁的铁品位、铁回收率和磷含量都有不利影响。以上研究成果为采用直接还原焙烧—弱磁选工艺对高磷鲕状赤铁矿石进行提铁降磷时合适还原剂的选择提供了有益的参考。

高磷鲕状赤铁矿石 直接还原焙烧 还原剂组分 直接还原铁指标

鲕状赤铁矿石具有铁矿物嵌布粒度细、与脉石矿物夹杂共生等特点，采用常规的选矿方法难以获得好的选别指标[1-2]。对于高磷鲕状赤铁矿石，虽然采用磁化焙烧—弱磁选、磁化焙烧—弱磁选—反浮选等工艺能得到铁品位较高的铁精矿，但铁精矿中P含量仍较高[3]。要解决高磷鲕状赤铁矿石的含磷问题，有效的办法是采取添加脱磷剂的直接还原技术。如孙体昌等采用添加脱磷剂的直接还原焙烧工艺来处理磷含量为0.83%的鄂西高磷鲕状赤铁矿石，焙烧产物经磨矿—弱磁选后可以得到铁品位>90%、铁回收率>87%的还原铁粉，其磷含量降至0.1%以下[4]。

还原剂的种类及用量直接影响铁矿石或(复合)球团矿的直接还原效果[5-7]。笔者在对鄂西高磷鲕状赤铁矿石进行的直接还原焙烧提铁降磷研究中发现[8]，不同种类和用量的煤或固体炭对直接还原效果的影响较大，但对还原剂组分(固定碳、挥发分和灰分)的影响尚不清楚，本试验着重开展这方面的研究，以期为采用直接还原焙烧—弱磁选工艺对高磷鲕状赤铁矿石进行提铁降磷时合适还原剂的选择提供参考。

1 试验材料

1.1 矿 石

试验用矿石为鄂西高磷鲕状赤铁矿石，其铁品位和磷含量分别为43.65%和0.83%。

矿石中主要有用矿物为赤铁矿，有少量褐铁矿。赤、褐铁矿中的铁占全铁的97.82%，其他形式的铁占有率较少。脉石矿物主要为石英等二氧化硅矿物(含玉髓、蛋白石)，其次为绿泥石(鲕绿泥石、鳞绿泥石)、黏土类(高岭石、水云母)，有少量胶磷矿、碳酸盐类、黑云母、绢云母及微量蛇纹石、锆石等。

矿石性质详见文献[9]。

1.2 还原剂和脱磷剂

试验中共选用了不同产地的4种烟煤、2种无烟煤、1种褐煤、1种石煤、1种活性炭和1种焦炭作为还原剂，各种还原剂的代号和工业分析结果见表1。

表1 还原剂代号及工业分析结果

从表1可以看出，各还原剂的水分、灰分、挥发分、固定碳含量都有明显的差异：水分以M6含量最高，达13.18%，其次是M4、M5和R1～R4，水分含量为2.63%～1.22%，而M1～M3水分含量较低，都在1%以下；灰分以R3含量最高，达35.64%，其次是M2、R1、R2，灰分含量为28.30%～24.82%，再次是M1、M3～M5，灰分含量为13.63%～11.93%，而M6和R4灰分含量较低，分别为7.15%和8.01%；挥发分以M6含量最高，达50.13%，其次是M2和R2、R3，挥发分含量为32.16%～23.68%，再次是M1和M5，挥发分含量分别为18.53%和10.21%，而M3、R1和R4挥发分含量较低，为7.11%～5.02%；固定碳以M3、M4和R4含量较高，为84.99%～80.15%，其次是M1、M2、M5和R1，固定碳含量为77.86%～51.50%，而M6和R2、R3固定碳含量较低，均在43%以下。

