從低品位稀土鈮鐵粗精礦中分離回收鐵和稀有金屬的新工藝

李 翔，劉 勇，李光輝，劉牡丹，劉珍珍

1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州 510650；2.中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083

我國(guó)內(nèi)蒙、新疆、云南、山西、四川、山東等地蘊(yùn)藏著豐富的稀土鈮鐵共生的稀有金屬資源.這類資源普遍存在礦石成分復(fù)雜，有價(jià)元素含量低，微細(xì)粒礦物多，嵌布關(guān)系緊密等特點(diǎn)，多為難選難冶礦石.隨著科技進(jìn)步，稀土和鈮的需求量越來(lái)越大，而易選冶的稀土、鈮礦資源越來(lái)越少.因此，含鐵稀土鈮共生礦的開(kāi)發(fā)顯得日益重要.

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)稀土鈮鐵共生礦的研究主要有選礦法、鈮鐵冶煉法以及直接還原法.內(nèi)蒙古白云鄂博礦是典型的稀土鈮共生礦，由于現(xiàn)有選礦技術(shù)的限制，目前只綜合回收利用了鐵和稀土，鈮尚未得到利用［1－4］，且稀土的回收率也不高，僅接近20%.鈮鐵冶煉工藝雖然比較成熟，但只能得到鈮品位13%～15%的低級(jí)鈮鐵，并且存在工藝流程長(zhǎng)、成本高、鈮收得率低的問(wèn)題［5］.直接還原法處理稀土鈮共生礦是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，如陳宏［6］采用氣基直接還原技術(shù)處理白云鄂博東部接觸帶2號(hào)礦的重選精礦，取得了較好的效果，而該工藝對(duì)還原氣體成分的要求較高，采用的是90%CO＋10%CO2混合氣體；高鵬等［7］采用煤基直接還原處理白云鄂博原礦，但所需的還原溫度高達(dá)1225℃，能耗較高.

內(nèi)蒙古某稀土鈮鐵共生礦的Nb2O5品位0.34%、REO品位0.73%、鐵品位4.39%，儲(chǔ)量大，具有很好的開(kāi)發(fā)前景，但礦石中有用礦物間的嵌布關(guān)系復(fù)雜，除伴生和連生外，還廣泛存在類質(zhì)同象，采用物理方法難以有效實(shí)現(xiàn)有價(jià)元素的富集，獲得具有商業(yè)價(jià)值的精礦.針對(duì)該礦的礦石性質(zhì)，本試驗(yàn)以稀土鈮鐵共生礦的預(yù)富集粗精礦為試樣，采用還原焙燒－磁選法，獲得了可供電爐煉鋼使用的金屬鐵粉和供濕法冶金使用的稀土、鈮富集物，研發(fā)出綜合回收稀土鈮共生礦中鐵和稀土、鈮的新工藝.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料性質(zhì)

試驗(yàn)原料為內(nèi)蒙古某稀土鈮鐵共生礦的預(yù)富集粗精礦，是經(jīng)高梯度磁選機(jī)預(yù)富集的產(chǎn)品.其多元素分析結(jié)果及鐵、稀土和鈮的物相分析結(jié)果分別列于表1～4所示.

表1 多元素分析結(jié)果Table 1 Multi－elemental analysis results of ore

表2 鐵的物相分布Table 2 Chemical phases and distribution of iron

表3 稀土的物相分布Table 3 Chemical phases and distribution of rare－earth

由表1可知，預(yù)富集粗精礦中鐵品位為31.90%，REO 品 位 為 3.16%，Nb2O5品 位 為2.91%，其 主 要 脈 石 礦 物 為 SiO2，含 量 高 達(dá)32.96%.由表2可知，鐵主要賦存在鈦磁赤鐵礦、鈦鐵礦和錳鈦鐵礦中.由表3可知，88.14%稀土賦存在興安石中.由表4可知，鈮主要賦存在鈮鐵礦和復(fù)稀金礦中.

1.2 還原劑

試驗(yàn)所采用的還原劑為印尼褐煤.該煤固定碳、揮發(fā)分、灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為52.63%，35.15%，5.31%，是一種良好的還原劑.試驗(yàn)中還原煤均破碎到粒度小于5mm.

1.3 添加劑

試驗(yàn)添加劑為硫酸鈉、碳酸鈉和活性炭粉，均為化學(xué)分析純.

2 研究方法

稀土鈮鐵粗精礦中的鐵、稀土和鈮共存，難以分離獲得單獨(dú)的鐵、稀土和鈮精礦，而對(duì)其進(jìn)行還原焙燒，鐵氧化物被還原為金屬鐵，稀土和鈮仍以氧化物的形式存在，再通過(guò)磁選，可實(shí)現(xiàn)鐵與稀土、鈮的分離.在鐵礦物的還原過(guò)程中，堿金屬能使鐵氧化物的晶格點(diǎn)陣發(fā)生畸變，提高還原速率，促進(jìn)鐵原子的擴(kuò)散與鐵晶粒的長(zhǎng)大［8］.因此，在還原焙燒過(guò)程中添加適量的鈉鹽有利于鐵與稀土、鈮的分離.

