还原剂对高磷鲕状赤铁矿直接还原过程铁还原的影响

D0I:10.13374.issn1001-053x.2011.08.003 第33卷第8期 北京科技大学学报 Vol.33 No.8 2011年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2011 还原剂对高磷鲕状赤铁矿直接还原过程铁还原的影响 徐承焱” 孙体昌)区祁超英2》李永利”莫晓兰) 秦晓萌)王 珍) 李志祥) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000832)武汉钢铁集团矿业有限责任公司，武汉430080 ☒通信作者，E-mail:sunte@ces.usth.edu.cm 摘要采用添加脱磷剂直接还原焙烧磁选的工艺制备直接还原铁，研究了不同还原剂对高磷鲡状赤铁矿直接还原过程铁 还原的影响.实验结果和扫描电镜分析表明，还原剂中固定碳和挥发分含量对于焙烧产物中金属铁晶粒的聚集、增多和长大 以及所得还原铁指标影响较大.焦炭和无烟煤所得焙烧产物中金属铁晶粒与脉石矿旷物结合较紧密，难以在磨矿过程中实现单 体解离。褐煤所得焙烧产物中金属铁晶粒出现明显的连接和长大，且与脉石矿物界限分明，嵌布粒度较粗，有利于铁颗粒与脉 石矿物的解离，从而其铁回收率较其他还原剂高. 关键词赤铁矿：磷：直接还原过程：铁还原：褐煤 分类号TD925:T℉55 Effects of reductants on iron reduction in the direct reduction process of high- phosphorus oolitic hematite XU Cheng-yan",SUN Ti-chang,QI Chao-ying?,LI Yong-i),MO Xiao-an,QIN Xiao-meng",WANG Zhen,LI Zhi- iang2》 1)Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Bei- jing,Beijing 100083,China 2)Wuhan Iron Steel Group Minerals Co.Ltd.,Wuhan 430080,China Corresponding author,E-mail:suntc@ces.ustb.edu.cn ABSTRACT Direct reduction iron was prepared by adding dephosphorization agents during a direct reduction roasting-magnetic sepa- ration process,and the effects of reductants on the direct reduction process of high-phosphorus oolitic hematite were studied.Experi- mental results and SEM analysis show that the aggregation and growth of iron crystals,the increase of iron crystals'amount and the in- dex of the reduced iron with a reductant can be influenced by the contents of fixed carbon and volatile in the reductants.When the re- ductant is coke or anthracite,iron crystals and gangue minerals are more closely combined in the roasting products,thus it is difficult to achieve monomeric liberation during the grinding process.When lignite is used as a reductant,the obvious connection and growth of iron crystals appear,coarser iron crystals form,and the boundary between iron crystals and gangue minerals is clear in the roasting products.Thus the liberation of iron crystals from gangue minerals is easier and the recovery of iron is higher than that obtained with other reductants. KEY WORDS hematite:phosphorus:direct reduction process:iron reduction:lignite 随着我国经济的快速发展，铁矿石的需求量日 个典型的代表.