高鋁鐵礦石氣基直接還原基礎(chǔ)研究.pdf

1、高鋁鐵礦是一類典型的難處理礦石，采用常規(guī)選礦工藝難以有效實(shí)現(xiàn)鋁鐵分離。為實(shí)現(xiàn)高鋁鐵礦資源的綜合利用，本文以廣西貴港三水鋁石型高鋁鐵礦為對象，首先詳細(xì)了解該礦的工藝礦物學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)鐵主要存在于針（赤）鐵礦中，而鋁主要存在于三水鋁石中;針（赤）鐵礦中含有鋁元素，Al2O3含量的質(zhì)量比從17％～39％，而三水鋁石中也都含有鐵元素，F(xiàn)e2O3含量的質(zhì)量比從15％～25％，這些嵌布粒度小于5μm、嵌入在鐵礦內(nèi)的Al2O3和嵌入在三水鋁石內(nèi)的Fe2

2、O3，導(dǎo)致選礦方法無法將它們分離出來。然后分別從熱力學(xué)、動力學(xué)以及微觀角度對該礦的還原特性進(jìn)行系統(tǒng)的分析，為熔融還原煉鐵工藝處理該礦提供基礎(chǔ)研究。
　　實(shí)驗(yàn)所用原料鐵品位為30.82％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），Al2O3和SiO2含量分別為23.32％、12.27％。鐵礦物以赤鐵礦和針鐵礦為主;脈石礦物主要是三水鋁石、石英及高嶺石。
　　熱力學(xué)研究表明，在焙燒條件下，Al2O3與SiO2反應(yīng)不可能生成Al2O3·2SiO2，其他如

3、藍(lán)晶石、紅柱石、硅線石以及莫來石均可能產(chǎn)生。當(dāng)有CaO存在時(shí)，CaO與Fe2O3、 Al2O3和SiO2反應(yīng)更容易先生成2CaO·SiO2，其次是2CaO·Fe2O3，最后生成3CaO·Al2O3。在溫度為1123～1300K時(shí)，三元化合物的生成順序?yàn)?鈣鋁黃長石(2CaO·Al2O3·SiO2)，3CaO·Al2 O3·3SiO2，CaO·Al2O3·SiO2，2CaO·Al2O3·SiO2，CaO·Al2O3·2 SiO2;在溫度為

4、1300K以上時(shí)，三元化合物的生成順序?yàn)?鈣鋁黃長石(2CaO·Al2O3·SiO2)，CaO·Al2O3·SiO2,3CaO·Al2O3·3SiO2,2CaO·Al2O3·SiO2, CaO·Al2O3·2SiO2。還原階段產(chǎn)生的FeO最易與Al2O3反應(yīng)生成FeO·Al2O3，其次與SiO2反應(yīng)生成2FeO·SiO2，最后與SiO2反應(yīng)生成FeO·SiO2。Al2O3置換2FeO·SiO2和FeO·SiO2中SiO2生成FeO·Al

5、2O3的反應(yīng)較之SiO2置換FeO·Al2O3中Al2O3的反應(yīng)要容易得多。FeO·SiO2的還原反應(yīng)趨勢要強(qiáng)于FeO·Al2O3及2FeO·SiO2。
　　開展等溫條件下的高鋁鐵礦球團(tuán)氣固還原實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用兩種球團(tuán)均能在一定條件下被還原，其中1#球團(tuán)于1173K、還原氣氛為CO70％（體積分?jǐn)?shù)，下同）和H230％、還原時(shí)間為77min時(shí)得到最高還原度77.13％;2#球團(tuán)于1223K、還原氣氛為CO70％和H230％、還原時(shí)間為8

6、0min時(shí)得到最高還原度82.20％。綜合考慮，兩種球團(tuán)的最佳預(yù)還原溫度為1173K。球團(tuán)中添加消石灰后可以改善還原效果，提高還原度。然后采用未反應(yīng)核模型，對兩種球團(tuán)的還原實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行動力學(xué)回歸處理，確定還原過程前期為化學(xué)反應(yīng)與內(nèi)擴(kuò)散混合控制，后期主要為內(nèi)擴(kuò)散控制，并求出了相應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)。
　　1#球團(tuán)還原前期的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù):
　　還原氣氛為CO80％+H220％時(shí)，k+=0.239exp(-34.89/8.314T)

7、;還原氣氛為CO70％+H230％時(shí)，k+=0.443exp(-31.03/8.314T);
　　2#球團(tuán)還原前期的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù):
　　還原氣氛為CO80％+H220％時(shí)，k+=0.102exp(-27.23/8.314T);還原氣氛為CO70％+H230％時(shí)，k+=0.148exp(-24.75/8.314T)。
　　采用X-射線衍射分析及掃描電子顯微鏡分析，從微觀角度考察還原過程中的物相及還原終了時(shí)的物相特征以

8、了解高鋁鐵礦石難還原之所在，并尋求提高高鋁鐵礦石球團(tuán)還原度的途徑。還原過程中產(chǎn)生了鐵硅橄欖石相以及鐵鋁尖晶石相，這些相產(chǎn)生后難以被還原，導(dǎo)致高鋁鐵礦球團(tuán)還原度不高。通過分時(shí)間段研究還原進(jìn)程中所產(chǎn)生的物相，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)中很早時(shí)就產(chǎn)生了金屬鐵、沒有出現(xiàn)Fe3O4相以及沒有檢測到FeO相，該礦中的鐵氧化物在純CO氣氛下還原時(shí)，鐵氧化物逐級還原規(guī)律不明顯。Ca(OH)2配比對球團(tuán)物相的影響研究表明，配比為2％時(shí)，已產(chǎn)生了CaAl2Si2O8相

9、，隨著配比的提高，還會產(chǎn)生Ca2Al2SiO7相，這些相的生成可以提高FeO的還原反應(yīng)活性，從而提高還原度。
　　采用NETZSCH STA409C/CD同步熱分析儀對廣西高鋁鐵礦焙燒球團(tuán)進(jìn)行了CO和H2氣氛下的非等溫還原，使用化學(xué)分析、X-射線衍射及掃描電鏡對焙燒和還原后的球團(tuán)進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明:球團(tuán)焙燒后，主要物相有Fe2O3、 Al2O3及Al3Fe5O12相。焙燒球團(tuán)還原時(shí)，CO難以將還原過程中出現(xiàn)的鐵鋁尖晶石和鐵硅

10、橄欖石中結(jié)合的鐵還原出來，終點(diǎn)溫度為1573K時(shí)，終還原度僅為35.62％。而H2還原條件下，溫度為1520K時(shí)，還原度為100％，表明焙燒球團(tuán)中的Fe3+被全部還原至金屬鐵。最后進(jìn)行了非等溫還原動力學(xué)分析并得到了動力學(xué)數(shù)據(jù)。CO和H2還原時(shí)的活化能分別為295.82kJ·mol-1和185.42kJ·mol-1。各自的反應(yīng)速率常數(shù)分別表達(dá)為:kCO=1.71*108e(-295820.5/T)和kH2=1.36*105e(-18542