工程科学学报，第38卷，第5期：609616,2016年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.5:609-616,May 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.003:http://journals.ustb.edu.cn 高炉灰为还原剂对海滨钛磁铁矿直接还原焙烧磁选一 钛铁分离的影响 胡天洋12》，孙体昌2》区，寇珏2》，耿超2，高恩霞2》 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京100083 区通信作者，E-mail:sunte@(ces.usth.edh.cm 摘要对高炉灰在直接还原培烧一弱磁选工艺中用作印尼某海滨钛磁铁矿还原剂的可行性及其机理进行研究.结果表明， 以萤石为添加剂的条件下，高炉灰可代替煤做还原剂，通过高炉灰与萤石的共同作用，可以在直接还原过程中提高还原铁粉 中铁的回收率及品位并降低T02质量分数，同时回收高炉灰中铁.三种不同产地高炉灰还原效果的比较表明，高炉灰性质对 还原效果有影响.在相同用量条件下，津鑫高炉灰(X)还原效果最好：在X高炉灰用量30%、萤石用量10%、焙烧温度 1250℃以及培烧时间为60mi时，焙烧产物通过两段磨矿和两段磁选，最终得到最佳的还原铁粉中铁品位为91.28%，Ti02质 量分数降至0.93%，包括海滨砂矿旷和高炉灰中铁的铁总回收率达到89.19%. 关键词钛磁铁矿：高炉灰：直接还原：焙烧：磁分离 分类号TF556:TD951 Effect of blast furnace dust as a reductant on direct reduction roasting for separating titanium and iron in seaside titanomagnetite HU Tian-yang),SUN Ti-chang,KOU Jue),GENG Chao),GAO En-xia) 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of the Ministry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:sunte@ces.ustb.edu.cn ABSTRACT The feasibility and mechanisms of using the blast furace dust as a reductant in direct reduction-ow intensity magnetic separation of Indonesian seaside titanomagnetite were investigated.The results show that the blast furnace dust can be used as an alter- native to coal as a reductant under the condition of fluorite as an additive.Under the synergistic effect of the blast furnace dust and flu- orite,the recovery and grade of iron in the reduction iron powder can be increased and the content of TiO,can be decreased at the same time during the direct reduction process.Simultaneously,iron in the blast furnace dust can also be recovered.A comparison of three different kinds of blast furnace dusts indicates that the composition of the blast furnace dust can influence the effect of reduction. Under the same dust dosage,the Jinxin blast fumace dust (referred to as JX)show the best reduction performances.The optimum conditions of roasting reduction are the blast furnace dust dosage of 30%,the fluorite dosage of 10%and reduction at 1250 C for 60 min.The reduction iron powder,with 91.28%Fe grade,0.93%TiO content and 89.19%total iron recovery including iron in the run-of-mine and blast furnace dust,is obtained after the roasted product is processed by using a process of two-staged grinding and two-staged magnetic separation. KEY WORDS titanomagnetite:blast furnace dust:direct reduction:roasting:magnetic separation 收稿日期：201507-27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474018)
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期: 609--616，2016 年 5 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 5: 609--616，May 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 05． 003; http: / /journals． ustb． edu． cn 高炉灰为还原剂对海滨钛磁铁矿直接还原焙烧磁选-- 钛铁分离的影响 胡天洋1，2) ，孙体昌1，2) ，寇 珏1，2) ，耿 超1，2) ，高恩霞1，2) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: suntc@ ces． ustb． edu． cn 摘 要 对高炉灰在直接还原焙烧--弱磁选工艺中用作印尼某海滨钛磁铁矿还原剂的可行性及其机理进行研究． 结果表明， 以萤石为添加剂的条件下，高炉灰可代替煤做还原剂，通过高炉灰与萤石的共同作用，可以在直接还原过程中提高还原铁粉 中铁的回收率及品位并降低 TiO2质量分数，同时回收高炉灰中铁． 三种不同产地高炉灰还原效果的比较表明，高炉灰性质对 还原效果有影响． 在相同用量条件下，津鑫高炉灰( JX) 还原效果最好; 在 JX 高炉灰用量 30% 、萤石用量 10% 、焙烧温度 1250 ℃以及焙烧时间为 60 min 时，焙烧产物通过两段磨矿和两段磁选，最终得到最佳的还原铁粉中铁品位为 91. 28% ，TiO2质 量分数降至 0. 93% ，包括海滨砂矿和高炉灰中铁的铁总回收率达到 89. 19% ． 