白云鄂博氧化矿石深度还原-高效分选基础研究

摘要

白云鄂博矿是世界上罕见的铁、稀土、铌、钍等大型多金属共生矿床，其可综合利用的元素达26种之多。但由于其矿物成分复杂，共生关系密切，嵌布粒度细而不均及可利用的有价成分多等原因，导致选矿过程中铁矿物和稀土矿物的回收率均较低，提高白云鄂博氧化矿石的分选效率具有重要的理论与实际意义。
　　本文针对白云鄂博氧化矿石复杂难选的特点，突破了选矿-烧结-高炉冶炼的传统理念，创造性提出“深度还原-高效分选”选冶联合新技术。采用深度还原技术可将白云鄂博难选氧化矿中的铁矿物还原为适于分选的金属铁颗粒，而稀土、铌、锰等矿物也不同程度被还原，然后对深度还原物料进行高效分选。通过系统的试验研究，实现了该矿中铁、稀土、铌等成分的有效分离和富集，并对深度还原的机理进行了深入的探讨。
　　运用化学分析及图像分析技术，以还原物料金属化率、金属铁颗粒粒度及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、煤粉粒度等因素对深度还原效果的影响。研究表明:金属化率和金属铁颗粒粒度是决定分选效果的主要因素，还原温度、还原时间和配碳系数对还原物料金属化率及金属铁颗粒粒度有重要影响。试验确定的适宜深度还原条件为:还原温度1225℃，还原时间30min，配碳系数2.0，煤粉粒度-1.5mm，矿石粒度-2.0mm。在此条件下制备出的还原物料铁品位35.30％，金属铁含量33.05％，金属化率93.63％。针对深度还原物料可磨性差的特点，本文采用弱磁-摇床磁重联合工艺对深度还原物料进行预先脱碳，然后再经“阶段磨矿，粗细分选”工艺流程选别，最终在两段磨矿细度分别为-0.074mm含量占57.18％、85.66％时，获得了铁粉品位92.02％，回收率93.27％，金属化率94.18％的良好指标，该产品可直接作为炼钢的原料使用。
　　应用光学显微镜、XRD、SEM、EDS等分析手段对深度还原前后物料的化学组成、矿物组成、结晶粒度等工艺矿物学特性进行了系统的分析，并结合金属铁颗粒生成及长大动力学，对深度还原机理进行了深入的研究。研究结果表明，铁矿物以Fe2O3→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且反应速度很快，短时间内就有金属铁生成。金属铁颗粒的成核及长大将决定整个还原过程速度，该过程可分为还原成核、深度还原、铁颗粒粗化三个阶段，同时金属铁颗粒成核及长大动力学方程可用Avrami-Erofeev模型描述。
　　其他元素的还原特性研究表明，还原温度对不同矿物的还原特性及富集迁移规律有重要的影响，同时还查明了稀土、铌、锰等矿物深度还原后的赋存状态，为这些矿物的进一步分选，实现综合利用创造了条件。在本文确定的适宜还原条件下，稀土矿物氟碳铈矿(REFCO3)和独居石(REPO4)绝大部分逐渐转化为含稀土相(CaO·2RE2O3·3SiO2)，磁选时97.18％稀土元素进入尾矿，尾矿中品位15.10％，可作为分选稀土的原料;25.93％的铌元素及18.29％的锰元素被还原进入铁粉中，其余的部分则仍以氧化物的形式进入尾矿中;有害元素磷和硫则分别有41.89％、21.94％进入铁粉中，18.11％的磷元素及26.08％的硫元素进入气相随CO气流挥发掉，其余的部分则仍以磷酸盐或者硫酸盐的形式进入尾矿中。
　　采用人工配矿的方式，对不同氟化钙含量的矿石分别进行了TG-DSG、深度还原试验研究。研究结果表明，氟化钙不仅能显著降低矿石的熔化温度，还能降低体系的黏度，从而有利于还原物料金属化率的升高和金属铁颗粒的长大。同时，本文借鉴熔融炉渣的离子理论，对氟化钙的作用机理进行了研究探讨。
　　本文的研究成果为白云鄂博氧化矿石的高效利用开辟了新的技术途径，并为其实际应用奠定了理论基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 白云鄂博矿资源概况

