北京科技大學(xué)，鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

　　引言

　　白云鄂博鐵礦位于我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市內(nèi)，是稀土與鐵、鈮、釷等元素共生的綜合礦床。其稀土資源居世界第一，占世界已探明儲(chǔ)量的50%，占我國(guó)總儲(chǔ)量的80%以上[1-5]；鈮資源與釷資源儲(chǔ)量分別儲(chǔ)量居世界第二位，已探明鐵礦石儲(chǔ)量14億噸，此外還蘊(yùn)藏著豐富的富鉀板巖。該礦種屬于多元素共生礦，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)各類礦物170多種，其中鐵礦物12種，稀土礦物16種，鈮礦物20種[6]。但由于白云鄂博復(fù)合鐵礦含鐵品位低、礦石類型雜、元素種類多、鐵礦物粒度細(xì)等原因，使得該礦在選礦工藝及高爐生產(chǎn)中出現(xiàn)了許多問(wèn)題[7]。因此，在傳統(tǒng)工藝不能合理高效利用該礦的情況下，迫切需要提出新的利用方法來(lái)實(shí)現(xiàn)稀土產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

　　近年來(lái)，隨著轉(zhuǎn)底爐直接還原技術(shù)的日趨成熟，許多學(xué)者依托轉(zhuǎn)底爐技術(shù)在內(nèi)配碳球團(tuán)礦直接還原工藝上做了很多工作。高鵬[8]利用直接還原-磁選工藝處理白云鄂博稀土鐵礦，實(shí)現(xiàn)了鐵、稀土、鈮等元素的有效分離及富集；劉松立[9]對(duì)釩鈦鐵精礦內(nèi)配碳球團(tuán)轉(zhuǎn)底爐直接還原-熔分機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出了實(shí)驗(yàn)室工藝參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)室也對(duì)含碳球團(tuán)礦做了一系列研究：王廣[10]對(duì)硼鎂鐵礦含碳球團(tuán)進(jìn)行了直接還原與熔分實(shí)驗(yàn)，獲得了性能良好的含硼鐵塊與富硼渣；丁銀貴[11]采用轉(zhuǎn)底爐直接還原熔分工藝對(duì)白云鄂博稀土鐵礦進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究，實(shí)現(xiàn)了渣鐵良好熔分；佘雪峰[12]對(duì)直接還原過(guò)程中鐵與稀土相的轉(zhuǎn)變機(jī)制進(jìn)行了研究，為采用轉(zhuǎn)底爐直接還原工藝處理稀土復(fù)合鐵礦提供了理論依據(jù)。

　　本文在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了白云鄂博稀土鐵礦內(nèi)配碳直接還原熔分行為，對(duì)熔分后的渣鐵性質(zhì)進(jìn)行了分析，為綜合利用白云鄂博稀土復(fù)合鐵礦提供了實(shí)驗(yàn)室參數(shù)。

　　1 實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1 實(shí)驗(yàn)原料

　　本文所用白云鄂博稀土復(fù)合鐵礦來(lái)源于包頭鋼鐵集團(tuán)選礦廠的原礦，該礦成分如表1所示。本試驗(yàn)所用白云鄂博中貧氧化礦鐵礦粉平均粒徑為 16.715μm，90%的礦粉粒徑小于63.516μm，從表1可以看出，該礦鐵品位較低為27.03%，稀土氧化物含量為5.20%。通過(guò)XRD對(duì)原礦進(jìn)行了礦相分析，結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明該礦中主要礦物為Fe2O3、CaF2、RE(CO3)F、REPO4、SiO2。該礦S含量較高為0.89 wt%。稀土鐵礦微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　還原劑選用無(wú)煙煤，經(jīng)球磨烘干后用74μm開(kāi)孔篩篩分。無(wú)煙煤化學(xué)成分如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)該煤固定碳含量高，且揮發(fā)分、灰分、S、P含量均較低，所以該煤是直接還原的優(yōu)質(zhì)還原劑。該煤的灰分主要由SiO2和Al2O3組成，二者之和達(dá)到78.49%。無(wú)煙煤的與CO2反應(yīng)性實(shí)驗(yàn)通過(guò)熱重儀完成，其中CO2流量為60mL/min，升溫速率為10K/min，熱重圖如圖3所示?？梢钥闯鲈撁旱淖畲蠓磻?yīng)速率發(fā)生在1150℃左右?！　?/p>