关键词 钛磁铁矿; 高炉灰; 直接还原; 焙烧; 磁分离 分类号 TF556; TD951 Effect of blast furnace dust as a reductant on direct reduction roasting for separating titanium and iron in seaside titanomagnetite HU Tian-yang1，2) ，SUN Ti-chang1，2) ，KOU Jue 1，2) ，GENG Chao 1，2) ，GAO En-xia1，2) 1) School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Key Laboratory of the Ministry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mines，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: suntc@ ces． ustb． edu． cn 收稿日期: 2015--07--27 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51474018) ABSTＲACT The feasibility and mechanisms of using the blast furnace dust as a reductant in direct reduction--low intensity magnetic separation of Indonesian seaside titanomagnetite were investigated． The results show that the blast furnace dust can be used as an alternative to coal as a reductant under the condition of fluorite as an additive． Under the synergistic effect of the blast furnace dust and fluorite，the recovery and grade of iron in the reduction iron powder can be increased and the content of TiO2 can be decreased at the same time during the direct reduction process． Simultaneously，iron in the blast furnace dust can also be recovered． A comparison of three different kinds of blast furnace dusts indicates that the composition of the blast furnace dust can influence the effect of reduction． Under the same dust dosage，the Jinxin blast furnace dust ( referred to as JX) show the best reduction performances． The optimum conditions of roasting reduction are the blast furnace dust dosage of 30% ，the fluorite dosage of 10% and reduction at 1250 ℃ for 60 min． The reduction iron powder，with 91. 28% Fe grade，0. 93% TiO2 content and 89. 19% total iron recovery including iron in the run-of-mine and blast furnace dust，is obtained after the roasted product is processed by using a process of two-staged grinding and two-staged magnetic separation． KEY WOＲDS titanomagnetite; blast furnace dust; direct reduction; roasting; magnetic separation
·610* 工程科学学报，第38卷，第5期 由于近几年国际铁矿石价格的持续下调，以及我 原焙烧一磁选的影响 国贫矿多、富矿少、单一矿种矿床少及共生矿床多的国 情，国外铁矿石的进口量明显增加。随着市场变化， 1实验原料及添加剂 2014年海运铁矿石价格继续下调，导致国内以高成本 1.1原矿 开采低品位铁矿石并对其进行选矿加工所得到的铁精 所用原料为粒度小于1mm的印尼某海滨砂矿 矿价格与海运铁矿石价格差拉大，高成本铁矿石逐渐 (以下称为原矿)，其多元素分析结果见表1，X射线衍 退出市场，促使国内钢厂更多地使用海运铁矿石口. 射分析见图1.从表1可以看出，TFe品位和TiO2质量 印度尼西亚矿产资源丰富，是亚洲地区铁矿石储 分数分别为53.51%和11.26%，S和P的质量分数均 量最多的国家之一，其海岸线有大量的海滨钛磁铁矿 较低，其他元素没有回收价值.从图1可以看出，原矿 资源四.其最主要的特点是原矿颗粒粒度细、有用成 中有用矿物主要为钛磁铁矿，并含有少量的钛铁矿. 分品位高以及资源分布广田.但海滨砂矿中钛、铁的 脉石矿物主要是透辉石和尖晶石 共生关系较为密切，主要是以钛磁铁矿的形式存在，不 表1原矿X射线荧光光谱分析结果（质量分数） 利于铁的回收及钛铁分离.因此，如何更好利用钛磁 Table 1 Analysis results of the run-of-mine by X-ray fluorescence spec- 铁矿资源越来越得到人们的重视，许多研究者对此进 trometry 行了大量的研究.研究表明，相比于常规工艺， 成分 Fe Al2O Mgo Cao 直接还原焙烧一磨矿一磁选工艺处理海滨钛磁铁矿能 质量分数53.5111.2610.375.732.890.98 更好地实现钛铁分离.高恩霞等切用烟煤做还原剂对 成分 MnO Zno Na20 K20 P 印尼某海滨砂矿磁选精矿进行直接还原一磨刊矿旷一磁选 质量分数0.52 0.07 0.400.090.050.02 钛铁分离研究，得到了铁品位为93.74%、铁回收率为 95.91%、Ti02的质量分数为0.45%的粉末铁.于春晓 等圆对印尼的某海滨砂矿采用煤泥做还原剂直接磨 a一钛做铁矿（什rTix0) b一钛铁矿(FeTiO.) 矿一磁选工艺处理，最终铁产品中铁品位达92.72%， 一透辉石(MSi,(0) 回收率达91.93%，Ti0,质量分数降至0.72%.高本恒 一尖品石MgD,) 等用烟煤做还原剂对印尼某海滨砂矿磁选精矿进行 了直接还原一磨矿一磁选提铁实验研究，得到了铁品位 为91.06%、回收率为97.27%，Ti02质量分数为 1.60%的粉末铁.上述研究中所用还原剂都是不同种 类的煤，但用煤做还原剂存在成本偏高的问题 高炉瓦斯灰简称高炉灰，是高炉炼铁过程中烟气除 0 20 30 40 50 60 70 尘所得到的产物，一般生产每吨生铁会产生100~120kg 20M9 高炉灰网，它含有大量的铁、碳和一定量有色金属，有很 图1原矿X射线衍射图谱 大的二次利用价值.近年来，中国钢铁产业迅速发展， Fig.I XRD patterns of the run-of-mine 高炉灰产量巨大，但由于高炉灰成分复杂、粒度细小等 1.2高炉灰及萤石 原因，对它的利用较为困难1-切.目前，很多企业将高 选用三种不同产地的高炉灰做还原剂.通过工业 炉灰直接或经简单选别后返回烧结工序，以回收利用其 分析、X射线荧光光谱分析和X射线衍射分析三种方 中的碳和铁，还有些则是将其送水泥厂做配料使用，也 法比较三种高炉灰的化学和矿物组成的差别.为叙述 有一些企业直接排放堆存.这些方法并没有使高 方便，不同高炉灰用代号表示，三种高炉灰的来源、代 炉灰资源得到合理的利用.由于高炉灰中含有一定量 号及空干基工业分析结果见表2. 的赤铁矿、磁铁矿和固定碳，因此在钛磁铁矿直接还原 由表2可知，三种高炉灰的固定碳、挥发分和灰分 过程中有可能替代煤作为还原剂，从而回收再利用，如 的质量分数都有明显差别.三种高炉灰的灰分都很 果得以实现，既可以利用其中的碳，回收其中的铁，也可 高.其中CD灰分的质量分数高达73.47%：JX灰分最 以为高炉灰的有效利用提供新的途径. 低，也达到了57.4%.三种高炉灰挥发分的质量分数 本文对高炉灰作钛磁铁矿还原剂的可行性进行研 都较低，但不同产地高炉灰差距较大，JG挥发分的质 究.由于高炉灰产地多，不同产地的高炉灰的性质有 量分数达到11.54%，而CD只有7.86%.高炉灰比煤 差异.因此，对不同产地高炉灰做还原剂效果的差别 中固定碳质量分数低很多，并且高炉灰之间差距也很 也进行研究，考察三种高炉灰对海滨钛磁铁矿直接还 大.其中CD固定碳质量分数只有18%，只相当于普
