论文摘要
近年来随着我国钢铁工业的快速发展,铁矿石需求不断增加,每年需要大量进口铁矿石,对外依存度连续多年高达60%以上,危及国家资源安全。因而,加强国内复杂难选铁矿石高效开发利用研究,提高铁矿石自给率,具有重要的战略意义。本文对湖北官店高磷鲕状赤铁矿进行了工艺矿物学研究,以此为基础,根据最小自由能原理,计算并分析了高磷鲕状赤铁矿深度还原过程中各个反应的可能性及反应的先后顺序。利用XRD、SEM等分析手段对深度还原产物的物相组成、微观结构等进行了研究。矿石的工艺矿物学研究结果表明,原矿中的全铁品位为42.21%,铁矿物以赤（褐）铁矿为主,含量为69.22%。有害元素磷含量1.31%,磷主要存在于胶磷矿中,胶磷矿的含量为4.26%；脉石矿物主要为石英和鲕绿泥石。赤铁矿与鲕绿泥石、部分胶磷矿紧密镶嵌成鲕粒出现,很难单体解离。采用传统的选别方法处理该矿石难以得到合格的选别指标。热力学计算结果表明,在深度还原过程中,矿石中的铝、硅、镁、钙等元素不能被还原为单质；铁复杂化合物生成的顺序为,2CaO·Fe2O3>CaO·Fe2O3>FeO·Al2O3> FeSiO3>2FeOSiO2。铁复杂化合物被C还原的顺序为,CaO·Fe2O3>2CaO·Fe2O3> 2FeO·SiO2>FeSi03>FeO·Al2O3。CaO的存在使得铁复杂化合物的起始还原温度降低,之前不能被CO还原的FeO·Al2O3、2FeO·SiO2的还原成为可能。在Fe2O3-SiO2-CaO-Al2O3-P2O5-C体系下,磷元素的迁移历程主要是Ca3（PO4）2→ Ca2P2O7→Fe3P,还有少部分磷元素的历程为Ca3（PO4）2→Ca2P2O7→Fe2P/FeP。铁元素的主要迁移历程为Fe2O3-Fe3O4→FeO→Fe,还有少部分铁元素的历程为Fe2O3→Fe3O4→FeO→铁复杂化合物→Fe。以还原产物的金属化率及深度还原铁粉品位作为评价指标,系统的研究了还原温度、还原时间、配碳系数等因素对深度还原效果的影响。研究表明,还原温度、还原时间和配碳系数对还原产物金属化率及铁粉品位有重要影响。试验确定的适宜深度还原条件为,还原温度1200℃,还原时间60min,配碳系数2.0,在此条件下得到的还原产物金属化率90.84%,铁粉的品位为90.56%,回收率为92.03%。添加碳酸钙改变体系碱度,当体系中二元碱度适当改变时,可以提高还原指标。碳酸钙分解出的氧化钙能与矿石中的SiO2、Al2O3反应生成斜硅钙石、Al2Ca2SiO7、 CaAl2（SiO）4等化合物,从而有效减少了与FeO反应生成铁复杂化合物的量。应用光学显微镜、XRD、SEM、EDS等分析手段对深度还原后产物的物相组成等工艺矿物学特性进行了系统分析。结果表明,高磷鲕状赤铁矿深度还原历程为Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe;Fe2O3→Fe3O4→FeO→2FeO·SiO2、FeO·Al2O3等→Fe。还原温度是影响铁颗粒长大的决定性因素,还原温度的提高促进了金属铁相的迁移扩散,有利于金属铁颗粒的聚集和长大。在还原温度相对较低时,还原相变只在矿石的某些部分发生,金属铁的还原较为困难；同时铁的低价氧化物和脉石矿物反应生成铁橄榄石、铁尖晶石等复杂铁化合物。还原温度提高时,金属铁相逐渐形成,同时也在有铁橄榄石等的位置生成并长大。FeO及Fe的生成、长大、聚集破坏了矿石的鲕状结构。本研究成果为高磷鲕状赤铁矿石的高效利用奠定了一定的理论基础。