1．2．1 矿床地质特征

1．2．2 氧化矿石的工艺矿物学

1．3 白云鄂博氧化矿石开发利用

1．3．1 白云鄂博氧化矿石选矿技术与发展

1．3．2 白云鄂博氧化矿石冶炼技术与发展

1．3．3 白云鄂博氧化矿高炉直接冶炼技术

1．4 复杂难选铁矿石深度还原技术简介

1．4．1 深度还原的概念

1．4．2 直接还原工艺的特点

1．4．3 复杂难选铁矿石深度还原现状

1．5 研究的目的、意义和研究内容

1．5．1 研究的目的和意义

1．5．2 本文的技术路线和研究内容

第2章 试验原料与研究方法

2．1 试验原料

2．1．1 原料来源及制备

2．1．2 原料的特性

2．2 试验试剂及设备

2．2．1 试验试剂

2．2．2 试验设备

2．3 研究方法

2．3．1 试验流程

2．3．2 检测方法

第3章 白云鄂博氧化矿石深度还原的理论基础

3．1 铁氧化物还原的基本原理

3．1．1 铁氧化物的结构与性质

3．1．2 碳的气化反应热力学

3．1．3 铁氧化物的还原热力学

3．1．4 铁的渗碳

3．2 非铁矿物在深度还原中的行为

3．2．1 非铁矿物的还原特性

3．2．2 稀土矿物的行为

3．2．3 铌、锰等有价矿物的行为

3．2．4 磷、硫等有害矿物的行为

3．3 铁氧化物深度还原的指标

3．4 影响深度还原过程的因素

3．4．1 还原温度

3．4．2 还原时间

3．4．3 配碳系数

3．4．4 物料粒度

3．5 本章小结

第4章 白云鄂博氧化矿石深度还原试验研究

4．1 矿石的热分析

4．2 不同因素对还原指标的影响

4．2．1 还原温度对还原指标的影响

4．2．2 还原时间对还原指标的影响

4．2．3 配碳系数对还原指标的影响

4．2．4 煤粉粒度对还原指标的影响

4．2．5 矿石粒度对还原指标的影响

4．2．6 深度还原扩大试验

4．3 深度还原过程中主要元素的走向

4．3．1 不同还原温度对铌、锰走向的影响

4．3．2 不同还原温度对磷、硫走向的影响

4．4 氟化钙在深度还原过程中的行为研究

4．4．1 氟化钙的选别试验研究

4．4．2 不同氟化钙含量对矿石性能的影响

4．4．3 不同氟化钙含量对深度还原的影响

4．5 本章小结

第5章 白云鄂博氧化矿石深度还原物料分选试验研究

5．1 还原物料预先脱碳试验

5．1．1 重选脱碳试验

5．1．2 磁选脱碳试验

5．1．3 磁重联合脱碳试验

5．2 还原物料选铁试验

5．2．1 磨矿时间试验

5．2．2 磨矿细度试验

5．2．3 磁场强度试验

5．2．4 细筛分选试验

5．2．5 开路流程试验

5．3 本章小结

第6章 白云鄂博氧化矿石深度还原机理研究

6．1 深度还原物料的微观形貌及组成特性

6．1．1 深度还原物料的微观形貌

6．1．2 深度还原物料的物相组成

6．2 铁氧化物的深度还原机理研究

6．2．1 铁矿物的反应特性研究

6．2．2 铁颗粒成核及长大行为研究

6．2．3 铁氧化物还原动力学研究

6．3 稀土矿物的反应机理研究

6．4 氟化钙的作用机理研究

6．5 本章小结

第7章 结论

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的论文