含碳球團礦直接還原熔分綜合利用包頭稀土鐵礦

2019-02-27 09:08:24 作者:huangj 來源: 瀏覽次數:0 網友評論 0

基于白云鄂博稀土復合鐵礦的利用現狀,文章提出了含碳球團還原熔分綜合利用稀土復合鐵礦的工藝。
   馬騰飛,佘雪峰,王靜松,薛慶國

  北京科技大學,鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室

  引言

  白云鄂博鐵礦位于我國內蒙古自治區包頭市內,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,占世界已探明儲量的50%,占我國總儲量的80%以上[1-5];鈮資源與釷資源儲量分別儲量居世界第二位,已探明鐵礦石儲量14億噸,此外還蘊藏著豐富的富鉀板巖。該礦種屬于多元素共生礦,現已發現各類礦物170多種,其中鐵礦物12種,稀土礦物16種,鈮礦物20種[6]。但由于白云鄂博復合鐵礦含鐵品位低、礦石類型雜、元素種類多、鐵礦物粒度細等原因,使得該礦在選礦工藝及高爐生產中出現了許多問題[7]。因此,在傳統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實現稀土產業的可持續發展。

  近年來,隨著轉底爐直接還原技術的日趨成熟,許多學者依托轉底爐技術在內配碳球團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,實現了鐵、稀土、鈮等元素的有效分離及富集;劉松立[9]對釩鈦鐵精礦內配碳球團轉底爐直接還原-熔分機理進行了系統研究,得出了實驗室工藝參數。本實驗室也對含碳球團礦做了一系列研究:王廣[10]對硼鎂鐵礦含碳球團進行了直接還原與熔分實驗,獲得了性能良好的含硼鐵塊與富硼渣;丁銀貴[11]采用轉底爐直接還原熔分工藝對白云鄂博稀土鐵礦進行了實驗室研究,實現了渣鐵良好熔分;佘雪峰[12]對直接還原過程中鐵與稀土相的轉變機制進行了研究,為采用轉底爐直接還原工藝處理稀土復合鐵礦提供了理論依據。

  本文在前人的基礎上進一步研究了白云鄂博稀土鐵礦內配碳直接還原熔分行為,對熔分后的渣鐵性質進行了分析,為綜合利用白云鄂博稀土復合鐵礦提供了實驗室參數。

  1 實驗部分

  1.1 實驗原料

  本文所用白云鄂博稀土復合鐵礦來源于包頭鋼鐵集團選礦廠的原礦,該礦成分如表1所示。本試驗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XRD對原礦進行了礦相分析,結果如圖1所示。結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%。稀土鐵礦微觀結構如圖2所示。

  還原劑選用無煙煤,經球磨烘干后用74μm開孔篩篩分。無煙煤化學成分如表2所示,可以發現該煤固定碳含量高,且揮發分、灰分、S、P含量均較低,所以該煤是直接還原的優質還原劑。該煤的灰分主要由SiO2和Al2O3組成,二者之和達到78.49%。無煙煤的與CO2反應性實驗通過熱重儀完成,其中CO2流量為60mL/min,升溫速率為10K/min,熱重圖如圖3所示。可以看出該煤的最大反應速率發生在1150℃左右。  

  表1 稀土鐵礦成分


 

  圖1 稀土鐵礦XRD分析


    

  表2 無煙煤化學成分(wt%)
 

工業分析

 

灰分分析

S

P

FCd

Vd

Ad

Mad

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

81.05

5.98

10.14

2.83

42.79

35.70

2.82

7.89

0.92

0.32

0.06

 
 

3 粉煤反應性熱重圖

  1.2 實驗過程

  將充分烘干的稀土鐵礦和無煙煤粉按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,每個坯子質量為10g左右,在105℃烘干箱中烘干12h,干燥保存備用。

  實驗在MoSi2電阻豎爐中進行,實驗過程中通入N2保護氣,流量為5L/min,分別在1000℃、1100℃、1200℃、1250℃下還原一定時間。還原結束時,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氧樹脂鑲樣,經過粗磨、細磨、拋光和表面噴碳后觀看電鏡,通過電鏡分析還原過程中機理。還原過程中相變情況通過XRD來分析,金屬鐵的生成量通過化學分析來測定,金屬化率(η)通過公式(1)計算:

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

  2 實驗結果和分析

  2.1 溫度、還原時間和碳氧比對還原影響

  以無煙煤為還原劑(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礦的等溫還原行為,結果如圖4所示。可以看出溫度和加熱時間對含碳球團的金屬化率有顯著影響:在相同的加熱時間下,當溫度從1000℃增加到1250℃時,還原率明顯提高。當還原時間為9min時,球團在1250℃時的金屬化率可達91%,但在1000℃條件下的還原終點金屬化率僅為65%左右。這是一方面是因為隨著溫度升高,鐵氧化物與還原劑之間的反應得到了促進;另一方面是由于煤粉反應性隨溫度升高而增加,從而間接促進了鐵氧化物的還原反應。如圖3所示,在無煙煤的非等溫反應性實驗中,當反應溫度低于1145℃時,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。這說明,要使本實驗中的煤能夠達到最大氣化速率,則反應溫度應不低于1145℃。因此,煤的氣化反應實驗很好的解釋了溫度對含碳球團金屬化率的影響。在本實驗中,為了獲得更高的金屬化率,還原溫度應高于1145℃。

  為了研究C/O對球團金屬化程度的影響,選擇了C/O分別為0.8、1.0和1.2的球團,在1200℃的條件下進行了還原,結果如圖5所示。結果表明,隨著C/O由0.8增加到1.0,含碳球團的金屬化率有一定程度的提高;當進一步從1.0提高到1.2時,金屬化率提升并不明顯。可以看出,在反應初期C/O對金屬化率的影響不大。當還原時間在6min之內時,不同C/O球團的金屬化率均在20%左右。這是因為在反應初期,由于球團尺寸較大,還原反應主要由熱傳遞控制,因此CO分壓較低,反應緩慢。6min之后,球團礦的金屬化率迅速升高。這個時候,低C/O的球團的金屬化程度明顯較低,這是由于含碳量較低的球團中CO分壓較低造成的。在反應后期,由于碳的消耗,反應速度開始降低。在15min左右,反應基本完成。實驗中,金屬化率達不到100%,這是由于還原過程中生成了難以還原的含鐵氧化物,而且實驗后期CO分壓不足,不利于間接還原反應進行。

  ……

  

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