將預(yù)富集稀土鈮鐵粗精礦與適量的輔助添加劑活性炭粉及鈉鹽添加劑混勻，制成直徑約15mm的球團(tuán)，干燥后放進(jìn)圓筒形石墨罐中，同時(shí)加入過(guò)量的還原煤，然后將石墨罐置于自動(dòng)控溫熔煉爐中進(jìn)行還原，還原結(jié)束后將石墨罐取出，自然冷卻至室溫.將已還原的焙燒礦破碎、磨礦至一定細(xì)度，用磁選管進(jìn)行磁選，所得磁性物為金屬鐵粉，稀土和鈮則富集在非磁性礦物中.以金屬鐵粉中鐵品位和回收率及稀土、鈮富集物中REO、Nb2O5品位和回收率作為評(píng)價(jià)指標(biāo).試驗(yàn)流程如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)流程圖Fig.1 The experimentalflowsheet

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

在鐵礦物的還原過(guò)程中，堿金屬添加劑的種類及其用量、焙燒溫度及焙燒時(shí)間等對(duì)還原焙燒效果及后續(xù)的磁選影響很大.故需對(duì)其進(jìn)行條件實(shí)驗(yàn).

3.1 添加劑種類的影響

常用的堿金屬鈉鹽添加劑有硫酸鈉、碳酸鈉和氯化鈉等，本試驗(yàn)選擇硫酸鈉和碳酸鈉作添加劑，按圖1所示的還原焙燒－磁選工藝流程，在還原焙燒溫度1100℃，焙燒時(shí)間120min，磨礦細(xì)度－0.074mm85.4%，磁選強(qiáng)度80mT的條件下，進(jìn)行添加劑種類試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表5.

由表5可知，將稀土鈮鐵粗精礦直接進(jìn)行還原焙燒，僅得到鐵品位54.45%的金屬鐵粉，且鐵與稀土、鈮的分離效果也不佳，稀土、鈮富集物中REO回收率僅為44.28%，Nb2O5回收率為62.65%；添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的碳酸鈉后，金屬鐵粉鐵品位略有提高，但鐵與稀土、鈮的分離效果仍不佳；添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的硫酸鈉后，分離效果顯著，金屬鐵粉中鐵品位提高到91.82%，稀土、鈮富集物中REO回收率提高到95.74%，Nb2O5回收率提高到96.95%.這是由于還原焙燒過(guò)程中硫酸鈉與脈石礦物中的鋁、硅發(fā)生反應(yīng)，破壞了礦石結(jié)構(gòu)，同時(shí)生成了低熔點(diǎn)化合物，在局部形成液相，為鐵離子的擴(kuò)散提供了通道，從而有利于鐵晶粒的長(zhǎng)大［8］.在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%硫酸鈉的基礎(chǔ)上，再添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%活性炭粉，金屬鐵粉鐵回收率明顯提高，達(dá)到91.47%，而其它指標(biāo)變化不大.這是由于活性炭粉的添加，促進(jìn)了球團(tuán)內(nèi)部鐵氧化物的還原，從而有利于鐵的回收.經(jīng)綜合考慮，采用硫酸鈉作為鈉鹽添加劑，活性炭粉作為輔助添加劑，其添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%.

表5 添加劑種類對(duì)粗精礦鐵與稀土和鈮分離的影響Table 5 Effects of various additives on metal iron powder and RE－Nb enrichment products quality

3.2 硫酸鈉用量的影響

在還原焙燒溫度1100℃，焙燒時(shí)間120min，還原產(chǎn)物的磨礦細(xì)度－0.074mm85.4%，磁選強(qiáng)度80mT的試驗(yàn)條件下，按圖1所示流程，研究硫酸鈉用量對(duì)鐵與稀土、鈮分離的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示.

由圖2、圖3可知，當(dāng)添加硫酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到15%時(shí)，金屬鐵粉鐵品位逐漸提高至89.32%，而鐵回收率呈先升后降的趨勢(shì)；稀土、鈮富集物的REO回收率保持在95%左右，Nb2O5回收率從58.49%提高到95.83%.可見(jiàn)，增加硫酸鈉用量，有利于鐵與鈮的分離.當(dāng)硫酸鈉用量增加到20%時(shí)，金屬鐵粉和稀土、鈮富集物的各項(xiàng)指標(biāo)提高幅度不大.因此，選擇硫酸鈉用量15%為宜.此時(shí)，金屬鐵粉的鐵品位為89.32%，鐵回收率為91.47%；稀土、鈮富集物的REO品位為5.36%，Nb2O5品位為4.62%，REO回收率為96.09%，Nb2O5回收率為95.83%.