我国铁矿资源储量的1/9为鲕状赤 益增加，这使得一些原来认为难以处理的铁矿具有 铁矿，其中高磷鲕状赤铁矿的储量约为30亿~ 了开发利用的价值，其中的高磷鲕状赤铁矿就是一 40亿t,因此对这一资源的研究和利用具有重要的 收稿日期：2010-08-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51074016：“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2007BAB15B01):冶金工程研究院基础理论研究 基金资助项目(YJ2010001)

第 33 卷 第 8 期 2011 年 8 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 8 Aug． 2011 还原剂对高磷鲕状赤铁矿直接还原过程铁还原的影响 徐承焱1) 孙体昌1)  祁超英2) 李永利1) 莫晓兰1) 秦晓萌1) 王 珍1) 李志祥2) 1) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 2) 武汉钢铁集团矿业有限责任公司，武汉 430080  通信作者，E-mail: suntc@ ces． ustb． edu． cn 摘 要 采用添加脱磷剂直接还原焙烧--磁选的工艺制备直接还原铁，研究了不同还原剂对高磷鲕状赤铁矿直接还原过程铁 还原的影响． 实验结果和扫描电镜分析表明，还原剂中固定碳和挥发分含量对于焙烧产物中金属铁晶粒的聚集、增多和长大 以及所得还原铁指标影响较大． 焦炭和无烟煤所得焙烧产物中金属铁晶粒与脉石矿物结合较紧密，难以在磨矿过程中实现单 体解离． 褐煤所得焙烧产物中金属铁晶粒出现明显的连接和长大，且与脉石矿物界限分明，嵌布粒度较粗，有利于铁颗粒与脉 石矿物的解离，从而其铁回收率较其他还原剂高． 关键词 赤铁矿; 磷; 直接还原过程; 铁还原; 褐煤 分类号 TD925; TF55 Effects of reductants on iron reduction in the direct reduction process of high￾phosphorus oolitic hematite XU Cheng-yan1) ，SUN Ti-chang1)  ，QI Chao-ying2) ，LI Yong-li 1) ，MO Xiao-lan1) ，QIN Xiao-meng1) ，WANG Zhen1) ，LI Zhi￾xiang2) 1) Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，University of Science and Technology Bei￾jing，Beijing 100083，China 2) Wuhan Iron ＆ Steel Group Minerals Co． Ltd． ，Wuhan 430080，China  Corresponding author，E-mail: suntc@ ces． ustb． edu． cn ABSTRACT Direct reduction iron was prepared by adding dephosphorization agents during a direct reduction roasting-magnetic sepa￾ration process，and the effects of reductants on the direct reduction process of high-phosphorus oolitic hematite were studied． Experi￾mental results and SEM analysis show that the aggregation and growth of iron crystals，the increase of iron crystals’amount and the in￾dex of the reduced iron with a reductant can be influenced by the contents of fixed carbon and volatile in the reductants． When the re￾ductant is coke or anthracite，iron crystals and gangue minerals are more closely combined in the roasting products，thus it is