助熔劑對某赤鐵礦直接還原效果的影響

陳 建，肖月華，杜遠超，宋宏偉

（文山學院 冶金與材料學院，云南 文山 663099）

我國的鐵礦石資源分布范圍廣泛，儲存量較大，但是礦石平均品位低，礦山分布零散[1]。有很多因技術問題無法利用的低品位難選鐵礦石，以及處理成本太高生產價值不大的鐵礦石資源存在。因此，我國對于鐵礦石的整體開發(fā)利用程度不高。要解決我國目前的問題，提升鐵礦石利用生產技術是關鍵，研究如何強化鐵礦石直接還原的過程具有重要意義。近年來，隨著焦炭資源的日益消耗，各種直接還原煉鐵工藝迅速發(fā)展[2]。我國的煤炭資源豐富，也為鐵礦石煤基直接還原的研究提供了條件[3-4]。

在鐵礦石的直接還原過程中，除了還原劑的影響外，助熔劑的種類及用量也對還原產品的質量有較大影響。廣西大學沈慧庭對某難選鮞狀赤鐵礦，在環(huán)狀裝料方式下進行直接還原焙燒，使用CaCO3為固體碳的氣化促進劑，焙燒產物的金屬化率達90%以上[5]。徐承焱等研究了不同還原劑對某難選鐵礦石直接還原效果的影響，研究表明，在添加助熔劑的情況下，無煙煤及褐煤的還原效果均有改善，而且對褐煤的改善效果更明顯[6]。

本文以某赤鐵礦為實驗對象，分別添加石灰石、白云石、消石灰、生石灰、膨潤土作為助熔劑，進行直接還原實驗，研究助熔劑的種類及用量對直接還原效果的影響。

1 實驗原料

實驗選用的赤鐵礦主要成分如表1所示：

表1 試驗赤鐵礦原料主要成分表

實驗選用無煙煤作為還原劑，對赤鐵礦進行直接還原實驗。研究助熔劑的種類及用量對鐵礦石煤基直接還原效果的影響。試驗選用的助熔劑為：a—石灰石（CaCO3）、b—白云石（CaCO3·MgCO3）、c—消石灰（Ca(OH)2）、d—生石灰（CaO）、e—膨潤土。

2 實驗方法

將赤鐵礦粉碎至-200目，在還原溫度1 200 ℃、還原劑用量25%、還原時間90 min的條件下，不添加助熔劑對赤鐵礦進行直接還原。實驗結果表明，在該條件下可得金屬化率84.82%的還原產品。

現將赤鐵礦粉碎至-200目，加入還原劑及助熔劑a，混勻后裝入坩堝，放入馬弗爐中。在同樣的還原條件（還原溫度1 200 ℃、還原劑用量25%、還原時間90 min）下，進行赤鐵礦的直接還原實驗，以研究助熔劑a的用量對還原效果的影響。之后重復上述步驟，依次得出助熔劑b、c、d、e的最佳用量，并對添加不同助熔劑、以及不添加助熔劑的還原效果進行橫向比較，得出效果最佳的方案。

3 實驗結果與討論

3.1 不同助熔劑的用量對鐵礦石直接還原效果的影響

在本實驗中，以還原產品的金屬化率作為考察還原效果的主要因素。圖1～圖5分別表示，在同樣的還原條件（還原溫度1 200 ℃、還原劑用量25%、還原時間90 min）下，赤鐵礦的還原效果隨著助熔劑a、b、c、d、e加入量的變化。

由圖1～圖5可知，助熔劑a、b、c、d、e對赤鐵礦還原效果的影響趨勢呈現出一致性。隨著不同的助熔劑的用量增加，赤鐵礦的直接還原效果也隨之提高，表現為金屬化率的上升；達到最佳用量時，金屬化率達到最高；而超過最佳用量后，反而導致金屬化率開始下降?？傮w上表現為還原效果隨助熔劑加入量的提高先上升后下降。各助熔劑的最佳用量分別為：助熔劑a為18%，助熔劑b為12%，助熔劑c為24%，助熔劑d為18%，助熔劑e為18%。相對于同樣的還原條件下不添加助熔劑的還原效果，在各助熔劑的最佳加入量下，還原效果均有不同程度的提高。

