脱磷剂及焙烧温度对高磷鲕状赤铁矿石还原产物磨矿特性的影响

2021-12-18陈泽坤孙体昌吴世超李宗蔚

金属矿山 2021年11期

陈泽坤孙体昌吴世超李宗蔚

（北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083）

占我国铁矿石储量1/9的高磷鲕状铁矿石被认为是世界上最难选的铁矿石之一［1］，一直以来未能得到有效利用［2-4］。研究表明，采用煤基直接还原焙烧—磁选的方法处理矿石可以获得磷含量很低的直接还原铁［5-16］。

已有的关于高磷鲕状铁矿石直接还原焙烧—磁选试验研究中，大都研究了磨矿细度与直接还原铁品位的关系，却鲜有关于还原产物磨矿特性的研究。李茂林［17］等研究了磁化焙烧条件对鄂西铁矿石磨矿性能的影响，发现焙烧矿中粗颗粒增多、细颗粒减少，焙烧条件影响还原产物的可磨度。颜亚梅等［18］研究了磁化焙烧对鄂西铁矿石磨矿性能的影响，发现由于焙烧矿结构致密导致还原产物可磨性变差。上述研究表明，高磷鲕状赤铁矿石的磁化焙烧对焙烧矿的可磨度有一定的影响。而高磷鲕状赤铁矿石的直接还原温度比磁化焙烧温度高很多，所得还原产物的性质与天然矿石性质相差较大。此外，还原产物中的铁主要以金属铁的形式存在，具有延展性，在磨矿过程中存在塑性形变，对磨矿特性的影响更大。因此，有必要研究焙烧条件对还原产物磨矿特性的影响。

基于上述背景，本研究以高磷鲕状赤铁矿为对象，考察脱磷剂种类、用量及焙烧温度对还原产物可磨度、磨矿后铁和磷分布情况的影响。

1 原料性质及研究方法

1.1 原料性质

试验所用高磷鲕状赤铁矿石来自阿尔及利亚，铁品位55.58%，含磷0.57%，主要铁矿物为赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿和少量的菱铁矿，其中部分磁铁矿无规律地嵌布于褐铁矿、鲕绿泥石鲕粒周围或附近，粒度均较细，大部分小于0.02 mm；磷一部分以磷灰石的形式存在，另一部分则存在于铁矿物中；主要脉石矿物为鲕绿泥石，石英和方解石少量［19］。

所用还原剂为秸秆炭，粒度-2 mm，固定碳含量为80.12%、挥发分6.26%、灰分3.80%、水分9.82%；脱磷剂为分析纯的钙盐或钠盐（CaCO3、Na2CO3、CaF2）。

1.2 研究方法

焙烧过程如下：将原矿破碎至-2 mm，与脱磷剂、还原剂按比例混合（脱磷剂、还原剂添加量按与原矿的质量百分比表示）混匀后放入加盖的坩埚中，待马弗炉升至一定的温度后放入坩埚，焙烧70 min取出，在空气中自然冷却后得到还原产物。

相对可磨度试验方法如下：还原产物破碎至-2 mm，混匀后缩分取15 g，用RK/BM型三辊四筒棒磨机进行一段磨矿，磨矿浓度为66.67%，磨矿时间为5 min，将磨矿产品用筛孔0.074 mm、0.045 mm和0.030 mm的筛子在湿式振筛机上筛分，振动频率为400 Hz，筛分时间为10 min，各粒级产品分别过滤烘干。用4个粒级（+0.074 mm、-0.074+0.045 mm、-0.045+0.030 mm、-0.030 mm）的产率来表征还原产物的相对可磨度。对各粒级的铁品位和磷含量进行测定，研究其变化规律。

将+0.074 mm粒级的产品在模具中加入环氧树脂固化剂进行固化，用切片机将固化好的样品抛光处理得到光片，喷碳处理光片后在（SEM-EDS）扫描电镜观察磨矿产品的粒度形状和解离特性。

2 试验结果及讨论

2.1 脱磷剂种类及用量对还原产物磨矿特性的影响

固定条件为：原矿40 g，还原剂秸秆炭用量15%，焙烧温度1 200℃，焙烧时间70 min。脱磷剂添加种类为CaCO3、Na2CO3、CaF2、CaCO3+Na2CO3和 CaCO3+CaF2，不同添加种类下用量变化范围为0～20%。混合脱磷剂配比采用探索试验中确定的m（CaCO3）∶m（Na2CO3）=13∶2、m（CaCO3）∶m（CaF2）=13∶2。