脱磷剂采用代号分别为SY1和SY2的2种分析纯钠盐的混合物，SY1与SY2的质量比为2∶1。

2 试验方法

将矿石和还原剂破碎到-2 mm，与脱磷剂按一定比例混匀，装入石墨坩埚，在马弗炉中于950 ℃下直接还原焙烧40 min，焙烧产物经两段阶段磨矿、阶段弱磁选获得直接还原铁产品(简称还原铁)。磨矿设备采用RK/BM三辊四筒智能棒磨机，磨筒体积为1 L，磨矿介质为φ14 mm×120 mm钢棒，介质充填率为45%，磨矿浓度为67%，一段磨矿时间为3 min(相应磨矿细度为-74 μm占67%左右)，二段磨矿时间为20 min(相应磨矿细度为-25 μm占97%左右)；弱磁选设备采用CCS型磁选管，两段弱磁选场强均为89.13 kA/m。

试验在进一步考察还原剂种类和用量对还原铁指标(铁品位、铁回收率和磷含量)影响的基础上，着重研究还原剂组分(灰分、挥发分、固定碳)对还原铁指标的影响。

试验中还原剂和脱磷剂的用量均为与矿石的质量比，其中脱磷剂的用量固定为30%。

3 试验结果与讨论

3.1 还原剂种类和用量对还原铁指标的影响

采用不同用量的M3(活性炭)、M4(焦炭)、M5(无烟煤1)和M6(褐煤)进行直接还原焙烧—磨矿—弱磁选，试验结果见图1。

从图1可以看出，灰分、固定碳和挥发分3种组分含量的不同导致4种还原剂对还原铁指标的影响也不相同。但由于还原剂中3种组分的影响相互交织在一起，因而较难归纳出哪种组分对还原铁的哪个指标具有怎样的影响。

图1 还原剂种类和用量对还原铁指标的影响

3.2 还原剂组分对还原铁指标的影响

3.2.1 还原剂的复配

为了掌握还原剂各组分对还原铁指标的影响规律，采取将单一还原剂进行复配的办法，即将不同单一还原剂按一定配比混合，使混合后的还原剂只有1种组分的含量发生改变而另2种组分的含量固定，从而避免还原剂中3种组分的互相干扰。复配时各单一还原剂的配比按下式通过建立方程组求得[10]：

(1)

式中，w为复配还原剂中某组分的含量；wi为第i种单一还原剂相应组分的含量；γi为第i种单一还原剂的配比。

由于按式(1)经过探索性计算，发现仅采用M3～M6不能满足复配要求，故又引入了其他6种还原剂M1、M2和R1～R4。

3.2.2 还原剂复配的可行性

按3.2.1节方法配出4种灰分、固定碳和挥发分的含量都相同的复配还原剂A1～A4，在其用量均为40%的条件下考察所得还原铁的指标是否一致，以验证对还原剂进行复配的可行性。A1～A4的配比及它们的用量为40%时各组分与矿石的质量比见表2，所得还原铁的指标见表3。

表2 A1～A4的配比及其各组分与矿石的质量比

表3 A1～A4所得还原铁的指标

从表3可以看出，A1～A4所得还原铁的铁品位、铁回收率、磷含量都非常相近，说明采用对还原剂进行复配的方法来研究还原剂中某种组分对所得还原铁指标的影响是可行的。

3.2.3 还原剂挥发分对还原铁指标的影响

按3.2.1节方法配出5种仅挥发分的含量不同的复配还原剂B1～B5，在其用量均为40%的条件下进行直接还原焙烧—磨矿—弱磁选试验。B1～B5的配比及它们的用量为40%时各组分与矿石的质量比见表4，所得还原铁的指标变化见图2。

表4 B1～B5的配比及其各组分与矿石的质量比

图2 还原剂挥发分对还原铁指标的影响

从图2可以看出，总体上，随着还原剂中挥发分含量的增加，所得还原铁的铁品位呈下降趋势而铁回收率和磷含量呈上升趋势，说明增加还原剂中挥发分的含量有利于提高还原铁的铁回收率，但对还原铁的质量不利。

3.2.4 还原剂固定碳对还原铁指标的影响

按3.2.1节方法配出4种仅固定碳的含量不同的复配还原剂C1～C4，在其用量均为40%的条件下进行直接还原焙烧—磨矿—弱磁选试验。C1～C4的配比及它们的用量为40%时各组分与矿石的质量比见表5，所得还原铁的指标变化见图3。

