含硼铁精矿阶段还原-高效分选基础研究

摘要

含硼铁精矿是硼铁矿选矿终端产品，其中含B2O34％～6％，占原矿硼总量的30％。若这部分硼不能回收为硼工业可以利用的原料，硼回收率将低于70％，造成硼资源流失。因此，研究含硼铁精矿中硼、铁高效分离具有重要的理论与实际意义。
　　本文以辽宁首钢硼铁有限公司含硼铁精矿为研究对象，针对含硼铁精矿物料特性差异，突破了传统选矿理念，创造性提出“阶段还原-高效分选”选冶联合新技术，采用阶段还原技术于一段还原过程中可将含硼铁精矿中的铁氧化物充分还原为金属铁而硼氧化物不能被还原，然后于二段还原过程中促使金属铁晶粒长大到适宜分选的粒度，最后对还原熟料进行高效分选。通过系统的实验研究，实现了该矿中有用成分铁和硼的有效分离和富集，并对阶段还原机理进行了深入的探讨。0运用化学分析等手段，以还原熟料金属化率及分选指标为评价标准，系统地研究了还原温度、还原时间、升温速率、碳酸钠用量、氧化钙用量等因素对一段还原效果的影响。研究表明:金属化率是决定分选效果的主要因素，还原温度等因素对还原熟料金属化率具有重要影响。试验确定适宜的一段还原条件为:还原温度1125℃，还原时间150min，升温速率5℃/min，碳酸钠添加量5％，氧化钙添加量5％。在此条件下制备出的还原熟料铁品位72.17％，金属铁含量64.17％，金属化率88.92％。然后在磨矿细度-0.074mm68％和0.008T的条件下，获得了铁粉品位92.71％，回收率95.11％及含B2O314.51％，回收率88.69％的硼精矿。
　　试验过程中发现含硼氧化物相在高温条件下易形成液相阻碍铁氧化的还原但可促进铁晶粒的长大。因此决定在一段还原的基础上进行二段还原试验研究。试验确定适宜的二段还原条件为:还原温度1250℃，还原时间45 min。在此条件下制备出的还原熟料铁品位73.8％，金属铁含量67.25％，金属化率为91.12％。然后在磨矿细度-0.074 mm68％和0.008T的条件下，获得了铁粉品位93.72％，回收率96.24％及含B2O314.55％，回收率93.57％的硼精矿。
　　应用光学显微镜、XRD、SEM、EDS等分析手段对不同阶段还原物料的化学组成、矿物组成、结晶粒度等特性进行了分析，结合金属铁颗粒生成及长大动力学，对阶段还原机理进行了深入研究。研究结果妙明，铁矿物以Fe3O4→FeO→Fe顺序被还原，其中以碳和铁氧化物的间接反应为主反应。在一段还原过程中，矿石没有出现熔化、烧结等现象，铁氧化物充分还原为金属铁，但依然保持着原来铁矿物的结构形式，硼、铁及其他组分间的复杂共生、连生的结构关系并没有改变;由于B2O3是低熔点物质，有助熔作用，易形成液相。因此在二段高温保温过程中，已还原金属铁发生迁移、长大，实现了铁与硼等其他组分的自然分离。
　　其他元素的还原特性研究表明，硼矿物即硼镁石(Mg2[B2O4(OH)](OH))在阶段还原过程中失去结晶水变为遂安石(Mg2B2O5)，部分遂安石又与菱镁矿(MgCO3)分解产物氧化镁(MgO)结合形成小藤石（Mg3B2O6）;主要脉石矿物蛇纹石(Mg3(Si2O5)(OH)4)则在还原过程中失去结晶水的同时分解为二氧化硅(SiO2)和镁橄榄石(Mg2SiO4)。
　　对还原熟料采用不同的冷却方式进行了硼活性试验研究，研究结果表明，还原熟料经水淬冷却至室温后，硼活性最高，达81.23％。
　　综合以上试验结果可知:采用阶段还原-高效分选技术处理含硼铁精矿可获得高品位铁粉和优质富硼渣，其中富硼渣含B2O314％以上，可作为“碳碱法”生产硼砂的优良原料;铁粉含TFe94％以上，经压块后可以替代废钢作为电弧炼钢的良好原料。
　　本研究可以提高含硼铁精矿中硼和铁的利用率和产品的使用价值，对回收含硼铁精矿中的硼具有一定的指导意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 硼铁矿资源特点及开发利用概况

1．1．1 硼铁矿资源特点

1．1．2 硼铁矿资源开发利用概况

1．2 含硼铁精矿综合利用现状

1．2．1 含硼铁精矿综合利用研究现状

1．2．2 含硼铁精矿综合利用存在的问题

1．3 铁矿石还原工艺研究现状

1．3．1 气基竖炉直接还原工艺

1．3．2 煤基直接还原工艺

1．4 阶段还原概念

1．5 课题研究意义及主要内容

1．5．1 课题研究意义

1．5．2 课题研究主要内容

第2章 试验原料、仪器试剂及方法

2．1 含硼铁精矿工艺矿物学特性

2．1．1 含硼铁精矿化学分析

2．1．2 含硼铁精矿矿物组成

2．1．3 含硼铁精矿粒度分布特征

2．1．4 含硼铁精矿单体解离特性

2．1．5 含硼铁精矿矿物结构及包体特征

2．2 还原剂

2．3 试验仪器及试剂

2．4 试验方法

2．4．1 压团

2．4．2 阶段还原

2．4．3 分选试验

2．5 分析方法

2．5．1 化学成分分析

2．5．3 物相分析

2．5．4 扫描电镜-能谱(SEM-EDS)分析

2．6 本章小结

第3章 含硼铁精矿阶段还原理论基础

3．1 铁氧化物还原的基本原理

3．1．1 碳的气化反应热力学

3．1．2 铁氧化物的还原热力学

3．2 铁氧化物阶段还原的指标

3．3 硼矿物还原特性

3．4 影响阶段还原过程的因素

3．4．1 还原温度

3．4．2 还原时间

3．4．3 添加剂

3．5 含硼铁精矿还原过程模拟分析

3．5．1 C+B2O3体系

3．5．2 C+Fe3O4体系

3．5．3 C+B2O3+Fe3O4体系

3．5．4 C+B2O3+Fe3O4+MgO体系

3．5．5 C+B2O3+Fe3O4+SiO2体系

3．5．6 C+B2O3+Fe3O4+MgO+SiO2体系

3．6 本章小结

第4章 含硼铁精矿阶段还原试验研究

4．1 一段还原对硼铁分离的影响

4．1．1 一段还原温度试验

4．1．2 一段还原时间试验

4．2 升温速率(预热时间)对硼、铁分离的影响

4．3 煤粉添加剂种类与用量对硼、铁分离的影响

4．3．1 Na2CO3用量对硼、铁分离的影响

4．3．2 CaO用量对硼、铁分离的影响

4．4 二段还原对硼铁分离的影响

4．4．1 二段还原温度试验

4．4．2 二段还原时间试验

4．5 硼活性调控机制研究

4．5．1 添加剂对硼活性的影响

4．5．2 还原物料冷却方式对硼活性的影响

4．6 本章小结

第5章 含硼铁精矿阶段还原机理分析

5．1 含硼还原柱团SEM-EDS分析

5．1．1 一段还原产品结构分析

5．1．2 二段还原产品结构分析

5．2 还原产品XRD分析

5．2．1 一段还原产品XRD分析

5．2．2 二段还原产品XRD分析

5．3 阶段还原过程机理分析

5．4 阶段还原过程脱硫(S)机理分析

5．5 本章小结

第6章 结论

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表论文及申请专利