difficult to achieve monomeric liberation during the grinding process． When lignite is used as a reductant，the obvious connection and growth of iron crystals appear，coarser iron crystals form，and the boundary between iron crystals and gangue minerals is clear in the roasting products． Thus the liberation of iron crystals from gangue minerals is easier and the recovery of iron is higher than that obtained with other reductants． KEY WORDS hematite; phosphorus; direct reduction process; iron reduction; lignite 收稿日期: 2010--08--23 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51074016) ; “十一五”国家科技支撑计划资助项目( 2007BAB15B01) ; 冶金工程研究院基础理论研究 基金资助项目( YJ2010--001) 随着我国经济的快速发展，铁矿石的需求量日 益增加，这使得一些原来认为难以处理的铁矿具有 了开发利用的价值，其中的高磷鲕状赤铁矿就是一 个典型的代表． 我国铁矿资源储量的 1 /9 为鲕状赤 铁矿，其中高磷鲕状赤铁矿的储量约为 30 亿 ～ 40 亿 t，因此对这一资源的研究和利用具有重要的 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.08.003

·906· 北京科技大学学报 第33卷 战略意义- 石、鳞绿泥石)和黏土类矿物（高岭石、水云母）.磷 鲕状赤铁矿难选的主要原因在于铁矿物嵌布粒 主要以胶磷矿的形式存在，矿石性质详见文 度极细，如要使其鲕核单体解离，必须磨至30m以 献17] 下回.由于鲕状赤铁矿的矿物结构特点，采用常规 选用性质不同的还原剂，研究其对原矿直接还 选别方法难以获得好的选别指标B.近年来国内 原过程的影响.不同还原剂的工业分析结果如表1 外对于该类矿石进行了一系列的研究，其中对鲕状 所示 赤铁矿进行还原，改变其物相的研究较多，分为两种 表1实验用还原剂的工业分析（质量分数） 形式：一是进行磁化焙烧，把弱磁性的赤铁矿转变成 Table 1 Proximate analysis of reductants used in the test 强磁性的磁铁矿，然后用弱磁选回收5：另一种是 还原剂 水分 灰分 挥发分 固定碳 直接还原为金属铁，然后也进行弱磁选回收，此种方 活性炭 3.98 13.63 6.22 80.15 法可以获得直接还原铁产品-.可见，通过焙烧将 焦炭 1.46 12.87 2.14 84.99 氧化铁转变为可采用弱磁选分离的磁铁矿或金属 无烟煤 1.22 11.93 10.21 77.86 铁，将矿石微细粒的鲕状结构转变为粒度粗大的粒 褐煤 13.18 6.21 50.13 42.72 状结构，这为铁的回收创造了条件 在直接还原铁氧化物、铁矿石或（复合）球团矿 从表1中可以看出，所选还原剂中的水分、灰 的研究中，研究者们使用了不同种类的碳或煤作为 分、挥发分和固定碳都有明显的区别.其中，褐煤水 还原剂回.其中，张清岑等@通过实验发现，煤的 分最高；无烟煤的水分最低；活性炭、焦炭和无烟煤 反应性、灰分和挥发分含量对铁矿物的还原影响较 灰分相近，褐煤的灰分最低；褐煤挥发分最高，焦炭 大.Halder等在旋转炉模拟器中研究复合球团 最低：焦炭的固定碳最高，褐煤最低 矿的还原速率时发现，在原生的赤铁矿或铁燧岩复 1.2研究方法 合球团矿中，木炭的还原速率比煤焦快.在铁矿石 原矿和还原剂都破碎到-2mm.脱磷剂为分 还原动力学研究中发现煤比木炭有更高的反应速 析纯的SY1和SY2,比例为SY1:SY2=2:1,总用 率，这是因为煤在热解过程中释放出还原性物 量为30%，实验过程中保持不变.还原剂和脱磷 质☒.有学者国认为在580~920℃的范围内，煤 剂的用量是指所添加的还原剂或脱磷剂与矿石的 的种类对还原反应的影响不是主要的，温度才是主 质量百分比.详细研究方法和具体工艺流程见参 要影响因素 考文献8].为便于比较，焙烧磁选的条件在所 近年来，北京科技大学针对难选铁矿石开展了 有实验中保持不变.焙烧温度950℃，焙烧时间 原矿直接还原研究4-.