2.1.1 可磨度

脱磷剂种类及用量对还原产物可磨度的影响见图1。

由图1可知：①还原产物磨矿产品的颗粒粒度主要分布在+0.074 mm和-0.030 mm这2个粒级，-0.074+0.045 mm和-0.045+0.030 mm粒级含量较少。②脱磷剂用量对还原产物的可磨度影响规律基本一致。不添加脱磷剂时，+0.074 mm粒级产率为64.07%，-0.074+0.045 mm粒级产率为10.33%，-0.045+0.030 mm粒级产率为4.67%，-0.030 mm粒级产率为20.93%；随着脱磷剂用量的增加，+0.074 mm粒级产率逐渐下降，-0.074+0.045 mm和-0.045+0.030 mm粒级产率略微升高，-0.030 mm粒级产率明显升高。③脱磷剂的种类对还原产物可磨度影响程度不同，由大到小依次为CaCO3+Na2CO3、Ca-CO3、CaCO3+CaF2、CaF2、Na2CO3。对于混合脱磷剂 Ca-CO3+Na2CO3，当CaCO3+Na2CO3用量增至20%时，+0.074 mm粒级产率降至39.73%，-0.074+0.045 mm和-0.045+0.030 mm分别升至16.80%和10.67%，-0.030 mm粒级升至32.80%，说明脱磷剂用量对+0.074 mm、-0.030 mm粒级产生的影响较大。

2.1.2 +0.074 mm粒级铁、磷品位及分布率

由于+0.074 mm粒级中连生体数量最多，且富集了大量的铁，磷分布率的变化最为明显，因此以+0.074 mm粒级为研究对象，分析脱磷剂种类及用量对铁、磷品位及分布率的影响。

图2为不同脱磷剂种类及用量下+0.074 mm粒级铁、磷品位及分布率。

由图2可知：①不添加脱磷剂时，+0.074 mm粒级铁品位和磷含量最高，分别为85.66%和0.60%；随着脱磷剂用量的增加，+0.074 mm粒级铁品位先降低后升高，而磷含量大体都呈下降的趋势。需要特别注意的是，CaCO3用量的增加对磷含量的影响较小，不同CaCO3用量下磷含量基本维持在0.35%左右。②不添加脱磷剂时，+0.074 mm粒级铁分布率为70.70%，说明铁主要富集于粗粒级中。随着Na2CO3用量的增加，+0.074 mm粒级铁分布率几乎不变，图1（a）显示该粒级产率降低，说明铁在该粒级逐渐富集；随着CaCO3、CaCO3+Na2CO3、CaCO3+CaF2用量的增加，+0.074 mm粒级铁分布率逐渐降低，说明铁在该粒级的富集情况并不明显；随着CaF2用量的增加，+0.074 mm粒级铁分布率先基本不变后逐渐降低，说明CaF2用量较低时，铁在粗粒级富集，CaF2用量较高时，铁逐渐进入中细粒。③不添加脱磷剂时，+0.074 mm粒级磷分布率为48.29%，大量磷会富集在粗颗粒当中；随着脱磷剂用量的增加，磷更容易进入到中细粒级中，加入20%的CaCO3+Na2CO3可以使+0.074 mm粒级磷分布率降至最低17.46%。

特别发现，不添加脱磷剂时，还原产物铁品位为77.63%，磷含量为0.81%，随着脱磷剂用量的增加，铁品位和磷含量逐渐下降。+0.074 mm粒级产品与还原产物相比，铁品位有明显提高，磷含量明显降低，说明铁主要富集在粗粒中，磷主要分布于中细粒级中。

2.1.3 脱磷剂对+0.074 mm粒级颗粒形状及结构的影响

为探究脱磷剂对+0.074 mm粒级颗粒形状及结构的影响，分别选取不添加脱磷剂，添加20%的CaCO3、Na2CO3、CaF2或CaCO3+Na2CO3等5个条件，通过SEM扫描电镜观察脱磷剂对磨矿产品+0.074 mm粒级颗粒形状、金属铁粒度、铁与脉石矿物的嵌布关系、磷存在形态的影响，结果如图3所示。

由图3可知，不添加脱磷剂时，+0.074 mm粒级产品中存在少量单体铁颗粒和单体脉石颗粒，大多数颗粒以连生体的形式存在，形状较为不规则，磷主要存在于磷灰石中，少量的磷会进入到铁中，导致该粒级磷含量较高；添加脱磷剂时，单体铁颗粒消失，脉石颗粒的数量也逐渐减少，颗粒仍以连生体的形式存在，但形状为类椭圆形块状，这样形状较为规则的颗粒在磨矿中更易单体解离，在该粒级下的颗粒大小与不加脱磷剂相比没有太大变化，不同的是，当脱磷剂选用Na2CO3时，发现多数连生体颗粒均为富颗粒，当脱磷剂选用CaCO3或混合脱磷剂时，才会有贫颗粒的存在，由此推断，贫颗粒中的铁更易通过磨矿与脉石相解离，但由于该条件下焙烧生成的铁比较细小，单体解离后进入到中细粒级当中。

