改善高铝铁矿预还原-熔分行为的研究

2018-01-23   作者:佚名   网友评论 0

高铝铁矿和高锰高铝铁矿是两种储量丰富但又极难分选的铁矿资源,实现铁、铝、锰的高效综合利用具有重要意义。本文研究了两种铁矿石工艺矿物学,考察了单矿种的预还原-熔分行为。
   朱德庆,李思唯,潘建,周仙霖

  中南大学资源加工与生物工程学院,长沙 410083

  1  前言

  高铝铁矿及高锰铁矿储量丰富,但其中各种矿物嵌布粒度微细,赋存状态复杂,铁和铝、铁和锰有相当比例是以类质同象存在,难以分离,是典型的复杂难选铁矿石资源[1-5]。此外,还有一种高铝含铁二次资源-赤泥,我国每年赤泥排放量高达数百万吨,但综合利用率仅有4%[6];世界锰资源储量约为6.3亿,我国含量高达4400万吨,在已勘查的矿床中,铁含量超过标准的高铁锰矿资源占73%[7]。因此,研究如何综合利用高铝及高锰铁矿资源对缓解我国钢铁行业的压力及降低对进口矿的依赖度有重要意义。

  高铝铁矿因Al2O3含量较高,不能直接用于高炉冶炼铁水,而配加少量高铝铁矿用于烧结时,一方面配加比例太低,导致该类资源利用程度较低,另外又会对烧结矿质量产生不利影响。因此,高铝铁矿中铁铝分离是实现其高效利用的前提。由于传统的物理选矿工艺不能将铝铁很好的分离,目前大多数采用火法工艺进行分离,但是大多数火法工艺需要添加大量的盐类添加剂,导致生产成本急剧增加,并且不利于设备顺行[8-13]。由于锰和铁的性质相近,所以两者往往紧密共生或以类质同象形态存在,常规的选矿工艺很难将其分离,目前最有效的手段是将其作为高炉炉料生产富锰渣,但是富锰渣工艺需要以焦炭为燃料和还原剂,随着焦煤资源的不断减少,且炼焦工艺环境污染大[14-19]。因此,需开发一种具有金属回收率高、环境污染小等优点的熔融还原工艺,以实现对铁和铝、铁和锰的高效分离,从而达到对这两种资源的高效利用。本文以两种铁矿石为原料,在研究两种原料物化性能、工艺矿物学特征及还原行为的基础上,对两种矿的混合矿预还原-熔分行为进行深入研究,以高锰铁矿促进高铝铁矿的还原,为实现铁、铝和锰在熔分中的高效分离提供理论依据。

  2  原料性能及研究方法

  2.1 含铁原料性能

  2.1.1 物化性能

  两种含铁原料的化学成分如表1所示。由表可知,高铝铁矿铁品位为41.92%,铝、硅含量较高,分别为13.74%和13.96;高锰铁矿铁品位为42.32%,其锰、铝和硅含量分别为9.24%、6.60%和4.22%;两种原料的烧损(LOI)量均比较大,分别为7.20%和11.05%。

  2.1.2 矿相组成及赋存状态

  图1为两种含铁原料的XRD分析结果。由图可知,高铝铁矿的矿物组成以赤铁矿(Hematite)、针铁矿(Goethite)、高岭石(Kaolinite)和三水铝石(Gibbsite)为主;高锰铁矿则以赤铁矿、针铁矿、软锰矿(Pyrolusite)、高岭石和三水铝石为主。表2为两种含铁原料主要元素赋存状态,由表2可知,两种含铁原料中铁、铝和硅的赋存形式相似,铁主要赋存于赤铁矿和针铁矿中,比例分别达98.59%和98.87%;铝均以含铝硅酸盐类矿物 (高岭石)和独立的铝矿物 (三水铝石和一水铝石)为主,两者三种矿物分布率分别为62.66%和41.36%、26.20%和51.06%及11.14%和7.58%;硅均以硅酸盐类矿物为主,分布率分别达94.99%和85.78%,少量为游离的石英。另外,高锰铁矿中锰主要以氧化锰为主,分布率达72.73%,其次为锰铁矿物(类质同象),达19.70%。
 

  表1 含铁原料化学成分分析 (wt %)

  Table 1 Chemical compositions of the raw materials (wt %)

含铁原料

TFe

FeO

TMn

Al2O3

SiO2

CaO

MgO

K2O

Na2O

P

S

LOI

 

