深度還原分離回收含鈮鐵尾礦中鈮和鐵的試驗(yàn)研究

林 海，高月嬌，董穎博，張 悅，張文通

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京，100083)

內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市以北的白云鄂博稀土-鈮-鐵礦床是世界上最大的稀土多金屬礦床，我國(guó)80%以上的鈮資源蘊(yùn)藏在此[1]。這些年來(lái)，白云鄂博礦的鐵礦開(kāi)采量一直在擴(kuò)大，每年附帶采出稀土礦約50萬(wàn)t，而其利用率很低，大部分均排入尾礦庫(kù)，對(duì)周邊環(huán)境造成極大污染[2-3]。白云鄂博尾礦中含有大量的鐵、稀土、鈮和螢石，可以繼續(xù)回收利用，但由于其中鈮與含鐵礦物共生，緊密鑲嵌，鈮的品位低，所以提取難度較大。包鋼(集團(tuán))公司選礦廠的提鈮工藝也存在流程長(zhǎng)、成本高、鈮回收率低等問(wèn)題[4]。為此，蔣曼等[5]研究了以煤基為還原劑的直接還原含鈮鐵精礦工藝，結(jié)果表明焙燒溫度對(duì)鈮礦物弱磁選后是否進(jìn)入還原鐵產(chǎn)品中有較大的影響；林海等[6-7]使用褐煤作為還原劑對(duì)經(jīng)磁選預(yù)拋尾后的某稀土尾礦進(jìn)行焙燒還原，可以得到品位與回收率較高的還原鐵，而且采用煤基還原劑將稀土尾礦焙燒-磁選分離后的剩余產(chǎn)物成分單一，便于后續(xù)分選回收。陳宏[8]認(rèn)為直接還原可有效提取鐵礦中的有價(jià)金屬，通過(guò)CO/CO2混合氣體還原含鈮鐵礦，對(duì)鐵和鈮進(jìn)行選擇性還原，僅使鐵氧化物還原為金屬鐵而鈮氧化物不被還原，再經(jīng)磁選或熔分除鐵，可得到鈮富集的含鈮礦物?？偟膩?lái)說(shuō)，已有研究多集中在難處理鐵礦石的直接還原焙燒，而針對(duì)尾礦，尤其是稀土尾礦的相關(guān)研究還相對(duì)較少。因此本文以某稀土綜合尾礦為研究對(duì)象，通過(guò)磨礦-磁選-浮選處理后獲得含鈮鐵尾礦，進(jìn)而采用深度還原焙燒的方法分離回收鈮和鐵，重點(diǎn)研究還原焙燒條件對(duì)鈮、鐵分離效果的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

選用某選礦廠的稀土綜合尾礦，其中粒度為-200目的顆粒含量為30.30%，尾礦主要成分為：w(TFe)=15.76%、w(Nb2O5)=0.188%、w(REO)=5.86%、w(螢石)=24.63%。物相分析表明，尾礦中含鈮礦物主要為鈮鐵礦、鈮鐵金紅石、燒綠石、易解石，稀土礦物有氟碳鈰礦、獨(dú)居石，含鐵礦物主要為赤/褐鐵礦、硅酸鐵以及一部分磁鐵礦，其余還有螢石、石英等。將該稀土尾礦按圖1所示流程分選回收后的稀土浮選尾礦作為本研究的試樣，其中：w(TFe)=20%、w(Nb)=0.27%、w(螢石)=16%、w(REO)=3%。

圖1 某稀土尾礦分選回收流程圖Fig.1 Flow chart of rare earth tailings’ separation and recovery

所用還原劑分別為破碎至-2 mm的華北某地褐煤、煙煤及無(wú)煙煤，其工業(yè)分析指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

將稀土浮選尾礦試樣與還原劑(用量為10%)混合均勻置于石墨坩堝內(nèi)，預(yù)留小部分煤粉覆蓋于表面以保證還原氣氛，另外添加一定量的助熔劑，還原劑和助熔劑的用量均指所添加質(zhì)量與尾礦試樣質(zhì)量之比。置坩堝于馬弗爐內(nèi)，在不同焙燒溫度下還原一定時(shí)間，將深度還原產(chǎn)物自然冷卻至室溫后磨至一定細(xì)度(-200目顆粒含量為80%)，再采用CXG-99 型磁選管在118 kA/m的磁場(chǎng)強(qiáng)度下進(jìn)行弱磁選，所得磁性產(chǎn)品稱(chēng)為鐵精礦，所得非磁性產(chǎn)品稱(chēng)為鈮粗精礦。