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 由于近几年国际铁矿石价格的持续下调，以及我 国贫矿多、富矿少、单一矿种矿床少及共生矿床多的国 情，国外铁矿石的进口量明显增加． 随着市场变化， 2014 年海运铁矿石价格继续下调，导致国内以高成本 开采低品位铁矿石并对其进行选矿加工所得到的铁精 矿价格与海运铁矿石价格差拉大，高成本铁矿石逐渐 退出市场，促使国内钢厂更多地使用海运铁矿石［1］． 印度尼西亚矿产资源丰富，是亚洲地区铁矿石储 量最多的国家之一，其海岸线有大量的海滨钛磁铁矿 资源［2］． 其最主要的特点是原矿颗粒粒度细、有用成 分品位高以及资源分布广［3］． 但海滨砂矿中钛、铁的 共生关系较为密切，主要是以钛磁铁矿的形式存在，不 利于铁的回收及钛铁分离． 因此，如何更好利用钛磁 铁矿资源越来越得到人们的重视，许多研究者对此进 行了大量的研究［2--9］． 研究表明，相比于常规工艺［2--6］， 直接还原焙烧--磨矿--磁选工艺处理海滨钛磁铁矿能 更好地实现钛铁分离． 高恩霞等［7］用烟煤做还原剂对 印尼某海滨砂矿磁选精矿进行直接还原--磨矿--磁选 钛铁分离研究，得到了铁品位为 93. 74% 、铁回收率为 95. 91% 、TiO2的质量分数为 0. 45% 的粉末铁． 于春晓 等［8］对印尼的某海滨砂矿采用煤泥做还原剂直接磨 矿--磁选工艺处理，最终铁产品中铁品位达 92. 72% ， 回收率达 91. 93% ，TiO2质量分数降至 0. 72% ． 高本恒 等［9］用烟煤做还原剂对印尼某海滨砂矿磁选精矿进行 了直接还原--磨矿--磁选提铁实验研究，得到了铁品位 为 91. 06% 、回 收 率 为 97. 27% ，TiO2 质 量 分 数 为 1. 60% 的粉末铁． 上述研究中所用还原剂都是不同种 类的煤，但用煤做还原剂存在成本偏高的问题． 高炉瓦斯灰简称高炉灰，是高炉炼铁过程中烟气除 尘所得到的产物，一般生产每吨生铁会产生 100 ～ 120 kg 高炉灰［10］，它含有大量的铁、碳和一定量有色金属，有很 大的二次利用价值． 近年来，中国钢铁产业迅速发展， 高炉灰产量巨大，但由于高炉灰成分复杂、粒度细小等 原因，对它的利用较为困难［11--12］． 目前，很多企业将高 炉灰直接或经简单选别后返回烧结工序，以回收利用其 中的碳和铁，还有些则是将其送水泥厂做配料使用，也 有一些企业直接排放堆存［13--14］． 这些方法并没有使高 炉灰资源得到合理的利用． 由于高炉灰中含有一定量 的赤铁矿、磁铁矿和固定碳，因此在钛磁铁矿直接还原 过程中有可能替代煤作为还原剂，从而回收再利用，如 果得以实现，既可以利用其中的碳，回收其中的铁，也可 以为高炉灰的有效利用提供新的途径． 本文对高炉灰作钛磁铁矿还原剂的可行性进行研 究． 由于高炉灰产地多，不同产地的高炉灰的性质有 差异． 因此，对不同产地高炉灰做还原剂效果的差别 也进行研究，考察三种高炉灰对海滨钛磁铁矿直接还 原焙烧--磁选的影响． 1 实验原料及添加剂 1. 1 原矿 所用原料为粒度小于 1 mm 的印 尼 某 海 滨 砂 矿 ( 以下称为原矿) ，其多元素分析结果见表 1，X 射线衍 射分析见图 1． 从表 1 可以看出，TFe 品位和 TiO2质量 分数分别为 53. 51% 和 11. 26% ，S 和 P 的质量分数均 较低，其他元素没有回收价值． 从图 1 可以看出，原矿 中有用矿物主要为钛磁铁矿，并含有少量的钛铁矿． 脉石矿物主要是透辉石和尖晶石． 表 1 原矿 X 射线荧光光谱分析结果( 质量分数) Table 1 Analysis results of the run-of-mine by X-ray fluorescence spectrometry % 成分 Fe TiO2 SiO2 Al2O3 MgO CaO 质量分数 53. 51 11. 26 10. 37 5. 73 2. 89 0. 98 成分 MnO ZnO Na2O K2O P S 质量分数 0. 52 0. 07 0. 40 0. 09 0. 05 0. 02 图 1 原矿 X 射线衍射图谱 Fig． 1 XＲD patterns of the run-of-mine 1. 2 高炉灰及萤石 选用三种不同产地的高炉灰做还原剂． 通过工业 分析、X 射线荧光光谱分析和 X 射线衍射分析三种方 法比较三种高炉灰的化学和矿物组成的差别． 为叙述 方便，不同高炉灰用代号表示，三种高炉灰的来源、代 号及空干基工业分析结果见表 2． 由表 2 可知，三种高炉灰的固定碳、挥发分和灰分 的质量分数都有明显差别． 三种高炉灰的灰分都很 高． 其中 CD 灰分的质量分数高达 73. 47% ; JX 灰分最 低，也达到了 57. 4% ． 三种高炉灰挥发分的质量分数 都较低，但不同产地高炉灰差距较大，JG 挥发分的质 量分数达到 11. 54% ，而 CD 只有 7. 86% ． 高炉灰比煤 中固定碳质量分数低很多，并且高炉灰之间差距也很 大． 其中 CD 固定碳质量分数只有 18% ，只相当于普 · 016 ·
胡天洋等：高炉灰为还原剂对海滨钛磁铁矿直接还原焙烧磁选一钛铁分离的影响 611* 表2高炉灰代号及工业分析结果（质量分数） 质量分数达到13.41%，而JG中Si0,质量分数只有 Table 2 Codes and proximate analysis results of blast furnace dusts 7.29%.三种高炉灰中Fe和Ti0,质量分数差异均较 % 大.CD中Fe和TiO2质量分数较高：Fe质量分数达到 来源 代号 水分 灰分 挥发分 固定碳 32.72%,比X多了10.41个百分点：T02质量分数差 酒泉钢铁 JG 0.79 61.94 11.54 26.52 距更大，CD达到了1.75%，而JG只有0.26% 津鑫矿业 2.10 57.40 8.88 33.73 图2为三种高炉灰X射线衍射图谱比较.由图2 承德钢铁 CD 0.99 73.47 7.86 18.67 可知，三种高炉灰中都含有一定量的赤铁矿、磁铁矿和 石英，但其他矿物组成差别较大.CD中含有少量的石 通烟煤的约1/3：JX固定碳最高，但也只有33.73%. 墨和钛铁矿，所以TO,质量分数最高：X中含有一定 表3为高炉灰X射线荧光光谱分析结果.由表3 量的生石膏，所以S质量分数最高：而JG中含有少量 可知，高炉灰中$质量分数均较高.JG中S质量分数 石灰石、橄榄石和尖晶石.由此可以看出，三种高炉灰 最低，也有0.91%：X中S质量分数最高，比JG多了 虽然Ca0质量分数相近，但含钙矿物种类却不同. 2.57个百分点.高炉灰中P质量分数都不高，在 因为用煤做还原剂时加入萤石有明显的降钛作 0.01%~0.06%之间.Ca0质量分数基本相同，都在 用圆，因此考察高炉灰为还原剂时萤石的影响.所用 6.5%左右.JX中Mg和Si质量分数最高：Mg0质量 添加剂为高品位萤石原矿，其中CF,质量分数为 分数基本是其他两种高炉灰的2倍，达到3.32%：Si02 60%,其他成分为石英 表3高炉灰X射线荧光光谱分析结果（质量分数） Table 3 Analysis results of blast furnace dusts by X-ray fluorescence spectrometry % 代号 Fe TiO2 Si02 Al203 Mgo Cao K,0 JG 26.00 0.26 7.29 2.70 2.39 1.56 6.00 1.09 0.03 0.91 X 22.31 0.35 13.41 5.93 7.39 3.32 6.82 0.44 0.06 3.48 CD 32.72 1.75 9.29 4.86 3.56 1.56 6.28 1.35 0.01 2.08 磁铁矿（任e0.b一赤铁r,0).c一石墨(C 用还原铁粉中的铁品位、总铁回收率和T0,质量 d一钛铁矿(FeTO,e一橄榄石(MgCa),Si0) 「一石英Si0,).g生石膏CaS0,·2H,0) 分数作为评价指标.总铁回收率即包括钛铁磁铁矿中 h一尖品石MgA1,0).i一石灰石(CaC0,) 的铁和高炉灰中的铁，具体计算公式如下： 总铁回收率= 高炉灰J( 还原铁粉质量×还原铁粉品位 高炉灰CD (h.e D.n 原矿质量×原矿品位+高炉灰质量×高炉灰品位×100%. (b.d)(b.d) (b.d) 用D/max-2200/PCX射线衍射仪检测焙烧产品 的矿物组成，用以分析不同高炉灰在还原过程中的作 高炉灰X 用机理 20 30 40 5060 70 80 90 3 结果与讨论 209 图2三种高炉灰X射线衍射图谱比较 3.1高炉灰种类与用量对还原铁粉指标的影响 Fig.2 XRD pattem comparison of three blast fumace dusts 参考高恩霞等可对海滨砂矿研究所确定的最佳条 件，制定的焙烧固定条件为温度1200℃，时间为60 2 实验方法 min;两段磨矿，最终细度为-43m占69.02%，两段 弱磁选磁场强度均为151kA·m.高炉灰用量范围选 将原矿与不同高炉灰、萤石按一定质量比混匀 择为20%~35%，结果见图3. (高炉灰用量和萤石用量分别是高炉灰和萤石与原矿 由图3可知，以三种高炉灰做还原剂对海滨钛磁 的质量比)，装入石墨坩埚，表面覆盖一定质量的烟煤 铁矿进行直接还原焙烧磁选均可获得还原铁粉，并且 并加坩埚盖，以隔绝空气，保持还原气氛，然后将坩埚 随着高炉灰用量的增加，总铁回收率和T0,质量分数 放入CD-1400X马弗炉中进行还原焙烧，焙烧产物经 都随之升高.由此看出，高炉灰可以作为还原剂，同时 自然冷却后破碎至-2mm后，用RK/BK辊四筒智能 回收其中的铁 棒磨机进行磨矿，用CXG99磁选管磁选，磁性产品即 但是，不同产地及用量的高炉灰所得还原铁粉指 还原铁粉 标差异较大.从总铁回收率来看，JX做还原剂所得还
