摘要
我国有大量难选赤铁矿资源因缺乏有效的加工处理技术而不能开发利用，其中仅高磷赤铁矿就有30～40亿t。随着我国钢铁工业的快速发展及磁铁矿资源的日趋枯竭，难选赤铁矿资源的开发利用已迫在眉睫，对其进行研究具有十分重要的科学意义和经济价值。 恩施高磷赤铁矿是典型的难选赤铁矿，其物化特性研究表明，矿石中细粒赤铁矿主要呈鲕粒结构与菱铁矿、褐铁矿、鲕绿泥石、粘土矿物和含磷矿物紧密共生，或浸染于含铁硅酸盐和粘土矿物的晶格中。由于矿石中氧化铁矿物与鲕绿泥石之类的含铁杂质矿物性质十分接近，因此直接采用现有的分选工艺无法获得品位和回收率都符合要求的铁精矿产品。此外，氧化铁矿物呈细粒嵌布于杂质矿物中，也使其要磨到很细才能单体解离。因而，高磷赤铁矿难以开发利用，是由矿石本身性质所决定的。 对于这类难选铁矿，采用适当的改性工艺，改变氧化铁与杂质矿物的可选性差异，同时改变矿石的粉碎性能，使氧化铁矿物易于呈选择性破碎解离，是改善其分选加工性能的根本途径。传统的改性工艺是碳热还原焙烧工艺，采用碳作为还原剂和热源，存在的问题是换热和传质效率低，碳消耗量大，生产成本较高。同时，焙烧过程产生的CO和CO2还容易导致温室效应。为此，本研究针对难选赤铁矿的改性，研制出一种以废铁粉作还原剂的微波加热还原焙烧新工艺。该工艺突出的优越性在于：(1)没有CO和CO2对环境的污染，过程清洁；(2)废铁粉还原剂不会被浪费掉，通过磁选可作为铁精矿回收；(3)微波选择性加热氧化铁矿物，导致氧化铁矿物与杂质矿物的晶界上有热应力产生，使氧化铁矿物更容易呈选择性破碎解离；(4)改性过程快速、高效、能耗较低。 采用理论分析与纯矿物样品模拟实验相结合的方法，对微波场中不同样品升温行为规律进行研究的结果表明，微波对氧化铁矿物有选择性加热作用。赤铁矿在微波场中的加热升温速率主要与其矿物组成、质量、粒度和加热温度有关。废铁粉的微波加热活性非常高，用作还原剂时对微波快速加热赤铁矿有促进作用。赤铁矿升温速率愈快其磁化还原速率也愈快。 用恩施高磷赤铁矿进行微波还原改性的研究表明，当其水份含量为10％(质量分数)、粒度小于4mm、废铁粉还原剂加入量为10％(质量分数)、还原温度为550℃～570℃、微波加热时间为14min时，可以获得最好的改性效果，磁化还原率高达89％。同时，还原产物的粉碎性能和分选性能得到明显改善。当磨矿粒度为—0.074mm占92％时，氧化铁矿物呈选择性破碎解离，磁选后可获得Fe品位为59.58％的铁精矿，Fe回收率为85.33％。将铁精矿进一步磨细到完全小于0.074mm后，用反浮选再选，可将铁精矿中的Fe品位提高到60.13％，P品位由0.36％降至0.21％。 热力学分析表明，用铁粉还原赤铁矿的标准Gibbs自由能⊿G°值要比用碳更负。用铁粉还原的反应是放热的，用碳还原的反应是吸热的。因此从理论上说，用铁粉还原剂时微波加热还原赤铁矿应更容易进行。铁粉通过铁离子固相扩散方式直接还原赤铁矿的作用有限，主要是通过氧迁移间接使赤铁矿还原。H2O蒸气对氧由赤铁矿向铁粉迁移起至关重要的促进作用，同时可阻止Fe与SiO2和Al2O3反应生成弱磁性的铁硅铝酸盐。 还原反应的动力学研究揭示，铁粉直接还原赤铁矿时，在赤铁矿上首先形成的还原产物必然是有很多孔洞和裂隙的磁铁矿。用扫描电镜分析恩施高磷赤铁矿的还原产物，也观察到还原产物磁铁矿有大量的孔洞和裂隙。还原产物层的多孔性，不仅有助于铁离子的固相扩散，也为间接还原过程H2和H2O蒸气的内扩散创造了条件。对间接还原过程，当还原温度为450℃时，还原反应主要由H2和H2O蒸气的内扩散控制，还原速率较慢。随着还原温度提高，H2和H2O蒸气的内扩散速率加快，反应转而受界面反应过程控制，还原速率随之加快。在温度为450℃、500℃和550℃的条件下，还原反应的速率常数k分别为3.75×10-2、4.53×10-2和5.90×10-2。 由于微波加热铁粉还原工艺用于处理难选赤铁矿具有明显的优势，预计其推广应用将产生巨大的经济效益和社会效益。
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