表1 還原煤的工業(yè)分析(wB/%)

1.3 分析檢測(cè)

還原焙燒-弱磁選所得產(chǎn)品中的鐵、鈮品位分別指TFe 及Nb2O5的含量。Nb2O5含量采用氯代磺酚C比色法測(cè)定[9]，TFe含量采用三氯化鈦還原重鉻酸鉀滴定法(GBT 6730.65—2009)測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 還原劑種類(lèi)對(duì)鈮、鐵分離效果的影響

在還原溫度為1200 ℃、還原時(shí)間為60 min、助熔劑添加量為10%的條件下，考察還原劑種類(lèi)對(duì)鈮、鐵分離效果的影響，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 還原劑種類(lèi)對(duì)鐵精礦的品位與鐵回收率的影響Fig.2 Effect of reductant type on iron grade and recovery of the iron concentrate

圖3 還原劑種類(lèi)對(duì)鈮粗精礦的品位與鈮回收率的影響Fig.3 Effect of reductant type on niobium grade and recovery of the niobium concentrate

由圖2可見(jiàn)，3種還原劑條件下所得鐵精礦的鐵品位均較高，其中使用無(wú)煙煤時(shí)鐵品位最高，為95.17%；3種還原劑條件下的鐵回收率相差較大，其中使用褐煤時(shí)鐵的回收率高達(dá)72.82%，表明尾礦試樣中的大部分鐵得以回收。由圖3可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)還原焙燒-弱磁選后尾礦中的鈮與鐵已基本分離；3種還原劑條件下所得鈮粗精礦的鈮品位與回收率相差不多，其中以褐煤為還原劑時(shí)鈮品位為0.3477%，鈮回收率為99.55%。

根據(jù)還原反應(yīng)機(jī)理，煤中的固定碳在反應(yīng)過(guò)程中起還原作用，固定碳含量越高，還原體系的還原氣氛就越強(qiáng)，還原程度就越深。3種還原劑中，無(wú)煙煤的固定碳含量最高，所以其還原產(chǎn)物的鐵品位也最高。煤中的灰分和揮發(fā)分影響還原過(guò)程中鐵顆粒的成長(zhǎng)，間接影響還原效果[10-11]，3種還原劑中，褐煤揮發(fā)分含量最高、灰分含量最少，以褐煤為還原劑時(shí)鐵回收率最高，而鈮的回收率亦高達(dá)99.55%，從經(jīng)濟(jì)、高效回收鈮和鐵的角度考慮，優(yōu)先選擇褐煤為還原劑。

2.2 還原時(shí)間對(duì)鈮、鐵分離效果的影響

以褐煤為還原劑，在還原溫度為1200 ℃、助熔劑添加量為10%的條件下，考察還原時(shí)間對(duì)鈮、鐵分離效果的影響，結(jié)果如圖4和圖5所示。

由圖4可見(jiàn)，隨著還原時(shí)間的增加，鐵精礦品位和鐵回收率均逐漸提高；還原時(shí)間從15 min增至60 min時(shí)，上述指標(biāo)的增大趨勢(shì)較為明顯，隨著還原時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，其增大趨勢(shì)變緩。由圖5可見(jiàn)，還原時(shí)間從15 min增至60 min時(shí)，鈮粗精礦的品位與鈮回收率明顯提高，還原時(shí)間超過(guò)60 min后，鈮品位和鈮回收率變化不大。過(guò)長(zhǎng)的還原時(shí)間不僅耗費(fèi)時(shí)間而且增加電耗，從而增加生產(chǎn)成本，因此最佳還原時(shí)間確定為60 min。

