高鋁鐵礦石還原焙燒過程中礦物分離的微觀機制研究
2013-06-04 07:09:12張國鋒
張國鋒
【摘 要】為揭示實際鐵礦石鈉化還原焙燒過程中鐵、硅、鋁各礦物分離的微觀機制及不同鈉鹽對鋁鐵分離的作用機理，本文以高鋁鐵礦為原料，深入研究了焙燒球團的微觀結(jié)構(gòu)，還原氣氛下鈉鹽的熔融特性及鈉化還原焙燒動力學(xué)規(guī)律，為新工藝的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】高鋁鐵礦石；還原焙燒；礦物分離
熱力學(xué)及純物質(zhì)試驗研究結(jié)果表明，硫酸鈉、碳酸鈉均能與硅、鋁發(fā)生反應(yīng)優(yōu)先生成鋁硅酸鈉，為鐵氧化物的還原創(chuàng)造有利條件；同時由于硫酸鈉與碳酸鈉本身的性質(zhì)差異，兩者對鐵氧化物的還原歷程亦產(chǎn)生不同的影響。
1.研究方法
1.1鈉鹽熔融特性研究
鈉鹽熔融特性試驗在臥式管爐中進行，還原氣體為70%CO+30%CO2，保護氣為N2，為消除氣體在試樣外層的外擴散阻力，保證氣體流速大于5cm/s，氣體的流速控制為2.5L/min。首先將5g硫酸鈉或碳酸鈉分析純裝入石墨瓷舟內(nèi)，將瓷舟推入可通氣的密封玻璃管內(nèi)，同時通N2排除玻璃管內(nèi)空氣，再將玻璃管推入管爐中，使瓷舟位于管爐高溫區(qū)。待爐內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)定溫度，停止通N2，改通還原氣CO，焙燒30min后停止通還原氣，同時通N2保護，取出玻璃管冷卻至室溫。
1.2微觀機理研究
高鋁鐵礦石各礦物分離的微觀機理主要進行了不同鈉鹽添加劑作用下還原球團的物相轉(zhuǎn)變規(guī)律！礦物組成及顯微結(jié)構(gòu)研究"焙燒試驗采用爐膛直徑為70rnm配有自動控溫系統(tǒng)的豎式電阻爐作為還原設(shè)備，反應(yīng)罐為60mmx150mm的敞口不銹鋼罐.試驗時先將高鋁鐵礦石及鈉鹽添加劑按一定比例混勻后制成必10mm的球團，濕球團置于100℃下干燥"為盡可能消除試樣升溫滯后現(xiàn)象和防止試樣氧化，試驗前首先稱取509還原煤鋪于反應(yīng)罐底部，再稱取209干球團放進反應(yīng)罐中，再在其上鋪上足量的還原煤。
2.焙燒球團微觀結(jié)構(gòu)研究
高鋁鐵礦石鋁鐵分離效果除了受鐵氧化物還原程度（即金屬化率）的影響，還與還原后金屬鐵顆粒的大小及其與脈石成分的解離特性相關(guān)"為進一步確定不同鈉鹽添加劑對高鋁鐵礦石還原焙燒過程中金屬鐵晶粒長大特性的影響，對不同鈉鹽添加劑作用下的還原球團顯微結(jié)構(gòu)進行了分析，還原球團的焙燒條件為焙燒溫度1050e，焙燒時間60min。
2.1無添加劑
不加鈉鹽還原焙燒，球團內(nèi)部大部分顆粒呈灰白色，亮白色的鐵晶粒很少。為進一步確定其礦物組成，對其進行能譜分析（EDX），亮白色的顆粒主要成分為鐵，而灰白色的顆粒中主要包含有鐵、鋁、硅三種元素，表明還原焙燒后大部分鐵仍與鋁！硅礦物結(jié)合緊密，將導(dǎo)致單體解離性能差，鋁鐵分離效果不佳。
2.2硫酸鈉的影響
還原球團內(nèi)部鐵晶粒（白色顆粒）與脈石礦物（灰白色）出現(xiàn)了較明顯的界限"此時，雖然鐵晶粒間相互連接、聚攏，但晶粒長大仍然不充分，大部分鐵晶粒呈單獨細(xì)小顆粒，一般為5～10納米。
2.3碳酸鈉的影響