胡天洋等: 高炉灰为还原剂对海滨钛磁铁矿直接还原焙烧磁选--钛铁分离的影响 表 2 高炉灰代号及工业分析结果( 质量分数) Table 2 Codes and proximate analysis results of blast furnace dusts % 来源 代号 水分 灰分 挥发分 固定碳 酒泉钢铁 JG 0. 79 61. 94 11. 54 26. 52 津鑫矿业 JX 2. 10 57. 40 8. 88 33. 73 承德钢铁 CD 0. 99 73. 47 7. 86 18. 67 通烟煤的约 1 /3; JX 固定碳最高，但也只有 33. 73% ． 表 3 为高炉灰 X 射线荧光光谱分析结果． 由表 3 可知，高炉灰中 S 质量分数均较高． JG 中 S 质量分数 最低，也有 0. 91% ; JX 中 S 质量分数最高，比 JG 多了 2. 57 个 百 分 点． 高 炉 灰 中 P 质 量 分 数 都 不 高，在 0. 01% ～ 0. 06% 之间． CaO 质量分数基本相同，都在 6. 5% 左右． JX 中 Mg 和 Si 质量分数最高: MgO 质量 分数基本是其他两种高炉灰的 2 倍，达到 3. 32% ; SiO2 质量分数达到 13. 41% ，而 JG 中 SiO2 质量分数只有 7. 29% ． 三种高炉灰中 Fe 和 TiO2质量分数差异均较 大． CD 中 Fe 和 TiO2质量分数较高: Fe 质量分数达到 32. 72% ，比 JX 多了 10. 41 个百分点; TiO2质量分数差 距更大，CD 达到了 1. 75% ，而 JG 只有 0. 26% ． 图 2 为三种高炉灰 X 射线衍射图谱比较． 由图 2 可知，三种高炉灰中都含有一定量的赤铁矿、磁铁矿和 石英，但其他矿物组成差别较大． CD 中含有少量的石 墨和钛铁矿，所以 TiO2质量分数最高; JX 中含有一定 量的生石膏，所以 S 质量分数最高; 而 JG 中含有少量 石灰石、橄榄石和尖晶石． 由此可以看出，三种高炉灰 虽然 CaO 质量分数相近，但含钙矿物种类却不同． 因为用煤做还原剂时加入萤石有明显的降钛作 用［8］，因此考察高炉灰为还原剂时萤石的影响． 所用 添加剂为高品位萤石原矿，其 中 CaF2 质 量 分 数 为 60% ，其他成分为石英． 表 3 高炉灰 X 射线荧光光谱分析结果( 质量分数) Table 3 Analysis results of blast furnace dusts by X-ray fluorescence spectrometry % 代号 Fe TiO2 SiO2 Al2O3 ZnO MgO CaO K2O P S JG 26. 00 0. 26 7. 29 2. 70 2. 39 1. 56 6. 00 1. 09 0. 03 0. 91 JX 22. 31 0. 35 13. 41 5. 93 7. 39 3. 32 6. 82 0. 44 0. 06 3. 48 CD 32. 72 1. 75 9. 29 4. 86 3. 56 1. 56 6. 28 1. 35 0. 01 2. 08 图 2 三种高炉灰 X 射线衍射图谱比较 Fig． 2 XＲD pattern comparison of three blast furnace dusts 2 实验方法 将原矿与不同高炉 灰、萤石按一定质量比混匀 ( 高炉灰用量和萤石用量分别是高炉灰和萤石与原矿 的质量比) ，装入石墨坩埚，表面覆盖一定质量的烟煤 并加坩埚盖，以隔绝空气，保持还原气氛，然后将坩埚 放入 CD--1400X 马弗炉中进行还原焙烧，焙烧产物经 自然冷却后破碎至 － 2 mm 后，用 ＲK /BK 辊四筒智能 棒磨机进行磨矿，用 CXG--99 磁选管磁选，磁性产品即 还原铁粉． 用还原铁粉中的铁品位、总铁回收率和 TiO2质量 分数作为评价指标． 总铁回收率即包括钛铁磁铁矿中 的铁和高炉灰中的铁，具体计算公式如下: 总铁回收率 = 还原铁粉质量 ×还原铁粉品位 原矿质量 ×原矿品位 +高炉灰质量 ×高炉灰品位 ×100%． 用 D /max--2200 / PC X 射线衍射仪检测焙烧产品 的矿物组成，用以分析不同高炉灰在还原过程中的作 用机理． 3 结果与讨论 3. 1 高炉灰种类与用量对还原铁粉指标的影响 参考高恩霞等［7］对海滨砂矿研究所确定的最佳条 件，制定的焙烧固定条件为温度 1200 ℃，时间为 60 min; 两段磨矿，最终细度为 － 43 μm 占 69. 02% ，两段 弱磁选磁场强度均为 151 kA·m － 1 ． 高炉灰用量范围选 择为 20% ～ 35% ，结果见图 3． 由图 3 可知，以三种高炉灰做还原剂对海滨钛磁 铁矿进行直接还原焙烧磁选均可获得还原铁粉，并且 随着高炉灰用量的增加，总铁回收率和 TiO2质量分数 都随之升高． 由此看出，高炉灰可以作为还原剂，同时 回收其中的铁． 但是，不同产地及用量的高炉灰所得还原铁粉指 标差异较大． 从总铁回收率来看，JX 做还原剂所得还 · 116 ·
612 工程科学学报，第38卷，第5期 92 94 (a) ) ■一G高炉灰 一G高炉灰 ◆一JX高炉灰 93 88 ▲GD高炉灰 ▲CD高炉灰 92 84 上 91 90 0 89 ● 88 25 30 35 20 75 30 高炉灰用量修 高炉灰用量/除 2.1(c)-JG高炉灰 1.8 CD高炉从 部 15 1.2 0.9 0.6 20 25 30 高炉灰用量经 图3高炉灰用量对还原铁粉指标的影响.()高炉灰用量对还原铁粉Fe回收率的影响：(b)高炉灰用量对还原铁粉Fe品位的影响：(c) 高炉灰用量对还原铁粉T0,质量分数的影响 Fig.3 Influences of blast fumnace dust dose on the iron recovery (a),the iron grade (b)and the Ti02 content (c)of the reduced iron powder 原铁粉（为方便叙述，以下分别以JG铁粉、JX铁粉和 原，而钛氧化物在这个温度区间很难被还原，因此根据 CD铁粉代表用该高炉灰做还原剂所得还原铁粉)的 3.1的结果，固定高炉灰用量为30%，在1150~1300 总铁回收率最高，且随着X用量的增加而提高，原因 ℃之间考察焙烧温度的影响，结果见图4.其他条件与 是X中固定碳质量分数最高.G中固定碳低于X, 高炉灰用量实验时相同. 但挥发分质量分数最高.因为挥发分能够通过有效抑 由图4可知，焙烧温度对不同高炉灰所得还原铁 制含铁脉石矿物的生成进而提高还原铁的铁回收 粉的指标影响较大.从总铁回收率来看，三种高炉灰 率的，所以JG铁粉的总铁回收率在高炉灰用量为 都是随着焙烧温度升高，铁回收率提高，但提高的程度 25%时与X铁粉差距并不大，但随着高炉灰用量的继 不同.JX铁粉和JG铁粉的铁回收率远远高于CD铁 续增加，铁回收率增长幅度减小.CD中固定碳和挥发 粉，而CD还原铁粉的铁回收率增加幅度比X和JG 分质量分数最低，而灰分质量分数又最高，故其还原效 大很多 果最差 从铁品位来看，随着焙烧温度升高，三种高炉灰做 从铁品位来看，三种高炉灰在不同用量条件下还 还原剂所得还原铁粉的铁品位的增长均不到5个百分 原铁粉的铁品位均达到88%以上，其中CD铁粉的铁 点，其中JG铁粉中的铁品位最高，CD铁粉的铁品位增 品位最高，达到了92.61%. 长速度最慢. 从T0,质量分数来看，三种高炉灰的还原铁粉中 从TO,质量分数来看，三种高炉灰做还原剂所得 T0,质量分数差距很大.在高炉灰用量35%时，JX铁 还原铁粉的TO2质量分数均随着焙烧温度升高而明 粉比CD铁粉中T0,质量分数多0.92个百分点，同时 显降低，且均在1150℃到1250℃时降低效果明显，随 总铁回收率也高8.35个百分点.由此看出提高总铁 后继续升高温度，降低效果相对减缓.其中在1250℃ 回收率和促进钛铁分离是相互矛盾的.虽然在高炉灰 时只有CD铁粉的TiO,质量分数低于1%，JG铁粉的 用量相同的条件下，固定碳质量分数高的JX提铁效果 TO,质量分数降低幅度最小，而X铁粉中T0,质量分 较好，但是还原铁粉中T0,质量分数相对于其他高炉 数最高，在1300℃时还高达1.62%.因此综合考虑还 灰也最高，所以通过增加高炉灰用量来提高总铁回收 原铁粉指标，选取1250℃为最佳焙烧温度 率必然对钛铁分离效果有不利影响.因此选取高炉灰 3.3萤石用量对还原铁粉指标的影响 用量30%为最佳还原用量 根据3.2节研究结果，已经可以得到总铁回收率 3.2焙烧温度对还原铁粉指标的影响 及铁品位比较高的还原铁粉，但其中T0,质量分数都 因为在1000~1300℃之间，铁氧化物会迅速还 较高.在以煤泥为还原剂直接还原焙烧钛磁铁矿的条