对高磷鲕状赤铁矿进行 40min;焙烧产物采用两段磨矿、两段磁选流程，一 传统的选矿和添加脱磷剂还原焙烧一磁选的研究结 段磨矿细度-74μm占67.05%（质量分数)，二段 果发现，后者可取得较好的选别指标，以煤为还原剂 磨矿细度-25m占97.15%（质量分数)，两段磁选 在直接还原焙烧时添加脱磷剂，既可以提高铁的品 的磁场强度都是89.13kA·m1.为区别直接还原 位又可以达到脱磷的目的，并对其机理进行了一定 磁选与一般的磁化焙烧过程，将所获得的磁性产 的讨论6一.研究中发现，在添加脱磷剂时不同的 品称为还原铁 还原剂对直接还原同步脱磷的影响不同，因此有 2结果与讨论 必要研究不同还原剂对其直接还原过程的影响.本 文的目的是从不同还原剂所得焙烧产物的微观形态 2.1还原剂对所得还原铁指标的影响 出发，探明其对还原过程产生不同影响的作用机理. 不同还原剂用量所得还原铁的产率、铁品位和 铁回收率的结果如表2所示.从表2中可以看出， 1原料性质与研究方法 所有还原剂所得还原铁的产率都是随着其用量增加 1.1原料性质 而提高的.随着还原剂用量的增加，活性炭所得还 实验用的高磷鲕状赤铁矿石（以下简称原矿） 原铁铁品位和铁回收率都逐渐增加，且增加的幅度 中铁和磷的品位分别为44.68%和0.76%，其中主 不同，铁品位先快后慢，而铁回收率先慢后快.以焦 要的有用矿物为赤铁矿和少量褐铁矿，97.82%的铁 炭、无烟煤和褐煤为还原剂时，随还原剂用量的增 以赤褐铁矿形式存在.脉石矿物主要为石英等二氧 加，所得还原铁铁品位变化规律略有差异，而铁回收 化硅矿物（含玉髓、蛋白石），其次为绿泥石（鲕绿泥 率变化规律与活性炭相似

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 战略意义［1--2］． 鲕状赤铁矿难选的主要原因在于铁矿物嵌布粒 度极细，如要使其鲕核单体解离，必须磨至 30 μm 以 下［2］． 由于鲕状赤铁矿的矿物结构特点，采用常规 选别方法难以获得好的选别指标［3--4］． 近年来国内 外对于该类矿石进行了一系列的研究，其中对鲕状 赤铁矿进行还原，改变其物相的研究较多，分为两种 形式: 一是进行磁化焙烧，把弱磁性的赤铁矿转变成 强磁性的磁铁矿，然后用弱磁选回收［5--6］; 另一种是 直接还原为金属铁，然后也进行弱磁选回收，此种方 法可以获得直接还原铁产品［7--8］． 可见，通过焙烧将 氧化铁转变为可采用弱磁选分离的磁铁矿或金属 铁，将矿石微细粒的鲕状结构转变为粒度粗大的粒 状结构，这为铁的回收创造了条件． 在直接还原铁氧化物、铁矿石或( 复合) 球团矿 的研究中，研究者们使用了不同种类的碳或煤作为 还原剂［9］． 其中，张清岑等［10］通过实验发现，煤的 反应性、灰分和挥发分含量对铁矿物的还原影响较 大． Halder 等［11］在旋转炉模拟器中研究复合球团 矿的还原速率时发现，在原生的赤铁矿或铁燧岩复 合球团矿中，木炭的还原速率比煤焦快． 在铁矿石 还原动力学研究中发现煤比木炭有更高的反应速 率，这是因为煤在热解过程中释放出还原性物 质［12］． 有学者［13］认为在 580 ～ 920 ℃ 的范围内，煤 的种类对还原反应的影响不是主要的，温度才是主 要影响因素． 近年来，北京科技大学针对难选铁矿石开展了 原矿直接还原研究［14--15］． 对高磷鲕状赤铁矿进行 传统的选矿和添加脱磷剂还原焙烧 － 磁选的研究结 果发现，后者可取得较好的选别指标，以煤为还原剂 在直接还原焙烧时添加脱磷剂，既可以提高铁的品 位又可以达到脱磷的目的，并对其机理进行了一定 的讨论［16--18］． 研究中发现，在添加脱磷剂时不同的 还原剂对直接还原同步脱磷的影响不同［19］，因此有 必要研究不同还原剂对其直接还原过程的影响． 本 文的目的是从不同还原剂所得焙烧产物的微观形态 出发，探明其对还原过程产生不同影响的作用机理． 1 原料性质与研究方法 1． 1 原料性质 实验用的高磷鲕状赤铁矿石( 以下简称原矿) 中铁和磷的品位分别为 44. 68% 和 0. 76% ，其中主 要的有用矿物为赤铁矿和少量褐铁矿，97. 82% 的铁 以赤褐铁矿形式存在． 脉石矿物主要为石英等二氧 化硅矿物( 含玉髓、蛋白石) ，其次为绿泥石( 鲕绿泥 石、鳞绿泥石) 和黏土类矿物( 高岭石、水云母) ． 磷 主要以胶磷矿的形式存在，矿 石 性 质 详 见 文 献［17］． 选用性质不同的还原剂，研究其对原矿直接还 原过程的影响． 不同还原剂的工业分析结果如表 1 所示． 表 1 实验用还原剂的工业分析( 质量分数) Table 1 Proximate analysis of reductants used in the test % 还原剂 水分 灰分 挥发分 固定碳 活性炭 3. 98 13. 63 6. 22 80. 15 焦炭 1. 46 12. 87 2. 14 84. 99 无烟煤 1. 22 11. 93 10. 21 77. 86 褐煤 13. 18 6. 21 50. 13 42. 