超纯铁精矿直接还原试验研究_李国峰.pdf

收稿日期2019-10-15 基金项目河北省自然科学基金项目 （编号 E2018209089， E2018209096） ， 华北理工大学博士科研启动项目 （编号 28411499） 。 作者简介李国峰 （1987） ， 男， 副教授， 博士。 总第 522 期 2019 年第 12 期 金属矿山 METAL MINE 超纯铁精矿直接还原试验研究 李国峰李营营尚新月李凤久刘立伟 1 （华北理工大学矿业工程学院， 河北 唐山 063210） 摘要对铁矿石直接还原具有流程短、 能耗低、 污染少等优势， 对TFe品位72.21、 SiO2含量0.17的超纯铁 精矿进行直接还原。结果表明， 在还原温度 900 ℃、 还原时间 120 min、 H2浓度 70 的条件下可获得 TFe 品位 92.06、 金属化率为92.58的直接还原铁。借助XRD与SEM测试技术， 分析了还原时间对产品物相组成和微观形 貌的影响。XRD分析结果表明， 随着还原时间的延长， Fe3O4和还原过程的中间产物FeO逐渐转化成Fe， 还原时间 延长至120 min时， 还原反应基本完成。SEM分析结果表明， 还原反应由颗粒边缘向内部逐步推进， 当还原时间为 120 min时， 还原产品中绝大部分铁以金属铁的形式存在， 其中包裹了少量微小的FeO区域。 关键词超纯铁精矿直接还原金属化率 中图分类号TD925.7文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -12-084-04 DOI10.19614/ki.jsks.201912015 Experiment Study on Direct Reduction of Ultrapure Iron Concentrate Li GuofengLi YingyingShang XinyueLi FengjiuLiu Liwei2 （College of Mining Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063210， China） AbstractThere are advantages of short process， low energy consumption and pollution to direct reduction on iron ore. The ultrapure iron concentrate with TFe grade of 72.21 and SiO2content of 0.17 was directly reduced. Results indicated that reduction products with 92.06 TFe and the metallization rate of 92.58 was obtained under the conditions of reduction temperature 900 ℃ for 120 min and 70 H2concentration. The effect of reduction time on phase composition and microstruc- ture was analyzed using XRD and SEM test technique. XRD analysis results show that Fe3O4and the intermediate in reduction FeO were gradually transed into Fe with extending reduction time， and the reduction reaction was basically complete af- ter 120 min reduction. SEM analysis results indicate that the reaction was gradually promoted from the outside of particles to the inside. When the reduction time was 120min，most of the Fe in reduction products was in the of metal iron，while a small amount of tiny FeO region were wrapped in metal iron. KeywordsUltrapure iron concentrate， Direct reduction， Metallization rate 超纯铁精矿作为铁精矿的深加工产品， 一般指 全铁含量大于 71、 SiO2含量小于 0.6、 Fe3O4含量 在 99以上的磁铁矿精矿 ［1］。近年来， 超纯铁精矿 的用途日益广泛， 在冶金、 电子、 化工和医疗等领域 均有所应用 ［2］， 主要用在直接还原铁以及磁性材料 等功能材料领域 ［3-4］。盖壮等［5］以某铁品位 64.48 的普通铁精矿为原料， 经弱磁选电磁精选反浮 选 提 纯 ， 获 得 了 铁 品 位 为 71.91、 SiO2含 量 为 0.23、 酸不溶物为0.21的超纯铁精矿。高斯等 ［6］ 以青海某磁铁矿精矿为原料， 进行 1次弱磁粗选、 1 次弱磁扫选， 最终获得铁品位 71.83， 铁回收率为 61.86， SiO2、 Al2O3含量分别为0.24、 0.18的超纯 铁精矿。 直接还原铁生产是指在低于铁矿石熔化温度下 将其还原成海绵铁的过程， 与传统高炉炼铁方法相 比取消了焦炉、 烧结等工序， 具有流程短、 污染小、 能耗低， 不受炼焦煤短缺影响等优点。直接还原分 为煤基直接还原和气基直接还原 ［7］。根据中国废钢 铁应用协会统计， 中国每年对直接还原铁的需求约 为1 000～1 500万t ［8］。因此， 超纯铁精矿的直接还原 技术有着广阔的发展空间。 