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 图 3 高炉灰用量对还原铁粉指标的影响． ( a) 高炉灰用量对还原铁粉 Fe 回收率的影响; ( b) 高炉灰用量对还原铁粉 Fe 品位的影响; ( c) 高炉灰用量对还原铁粉 TiO2质量分数的影响 Fig． 3 Influences of blast furnace dust dose on the iron recovery ( a) ，the iron grade ( b) and the TiO2 content ( c) of the reduced iron powder 原铁粉( 为方便叙述，以下分别以 JG 铁粉、JX 铁粉和 CD 铁粉代表用该高炉灰做还原剂所得还原铁粉) 的 总铁回收率最高，且随着 JX 用量的增加而提高，原因 是 JX 中固定碳质量分数最高． JG 中固定碳低于 JX， 但挥发分质量分数最高． 因为挥发分能够通过有效抑 制含铁脉石矿物的生成进而提高还原铁的铁回收 率［15］，所以 JG 铁粉的总铁回收率在高炉灰用量为 25% 时与 JX 铁粉差距并不大，但随着高炉灰用量的继 续增加，铁回收率增长幅度减小． CD 中固定碳和挥发 分质量分数最低，而灰分质量分数又最高，故其还原效 果最差． 从铁品位来看，三种高炉灰在不同用量条件下还 原铁粉的铁品位均达到 88% 以上，其中 CD 铁粉的铁 品位最高，达到了 92. 61% ． 从 TiO2质量分数来看，三种高炉灰的还原铁粉中 TiO2质量分数差距很大． 在高炉灰用量 35% 时，JX 铁 粉比 CD 铁粉中 TiO2质量分数多 0. 92 个百分点，同时 总铁回收率也高 8. 35 个百分点． 由此看出提高总铁 回收率和促进钛铁分离是相互矛盾的． 虽然在高炉灰 用量相同的条件下，固定碳质量分数高的 JX 提铁效果 较好，但是还原铁粉中 TiO2质量分数相对于其他高炉 灰也最高，所以通过增加高炉灰用量来提高总铁回收 率必然对钛铁分离效果有不利影响． 因此选取高炉灰 用量 30% 为最佳还原用量． 3. 2 焙烧温度对还原铁粉指标的影响 因为在 1000 ～ 1300 ℃ 之间，铁氧化物会迅速还 原，而钛氧化物在这个温度区间很难被还原，因此根据 3. 1 的结果，固定高炉灰用量为 30% ，在 1150 ～ 1300 ℃ 之间考察焙烧温度的影响，结果见图 4． 其他条件与 高炉灰用量实验时相同． 由图 4 可知，焙烧温度对不同高炉灰所得还原铁 粉的指标影响较大． 从总铁回收率来看，三种高炉灰 都是随着焙烧温度升高，铁回收率提高，但提高的程度 不同． JX 铁粉和 JG 铁粉的铁回收率远远高于 CD 铁 粉，而 CD 还原铁粉的铁回收率增加幅度比 JX 和 JG 大很多． 从铁品位来看，随着焙烧温度升高，三种高炉灰做 还原剂所得还原铁粉的铁品位的增长均不到 5 个百分 点，其中 JG 铁粉中的铁品位最高，CD 铁粉的铁品位增 长速度最慢． 从 TiO2质量分数来看，三种高炉灰做还原剂所得 还原铁粉的 TiO2 质量分数均随着焙烧温度升高而明 显降低，且均在 1150 ℃ 到 1250 ℃ 时降低效果明显，随 后继续升高温度，降低效果相对减缓． 其中在 1250 ℃ 时只有 CD 铁粉的 TiO2 质量分数低于 1% ，JG 铁粉的 TiO2质量分数降低幅度最小，而 JX 铁粉中 TiO2质量分 数最高，在 1300 ℃时还高达 1. 62% ． 因此综合考虑还 原铁粉指标，选取 1250 ℃为最佳焙烧温度． 3. 3 萤石用量对还原铁粉指标的影响 根据 3. 2 节研究结果，已经可以得到总铁回收率 及铁品位比较高的还原铁粉，但其中 TiO2质量分数都 较高． 在以煤泥为还原剂直接还原焙烧钛磁铁矿的条 · 216 ·
胡天洋等：高炉灰为还原剂对海滨钛磁铁矿直接还原培烧磁选一钛铁分离的影响 ·613 100 92 b 90 90 88 一JG高炉灰 70 。一JG高炉灰 ●一X高炉灰 ◆一X高炉灰 ▲一CD高炉灰 ▲CD高炉灰 60 84 1150 12001250 1300 1150 12001250 1300 培烧温度℃ 焙烧温度℃ 2.4e) 。一JG高炉灰 ·一X高炉灰 ▲一CD高炉灰 18 1.2 0.6 1I50 12001250 1300 培烧温度℃ 图4焙烧温度对还原铁粉指标的影响.()焙烧温度对还原铁粉Fe回收率的影响：(b)焙烧温度对还原铁粉Fe品位的影响：()焙烧温 度对还原铁粉T02质量分数的影响 Fig.4 Influences of roasting temperature on the iron recovery (a),the iron grade (b)and the Ti0,content (c)of the reduced iron powder 件下，添加萤石有明显的降钛作用圆.因此，为了研究 高炉灰的影响不同，CD铁粉的总铁回收率降低12个 高炉灰做还原剂条件下添加萤石能否降低还原铁粉中 百分点，而X铁粉所得只降低5个百分点. 的T02质量分数.在萤石用量0~10%的范围内研究 从铁品位来看，在萤石用量为0时，三种高炉灰所 其影响.焙烧温度固定为1250℃，其他条件与焙烧温 得还原铁粉的铁品位基本相同，随着萤石用量的增加， 度实验时相同，结果见图5. 还原铁粉的铁品位都提高，但最多不超过3个百分点. 由图5可知，萤石用量对不同高炉灰所得还原铁 从T0,质量分数来看，萤石对钛铁分离的效果 粉的指标影响较大.从总铁回收率来看，三种高炉灰 十分明显.T0,质量分数都随着萤石用量的增加而 所得还原铁粉都随着萤石用量的增加而降低，但不同 明显降低.在萤石用量为10%时，三种高炉灰的还 95 94 90 92 85 。一G高炉灰 ·一JG高炉灰 80 ·一高炉从 ▲CD高妒灰 90 一GD高炉灰 88 4 10 4 10 萤石用量/% 萤石用量% 2.4r 。一JG高炉灰 。一JX高中灰 1.8 ▲一CD高炉灰 1.2 0.6 0 2468 10 萤石用量/% 图5萤石用量对还原铁粉指标的影响.(a)萤石用量对还原铁粉Fe回收率的影响：()萤石用量对还原铁粉Fe品位的影响：()萤石用 量对还原铁粉T0,质量分数的影响 Fig.5 Influences of fluorite dose on the iron recovery (a),the iron grade (b)and the Ti0,content (c)of the reduced iron powder
胡天洋等: 高炉灰为还原剂对海滨钛磁铁矿直接还原焙烧磁选--钛铁分离的影响 图 4 焙烧温度对还原铁粉指标的影响 . ( a) 焙烧温度对还原铁粉 Fe 回收率的影响; ( b) 焙烧温度对还原铁粉 Fe 品位的影响; ( c) 焙烧温 度对还原铁粉 TiO2质量分数的影响 Fig． 4 Influences of roasting temperature on the iron recovery ( a) ，the iron grade ( b) and the TiO2 content ( c) of the reduced iron powder 件下，添加萤石有明显的降钛作用［8］． 因此，为了研究 高炉灰做还原剂条件下添加萤石能否降低还原铁粉中 的 TiO2质量分数． 在萤石用量 0 ～ 10% 的范围内研究 其影响． 焙烧温度固定为 1250 ℃，其他条件与焙烧温 度实验时相同，结果见图 5． 图 5 萤石用量对还原铁粉指标的影响 . ( a) 萤石用量对还原铁粉 Fe 回收率的影响; ( b) 萤石用量对还原铁粉 Fe 品位的影响; ( c) 萤石用 量对还原铁粉 TiO2质量分数的影响 Fig． 5 Influences of fluorite dose on the iron recovery ( a) ，the iron grade ( b) and the TiO2 content ( c) of the reduced iron powder 由图 5 可知，萤石用量对不同高炉灰所得还原铁 粉的指标影响较大． 从总铁回收率来看，三种高炉灰 所得还原铁粉都随着萤石用量的增加而降低，但不同 高炉灰的影响不同，CD 铁粉的总铁回收率降低 12 个 百分点，而 JX 铁粉所得只降低 5 个百分点． 从铁品位来看，在萤石用量为 0 时，三种高炉灰所 得还原铁粉的铁品位基本相同，随着萤石用量的增加， 还原铁粉的铁品位都提高，但最多不超过 3 个百分点． 从 TiO2质量分数来看，萤石对钛铁分离的效果 十分明显． TiO2质量分数都随着萤石用量的增加而 明显降低． 在萤石用量为 10% 时，三种高炉灰的还 · 316 ·
