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高铝铁矿石还原焙烧过程中矿物分离的微观机制研究

张国锋
【摘 要】为揭示实际铁矿石钠化还原焙烧过程中铁、硅、铝各矿物分离的微观机制及不同钠盐对铝铁分离的作用机理，本文以高铝铁矿为原料，深入研究了焙烧球团的微观结构，还原气氛下钠盐的熔融特性及钠化还原焙烧动力学规律，为新工艺的开发提供理论基础。
【关键词】高铝铁矿石；还原焙烧；矿物分离
热力学及纯物质试验研究结果表明，硫酸钠、碳酸钠均能与硅、铝发生反应优先生成铝硅酸钠，为铁氧化物的还原创造有利条件；同时由于硫酸钠与碳酸钠本身的性质差异，两者对铁氧化物的还原历程亦产生不同的影响。
1.研究方法
1.1钠盐熔融特性研究
钠盐熔融特性试验在卧式管炉中进行，还原气体为70%CO+30%CO2，保护气为N2，为消除气体在试样外层的外扩散阻力，保证气体流速大于5cm/s，气体的流速控制为2.5L/min。首先将5g硫酸钠或碳酸钠分析纯装入石墨瓷舟内，将瓷舟推入可通气的密封玻璃管内，同时通N2排除玻璃管内空气，再将玻璃管推入管炉中，使瓷舟位于管炉高温区。待炉内温度达到预定温度，停止通N2，改通还原气CO，焙烧30min后停止通还原气，同时通N2保护，取出玻璃管冷却至室温。
1.2微观机理研究
高铝铁矿石各矿物分离的微观机理主要进行了不同钠盐添加剂作用下还原球团的物相转变规律！矿物组成及显微结构研究"焙烧试验采用炉膛直径为70rnm配有自动控温系统的竖式电阻炉作为还原设备，反应罐为60mmx150mm的敞口不锈钢罐.试验时先将高铝铁矿石及钠盐添加剂按一定比例混匀后制成必10mm的球团，湿球团置于100℃下干燥"为尽可能消除试样升温滞后现象和防止试样氧化，试验前首先称取509还原煤铺于反应罐底部，再称取209干球团放进反应罐中，再在其上铺上足量的还原煤。
2.焙烧球团微观结构研究
高铝铁矿石铝铁分离效果除了受铁氧化物还原程度（即金属化率）的影响，还与还原后金属铁颗粒的大小及其与脉石成分的解离特性相关"为进一步确定不同钠盐添加剂对高铝铁矿石还原焙烧过程中金属铁晶粒长大特性的影响，对不同钠盐添加剂作用下的还原球团显微结构进行了分析，还原球团的焙烧条件为焙烧温度1050e，焙烧时间60min。
2.1无添加剂
不加钠盐还原焙烧，球团内部大部分颗粒呈灰白色，亮白色的铁晶粒很少。为进一步确定其矿物组成，对其进行能谱分析（EDX），亮白色的颗粒主要成分为铁，而灰白色的颗粒中主要包含有铁、铝、硅三种元素，表明还原焙烧后大部分铁仍与铝！硅矿物结合紧密，将导致单体解离性能差，铝铁分离效果不佳。
2.2硫酸钠的影响
还原球团内部铁晶粒（白色颗粒）与脉石矿物（灰白色）出现了较明显的界限"此时，虽然铁晶粒间相互连接、聚拢，但晶粒长大仍然不充分，大部分铁晶粒呈单独细小颗粒，一般为5～10纳米。
2.3碳酸钠的影响
球团内部铁晶粒数目很多，但晶粒间并未相互连接长大，仅以粒度细小的颗粒聚集，并且嵌布紧密，铁晶粒粒度一般在1～3纳米之间，说明碳酸钠促进了铁氧化物的还原，球团内部白色颗粒中的主要元素有铁、铝、硅、钠，可见金属铁与铝硅酸钠仍然结合紧密，嵌布关系复杂，将难以实现单体解离，不利于分选。
2.4碳酸钠和硫酸钠的影响
在硫酸钠和碳酸钠的共同作用下，还原球团内部铁晶粒的数目较单独添加硫酸钠时要多，而且铁晶粒与脉石矿物之间界限分明，由此表明在两者共同作用下，铁晶粒与脉石矿物的分离较好，但是铁晶粒比较细小，且晶粒之间没有互相连接。
3.钠化还原反应动力学研究
3.1钠盐对还原度的影响
未添加钠盐时，高铝铁矿石还原速率很慢，随着焙烧时间从5min增加到90min，其还原度从3.32%逐渐增加到85.16%。添加钠盐后，还原速率明显加快，其中添加硫酸钠还原，随着焙烧时间从5min增加到90min，还原度从42.98%升高到94.91%，添加碳酸钠还原，还原度从12.43升高到96.75%。与添加碳酸钠的还原球团显微结构比较可知，高铝铁矿石添加硫酸钠还原焙烧，还原初期金属铁晶粒数目明显较之碳酸钠要多，铁氧化物还原速度快。这主要是因为碳酸钠在还原初期快速分解产生大量CO2，使得体系内气体分压增大，间接降低了还原气CO的浓度，因此还原初期铁氧化物还原速率较慢。
3.2不同钠盐对铝铁分离的作用机理
在钠化还原过程中，硫酸钠、碳酸钠均在熔化温度以下即开始与铝、硅氧化物发生反应，起到破坏矿石结构的作用，但是由于硫酸钠和碳酸钠的性质差异，导致它们对铁、铝、硅氧化物在钠化还原过程中的反应历程产生不同的影响"还原球团微观结构研究结果表明，硫酸钠能促进铁晶粒与脉石矿物分离，有利于铁铝的分离；而在碳酸钠作用下，球团内部铁晶粒与脉石矿物仍然结合紧密，不利于单体解离。
4.结论
（1）还原产物物相研究结果表明，高铝铁矿石不添加钠盐还原焙烧，铁氧化物部分被还原成无磁性的Fe，难以通过磁选回收；添加钠盐后，铁氧化物的还原得到改善，脉石矿物SiO2、Al2O3与钠盐发生反应生成铝硅酸钠，使矿石结构被破坏，有利于铝铁分离，比较而言，硫酸钠的作用比碳酸钠要强。
（2）还原气氛下钠盐熔融特性研究结果表明，硫酸钠存在的还原体系将新生成S、Na2S、FeS等物质，形成低熔点化合物，进一步在局部形成液相，为铁离子的扩散提供通道。而碳酸钠存在的还原体系没有新相生成，铁离子的迁移只能通过固相扩散进行，迁移阻力较大，因此铁晶粒与脉石矿物的界限不及添加硫酸钠时分明。
（3）还原动力学研究结果表明，硫酸钠和碳酸钠均能显著提高铁矿石的还原速率，比较而言，在还原初期，添加碳酸钠还原速率较硫酸钠要慢一些。可见，高铝铁矿石添加碳酸钠焙烧时，在还原初期，铁氧化物的还原速度较硫酸钠慢，碳酸钠与铝、硅矿物反应温度低，速度快，当铁氧化物被还原为金属铁时，铝硅酸钠成为铁离子迁移的壁垒，铁离子扩散的势垒增大，这是添加碳酸钠还原铁晶粒与脉石矿物的界限不及添加硫酸钠时分明的另一个因素。
【参考文献】
[1]张经生.我国铁矿资源开发利用现状及发展趋势.钢铁，2007，42（2）.
[2]施月循，刘宏娟.高炉增加高铝铁矿冶炼的可行性探讨.上海金属，2001，23（l）.
科技致富向导2013年10期
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