　　表1 稀土鐵礦成分

　　圖1 稀土鐵礦XRD分析

　　表2 無(wú)煙煤化學(xué)成分（wt%）
 

圖3 粉煤反應(yīng)性熱重圖

　　1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

　　將充分烘干的稀土鐵礦和無(wú)煙煤粉按C/O為0.8、1.0、1.2、1.4混合，其中C/O為固定碳與可還原氧的摩爾比。將煤與礦的混合物用電磁攪拌混合30min，充分混合后加入7wt%左右的去離子水，在20MPa壓力下壓制成圓柱狀，其尺寸為φ10mm*10mm，每個(gè)坯子質(zhì)量為10g左右，在105℃烘干箱中烘干12h，干燥保存?zhèn)溆谩?/p>

　　實(shí)驗(yàn)在MoSi2電阻豎爐中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通入N2保護(hù)氣，流量為5L/min，分別在1000℃、1100℃、1200℃、1250℃下還原一定時(shí)間。還原結(jié)束時(shí)，樣品被迅速取出，在N2氣氛下冷卻至室溫。一些還原后的樣品用環(huán)氧樹(shù)脂鑲樣，經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨、拋光和表面噴碳后觀看電鏡，通過(guò)電鏡分析還原過(guò)程中機(jī)理。還原過(guò)程中相變情況通過(guò)XRD來(lái)分析，金屬鐵的生成量通過(guò)化學(xué)分析來(lái)測(cè)定，金屬化率(η)通過(guò)公式（1）計(jì)算：

　　η=MFe/TFe×100%                            （1）其中MFe為生成的金屬鐵質(zhì)量，TFe為可還原鐵總量。

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

　　2.1 溫度、還原時(shí)間和碳氧比對(duì)還原影響

　　以無(wú)煙煤為還原劑（0.074mm）在碳氧比為1.2的條件下，研究了不同溫度下白云鄂博稀土礦含碳球團(tuán)礦的等溫還原行為，結(jié)果如圖4所示。可以看出溫度和加熱時(shí)間對(duì)含碳球團(tuán)的金屬化率有顯著影響：在相同的加熱時(shí)間下，當(dāng)溫度從1000℃增加到1250℃時(shí)，還原率明顯提高。當(dāng)還原時(shí)間為9min時(shí)，球團(tuán)在1250℃時(shí)的金屬化率可達(dá)91%，但在1000℃條件下的還原終點(diǎn)金屬化率僅為65%左右。這是一方面是因?yàn)殡S著溫度升高，鐵氧化物與還原劑之間的反應(yīng)得到了促進(jìn)；另一方面是由于煤粉反應(yīng)性隨溫度升高而增加，從而間接促進(jìn)了鐵氧化物的還原反應(yīng)。如圖3所示，在無(wú)煙煤的非等溫反應(yīng)性實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)反應(yīng)溫度低于1145℃時(shí)，煤的氣化速率隨溫度的升高而增加，之后由于煤的消耗而降低。這說(shuō)明，要使本實(shí)驗(yàn)中的煤能夠達(dá)到最大氣化速率，則反應(yīng)溫度應(yīng)不低于1145℃。因此，煤的氣化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)很好的解釋了溫度對(duì)含碳球團(tuán)金屬化率的影響。在本實(shí)驗(yàn)中，為了獲得更高的金屬化率，還原溫度應(yīng)高于1145℃。

　　為了研究C/O對(duì)球團(tuán)金屬化程度的影響，選擇了C/O分別為0.8、1.0和1.2的球團(tuán)，在1200℃的條件下進(jìn)行了還原，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，隨著C/O由0.8增加到1.0，含碳球團(tuán)的金屬化率有一定程度的提高；當(dāng)進(jìn)一步從1.0提高到1.2時(shí)，金屬化率提升并不明顯?？梢钥闯觯诜磻?yīng)初期C/O對(duì)金屬化率的影響不大。當(dāng)還原時(shí)間在6min之內(nèi)時(shí)，不同C/O球團(tuán)的金屬化率均在20%左右。這是因?yàn)樵诜磻?yīng)初期，由于球團(tuán)尺寸較大，還原反應(yīng)主要由熱傳遞控制，因此CO分壓較低，反應(yīng)緩慢。6min之后，球團(tuán)礦的金屬化率迅速升高。這個(gè)時(shí)候，低C/O的球團(tuán)的金屬化程度明顯較低，這是由于含碳量較低的球團(tuán)中CO分壓較低造成的。在反應(yīng)后期，由于碳的消耗，反應(yīng)速度開(kāi)始降低。在15min左右，反應(yīng)基本完成。實(shí)驗(yàn)中，金屬化率達(dá)不到100%，這是由于還原過(guò)程中生成了難以還原的含鐵氧化物，而且實(shí)驗(yàn)后期CO分壓不足，不利于間接還原反應(yīng)進(jìn)行。

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