72 从表 1 中可以看出，所选还原剂中的水分、灰 分、挥发分和固定碳都有明显的区别． 其中，褐煤水 分最高; 无烟煤的水分最低; 活性炭、焦炭和无烟煤 灰分相近，褐煤的灰分最低; 褐煤挥发分最高，焦炭 最低; 焦炭的固定碳最高，褐煤最低． 1. 2 研究方法 原矿和还原剂都破碎到 － 2 mm． 脱磷剂为分 析纯的 SY1 和 SY2，比例为 SY1 ∶ SY2 = 2 ∶ 1，总用 量为 30% ，实验过程中保持不变． 还原剂和脱磷 剂的用量是指所添加的还原剂或脱磷剂与矿石的 质量百分比． 详细研究方法和具体工艺流程见参 考文献［18］． 为便于比较，焙烧磁选的条件在所 有实验中保持不变． 焙烧温 度 950 ℃ ，焙 烧 时 间 40 min; 焙烧产物采用两段磨矿、两段磁选流程，一 段磨矿细度 － 74 μm占 67. 05% ( 质量分数) ，二段 磨矿细度 － 25 m占 97. 15% ( 质量分数) ，两段磁选 的磁场强度都是 89. 13 kA·m － 1 ． 为区别直接还原 磁选与一般的磁化焙烧过程，将所获得的磁性产 品称为还原铁． 2 结果与讨论 2. 1 还原剂对所得还原铁指标的影响 不同还原剂用量所得还原铁的产率、铁品位和 铁回收率的结果如表 2 所示． 从表 2 中可以看出， 所有还原剂所得还原铁的产率都是随着其用量增加 而提高的． 随着还原剂用量的增加，活性炭所得还 原铁铁品位和铁回收率都逐渐增加，且增加的幅度 不同，铁品位先快后慢，而铁回收率先慢后快． 以焦 炭、无烟煤和褐煤为还原剂时，随还原剂用量的增 加，所得还原铁铁品位变化规律略有差异，而铁回收 率变化规律与活性炭相似． ·906·

第8期 徐承焱等：还原剂对高磷鲕状赤铁矿直接还原过程铁还原的影响 ·907· 表2还原剂用量对原矿还原培烧磁选的影响（质量分数） 图1为原矿和不同还原剂所得焙烧产物的扫描 Table 2 Effects of reductant dosage on the reduction roasting and mag- 电镜(SEM)图像.由能谱分析(EDS)可知，原矿中 netic separation of raw ore 灰白色颗粒为赤铁矿，灰黑色颗粒为含磷灰石的脉 还原铁指标 还原剂 用量 石矿物.焙烧产物中白色颗粒为金属铁，黑色颗粒 产率 铁品位 铁回收率 为脉石矿物。在不同还原剂的焙烧产物中，原鲕粒 10 4.44 84.17 10.34 的基本轮廓还保留，但相对于原矿，鲕状结构有所破 活性炭 20 8.53 87.35 19.55 坏.此外，鲕粒中的金属铁晶粒（以下简称铁晶粒） 40 22.71 88.86 58.77 有明显的聚集，且与脉石矿物出现明显的界限 10 10.69 88.73 24.53 随着还原剂用量的增加，焙烧产物中铁晶粒逐 焦炭 20 24.03 89.68 57.30 渐聚集、增多和长大.在还原剂用量较小时，固定碳 40 26.58 89.00 70.42 含量越高的还原剂，优先接触颗粒边缘而发生还原 10 16.80 91.77 38.10 无烟煤 20 25.93 91.73 62.00 反应，因此所得焙烧产物中铁晶粒在颗粒边缘聚集 40 30.87 89.98 78.64 和长大的趋势越明显.在还原剂用量较大时，挥发 10 10.25 86.21 20.17 分含量越高的还原剂，其在还原焙烧中释放出的挥 褐煤 22.35 90.35 46.08 发分物质接触颗粒边缘和内部而发生还原反应的速 40 40.60 90.68 84.02 率越快，从而使铁品粒在其颗粒边缘和内部聚集和 长大的趋势越显著.还原剂用量为40%时，相比于 在还原剂用量相同，且小于20%时，所得还原 其他还原剂，挥发分含量较高的褐煤所得焙烧产物 铁铁品位和铁回收率以无烟煤较高，其次为焦炭、褐 中铁晶粒连接、长大的趋势较明显，其次是无烟煤、 煤和活性炭.可见，对于灰分含量相近的无烟煤和 焦炭和活性炭. 焦炭来说，还原剂中固定碳含量越高，所得还原铁铁 2.3还原剂对焙烧产物中铁晶粒形态及嵌布关系 品位越高。尽管活性炭的固定碳高于褐煤，但褐煤 的影响 的挥发分较高，挥发分在还原反应中的活化作用要 图2为活性炭不同用量所得焙烧产物的SEM 大于活性炭：因此所得还原铁铁回收率要高于活性 像及EDS谱.从图中可知，灰色颗粒主要为浮氏体， 炭.在还原剂用量超过20%后，褐煤所得还原铁 白色颗粒为金属铁，活性炭用量为20%时，其培烧 铁回收率较高，其次为无烟煤、焦炭和活性炭，所得 产物中含灰色颗粒较多，白色颗粒较少，由于浮氏体 还原铁铁品位除活性炭较低外，其他三种还原剂相 没有磁性，经过磨矿磁选后而损失在尾矿中从而导 差不大，可见褐煤的挥发分对于还原反应的活化作 致铁回收率较低.在图2()中铁晶粒有明显的聚 用此时凸显出来，挥发分越高，所得还原铁铁回收率 集和长大，以及数量的增加，从而其铁回收率比起 越高四 20%时有大幅度的增加.