直接還原工藝在稀有金屬伴生鐵礦綜合利用中的應(yīng)用*

劉牡丹，劉 勇，劉珍珍，周吉奎

廣東省資源綜合利用研究所，稀有金屬分離與綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省礦產(chǎn)資源開發(fā)與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510650

我國(guó)內(nèi)蒙、新疆、云南等地蘊(yùn)藏了豐富的稀土-鈮-鐵共生礦資源，這類資源的顯著特點(diǎn)是礦物種類多、嵌布關(guān)系緊密，采用物理選礦方法難以有效分離和富集有價(jià)金屬[1]．國(guó)內(nèi)許多學(xué)者采用冶金方法對(duì)這類礦石進(jìn)行了研究，如高鵬等人以TFe含量32.17%，REO含量7.14%，Nb2O5含量0.127%的物料為原料，在還原溫度1225 ℃、還原時(shí)間30 min、配碳比為2的條件下進(jìn)行深度還原，還原物料經(jīng)階段磨礦-粗細(xì)分選后，得到鐵品位91.61%、回收率93.23%的鐵粉，以及REO含量12.25 %、回收率98.73%的可作為分選稀土原料的尾礦，為高鐵稀土粗精礦的分離回收提出了可行的方法[2]．方覺(jué)等人[3]對(duì)Nb2O5含量為1.82%，TFe為51.6%的鈮精礦，提出了選擇性還原-熔分-鈮鐵冶煉的處理方案，可獲得鈮含量14%的鈮鐵，鈮的總回收率大于80%，鐵的總回收率大于90%．陳宏等人[4-5]采用直接還原技術(shù)對(duì)經(jīng)重選得到的含鈮鐵礦粉(TFe含量53.7%，REO含量1.5%，Nb2O5含量1.77%)進(jìn)行處理，除鐵率達(dá)到96.5%，非磁性物中Nb2O5含量提高到6.91%．從已開展的研究來(lái)看，冶金法可有效處理高品位的含鈮鐵礦粉或稀土粗精礦，特別是共生礦中鐵的回收[6-7]．固態(tài)直接還原工藝具有流程短、溫度低、容易工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，可使鐵氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘勹F，經(jīng)磁選后鈮、鋯、稀土等稀有金屬在非磁性渣中富集，為分離回收稀有金屬創(chuàng)造良好條件．

云南某稀土-鈮伴生鐵礦經(jīng)選礦預(yù)富集，可獲得TFe含量35%以上的鐵粗精礦，稀土、鈮等稀有金屬在粗精礦中獲得一定程度的富集，但是含量仍然較低，不能達(dá)到目前工業(yè)生產(chǎn)要求的精礦品位，需采用冶金工藝對(duì)其進(jìn)行深度處理．本研究以該稀有金屬伴生鐵粗精礦為原料，開展直接還原-磁選工藝研究，考查鐵粗精礦中鐵與稀土、鈮的分離富集效果，以期為這類礦的綜合利用提供可行的技術(shù)路線．

1 試驗(yàn)部分

1.1 原 料

試驗(yàn)所用原料為云南某稀有金屬伴生鐵礦選礦產(chǎn)出的鐵粗精礦，其主要元素含量如表1所示．由表1可知：鐵粗精礦中鐵品位為38.25%，其它有價(jià)元素主要有稀土、鈮、鈦、鋯，其含量分別為1.43%，1.62%，9.25%和5.3%；雜質(zhì)SiO2含量較高為23.18%，其次是Al2O3含量為5.76%，SiO2含量高將對(duì)冶金處理過(guò)程產(chǎn)生不利的影響．

試驗(yàn)所用還原劑為煙煤，其工業(yè)分析結(jié)果列于表2．由表2可知：試驗(yàn)所用煙煤焦渣特性為1，水分為5.68%；固定碳含量和揮發(fā)分含量均較高，分別為50.31%和34.25%；灰分含量較低，其值為11.44%，灰分軟化溫度為1320 ℃，表明該煙煤是良好的還原劑．試驗(yàn)所用的添加劑為碳酸鈉、硫酸鈉、碳酸鈣，它們均為化學(xué)試劑純．

表1 粗精礦主要元素含量Table 1 Main element contents of the rough concentrate

表2 還原劑(煙煤)工業(yè)分析結(jié)果Table 2 Industrial analysis results of reductant (bituminous coal)

1.2 方 法

鐵粗精礦的直接還原試驗(yàn)在小型豎式中頻爐內(nèi)進(jìn)行，反應(yīng)罐為石墨坩堝．試驗(yàn)時(shí)先將粗精礦及添加劑按一定比例混勻后制成D=10 mm的球團(tuán)，濕球團(tuán)置于100 ℃下干燥，然后在設(shè)定的溫度下還原．還原后將球團(tuán)磨至一定粒度，再采用濕式弱磁選分選磁性物及非磁性物，所得磁性物即為金屬鐵粉，非磁性物用于回收稀土、鈮、鉭、鈦、鋯等有價(jià)元素．以磁性物品位及其回收率和非磁性物稀土、鈮品位及其回收率作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)．圖1為試驗(yàn)流程示意圖．