此外，分别加入20%的CaCO3或混合脱磷剂后，磷的分布较为集中，会逐渐迁移到磷灰石中，此时的磷灰石主要以单体颗粒的形式存在；加入20%的Na2CO3时，磷分布较为均匀，且主要存在于脉石中，该类脉石与铁嵌布关系较为紧密；当加入20%的CaF2后，磷的分布较为均匀，主要存在于磷灰石及其它脉石颗粒中，仍有少量的磷进入铁中，说明CaF2对脱磷的效果较差。由此可以推断，当磷存在于单体脉石颗粒中时，通过磁选可以去除大部分磷，分选的效率较高；当磷的分布较为均匀，含磷脉石与铁以连生体的形式存在时，经过一段磨矿后通过磁选除磷的效率并不高，很难达到降磷的指标，需多段磨矿才能将脉石与铁解离完全，达到合格的除磷指标。混合脱磷剂对+0.074 mm粒级产品的颗粒粒度、脉石与铁颗粒的关系、磷的分布情况大体相同。

2.2 焙烧温度对还原产物磨矿特性的影响

固定条件为：原矿40 g，还原剂秸秆炭用量15%，焙烧时间70 min，CaCO3+Na2CO3用量20%。

2.2.1 可磨度

焙烧温度对还原产物可磨度的影响见图4。

由图4可知，还原产物的磨矿产品集中+0.074 mm和-0.030 mm这2个粒级；焙烧温度对还原产物的可磨度影响较大，随着焙烧温度的升高，还原产物的可磨度降低，越来越难磨。当焙烧温度由1 150℃升至1 300℃时，+0.074 mm粒级产率从32.93%上升至67.53%，增长了34.60个百分点；-0.030 mm粒级从39.20%降至19.00%，其余的粒级分布率下降幅度较小。

2.2.2 +0.074 mm粒级铁、磷品位及分布率

图5不同焙烧温度下磨矿产品+0.074 mm粒级铁、磷品位及分布率。

由图5可知：①焙烧温度对+0.074 mm粒级铁品位、磷含量的影响较小；烧温度由1 150℃升高至1 300℃，铁品位由79.26%小幅升至82.35%，磷含量基本维持在0.38%左右。②随着焙烧温度的升高，+0.074 mm粒级铁分布率及磷分布率逐渐升高，这和+0.074 mm粒级产率的升高有关。

该还原产物铁品位约为68.89%，磷含量约为0.71%，焙烧温度对于还原产物铁品位和磷含量影响不大，而+0.074 mm粒级铁品位明显高于还原产物，磷含量较低。结合不同温度下该粒级的产率可知，随着焙烧温度的升高，铁、磷分布率与该粒级产率之差越来越大，说明铁、磷会很明显地富集到粗粒级当中。

2.2.3 焙烧温度对+0.074 mm粒级颗粒形状及结构的影响

为探究焙烧温度对+0.074 mm粒级颗粒形态及结构的影响，分别选取1 150℃和1 300℃，通过SEM扫描电镜观察焙烧温度对磨矿产品+0.074 mm粒级颗粒形状、金属铁粒度、铁与脉石矿物的嵌布关系、磷存在形态的影响，结果如图6所示。

由图6可知，随着焙烧温度的升高，+0.074 mm粒级中粗颗粒增多。当焙烧温度为1 150℃时，颗粒以连生体的形式存在，大多数为类圆形的较为规则形状，而脉石颗粒形状不规则，数量也较少；当焙烧温度升至1 300℃时，大多数颗粒仍以连生体的形式存在，形状没有太大变化，也没有单体铁颗粒的出现，但脉石颗粒的数量增加。说明焙烧温度的升高并不会对+0.074 mm粒级颗粒形态产生较大影响，但脉石颗粒的数量会增多。

此外，焙烧温度为1 150℃时，磷主要以磷灰石的形式存在，一部分磷灰石与铁嵌布关系较为密切，另一部分则是以磷灰石的形式存在；焙烧温度升至1 300℃时，磷仍以磷灰石的形式存在，但此时大多数的磷灰石与其他脉石矿物形成连生体，只有少量的磷灰石仍与铁形成连生体颗粒。说明温度升高不会改变磷的存在状态，但会改变磷灰石与其他颗粒间的嵌布关系。