614 工程科学学报，第38卷，第5期 原铁粉T0,质量分数都比萤石用量为2%时降低 0.01%,不会影响铁粉质量 50%左右.在萤石用为8%时，只有X铁粉中T0, 4 不同高炉灰做还原剂时焙烧产物的矿物 质量分数还在1%以上.X铁粉中T02质量分数降 低幅度最大 组成变化 由上述可知，最佳条件为：高炉灰X,用量30%， 4.1焙烧温度对不同高炉灰做还原剂时焙烧产物矿 萤石用量10%，焙烧温度为1250℃，焙烧时间为 物组成的影响 60min,焙烧矿进行两段磨矿，两段弱磁选.在最佳条 为查明在不添加萤石条件下三种高炉灰做还原剂 件下所得指标为：还原铁粉中铁品位91.28%，总铁回 所得还原铁粉中的指标差距较大的原因，对不同培烧 收率89.19%，T02质量分数0.93%.随后发现最佳条 温度条件下焙烧产物进行X射线衍射分析，结果见 件下焙烧矿及最终还原铁粉中Z质量分数不足 图6 (a) 一金属铁什以，b一本铁#) 一个大iF.:=,领作4) 一磁铁矿FrD) -8可IFe 一往铁矿(T),r一非铁醒板社型行) 一钛铁雀T,,”一业铁假板仕矿Fr五) 千一钱进铁mFe,重0.E尖品石MgA,0) 一钛磁铁国rT,,一尖品石MgA0 一数绳石3).一石是) 一钛铁品在T0.k一石英s.) m一透虾石MeFi,,n右灰i m一透界石(M,,生右存，·2H 13000 d"k (ed)d e d 1300℃ 1250 12509k° 1200℃ 1200T+ 1150T a 高炉灰JX 高炉灰JGbk P 原矿 df (mg) 原可 10 20 30 40 50 60 71 80 10 20 30 405060 7080 90 28/) 20) 一金属铁.一有铁国0) 路铁正0) 小一铁国T,一铁图板其a) eo m一透每石M5i.1—一着那0 13(0 1250气 人人a 人a 1200℃ 人a 11507 人 高炉灰CD h. (h.d (d)(ba (hd) 原矿g 10 20 30 40 50 60 7080 90 29/) 图6原矿及三种高炉灰在不同培烧温度下培烧产物的X射线衍射谱对比.()高炉灰JG为还原剂：(b)高炉灰X为还原剂：(c)高炉灰 CD为还原剂 Fig.6 XRD pattern comparison of the raw ore and roasting products with the three kinds of blast furnace dusts at different roasting temperature:(a) blast furnace dust JG as a reducing agent:(b)blast furnace dust JX as a reducing agent:(c)blast furnace dust CD as a reducing agent 由图6可知，不同高炉灰做还原剂所得焙烧产物 铁板钛矿和钛铁矿，还有大量的钛铁晶石.亚铁板钛 中矿物组成有相同之处，但差距也很明显.相同的是 矿、钛铁矿和钛铁晶石磁性均较弱，弱磁选无法回收， 焙烧矿中钛磁铁矿衍射峰均消失，因为钛磁铁矿被还 同时亚铁板钛矿中铁质量分数明显低于钛铁晶石，因 原为金属铁、亚铁板钛矿与钛铁晶石所致.焙烧矿中 此JX和JG铁粉中铁回收率都高于CD铁粉. 金属铁的衍射峰都是随着温度升高逐渐增强.不同的 不同高炉灰所得焙烧矿中含钛矿物衍射峰变化规 是焙烧后含钛矿物的衍射峰种类及强弱均不同.JⅨ 律也不一样.JG所得焙烧矿中亚铁板钛矿在1300℃ 与JG所得焙烧矿中的含钛矿物只有亚铁假板钛矿，而 时明显减少，同时出现钛铁矿的衍射峰.CD所得焙烧 CD中固定碳质量分数最少，还原气氛不足，无法将钛 矿在1200℃时钛铁晶石的衍射峰明显减少，同时亚铁 铁晶石全部还原为钛铁矿以及亚铁假板钛矿.因此在 板钛矿衍射峰明显增加，随后在1250℃时又明显减 不同焙烧温度下，CD所得焙烧矿中不仅含有少量的亚 少.X所得焙烧矿中亚铁板钛矿衍射峰没有明显变
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 原铁粉 TiO2 质量 分 数 都 比 萤 石 用 量 为 2% 时 降 低 50% 左右． 在萤石用为 8% 时，只有 JX 铁粉中 TiO2 质量分数还在 1% 以上． JX 铁粉中 TiO2质量分数降 低幅度最大． 由上述可知，最佳条件为: 高炉灰 JX，用量 30% ， 萤石 用 量 10% ，焙 烧 温 度 为 1250 ℃，焙 烧 时 间 为 60 min，焙烧矿进行两段磨矿，两段弱磁选． 在最佳条 件下所得指标为: 还原铁粉中铁品位 91. 28% ，总铁回 收率 89. 19% ，TiO2质量分数 0. 93% ． 随后发现最佳条 件下焙 烧 矿 及 最 终 还 原 铁 粉 中 Zn 质 量 分 数 不 足 0. 01% ，不会影响铁粉质量． 4 不同高炉灰做还原剂时焙烧产物的矿物 组成变化 4. 1 焙烧温度对不同高炉灰做还原剂时焙烧产物矿 物组成的影响 为查明在不添加萤石条件下三种高炉灰做还原剂 所得还原铁粉中的指标差距较大的原因，对不同焙烧 温度条件下焙烧产物进行 X 射线衍射分析，结果见 图 6． 图 6 原矿及三种高炉灰在不同焙烧温度下焙烧产物的 X 射线衍射谱对比 . ( a) 高炉灰 JG 为还原剂; ( b) 高炉灰 JX 为还原剂; ( c) 高炉灰 CD 为还原剂 Fig． 6 XＲD pattern comparison of the raw ore and roasting products with the three kinds of blast furnace dusts at different roasting temperature: ( a) blast furnace dust JG as a reducing agent; ( b) blast furnace dust JX as a reducing agent; ( c) blast furnace dust CD as a reducing agent 由图 6 可知，不同高炉灰做还原剂所得焙烧产物 中矿物组成有相同之处，但差距也很明显． 相同的是 焙烧矿中钛磁铁矿衍射峰均消失，因为钛磁铁矿被还 原为金属铁、亚铁板钛矿与钛铁晶石所致． 焙烧矿中 金属铁的衍射峰都是随着温度升高逐渐增强． 不同的 是焙烧后含钛矿物的衍射峰种类及强弱均不同． JX 与 JG 所得焙烧矿中的含钛矿物只有亚铁假板钛矿，而 CD 中固定碳质量分数最少，还原气氛不足，无法将钛 铁晶石全部还原为钛铁矿以及亚铁假板钛矿． 因此在 不同焙烧温度下，CD 所得焙烧矿中不仅含有少量的亚 铁板钛矿和钛铁矿，还有大量的钛铁晶石． 亚铁板钛 矿、钛铁矿和钛铁晶石磁性均较弱，弱磁选无法回收， 同时亚铁板钛矿中铁质量分数明显低于钛铁晶石，因 此 JX 和 JG 铁粉中铁回收率都高于 CD 铁粉． 不同高炉灰所得焙烧矿中含钛矿物衍射峰变化规 律也不一样． JG 所得焙烧矿中亚铁板钛矿在 1300 ℃ 时明显减少，同时出现钛铁矿的衍射峰． CD 所得焙烧 矿在 1200 ℃时钛铁晶石的衍射峰明显减少，同时亚铁 板钛矿衍射峰明显增加，随后在 1250 ℃ 时又明显减 少． JX 所得焙烧矿中亚铁板钛矿衍射峰没有明显变 · 416 ·
胡天洋等：高炉灰为还原剂对海滨钛磁铁矿直接还原培烧磁选一钛铁分离的影响 ·615 化，但钛铁晶石的衍射峰在1200℃时消失 显降低，JG所得焙烧矿中钛铁晶石和钛铁衍射峰消 4.2萤石用量对不同高炉灰做还原剂时焙烧产物矿 失，同时亚铁假板钛矿增加，出现少量磁铁矿：在萤石 物组成的影响 用量8%和10%时，CD和JG所得焙烧矿中钛铁晶石 根据3.3节结果，在添加萤石的情况下，三种高炉 衍射峰又持续增强.因为亚铁假板钛矿在温度高于 灰做还原剂所得还原铁粉中T0,质量分数显著降低， 1130℃能稳定存在，而在还原过程中添加萤石可起 并且不同高炉灰做还原剂得到的效果有明显不同.因 到降低焙烧产物熔点和黏度的作用☒，有效地优化还 此，用X射线衍射研究不同萤石用量条件下焙烧产物 原过程中的传热和传质条件，使固相反应在较低的温 的矿物组成变化，结果见图7. 度下就能较快地进行叨，同时破坏亚铁板钛矿的结 由图7可知，添加莹石对不同高炉灰做还原剂所 构，并生成熔点相对较低的钛铁晶石，从而导致CD和 得焙烧产物的矿物组成都有一定影响，但影响效果不 JG所得还原铁粉中总铁回收率随着萤石用量的增加 同.在萤石用量2%~8%时，JX所得焙烧矿中亚铁板 而降低.萤石还能将FO从复杂化合物中置换出来， 钛矿衍射峰变化不明显：在萤石用量10%时，亚铁板 提高FeO还原反应的活度，促进Fe0还原图.所以 钛矿衍射峰稍微减弱，同时钛铁矿衍射峰出现。在萤 CD和JG所得还原铁粉中铁品位随着萤石用量的增加 石用量为4%时，CD所得焙烧中钛铁晶石衍射峰明 而升高. (a) 唐一金属铁和，一东铁矿+0.0数铁产下0，小一状铁矿) (b) 一金属铁F,b一赤铁矿下，D以一铁0山，d钛铁留ET0小 ,一亚铁假板秋矿FT,O小，一钛磁铁矿和，T,0 k一石英S0.一董石CaF,.m一透辉石eFS,0一石从石Cn0) 。 