圖1 粗鐵精礦直接還原-磁選工藝流程圖Fig.1 Direct reduction-magnetic separation flowsheet of the rough iron concentrate

2 結(jié)果與討論

2.1 直接還原

在鐵礦石還原過(guò)程中堿性添加劑鈉鹽是一種非常有效的還原催化劑，碳酸鈉和硫酸鈉均能有效促進(jìn)鐵氧化物的還原；在冶金生產(chǎn)工業(yè)中鈣鹽也是一種常用的添加劑，其可有效地脫除硅、鋁等脈石成分，是鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中一種常用的脫硅劑．因此，鈉鹽和鈣鹽是稀有金屬伴生鐵礦還原過(guò)程中的理想添加劑．

2.1.1 添加劑種類及用量的影響

在還原溫度1200 ℃、還原時(shí)間150 min、磨礦細(xì)度-0.074 mm約占70%、磁場(chǎng)強(qiáng)度800 Oe的條件下，研究了添加劑種類對(duì)還原、分選效果的影響，結(jié)果列于表3．由表3可知：?jiǎn)为?dú)選用碳酸鈉、硫酸鈉或碳酸鈣作為添加劑時(shí)，鐵與稀有金屬的分離富集效果不理想；當(dāng)選用混合添加劑時(shí)，鐵與稀有金屬的分離富集效果得到改善，特別是當(dāng)硫酸鈉和碳酸鈣同時(shí)作為添加劑時(shí)，分選效果最佳．因此，適宜的添加劑為硫酸鈉和碳酸鈣．

表3 添加劑種類對(duì)選別指標(biāo)的影響Table 3 Effect of additive kinds on the separation indicators

注：1)還原過(guò)程中有燒損，磁性物與非磁性物的產(chǎn)率之和不為100%；每次試驗(yàn)存在個(gè)體差異，二者之和也不一樣，下同．

硫酸鈉和碳酸鈣同時(shí)作添加劑，可有效實(shí)現(xiàn)粗精礦中鐵與其它金屬的分離．在還原溫度1200 ℃、還原時(shí)間150 min、磨礦細(xì)度為-0.074 mm約占70%及磁場(chǎng)強(qiáng)度800 Oe的條件下，研究了硫酸鈉和碳酸鈣用量對(duì)還原、分選效果的影響，結(jié)果列于表4．由表4可知：當(dāng)碳酸鈣用量為15%時(shí)，隨著硫酸鈉用量的增加，磁性物的鐵品位及回收率逐漸升高，非磁性物的品位及回收率也逐漸升高，當(dāng)硫酸鈉用量超過(guò)15%時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)的升高幅度均較?。划?dāng)硫酸鈉用量為15%時(shí)，隨著碳酸鈣用量從5%增加到10%，磁性物和非磁性物的各項(xiàng)指標(biāo)均大幅度升高，當(dāng)碳酸鈣用量進(jìn)一步增加到20%時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均有明顯降低．因此，硫酸鈉和碳酸鈣適宜的用量分別為15%和10%．

表4 添加劑用量對(duì)選別指標(biāo)的影響Table 4 Effect of additive dosage on the separation indicators

2.1.2 還原溫度及時(shí)間的影響

溫度是影響還原效果的重要因素之一．在硫酸鈉用量為15%、碳酸鈣用量為10%、還原時(shí)間150 min，磨礦細(xì)度-0.074 mm約占70%及磁場(chǎng)強(qiáng)度800 Oe的條件下，研究了還原溫度對(duì)還原、分選效果的影響，結(jié)果列于表5．由表5可知，溫度對(duì)還原分選指標(biāo)影響顯著．當(dāng)還原溫度低于1150 ℃時(shí)，鐵與稀有金屬的分離、富集效果不理想；當(dāng)還原溫度升高到1200 ℃時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)明顯改善，磁性物的品位及回收率分別達(dá)到90.13%和90.15%，非磁性物中REO及Nb2O5的品位分別為2.54%和2.5%、回收率分別為93.84%和81.53%；當(dāng)還原溫度進(jìn)一步升高時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)一步改善，但幅度較小，而且此時(shí)球團(tuán)熔融現(xiàn)象加劇，會(huì)對(duì)后續(xù)操作及設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生不利的影響．因此，適宜的還原溫度為1200 ℃．

表5 還原溫度對(duì)選別指標(biāo)的影響Table 5 Effect of reduction temperature on the separation indicators

還原時(shí)間對(duì)還原效果的影響很大．在硫酸鈉用量15%、碳酸鈣用量10%、還原溫度1180 ℃、磨礦細(xì)度為-0.074 mm約占70%及磁場(chǎng)強(qiáng)度800 Oe的條件下，研究了還原時(shí)間對(duì)還原、分選效果的影響，結(jié)果列于表6．