圖4 還原時(shí)間對(duì)鐵精礦的品位與鐵回收率的影響

Fig.4Effectofreductiontimeonirongradeandrecoveryoftheironconcentrate

圖5 還原時(shí)間對(duì)鈮粗精礦的品位與鈮回收率的影響

Fig.5Effectofreductiontimeonniobiumgradeandrecoveryoftheniobiumconcentrate

2.3 還原溫度對(duì)鈮、鐵分離效果的影響

以褐煤為還原劑，在還原時(shí)間為60 min、助熔劑添加量為10%的條件下，考察還原溫度對(duì)鈮、鐵分離效果的影響，結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6可見(jiàn)，隨著還原溫度的升高，鐵品位先上升后下降，但總體變化不大，還原溫度為1200 ℃時(shí)，鐵品位高達(dá)92.99%；鐵回收率隨著還原溫度的升高而明顯提高，鐵回收率在1000 ℃時(shí)只有44.54%，而在1300 ℃時(shí)則高達(dá)90.92%，提高幅度達(dá)104%。由圖7可見(jiàn)，隨著還原溫度的升高，鈮品位逐漸提高，1300 ℃時(shí)達(dá)到0.3693%；鈮回收率隨還原溫度的升高出現(xiàn)波動(dòng)，但總體偏高，均在99%以上。綜合考慮，還原溫度為1200 ℃時(shí)，鐵精礦的品位雖然較高，但此時(shí)的鐵回收率只有72.82%，而還原溫度為1300 ℃時(shí)，鐵精礦的品位雖然略低，但此時(shí)的鐵回收率、鈮粗精礦的品位與鈮回收率均較高，因此，為保證鈮與鐵的有效分離，最佳還原焙燒溫度確定為1300 ℃。

圖6 還原溫度對(duì)鐵精礦的品位與鐵回收率的影響

Fig.6Effectofreductiontemperatureonirongradeandrecoveryoftheironconcentrate

圖7 還原溫度對(duì)鈮粗精礦的品位與鈮回收率的影響

Fig.7Effectofreductiontemperatureonniobiumgradeandrecoveryoftheniobiumconcentrate

2.4 助熔劑用量對(duì)鈮、鐵分離效果的影響

以褐煤為還原劑，在還原時(shí)間為60 min、還原溫度為1300 ℃的條件下，考察助熔劑的用量對(duì)鈮、鐵分離效果的影響，結(jié)果如圖8和圖9所示。

助熔劑提高焙燒環(huán)境的堿度，有利于鐵的還原。由圖8和圖9可見(jiàn)，隨著助熔劑用量逐漸增加到15%，鐵精礦的品位由86.54%升至94.82%，鐵回收率由75.25%提高到99.53%，鈮粗精礦的品位也從0.3326%升至0.3519%，鈮回收率由99.24%升至99.62%。這表明隨著助熔劑用量的增加，鈮進(jìn)入到鐵精礦中的量越來(lái)越少，更多的鐵被還原，鐵與鈮的分離效果越來(lái)越好。

圖8 助熔劑用量對(duì)鐵精礦的品位與鐵回收率的影響

Fig.8Effectoffluxdosageonirongradeandrecoveryoftheironconcentrate

圖9 助熔劑用量對(duì)鈮粗精礦的品位與鈮回收率的影響

Fig.9Effectoffluxdosageonniobiumgradeandrecoveryoftheniobiumconcentrate

3 結(jié)論

(1)分別以褐煤、煙煤、無(wú)煙煤為還原劑對(duì)稀土浮選尾礦進(jìn)行還原焙燒-弱磁選處理時(shí)，還原劑種類(lèi)對(duì)鐵回收率的影響較為顯著，對(duì)鈮的分離回收影響相對(duì)較小。還原劑為褐煤時(shí)鐵回收率最高。

(2)還原時(shí)間的增加有利于鐵的還原和鈮的分離，但還原時(shí)間超過(guò)60 min后，鈮、鐵分離效果的改善已不太明顯。

(3)焙燒溫度的升高以及助熔劑用量的增加均有利于稀土浮選尾礦中鈮、鐵的分離回收。

(4)在還原劑褐煤用量為10%、助熔劑用量為15%、還原時(shí)間為60 min、還原溫度為1300 ℃的條件下對(duì)稀土浮選尾礦進(jìn)行還原焙燒-弱磁選處理，所得鐵精礦的品位為94.82%，鐵回收率為99.53%，鈮粗精礦的品位為0.3519%，鈮回收率為99.62%，實(shí)現(xiàn)了鈮、鐵的高效分離回收。

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