高铝铁矿

41.92

0.17

1.24

13.74

13.96

0.13

0.88

0.42

0.033

0.130

0.014

7.20

 

高锰铁矿

42.32

0.12

9.24

6.60

4.22

0.20

0.20

0.30

0.026

0.065

0.018

11.05


  2.2 还原剂性能

  对试验所用还原剂进行工业分析、灰分成分分析以及软熔特性分析,结果如表3、表4所示。由表3可知,还原剂固定碳含量为52.12%,挥发分为30.41%,全硫含量较低,为0.58%,灰分仅为4.49%,具有较高的软化温度,达1376℃,是一种理想的还原剂;由表4可知,灰分中主要含硅、钙、铁和铝等。 

  表3 还原煤工业分析及其灰分软熔性特性

  Table 3 Industrial analysis of reductant coal and fusibility of coal ash

还原煤工业分析/%

还原煤灰分软熔特性/

Fcad

Mad

Ad

Vdaf

St.ad

变形温度

软化温度

半球温度

流动温度

52.12

12.98

4.49

30.41

0.58

1332

1376

1450

1469


TFe

SiO2

Al2O3

CaO

MgO

K2O

Na2O

P

S

11.80

27.62

8.02

24.94

1.34

0.16

1.34

0.01

12.92

 

  2.3 研究方法

  工艺流程包括造球、预还原和熔分三个主要环节。预还原过程是在竖式加热炉中进行,加热室内径为80mm,最高可调温度为1350℃,温控精度为±5℃,还原罐为ψ65mm×150mm的不锈钢反应罐。试验时首先在圆盘造球机上制备ψ10-12mm的铁矿球团,干燥后备用;每次称取50g干燥球团,按配用量依次装入1/3还原煤、干燥球团和剩余2/3还原煤,然后把还原罐放入已达到目标温度的竖式加热炉中,带升至设定温度时开始计时;还原结束后,把还原罐取出并立即盖上煤粉以防止还原球团被氧化,冷却至室温。熔分过程在马弗炉内进行,首先按一定配比将预还原球团与还原剂混匀放置于刚玉坩埚中,并盖上石墨盖,当马弗炉温度升至设定温度时,将刚玉坩埚放入高温炉膛中,待温度升到目标温度时开始恒温计时,熔分时间结束后即刻取出,将坩埚放置于通有N2的保护罐中进行冷却至室温;破碎分离渣铁,分别称重、制样、化验铁、锰品位等。

  矿物组成采用日本理学D/max 2500型X射线衍射仪检测,开始角度10。,结束角度为80。,步长为0.02。,计数时间为0.15s,CuKα辐射,电压40kV,电流250mA,主要元素赋存状态参照相关国家标准采用化学分析方法测定。

  3  预还原-熔分工艺研究

  本文进行了高铝铁矿、高锰铁矿及高锰铁矿共还原强化高铝铁矿熔分的制度优化,考察了熔分温度、熔分时间和熔分还原剂配比对熔分效果的影响。

  3.1 高铝铁矿

  研究探索了采用预还原-熔分工艺处理高铝铁矿,实现渣铁分离的可行性。预还原制度为:预还原温度为1050℃、时间为90min、C/Fe比为1.5,预还原球团金属化率为66.49%。过程中采用FactSage7.0软件计算高铝铁矿预还原球团熔化时初渣渣型在不同温度条件下的粘度,为后续熔分试验提供参考。

  表5为高铝铁矿预还原熔化时初渣的理论渣型,由于高铝铁矿预还原金属化率低,故初渣中FeO含量高达25.00%,Al2O3含量高达34.00%,SiO2含量为34.54%,同时含少量MnO和MgO,CaO含量极低,仅为0.32,计算其二元碱度为0.009。传统高炉初渣[20]FeO含量较低,仅为3.72%,SiO2含量与高铝初渣相差不大,为34.10%,而Al2O3含量明显低于高铝实渣,仅为15.73%,高炉炉渣碱度约为1.0~1.2,因此CaO含量较高,MgO含量也高于高铝初渣,MnO含量略低。为了获得较好的炉渣流动性,传统高炉渣中Al2O3含量一般低于18%,而研究中的高铝初渣Al2O3含量比传统高炉初渣高出一倍多,可以预见此初渣粘度较大,流动性差。

……

  

 

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