焦炭、无烟煤和褐煤为还 以上结果表明：在还原剂用量较小时，还原剂中 原剂时，其焙烧产物中铁晶粒长大的规律与之相似， 的固定碳对其所得还原铁指标的影响较大：而在其 主要区别在于相对于活性炭所得的焙烧产物，焦炭、 用量较大时，还原剂中的挥发分对其所得还原铁指 无烟煤所得焙烧产物中含浮氏体的颗粒己很少，含 标影响较显著.在还原剂相同用量时，相比于其他 金属铁的颗粒较多（图3）. 还原剂，活性炭所得还原铁铁回收率都较低.为查 图3为无烟煤、褐煤的用量分别为40%时所得 明还原剂在不同用量范围内对还原铁指标产生不同 焙烧产物的SEM像及EDS谱.可以看出，无烟煤所 影响的原因，进一步对其焙烧产物的微观形态进行 得焙烧产物中，铁晶粒和含铝、硅、钠、钙、磷的脉石 了研究 矿物结合较紧密，嵌布关系比较复杂，从而经过磨矿 2.2还原剂对焙烧产物总体微观形态的影响 磁选后铁回收率较褐煤低，焦炭也是如此.在褐煤 将矿石还原是为后续的磨矿磁选创造条件，只 所得焙烧产物中，脉石矿物中只含有铝、硅、钠、钙和 有当矿石充分还原，并使金属铁晶粒聚集长大到可 磷，且铁晶粒明显出现连接、长大的现象，这说明铁 以物理分选的必要粒度，才能获得较好的分离效果. 晶粒与脉石矿物的界限变得分明（图3(b)及能 因此，对原矿和焙烧产物进行了扫描电镜及能谱分 谱)，嵌布关系较简单，这就有利于金属铁颗粒与脉 析，以查明不同还原剂对其所得焙烧产物微观形态 石矿物的解离，因此在此用量下其铁品位和铁回收 的影响 率较其他还原剂都高.能谱分析还表明，脉石矿物

第 8 期 徐承焱等: 还原剂对高磷鲕状赤铁矿直接还原过程铁还原的影响 表 2 还原剂用量对原矿还原焙烧磁选的影响( 质量分数) Table 2 Effects of reductant dosage on the reduction roasting and mag￾netic separation of raw ore % 还原剂 用量 还原铁指标 产率 铁品位 铁回收率 10 4. 44 84. 17 10. 34 活性炭 20 8. 53 87. 35 19. 55 40 22. 71 88. 86 58. 77 10 10. 69 88. 73 24. 53 焦炭 20 24. 03 89. 68 57. 30 40 26. 58 89. 00 70. 42 10 16. 80 91. 77 38. 10 无烟煤 20 25. 93 91. 73 62. 00 40 30. 87 89. 98 78. 64 10 10. 25 86. 21 20. 17 褐煤 20 22. 35 90. 35 46. 08 40 40. 60 90. 68 84. 02 在还原剂用量相同，且小于 20% 时，所得还原 铁铁品位和铁回收率以无烟煤较高，其次为焦炭、褐 煤和活性炭． 可见，对于灰分含量相近的无烟煤和 焦炭来说，还原剂中固定碳含量越高，所得还原铁铁 品位越高． 尽管活性炭的固定碳高于褐煤，但褐煤 的挥发分较高，挥发分在还原反应中的活化作用要 大于活性炭; 因此所得还原铁铁回收率要高于活性 炭［19］． 在还原剂用量超过 20% 后，褐煤所得还原铁 铁回收率较高，其次为无烟煤、焦炭和活性炭，所得 还原铁铁品位除活性炭较低外，其他三种还原剂相 差不大，可见褐煤的挥发分对于还原反应的活化作 用此时凸显出来，挥发分越高，所得还原铁铁回收率 越高［19］． 以上结果表明: 在还原剂用量较小时，还原剂中 的固定碳对其所得还原铁指标的影响较大; 而在其 用量较大时，还原剂中的挥发分对其所得还原铁指 标影响较显著． 在还原剂相同用量时，相比于其他 还原剂，活性炭所得还原铁铁回收率都较低． 为查 明还原剂在不同用量范围内对还原铁指标产生不同 影响的原因，进一步对其焙烧产物的微观形态进行 了研究． 2. 2 还原剂对焙烧产物总体微观形态的影响 将矿石还原是为后续的磨矿磁选创造条件，只 有当矿石充分还原，并使金属铁晶粒聚集长大到可 以物理分选的必要粒度，才能获得较好的分离效果． 因此，对原矿和焙烧产物进行了扫描电镜及能谱分 析，以查明不同还原剂对其所得焙烧产物微观形态 的影响． 图 1 为原矿和不同还原剂所得焙烧产物的扫描 电镜( SEM) 图像． 由能谱分析( EDS) 可知，原矿中 灰白色颗粒为赤铁矿，灰黑色颗粒为含磷灰石的脉 石矿物． 焙烧产物中白色颗粒为金属铁，黑色颗粒 为脉石矿物． 在不同还原剂的焙烧产物中，原鲕粒 的基本轮廓还保留，但相对于原矿，鲕状结构有所破 坏． 此外，鲕粒中的金属铁晶粒( 以下简称铁晶粒) 有明显的聚集，且与脉石矿物出现明显的界限． 随着还原剂用量的增加，焙烧产物中铁晶粒逐 渐聚集、增多和长大． 在还原剂用量较小时，固定碳 含量越高的还原剂，优先接触颗粒边缘而发生还原 反应，因此所得焙烧产物中铁晶粒在颗粒边缘聚集 和长大的趋势越明显． 在还原剂用量较大时，挥发 分含量越高的还原剂，其在还原焙烧中释放出的挥 发分物质接触颗粒边缘和内部而发生还原反应的速 率越快，从而使铁晶粒在其颗粒边缘和内部聚集和 长大的趋势越显著． 