以石人沟铁精矿经磨矿磁选磁浮选工艺得 Series No. 522 December2019 84 ChaoXing 到的超纯铁精矿为研究对象， 进行系统的直接还原 试验研究， 探究了还原温度、 还原时间、 H2浓度等还 原条件对还原指标的影响。并考察了不同还原时间 条件下还原产品物相组成和微观结构的变化规律。 1试验原料与方法 1. 1试验原料 试验原料取自石人沟铁矿经磨矿磁选再磨 磁浮选工艺制备的超纯铁精矿。对其进行化学多 元素和X射线衍射分析， 结果分别见表1和图1所示。 由表1可知 超纯铁精矿的主要有价组分为铁元 素， TFe 品位为 72.21； SiO2和 Al2O3含量较少， 分别 为0.17和0.11， 几乎不存在P、 S等有害元素。 由图 1 可知， 原矿中的铁主要以磁铁矿形式存 在， 几乎无其他杂峰。 1. 2试验方法 直接还原试验在OTF-1200X-S-FB型立式管式炉 中进行， 室温下称取10 g矿样放入炉管内， 向炉管通 入 N2以排出管内空气后， 以 10 ℃/min的速度升温。 升至预定温度 （700～950 ℃） 后， 通入H2进行还原， 还 原时间为60～140 min。还原结束后， 关闭H2， 还原产 品在N2保护下降温至80 ℃。还原产品称重后化验 TFe和金属铁 （MFe） 含量， 并计算其金属化率。 2试验结果及讨论 2. 1还原温度对还原指标的影响 在还原时间120 min， H2浓度为80， 还原温度分 别为700、 800、 850、 900和950 ℃条件下， 还原产品的 TFe、 MFe品位和金属化率见图2。 由图 2 可知 随着还原温度由 700 ℃升高到 900 ℃时， 产物中TFe品位由84.58增长到92.18， MFe 品 位 由 45.78 增 长 到 85.56， 金 属 化 率 由 54.13增加到92.81； 继续升高还原温度至950 ℃， TFe品位增加到93.17， MFe品位降至84.46， 金属 化率减小至90.65。综合考虑， 确定适宜的还原温 度为900 ℃。 2. 2还原时间对还原指标的影响 在还原温度为900 ℃， H2浓度为80， 还原时间 分别为60、 80、 100、 120和140 min条件下， 还原产品 的TFe、 MFe品位和金属化率见图3。 由图3可知 随着还原时间由60 min延长到120 min时， 产品中TFe品位由89.18增加到92.18， 且 增加趋势逐渐平缓， MFe 品位由 62.98 增加到 85.56， 金属化率由 70.62 增加到 92.81； 继续延 长还原时间至140 min， TFe品位增加到93.53， 增幅 较 小 ， MFe 品 位 降 至 84.83， 金 属 化 率 减 小 至 90.16。综合考虑， 确定还原时间为120 min。 2. 3H2浓度对还原指标的影响 在还原温度为900℃， 还原时间为120 min， H2浓 度分别为 50、 60、 70、 80 和 90 条件下， 还原 产品的TFe、 MFe品位和金属化率见图4。 由图4可知 随着H2浓度由50增加至70， 产 物中 TFe品位由 91.43增加到 92.06， MFe品位由 68.42 增加到 85.23， 金属化率由 74.83 增加到 92.58； 继续增加 H2浓度至 90， 还原产品的 TFe、 MFe品位和金属化率变化均不再明显。综合考虑， 确 定适宜的H2浓度为70。 2019年第12期李国峰等 超纯铁精矿直接还原试验研究 85 ChaoXing 3检测分析 3. 1还原产品的物相组成变化 对不同还原时间下还原产品物相组成变化进行 XRD分析， 结果如图5所示。 由图5可知 还原时间为60 min时， 产品的XRD 图谱中存在着Fe3O4、 FeO和Fe的衍射峰， 且Fe3O4衍 射峰较小， 表明此时大部分Fe3O4被还原为FeO和Fe； 还原时间为80 min时， 未见Fe3O4衍射峰， FeO衍射峰 的数量有所减少， 即 Fe3O4几乎全部被还原， 除少量 FeO外， 大部分铁氧化物已还原成Fe； 随着还原时间 的进一步延长， FeO的衍射峰逐渐减弱， 至时间大于 120 min时， 产品中FeO的衍射峰几乎消失， 表明还原 反应几近完成。 3. 2还原时间对微观形貌结构的变化规律 对还原时间为60～140 min时还原产品微观形貌 的变化规律进行分析， 还原产品的SEM图片及EDS 能谱分析结果见图6。 由图6可知 当还原时间为60 min时， B点所代 表灰色区域的O原子占46.36、 Fe原子占53.64， 该 区域磁铁矿已多数被还原为FeO， A点所代表白色区 域的O原子占21.12、 Fe原子占77.88， 表明矿粒边 缘有部分金属铁生成； 当还原时间为 80 min 和 100 min时， FeO区域逐渐缩小， 产品边缘的金属铁区域逐 渐由外向内推进， 即FeO持续被还原为金属铁， 金属 铁显著增加； 当还原时间为120 min时， 产品几乎完 全为白色的金属铁， 金属铁中仅包裹少量微小的FeO 区域； 继续延长还原时间至140 min时， 还原产品的 微观形貌结构无明显变化。 4总结 （1） 超纯铁精矿的主要有价组分为铁元素， TFe 品位为72.21， 超纯铁精矿中的铁主要以磁铁矿形 式存在； SiO2和 Al2O3含量较低， 分别为 0.17 和 0.11。 （2） 一定范围内升高还原温度、 延长还原时间、 增加H2浓度有利于超纯铁精矿的还原， 在还原温度 为900 ℃、 还原时间为120 min、 H2浓度为70的条件 下， 还原产品的 TFe 品位为 92.06、 金属化率为 92.58。 （3） XRD分析结果表明， 随着还原时间的延长， Fe3O4和 FeO 逐渐转化为 Fe， 还原时间超过 120 min 时， 铁氧化物几乎全部被还原为Fe。SEM分析结果 表明， 还原过程矿粒边缘的Fe3O4首先被还原为金属 铁， 而后逐渐向内推进至几乎全部被还原为金属铁， 金属铁中包裹少量微小的FeO区域。 参 考 文 献 晏本秀. 超纯铁精矿的生产与应用 ［J］ .金属矿山， 1998 （7） 35- 37． Yan Benxiu. 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