含鈮鐵礦粉氣基選擇性還原實(shí)驗(yàn)研究

陳義勝，石 強(qiáng)，閆永旺，武 錦，馮運(yùn)來(lái)

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭 014010）

鈮是有色金屬中稀有高熔點(diǎn)金屬，有良好導(dǎo)熱性及可塑性等。白云鄂博礦有十分豐富的鈮資源總儲(chǔ)量達(dá)到660萬(wàn)t僅次于巴西，居于世界第二[1]。目前采用選別得到的含鈮礦粉，存在大量鐵、硫、磷等有害雜質(zhì)元素，仍達(dá)不到直接冶煉的要求。如何通過(guò)選擇性還原把鈮和鐵及其他有害元素分離開(kāi)來(lái)是目前研究的熱點(diǎn)[2]。

為了解決這些問(wèn)題提高鈮的回收率進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)探究。陳宏等[3]把CO-CO2混合氣體作還原劑還原鐵采用磁選分離、鹽酸浸漬方法得到鈮品位較高爐渣。文章對(duì)H2選擇性還原（保溫時(shí)間、溫度和通氫量）進(jìn)行探究，采用自制管式電爐還原含鈮礦粉能夠進(jìn)行充分還原有效脫除Fe、S、P等有害雜質(zhì)提高鈮品位。

1 實(shí)驗(yàn)

取白云鄂博礦含鈮礦粉為實(shí)驗(yàn)原料化學(xué)成分如表1，粒度約100目。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.99%H2作為還原氣體，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.99%Ar氣作為保護(hù)氣體。采用自制管式電爐進(jìn)行還原實(shí)驗(yàn)。還原設(shè)備包括還原氣供給、滲透床氣基還原兩個(gè)部分。使用型號(hào)ZT-50-20真空碳爐對(duì)還原后含鈮礦粉進(jìn)行熔分實(shí)驗(yàn)。

表1 化學(xué)成分表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于實(shí)驗(yàn)量較大對(duì)這3個(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)研究，表2為設(shè)計(jì)的正交實(shí)驗(yàn)表。

表2 選擇性還原正交實(shí)驗(yàn)表

由上表可計(jì)算出失重率指標(biāo)總和Q和均值x，如Q1=在940℃的實(shí)驗(yàn)溫度下失重率指標(biāo)總和=19.5109+20.5133+21.6643+21.7590=83.4556，均值 x1=Q1/次數(shù)=83.4556/4=20.8639 極差 R=第一列中 x1、x2、x3、x4的最大與最小值之差=21.2304-20.8125=0.4179。同理計(jì)算第二列、第三列Q、均值x和極差R。

通過(guò)計(jì)算可得極差：通氫量>保溫時(shí)間>實(shí)驗(yàn)溫度，說(shuō)明文章探究范圍內(nèi)通氫量和保溫時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)影響較大實(shí)驗(yàn)溫度影響特別小。

由表2失重率可得，隨著溫度升高，熔渣失重率先增高后降低，當(dāng)溫度在940℃時(shí)，氧化鐵未能完全與氫氣發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致失重率較低。當(dāng)溫度高于950℃時(shí)，試樣硬度逐漸增加，而且表面會(huì)生成一層致密金屬膜，導(dǎo)致氫氣擴(kuò)散速度降低，因此，導(dǎo)致失重率降低，因此實(shí)驗(yàn)溫度選取950℃。隨著保溫時(shí)間的增加，熔渣失重率逐步增加，當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到3 h后，失重率有略微增幅，基本保持不變，因?yàn)檫€原時(shí)間較長(zhǎng)，還原基本達(dá)到平衡，綜合考慮，保溫時(shí)間取3 h。隨著通氫量的增加，熔渣的失重率呈上升趨勢(shì)，因?yàn)橥淞窟_(dá)到100 L/h易把料層吹漏，出現(xiàn)短路現(xiàn)象，所以通氫量選取90 L/h。綜上，本實(shí)驗(yàn)最佳還原條件為 950℃、3 h、90 L/h。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)反應(yīng)前后失氧量，可以計(jì)算70 g礦粉理論上失重12.618 g。通過(guò)實(shí)驗(yàn)失重量，計(jì)算鈮鐵礦粉的還原度式（1）和金屬化率式（2）。

式中：O0i為最初和鐵結(jié)合氧質(zhì)量；Oii為還原至某時(shí)刻和鐵結(jié)合氧質(zhì)量；ΔW為還原至某時(shí)刻失重；W1為鐵礦石揮發(fā)性失重。

MFe為還原出鐵質(zhì)量；TFe為原料中全鐵質(zhì)量。

圖1 不同溫度、時(shí)間的還原度和金屬化率

由圖1可得，在950℃時(shí)金屬化率、還原度達(dá)到最高，還原3h后金屬化率、還原度有較小上升。綜合考慮，取950℃、3h和正交實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果相同。通氫量越大，效果越好，達(dá)到一定程度會(huì)出現(xiàn)短路，所以在此不做再次驗(yàn)證。在溫度950℃、保溫3 h、通氫量90 L/h時(shí)金屬化率、還原度為95.23%和96.24%。因此950℃、3h和90L/h為最佳還原條件。

2.3 熔分試樣ICP成分分析

本實(shí)驗(yàn)最佳還原條件下，還原得到的含鈮鐵礦粉使用真空爐進(jìn)行渣金熔分實(shí)驗(yàn)，溫度為1550℃、保溫時(shí)間25min，分離得到Fe相和渣相。3組平行試驗(yàn)分別對(duì)Fe相和渣相進(jìn)行ICP成分檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 熔分成分結(jié)果

由表3結(jié)果看出，熔分后渣相中鈮含量在1.90%左右，鈮品位提高了近2.1倍，鐵含量在3.4%左右，鈮鐵分離效果比較好。利用表3中數(shù)據(jù)，可計(jì)算鈮收得率η、脫鐵率ρ、脫磷率α及脫硫率β，計(jì)算公式如下：

mNb（slag）渣中鈮質(zhì)量 g；mNb（iron）鐵中鈮質(zhì)量 g；mFe（slag）鐵質(zhì)量 g；mFe（iron）鐵塊質(zhì)量 g；mP理論 P 質(zhì)量 g；渣中 P 質(zhì)量 g；mS理論 S 質(zhì)量 g；mS（slag）渣中 S 質(zhì)量 g。計(jì)算結(jié)果如圖2。

圖2 不同試樣鈮收得率、脫鐵率、脫磷率、脫硫率

由圖2看出鈮的收得率大于98%以及脫鐵率在97%左右，脫磷率在95%左右和脫硫率在99.5%左右。在實(shí)驗(yàn)條件下鐵、磷和硫有害雜質(zhì)得到較好脫除鈮得到很好地富集。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)還原后含鈮鐵礦粉失重率、金屬化率、還原度的計(jì)算，得到最佳還原條件為溫度950℃、保溫時(shí)間3 h、通氫量90 L/h時(shí)，金屬化率及還原度分別為95.23%和96.24%。在950℃、3 h、90 L/h條件下，還原后鈮鐵礦粉經(jīng)過(guò)高溫熔分后熔渣脫鐵率、脫磷率及脫硫率效果很好，而且鈮也在渣中得到了很好富集，鈮的品位約為之前2.1倍。