还原剂用量为 40% 时，相比于 其他还原剂，挥发分含量较高的褐煤所得焙烧产物 中铁晶粒连接、长大的趋势较明显，其次是无烟煤、 焦炭和活性炭． 2. 3 还原剂对焙烧产物中铁晶粒形态及嵌布关系 的影响 图 2 为活性炭不同用量所得焙烧产物的 SEM 像及 EDS 谱． 从图中可知，灰色颗粒主要为浮氏体， 白色颗粒为金属铁，活性炭用量为 20% 时，其焙烧 产物中含灰色颗粒较多，白色颗粒较少，由于浮氏体 没有磁性，经过磨矿磁选后而损失在尾矿中从而导 致铁回收率较低． 在图 2( b) 中铁晶粒有明显的聚 集和长大，以及数量的增加，从而其铁回收率比起 20% 时有大幅度的增加． 焦炭、无烟煤和褐煤为还 原剂时，其焙烧产物中铁晶粒长大的规律与之相似， 主要区别在于相对于活性炭所得的焙烧产物，焦炭、 无烟煤所得焙烧产物中含浮氏体的颗粒已很少，含 金属铁的颗粒较多( 图 3) ． 图 3 为无烟煤、褐煤的用量分别为 40% 时所得 焙烧产物的 SEM 像及 EDS 谱． 可以看出，无烟煤所 得焙烧产物中，铁晶粒和含铝、硅、钠、钙、磷的脉石 矿物结合较紧密，嵌布关系比较复杂，从而经过磨矿 磁选后铁回收率较褐煤低，焦炭也是如此． 在褐煤 所得焙烧产物中，脉石矿物中只含有铝、硅、钠、钙和 磷，且铁晶粒明显出现连接、长大的现象，这说明铁 晶粒与脉石矿物的界限变得分明( 图 3 ( b) 及 能 谱) ，嵌布关系较简单，这就有利于金属铁颗粒与脉 石矿物的解离，因此在此用量下其铁品位和铁回收 率较其他还原剂都高． 能谱分析还表明，脉石矿物 ·907·

·908· 北京科技大学学报 第33卷 回 20 20m 204m 图1原矿及还原剂不同用量时培烧产物的扫描电镜图像.(a)原矿：(b)活性炭用量20%：(c)活性炭用量40%：(d)焦炭用量20%：() 焦炭用量40%：(0无烟煤用量20%：()无烟煤用量40%：()褐煤用量20%：()褐煤用量40% Fig.I SEM images of raw ore and roasted products with different reductants at different dosages:(a)raw ore:(b)the dosage of activated carbon is 20%;(c)the dosage of activated carbon is 40%;(d)the dosage of coke is 20%:(e)the dosage of coke is 40%:(f)the dosage of anthracite is 20%(g)the dosage of anthracite is40%(h)the dosage of lignite is20%:(i)the dosage of lignite is40% 中都含有铝、硅、钠和氧等元素.结合笔者以前的研 究四可知，加入的脱磷剂与矿石中的脉石矿物生成 3结论 的铝硅酸钠和霞石部分破坏了矿石中的鲕粒结构， (1)在还原剂用量较小时，还原剂中固定碳对 从而使铁还原效果有所改善.此外，脉石矿物中还 其所得还原铁指标的影响较大，但在还原剂用量较 存在含钙和磷的物质，由原矿中含磷灰石可知，此种 大时，还原剂中挥发分对其所得还原铁指标影响较 物质应该是磷灰石，从SEM像和EDS谱看出，在培 显著 烧产物中，磷灰石含量高的颗粒一般存在于鲕粒层 (2)焙烧产物的微观形态表明，在还原剂相同 之间 用量时，相比于其他还原剂，活性炭所得还原铁的铁 综上所述，焦炭和无烟煤所得焙烧产物中铁晶 回收率都较低 粒与脉石矿物结合较紧密，难以在磨矿过程中实现 (3)SEM研究表明，随着还原剂用量的增加， 单体解离.褐煤所得焙烧产物中金属铁晶粒出现明 焙烧产物中铁晶粒逐渐聚集、增多和长大.在还原 显连接和长大，且与脉石矿物界限分明，嵌布粒度较 剂用量较小时，固定碳含量越高的还原剂，所得焙烧 粗，有利于铁颗粒与脉石矿物的解离。脱磷剂与矿 产物中铁晶粒在颗粒边缘聚集和长大的趋势越明 石中的脉石矿物生成的铝硅酸钠和霞石部分破坏了 显；在还原剂用量较大时，挥发分含量越高的还原 鲕粒结构，从而使铁还原效果有所改善. 剂，所得焙烧产物中铁晶粒在其颗粒边缘和内部聚