圖2 硫酸鈉用量對(duì)金屬鐵粉鐵品位和回收率的影響Fig.2 Effect of sodium sulfate dosage on the iron grade and recovery of metal iron powder

圖3 硫酸鈉用量對(duì)稀土、鈮富集物REO和Nb2O5指標(biāo)的影響Fig.3 Effect of sodium sulfate dosage on the REO and Nb2O5indexes of RE－Nb enrichment

圖4 還原焙燒溫度對(duì)金屬鐵粉鐵品位和回收率的影響Fig.4 Effect of roasting temperature on the iron grade and recovery of metal iron powder

圖5 還原焙燒溫度對(duì)稀土、鈮富集物REO和Nb2O5指標(biāo)的影響Fig.5 Effect of roasting temperature on the REO and Nb2O5indexes of RE－Nb enrichment

3.3 還原焙燒溫度的影響

在硫酸鈉添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，還原焙燒時(shí)間120min，還原產(chǎn)物的磨礦細(xì)度－0.074mm85.4%，磁選強(qiáng)度80mT的試驗(yàn)條件下，按圖1所示流程，進(jìn)行還原焙燒溫度對(duì)鐵與稀土、鈮分離影響的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示.

由圖4、圖5可知，當(dāng)溫度從950℃升至1100℃時(shí)，金屬鐵粉中鐵品位從86.24%增加到89.32%，鐵回收率從86.05%增加到91.47%；稀土、鈮富集物中REO回收率保持在95.53%～96.09%，品位緩緩上升，Nb2O5回收率保持在94.07%～95.82%，Nb2O5品位為4.65%左右.當(dāng)溫度升至1150℃時(shí)，鐵品位略有下降，Nb2O5回收率下降幅度較大，降至88.23%.這是由于溫度過(guò)高，F(xiàn)eO與脈石礦物中SiO2和Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成了難還原的鐵橄欖石和鐵尖晶石，一定程度上阻礙了鐵的還原，同時(shí)也促進(jìn)了鈮氧化物的還原，使部分鈮進(jìn)入到鐵相，從而影響了鈮的回收率.經(jīng)綜合考慮，確定合適的還原焙燒溫度為1100℃.

3.4 還原焙燒時(shí)間的影響

在硫酸鈉添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，還原焙燒溫度1100℃，還原產(chǎn)物的磨礦細(xì)度－0.074mm 85.4%，磁選強(qiáng)度80mT的試驗(yàn)條件下，進(jìn)行還原焙燒時(shí)間對(duì)鐵與稀土、鈮分離影響的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示.

圖6 還原焙燒時(shí)間對(duì)金屬鐵粉鐵品位和回收率的影響Fig.6 Effect of roasting time on the iron grade and recovery of metal iron powder

圖7 還原焙燒時(shí)間對(duì)稀土、鈮富集物REO和Nb2O5指標(biāo)的影響Fig.7 Effect of roasting time on the REO and Nb2O5indexes of RE－Nb enrichment

從圖6、圖7可看出，隨著還原焙燒時(shí)間的增加，金屬鐵粉的鐵品位和鐵回收率均呈上升趨勢(shì)，稀土、鈮富集物的REO和Nb2O5回收率也有所提高.但焙燒時(shí)間超過(guò)120min后，金屬鐵粉和稀土、鈮富集物中REO和Nb2O5的指標(biāo)提高幅度不大，且Nb2O5回收率反而下降.經(jīng)綜合考慮，選擇還原焙燒時(shí)間120min為宜.

3.5 全流程試驗(yàn)

按圖1所示的工藝流程，在硫酸鈉添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%、還原焙燒溫度1100℃、還原焙燒時(shí)間120 min，還原產(chǎn)物的磨礦細(xì)度為－0.074mm 85.4%，磁選強(qiáng)度80mT的條件下，最終可獲得鐵品位89.32%的金屬鐵粉和REO品位5.36%、Nb2O5品位4.62%的稀土、鈮富集物.全流程試驗(yàn)結(jié)果列于表6.由表6可知，還原焙燒－磁選工藝能有效處理稀土鈮鐵粗精礦，并可獲得供電爐煉鋼使用的金屬鐵粉以及供濕法冶金使用的稀土、鈮富集物.

表6 鐵與稀土、鈮分離的全流程試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Main chemical component of products obtained in the Fe、RE、Nb separation process

4 結(jié) 論

在硫酸鈉添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%、活性炭粉添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、還原焙燒溫度1100℃、還原焙燒時(shí)間120min的條件下，對(duì)稀土鈮鐵預(yù)富集粗精礦進(jìn)行還原焙燒.然后在還原焙燒產(chǎn)物磨礦細(xì)度為－0.074mm85.4%，磁選強(qiáng)度為80mT的條件下進(jìn)行磁選，最終可獲得鐵品位89.32%、回收率91.47%的金屬鐵粉，稀土、鈮富集物的 REO，Nb2O5品位分別為5.36%，4.62%，回收率分別為96.09%，95.83%的指標(biāo).采用本試驗(yàn)研制的還原焙燒－磁選新工藝處理稀土鈮鐵粗精礦，可有效實(shí)現(xiàn)鐵與稀土、鈮的分離與回收.

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