表6 還原時(shí)間對(duì)選別指標(biāo)的影響Table 6 Effect of reduction time on the separation indicators

從表6可見(jiàn)：隨著還原時(shí)間的延長(zhǎng)，鐵與稀有金屬的分離富集效果得到明顯改善，磁性物鐵品位從85.95%升高到93.45%，鐵回收率從88.11%逐漸升高到90.48%，非磁性物中REO和Nb2O5的品位變化幅度不大，二者回收率分別從85.43%和74.82%逐漸升高到93.12%和84.48%；當(dāng)還原時(shí)間超過(guò)120 min后，各項(xiàng)指標(biāo)的變化幅度均不大．因此，適宜的還原時(shí)間約為120～150 min．

2.2 磁選分離

2.2.1 磨礦細(xì)度的影響

物料的單體解離情況直接影響分選效果的好壞，因此還原物料的磨礦細(xì)度是影響磁選指標(biāo)的重要因素．在還原溫度1180 ℃、還原時(shí)間150 min、硫酸鈉用量為15%、碳酸鈣用量為10%及磁場(chǎng)強(qiáng)度800 Oe的條件下，研究了磨礦細(xì)度(以-0.074 mm的粒級(jí)衡量)對(duì)鐵礦還原分選的影響，結(jié)果列于表7．

由表7可知：隨著磨礦細(xì)度的增加，磁性物鐵品位從87.56%提高到92.05%，鐵的回收率則呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)-0.074 mm占85.4%時(shí)鐵的回收率達(dá)最大值為90.08%；非磁性物REO和Nb2O5品位變化幅度不大，二者的回收率呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)-0.074 mm占85.4%時(shí)REO和Nb2O5的回收率達(dá)最大分別為91.9%和81.75%．這是由于隨著磨礦細(xì)度增加，各礦物的單體解離度增大，分選效果得到改善，不過(guò)隨著磨礦細(xì)度進(jìn)一步增加，細(xì)粒物料占比增加，回收率有所降低．因此，適宜的磨礦細(xì)度為-0.074 mm約占85%．

表7 磨礦細(xì)度對(duì)選別指標(biāo)的影響Table 7 Effect of grinding fineness on the separation indicators

2.2.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響

在還原溫度1180 ℃、還原時(shí)間150 min、Na2SO4用量為15%、碳酸鈣用量為10%、磨礦細(xì)度為-0.074 mm占85.4%的條件下，研究了磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)分選、富集指標(biāo)的影響，結(jié)果列于表8．由表8可知：隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度從600 Oe逐漸升高到1200 Oe，鐵品位呈先升高后降低的趨勢(shì)，不過(guò)變化幅度較小，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為800 Oe時(shí)達(dá)最大值為90.48%；隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，鐵的回收率則從87.4%逐漸升高到90.58%；非磁性物REO和Nb2O5的品位變化幅度不大，二者的回收率均在1000 Oe時(shí)達(dá)最大值．這主要是因?yàn)殡S著磁場(chǎng)強(qiáng)度的提高，夾雜或連生于磁性物中的非磁性顆粒也進(jìn)入磁性物中所致，但磁場(chǎng)強(qiáng)度太低，造成磁力較弱，從而使分選效果不好．因此，適宜的磁場(chǎng)強(qiáng)度為800～1000 Oe．

表8 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁性物指標(biāo)的影響Table 8 Effect of magnetic field intensity on the separation indicators

綜上所述，采用直接還原-磁選工藝，可將鐵與稀有金屬分離和富集，并獲得較好的指標(biāo)，其中鐵、稀土及Nb2O5的品位分別為90.48%，2.59%和2.61%，回收率分別為90.08%，91.9%和81.75%.

3 結(jié) 論

采用直接還原-磁選工藝處理云南某稀有金屬伴生鐵礦選礦產(chǎn)出的鐵粗精礦，通過(guò)試驗(yàn)得到最佳試驗(yàn)條件為還原溫度1180℃、還原時(shí)間150 min、磨礦細(xì)度為-0.074 mm占85.4%、磁場(chǎng)強(qiáng)度800 Oe、添加劑碳酸鈣及硫酸鈉用量分別為10%和15%．在最佳條件下，當(dāng)鐵粗精礦中鐵品位為38.25%及REO和Nb2O5品位分別為1.43%和1.62%時(shí)，采用直接還原-磁選工藝可獲得的磁性物鐵品位為90.48%、鐵回收率為90.08%，稀土和鈮均在非磁性物中富集，含量分別為2.59%和2.61%，二者的回收率分別為91.9%和81.75%．表明該工藝能實(shí)現(xiàn)稀有金屬伴生鐵礦中鐵和稀有金屬的分離與富集，為后續(xù)稀土和鈮的分離提取創(chuàng)造了良好條件．

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