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 1 原矿及还原剂不同用量时焙烧产物的扫描电镜图像． ( a) 原矿; ( b) 活性炭用量 20% ; ( c) 活性炭用量 40% ; ( d) 焦炭用量 20% ; ( e) 焦炭用量 40% ; ( f) 无烟煤用量 20% ; ( g) 无烟煤用量 40% ; ( h) 褐煤用量 20% ; ( i) 褐煤用量 40% Fig． 1 SEM images of raw ore and roasted products with different reductants at different dosages: ( a) raw ore; ( b) the dosage of activated carbon is 20% ; ( c) the dosage of activated carbon is 40% ; ( d) the dosage of coke is 20% ; ( e) the dosage of coke is 40% ; ( f) the dosage of anthracite is 20% ; ( g) the dosage of anthracite is 40% ; ( h) the dosage of lignite is 20% ; ( i) the dosage of lignite is 40% 中都含有铝、硅、钠和氧等元素． 结合笔者以前的研 究［20］可知，加入的脱磷剂与矿石中的脉石矿物生成 的铝硅酸钠和霞石部分破坏了矿石中的鲕粒结构， 从而使铁还原效果有所改善． 此外，脉石矿物中还 存在含钙和磷的物质，由原矿中含磷灰石可知，此种 物质应该是磷灰石，从 SEM 像和 EDS 谱看出，在焙 烧产物中，磷灰石含量高的颗粒一般存在于鲕粒层 之间． 综上所述，焦炭和无烟煤所得焙烧产物中铁晶 粒与脉石矿物结合较紧密，难以在磨矿过程中实现 单体解离． 褐煤所得焙烧产物中金属铁晶粒出现明 显连接和长大，且与脉石矿物界限分明，嵌布粒度较 粗，有利于铁颗粒与脉石矿物的解离． 脱磷剂与矿 石中的脉石矿物生成的铝硅酸钠和霞石部分破坏了 鲕粒结构，从而使铁还原效果有所改善． 3 结论 ( 1) 在还原剂用量较小时，还原剂中固定碳对 其所得还原铁指标的影响较大，但在还原剂用量较 大时，还原剂中挥发分对其所得还原铁指标影响较 显著． ( 2) 焙烧产物的微观形态表明，在还原剂相同 用量时，相比于其他还原剂，活性炭所得还原铁的铁 回收率都较低． ( 3) SEM 研究表明，随着还原剂用量的增加， 焙烧产物中铁晶粒逐渐聚集、增多和长大． 在还原 剂用量较小时，固定碳含量越高的还原剂，所得焙烧 产物中铁晶粒在颗粒边缘聚集和长大的趋势越明 显; 在还原剂用量较大时，挥发分含量越高的还原 剂，所得焙烧产物中铁晶粒在其颗粒边缘和内部聚 ·908·

第8期 徐承焱等：还原剂对高磷鲕状赤铁矿直接还原过程铁还原的影响 ·909· 10m 10 um 300 位置1 位置2 200 Fe 200 150 0 Fe 100 50 Fe Fe 0 0 5 10 0 5 能量keV 能量keV 图2活性炭不同用量时培烧产物的扫描电镜图像及能谱结果.()活性炭用量20%：(b)活性炭用量40% Fig.2 SEM images and EDS spectra of roasted products with activated carbon as a reductant at different dosages:(a)the dosage of activated carbon is 20%:(b)the dosage of activated carbon is 40% 位置1 位置2 200 200 50 150 Fe ) 100 0 50 Fe 5 5 10 能量keV 能量keV 图3还原剂用量为40%时培烧产物的扫描电镜图像及能谱结果.()无烟煤：()褐煤 Fig.3 SEM images and EDS spectra of roasted products when the dosage of reductants is 40%:(a)the reductant is anthracite:(b)the reductant is lignite

第 8 期 徐承焱等: 还原剂对高磷鲕状赤铁矿直接还原过程铁还原的影响 图 2 活性炭不同用量时焙烧产物的扫描电镜图像及能谱结果． ( a) 活性炭用量 20% ; ( b) 活性炭用量 40% Fig． 2 SEM images and EDS spectra of roasted products with activated carbon as a reductant at different dosages: ( a) the dosage of activated carbon is 20% ; ( b) the dosage of activated carbon is 40% 图 3 还原剂用量为 40% 时焙烧产物的扫描电镜图像及能谱结果． ( a) 无烟煤; ( b) 褐煤 Fig． 3 SEM images and EDS spectra of roasted products when the dosage of reductants is 40% : ( a) the reductant is anthracite; ( b) the reductant is lignite ·909·