球團內(nèi)部鐵晶粒數(shù)目很多，但晶粒間并未相互連接長大，僅以粒度細(xì)小的顆粒聚集，并且嵌布緊密，鐵晶粒粒度一般在1～3納米之間，說明碳酸鈉促進了鐵氧化物的還原，球團內(nèi)部白色顆粒中的主要元素有鐵、鋁、硅、鈉，可見金屬鐵與鋁硅酸鈉仍然結(jié)合緊密，嵌布關(guān)系復(fù)雜，將難以實現(xiàn)單體解離，不利于分選。
2.4碳酸鈉和硫酸鈉的影響
在硫酸鈉和碳酸鈉的共同作用下，還原球團內(nèi)部鐵晶粒的數(shù)目較單獨添加硫酸鈉時要多，而且鐵晶粒與脈石礦物之間界限分明，由此表明在兩者共同作用下，鐵晶粒與脈石礦物的分離較好，但是鐵晶粒比較細(xì)小，且晶粒之間沒有互相連接。
3.鈉化還原反應(yīng)動力學(xué)研究
3.1鈉鹽對還原度的影響
未添加鈉鹽時，高鋁鐵礦石還原速率很慢，隨著焙燒時間從5min增加到90min，其還原度從3.32%逐漸增加到85.16%。添加鈉鹽后，還原速率明顯加快，其中添加硫酸鈉還原，隨著焙燒時間從5min增加到90min，還原度從42.98%升高到94.91%，添加碳酸鈉還原，還原度從12.43升高到96.75%。與添加碳酸鈉的還原球團顯微結(jié)構(gòu)比較可知，高鋁鐵礦石添加硫酸鈉還原焙燒，還原初期金屬鐵晶粒數(shù)目明顯較之碳酸鈉要多，鐵氧化物還原速度快。這主要是因為碳酸鈉在還原初期快速分解產(chǎn)生大量CO2，使得體系內(nèi)氣體分壓增大，間接降低了還原氣CO的濃度，因此還原初期鐵氧化物還原速率較慢。
3.2不同鈉鹽對鋁鐵分離的作用機理
在鈉化還原過程中，硫酸鈉、碳酸鈉均在熔化溫度以下即開始與鋁、硅氧化物發(fā)生反應(yīng)，起到破壞礦石結(jié)構(gòu)的作用，但是由于硫酸鈉和碳酸鈉的性質(zhì)差異，導(dǎo)致它們對鐵、鋁、硅氧化物在鈉化還原過程中的反應(yīng)歷程產(chǎn)生不同的影響"還原球團微觀結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明，硫酸鈉能促進鐵晶粒與脈石礦物分離，有利于鐵鋁的分離；而在碳酸鈉作用下，球團內(nèi)部鐵晶粒與脈石礦物仍然結(jié)合緊密，不利于單體解離。
4.結(jié)論
（1）還原產(chǎn)物物相研究結(jié)果表明，高鋁鐵礦石不添加鈉鹽還原焙燒，鐵氧化物部分被還原成無磁性的Fe，難以通過磁選回收；添加鈉鹽后，鐵氧化物的還原得到改善，脈石礦物SiO2、Al2O3與鈉鹽發(fā)生反應(yīng)生成鋁硅酸鈉，使礦石結(jié)構(gòu)被破壞，有利于鋁鐵分離，比較而言，硫酸鈉的作用比碳酸鈉要強。
（2）還原氣氛下鈉鹽熔融特性研究結(jié)果表明，硫酸鈉存在的還原體系將新生成S、Na2S、FeS等物質(zhì)，形成低熔點化合物，進一步在局部形成液相，為鐵離子的擴散提供通道。而碳酸鈉存在的還原體系沒有新相生成，鐵離子的遷移只能通過固相擴散進行，遷移阻力較大，因此鐵晶粒與脈石礦物的界限不及添加硫酸鈉時分明。
（3）還原動力學(xué)研究結(jié)果表明，硫酸鈉和碳酸鈉均能顯著提高鐵礦石的還原速率，比較而言，在還原初期，添加碳酸鈉還原速率較硫酸鈉要慢一些?？梢?，高鋁鐵礦石添加碳酸鈉焙燒時，在還原初期，鐵氧化物的還原速度較硫酸鈉慢，碳酸鈉與鋁、硅礦物反應(yīng)溫度低，速度快，當(dāng)鐵氧化物被還原為金屬鐵時，鋁硅酸鈉成為鐵離子遷移的壁壘，鐵離子擴散的勢壘增大，這是添加碳酸鈉還原鐵晶粒與脈石礦物的界限不及添加硫酸鈉時分明的另一個因素。
【參考文獻】
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