k (d.e) (de) 10%° l e d l 人从 10% d k 8% e d M人人L a 8% 4 人 4% 2% 卫 从从人 人 e 高炉灰Gbk 炉灰) 6 原矿书 d 原矿名 d咒(m8 20 0 50 60 70 80 10 20 30 40 50 60 70 20/P) 201) 一金属铁，一秦铁金(0小c一些铁国重，O,,止一其铁矿下T0, 一亚铁假板钛矿五，0，千一铁磁铁矿五0，) 集一尖品石g0,.钛铁品石(FT0, k一石英S0,一莹石CF,m一透辉石gFS,D).一石灰有CaCD) 109% 人 8% 人8 49%f 人 2% 人 (h.d)(h.de(bad)()gbd) 高炉灰CDL 原可书 20 30 40 50 60 70 80 90 20/ 图7原矿及三种高炉灰在不同添加剂用量条件下焙烧产物的X射线衍射谱.()高炉灰JG为还原剂：(b)高炉灰X为还原剂：()高炉 灰CD为还原剂 Fig.7 XRD patter comparison of the raw ore and roasting products with the three kinds of blast furnace dusts at different fluorite amounts:(a)blast furnace dust JG as a reducing agent:(b)blast furnace dust JX as a reducing agent:(c)blast furnace dust CD as a reducing agent 在萤石用量8%时，三种高炉灰所得焙烧矿X射线 5 结论 衍射图谱中均出现萤石衍射峰，并在萤石用量10%时显 著增强.这说明从萤石用量8%开始，一部分萤石就没 (1)高炉灰不仅可以作为还原剂直接还原海滨钛 有与产生作用，但是钛铁分离效果依然明显.为何过量 磁铁矿，同时还可以回收高炉灰中的铁 后还会作用明显是我们后续要研究的问题：接下来会对 (2)高炉灰的种类对还原铁粉指标影响较大.固 萤石用量对钛铁分离效果的影响进行机理研究. 定碳、灰分、挥发分以及Fe、TiO,的质量分数对还原铁
胡天洋等: 高炉灰为还原剂对海滨钛磁铁矿直接还原焙烧磁选--钛铁分离的影响 化，但钛铁晶石的衍射峰在 1200 ℃时消失． 4. 2 萤石用量对不同高炉灰做还原剂时焙烧产物矿 物组成的影响 根据 3. 3 节结果，在添加萤石的情况下，三种高炉 灰做还原剂所得还原铁粉中 TiO2质量分数显著降低， 并且不同高炉灰做还原剂得到的效果有明显不同． 因 此，用 X 射线衍射研究不同萤石用量条件下焙烧产物 的矿物组成变化，结果见图 7． 由图 7 可知，添加萤石对不同高炉灰做还原剂所 得焙烧产物的矿物组成都有一定影响，但影响效果不 同． 在萤石用量 2% ～ 8% 时，JX 所得焙烧矿中亚铁板 钛矿衍射峰变化不明显; 在萤石用量 10% 时，亚铁板 钛矿衍射峰稍微减弱，同时钛铁矿衍射峰出现． 在萤 石用量为 4% 时，CD 所得焙烧矿中钛铁晶石衍射峰明 显降低，JG 所得焙烧矿中钛铁晶石和钛铁矿衍射峰消 失，同时亚铁假板钛矿增加，出现少量磁铁矿; 在萤石 用量 8% 和 10% 时，CD 和 JG 所得焙烧矿中钛铁晶石 衍射峰又持续增强． 因为亚铁假板钛矿在温度高于 1130 ℃能稳定存在［16］，而在还原过程中添加萤石可起 到降低焙烧产物熔点和黏度的作用［12］，有效地优化还 原过程中的传热和传质条件，使固相反应在较低的温 度下就能较快地进行［17］，同时破坏亚铁板钛矿的结 构，并生成熔点相对较低的钛铁晶石，从而导致 CD 和 JG 所得还原铁粉中总铁回收率随着萤石用量的增加 而降低． 萤石还能将 FeO 从复杂化合物中置换出来， 提高 FeO 还原反应的活度，促进 FeO 还原［18］． 所以 CD 和 JG 所得还原铁粉中铁品位随着萤石用量的增加 而升高． 图 7 原矿及三种高炉灰在不同添加剂用量条件下焙烧产物的 X 射线衍射谱 . ( a) 高炉灰 JG 为还原剂; ( b) 高炉灰 JX 为还原剂; ( c) 高炉 灰 CD 为还原剂 Fig． 7 XＲD pattern comparison of the raw ore and roasting products with the three kinds of blast furnace dusts at different fluorite amounts: ( a) blast furnace dust JG as a reducing agent; ( b) blast furnace dust JX as a reducing agent; ( c) blast furnace dust CD as a reducing agent 在萤石用量 8% 时，三种高炉灰所得焙烧矿 X 射线 衍射图谱中均出现萤石衍射峰，并在萤石用量 10% 时显 著增强． 这说明从萤石用量 8% 开始，一部分萤石就没 有与产生作用，但是钛铁分离效果依然明显． 为何过量 后还会作用明显是我们后续要研究的问题; 接下来会对 萤石用量对钛铁分离效果的影响进行机理研究． 5 结论 ( 1) 高炉灰不仅可以作为还原剂直接还原海滨钛 磁铁矿，同时还可以回收高炉灰中的铁． ( 2) 高炉灰的种类对还原铁粉指标影响较大． 固 定碳、灰分、挥发分以及 Fe、TiO2的质量分数对还原铁 · 516 ·
616 工程科学学报，第38卷，第5期 粉指标都有较大影响.在高炉灰用量相同的情况下， 矿试验研究.金属矿山，2010(9)：51) 固定碳质量分数最高的津鑫高炉灰还原效果最好.在 7]Gao E X,Sun T C,Xu C Y,et al.Titanium and ferrum separa- tion of a seaside titanomagnetite based on reduction roasting.Met 津鑫高炉灰用量为30%，萤石用量为10%，焙烧温度 Mine,2013(11):46 为1250℃，焙烧时间为60min时，焙烧矿经过两段磨 (高恩霞，孙体昌，徐承焱，等。基于还原焙烧的某海滨钛磁 矿一两段弱磁选，能够得到最佳的还原铁粉指标， 铁矿的钛铁分离.金属矿山，2013(11)：46) (3)高炉灰的种类对焙烧矿矿物组成影响较大. [8]Yu C X,Sun T C,Xu C Y,et al.Effect of coal slime as a reduc- 在不添加萤石的条件下，因为承钢高炉灰中固定碳质 ing agent on direct reduction roasting of seaside titanomagnetite. Min Metall Eng,2014,34(5):93 量分数最少，还原气氛不足，焙烧矿中有少量的亚铁板 (于春晓，孙体昌，徐承焱，等。煤泥作还原剂对海滨钛磁铁 钛矿、钛铁矿及大量的钛铁晶石.津鑫和酒钢高炉灰 矿直接还原培烧磁选的影响.矿治工程，2014,34(5)：93) 所得焙烧矿中含钛矿物只有亚铁假板钛矿.亚铁假板 9]Gao B H,Wang H J,Qu Y,et al.Experimental research on ex- 钛矿、钛铁矿和钛铁晶石磁性均较弱，弱磁选无法回 tracting iron from beach placer concentrate in Indonesia by direct 收，而亚铁板钛矿的铁质量分数明显低于钛铁晶石，因 reduction-grinding-magnetic separation.Min Metall Eng,2012, 32(5):44 此津鑫和酒钢还原铁粉的总铁回收率较高. (高本恒，王化军，曲媛，等.印尼某海滨砂矿精矿直接还原一 (4)添加萤石对不同高炉灰做还原剂直接还原海 磨矿-磁选提铁试验研究.矿治工程，2012,32(5)：44) 滨钛磁铁矿都有一定影响.随着萤石用量增加，三种 [10]Shi Y K.The determination of Si02,Ca0,Mgo in blast fumace 高炉灰所得还原铁粉中T0,质量分数均明显降低，但 dusts.Metall Anal,2004,24(6)75 (史玉奎.高炉灰中SiO2,Ca0,Mg0的测定.治金分析， 不同高炉灰的影响效果不同.因为萤石可起到破坏亚 2004,24(6):75) 铁板钛矿结构的作用，从而导致承钢和酒钢所得还原 [11]Langova S,Matysek D.Zinc recovery from steel-making wastes 铁粉中总铁回收率随着萤石用量的增加而降低.同时 by acid pressure leaching and hematite precipitation.Hydromet- 萤石能提高FeO还原反应的活度，促进Fe0还原，所 allurgy,2010,101(34):171 以承钢和酒钢高炉灰所得还原铁粉中铁品位随着萤石 2]Wang X L.Iron and Steel Metallurgy (Ironmaking Segment) Beijing:Metallurgy Industry Press,2000 用量的增加而升高，但津鑫高炉灰所得还原铁粉中的 (王筱留.