表5 C1～C4的配比及其各组分与矿石的质量比

图3 还原剂固定碳对还原铁指标的影响

从图3可以看出，随着还原剂中固定碳含量的增加，所得还原铁的铁品位逐渐下降而铁回收率和磷含量逐渐上升，但铁品位下降的幅度不大，说明增加还原剂中固定碳的含量也有利于提高还原铁的铁回收率而对还原铁的铁品位影响不大，但对降磷不利。

3.2.5 还原剂灰分对还原铁指标的影响

按3.2.1节方法配出4种仅灰分的含量不同的复配还原剂D1～D4，在其用量均为40%的条件下进行直接还原焙烧—磨矿—弱磁选试验。D1～D4的配比及它们的用量为40%时各组分与矿石的质量比见表6，所得还原铁的指标变化见图4。

表6 D1～D4的配比及其各组分与矿石的质量比

图4 还原剂灰分对还原铁指标的影响

从图4中可以看出，随着还原剂中灰分含量的增加，所得还原铁的铁品位呈波动下降趋势，磷含量呈波动上升趋势，铁回收率则在86.21%～90.09%范围内下降、上升、再下降。总体而言，还原剂灰分含量过高对还原铁的铁品位、铁回收率和磷含量都有不利影响。

4 结 论

(1)还原剂中挥发分的含量较高有利于提高鄂西高磷鲕状赤铁矿石经直接还原焙烧—磨矿—弱磁选所获直接还原铁产品的铁回收率，但对直接还原铁的铁品位和磷含量有不利影响。

(2)还原剂中固定碳的含量较高也有利于提高所获直接还原铁产品的铁回收率而对直接还原铁的铁品位影响不大，但对降磷不利。

(3)还原剂灰分含量过高对所获直接还原铁产品的铁品位、铁回收率和磷含量都有不利影响。

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(责任编辑 孙 放)

EffectsofComponentsofReductantsonDirectReductionofHigh-phosphorusOoliticHematite

Xu Chengyan1，2Sun Tichang1，2Kou Jue1，2Gao Enxia1，2Cao Yunye1，2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，BeijingUniversityofScienceandTechnology，Beijing100083，China；2.KeyLaboratoryofforHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMines,MinistryofEducation，Beijing100083，China)

With activated carbon，coke，anthracite 1，and lignite as reductants，and with the addition of mixed sodium salts dephosphorization agent，through the direct reduction roasting-grinding-low intensity magnetic separation process，the experiment of iron increase and phosphorus removal for high-phosphorus oolitic hematite from Western Hubei Province was carried out.It is found that three components of ash，fixed carbon and volatile content in different lead to the different effect of four kinds of reductants on the obtained direct reduction iron(DRI) indexes(iron grade，iron recovery，and phosphorus content).However，due to the influence of three components in reductants is intertwined together，it is difficult to summarize respectively the influence law of each component on DRI index.Therefore，other 6 kinds of reductants were introduced.Through the blending of different single reductants，and the blended reductants has only one component changed，the further research was conducted.The results indicated that the reductants with higher volatile are beneficial to increasing iron recovery，but not beneficial to iron grade and phosphorus content.The reductants with higher fixed carbon are beneficial to iron recovery，and have little effect on iron grade，but not favorable for phosphorus removal.The reductants with over high ash are not benefit to iron grade，iron recovery，and phosphorus content.The above research results provide valuable references to selecting suitable reductants for iron increase and phosphorus removal by direct reduction roasting and low intensity magnetic separation technology for high phosphorus oolitic hematite.

High-phosphorus oolitic hematite，Direct reduction roasting，Components of reductants，Direct reduction iron(DRI)indexes

2014-08-11

国家自然科学基金重点项目(编号：51074016，51134002)。

徐承焱(1982—)，男，工程师，博士。

TD951.1，TD925.7

A

1001-1250(2014)-12-061-05