對圖1～圖5進行比較，得出不同助熔劑對赤鐵礦直接還原效果的促進作用為：d＞a＞c＞ b＞e。其中提高還原效果最顯著的為助熔劑d-生石灰（CaO）。在生石灰加入量18%的條件下，還原產品的金屬化率可達到98.07%。

圖 1 助熔劑a-石灰石（CaCO3）的用量對直接還原效果的影響

圖 2 助熔劑b-白云石（CaCO3·MgCO3）的用量對直接還原效果的影響

圖 3 助熔劑c-消石灰（Ca(OH)2）的用量對直接還原效果的影響

圖 4 助熔劑d-生石灰（CaO）的用量對直接還原效果的影響

圖 5 助熔劑e-膨潤土的用量對直接還原效果的影響

助熔劑在直接還原的過程中，能夠與硅鋁鈣鎂等氧化物反應并生成新的化合物，降低熔點，改善鐵氧化物的還原條件，對直接還原有促進作用。而且鐵礦石中的SiO2，在較低溫度下即可與鐵礦石還原生成的FeO反應，生成鐵橄欖石；鐵橄欖石的熔點較低，容易形成液相包裹鐵礦石，使鐵礦石的還原條件惡化，影響還原效果。助熔劑中的CaO可與SiO2反應生成硅酸鈣，從而阻止鐵橄欖石的形成，以改善還原效果。

但助熔劑用量過多時，助熔劑顆粒會阻礙還原劑與鐵氧化物的接觸，影響還原條件，導致還原效果降低；且過量的CaO無法消耗，也對還原產品的品位提高不利。因此助熔劑的用量不宜過多，而且助熔劑要求堿性氧化物含量高、酸性氧化物含量少，CaO的含量越高越好，有害雜質S、P的含量越少越好[7]。

3.2 還原產品的物相檢測

分別對還原溫度1 200 ℃、還原劑用量25%、還原時間90 min的條件下，不添加助熔劑與添加18%生石灰所得的還原產品進行XRD檢測，結果見圖6、圖7。

圖6是在不添加助熔劑的情況下所得的還原產品，在其XRD衍射圖譜中，有明顯的鐵橄欖石衍射峰存在，說明在還原過程中生成了低熔點的鐵橄欖石（2FeO·SiO2），而鐵橄欖石會在還原礦的表面形成大量液相，阻礙還原氣氛向內部擴散，影響還原效果。

圖7是添加18% 生石灰的條件下所得還原產品的XRD衍射圖譜，由圖7可知，在添加了助熔劑生石灰后，還原產品中的鐵橄欖石衍射峰消失，單質鐵的衍射峰與圖6相比更加突出。說明在添加了助熔劑生石灰后，其中的CaO與SiO2的結合力大于FeO與SiO2的結合力，CaO與SiO2競爭性結合，從而游離出FeO，有利于FeO的還原，并阻止了鐵橄欖石（2FeO·SiO2）的生成，減少液相的產生，改善了赤鐵礦的還原條件，使鐵礦石充分還原，從而提高直接還原的效果。在圖7中還可觀察到CaO的衍射峰，說明在18%的生石灰添加量下，有少量CaO過量；如果再提高生石灰的用量，則會導致過量的CaO增多，反而會導致直接還原條件的惡化，影響還原效果。

圖 6 不添加助熔劑的還原產品XRD分析

圖 7 添加18% 生石灰的還原產品XRD分析

4 結論

（1）以某赤鐵礦為實驗對象，添加助熔劑石灰石、白云石、消石灰、生石灰、膨潤土進行直接還原實驗，研究不同種類及用量的助熔劑對還原效果的影響。實驗結果表明，在適量添加的情況下，各助熔劑均在不同程度上改善了赤鐵礦的還原效果。而過量添加時，各助熔劑均造成還原效果的下降。其中在添加18%的生石灰的條件下，還原效果的提高最顯著，可得到金屬化率98.07%的還原鐵。

（2）對不添加助熔劑與添加18%生石灰所得的還原產品分別進行XRD檢測。結果表明，不添加助熔劑的還原產品，有明顯的鐵橄欖石衍射峰存在，說明在還原過程中生成了低熔點的鐵橄欖石（2FeO·SiO2）；而添加了助熔劑生石灰后，還原產品的鐵橄欖石衍射峰消失，說明生石灰中的CaO與SiO2結合，阻止了鐵橄欖石（2FeO·SiO2）的生成，游離出FeO，使鐵礦石充分還原，從而提高直接還原的效果。