钢铁治金学（炼铁部分）.北京：冶金工业出版社，2000) 变化相对不明显 03] Wang D Y,Wang W Z,Chen WQ,et al.Present state and de- velopment trend of disposal technique of in-plant Zn-Pb-bearing 参考文献 dust.Iron Steel,1998,33(1):65 [Zhao Y F.Forecast of global iron ore trade and price trend.World (王东彦，王文忠，陈伟庆，等.含锌铅钢铁厂粉尘处理技术 Metal Bulletin,2015-04-07(A06) 现状和发展趋势分析.钢铁，1998,33(1)：65) (赵芸芬.全球铁矿石贸易和价格走势预测.世界金属导报， 14] Smith S M,Zhou X,Nassaralla C L.A novel Process for recy- 2015-04-07(A06)) cling steelmaking dust.Iron Steelmaker,2000,27(2):69 [2]Hu Z,Zhang H,Li H W,et al.Study on reasonable mineral pro- 05] Cao YY,Sun TC,Gao EX,et al.Effects of volatile component in cessing flow sheet of a beach placer in Indonesia.Min Metall coal on high-phosphorus oolitic hematite in direct reduction roasting Eng,2009,29(6):33 process.J Northeast Unir Nat Sci,2014,35(9)1346 (胡真，张慧，李汉文，等.印尼某海滨砂矿合理选矿工艺流 (曹允业，孙体昌，高恩霞，等.煤的挥发分对高磷颠状赤铁 程的研究.矿治工程，2009,29(6)：33) 矿直接还原培烧的影响.东北大学学报（自然科学版）， B]Sun L J,Li X J,Chen P,et al.Experimental study on the min- 2014,35(9):1346) eralogical characteristics and processing technique of a beach plac- [16]Jiang T,Yu S W,Xue XX,et al.Research on the solid-phase ct.Min Res Dev,2010,30(2):62 reduction and magnetic separation of Chengde vanadium titano- (孙丽君，吕宪俊，陈平，等.某海滨砂矿的矿物学特征与选 magnetite The 9th China's steel conference proceedings.Bei- 矿试验研究.矿业研究与开发，2010,30(2)：62) jing,2013:1 [4]Zhang J H,Zhang Y,Yang Y T,et al.Experimental research on (姜涛，余少武，薛向欣，等.承德钒钛磁铁矿固相还原磁选 mineral processing of Indonesian beach iron sands.Met Mine, 分离研究/第九届中国钢铁年会论文集.北京，2013：1) 2012(2):77 07] Huang Z C,Cai L B,Zhang Y B,et al.Reduction of iron ox- (张俊辉，张渊，杨永涛，等.印尼某海滨砂铁矿选矿实验研 ides of red mud reinforced by Na,CO and CaF2.J Cent South 究.金属矿山，2012(2)：77) Unir Sci Technol,2010,41(3):843 [5]Chen J,Zhou P,Jiang Y X,et al.Study on mineral processing (黄柱成，蔡凌波，张元波，等.Na,CO和CaF2强化赤泥铁 technology of placer iron in some Indonesia beach.Min Metall, 氧化物还原研究.中南大学学报（自然科学版），2010,41 2013,22(1):22 (3):843) (陈军，周平，姜亚雄，等.印度尼西亚某海滨砂铁矿选矿工 [18]Liu Y K,Wang D Z,Luo W P,et al.Catalysis of additive on 艺研究.矿治，2013,22(1)：22) direct reduction behavior of ferric red mud.Hunan Metall, 6]Long Y B,Zhang Y S,Yan W,et al.Experimental research on benefi- 1995,11(6):35 ciation of ferro sands form Indonesia beach.Met Mine,2010(9):51 (刘永康，王淀佐，罗文平，等.添加剂对高铁赤泥煤基直接 (龙运波，张裕书，闫武，等.印度尼西亚某海滨含铁砂矿选 还原的催化作用.湖南治金，1995,11(6)：35)
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 粉指标都有较大影响． 在高炉灰用量相同的情况下， 固定碳质量分数最高的津鑫高炉灰还原效果最好． 在 津鑫高炉灰用量为 30% ，萤石用量为 10% ，焙烧温度 为 1250 ℃，焙烧时间为 60 min 时，焙烧矿经过两段磨 矿--两段弱磁选，能够得到最佳的还原铁粉指标． ( 3) 高炉灰的种类对焙烧矿矿物组成影响较大． 在不添加萤石的条件下，因为承钢高炉灰中固定碳质 量分数最少，还原气氛不足，焙烧矿中有少量的亚铁板 钛矿、钛铁矿及大量的钛铁晶石． 津鑫和酒钢高炉灰 所得焙烧矿中含钛矿物只有亚铁假板钛矿． 亚铁假板 钛矿、钛铁矿和钛铁晶石磁性均较弱，弱磁选无法回 收，而亚铁板钛矿的铁质量分数明显低于钛铁晶石，因 此津鑫和酒钢还原铁粉的总铁回收率较高． ( 4) 添加萤石对不同高炉灰做还原剂直接还原海 滨钛磁铁矿都有一定影响． 随着萤石用量增加，三种 高炉灰所得还原铁粉中 TiO2质量分数均明显降低，但 不同高炉灰的影响效果不同． 因为萤石可起到破坏亚 铁板钛矿结构的作用，从而导致承钢和酒钢所得还原 铁粉中总铁回收率随着萤石用量的增加而降低． 同时 萤石能提高 FeO 还原反应的活度，促进 FeO 还原，所 以承钢和酒钢高炉灰所得还原铁粉中铁品位随着萤石 用量的增加而升高，但津鑫高炉灰所得还原铁粉中的 变化相对不明显． 参 考 文 献 ［1］ Zhao Y F． Forecast of global iron ore trade and price trend． World Metal Bulletin，2015--04--07( A06) ( 赵芸芬． 全球铁矿石贸易和价格走势预测． 世界金属导报， 2015--04--07( A06) ) ［2］ Hu Z，Zhang H，Li H W，et al． Study on reasonable mineral processing flow sheet of a beach placer in Indonesia． Min Metall Eng，2009，29( 6) : 33 ( 胡真，张慧，李汉文，等． 印尼某海滨砂矿合理选矿工艺流 程的研究． 矿冶工程，2009，29( 6) : 33) ［3］ Sun L J，Lü X J，Chen P，et al． Experimental study on the mineralogical characteristics and processing technique of a beach placer． Min Ｒes Dev，2010，30( 2) : 62 ( 孙丽君，吕宪俊，陈平，等． 某海滨砂矿的矿物学特征与选 矿试验研究． 矿业研究与开发，2010，30( 2) : 62) ［4］ Zhang J H，Zhang Y，Yang Y T，et al． Experimental research on mineral processing of Indonesian beach iron sands． Met Mine， 2012( 2) : 77 ( 张俊辉，张渊，杨永涛，等． 印尼某海滨砂铁矿选矿实验研 究． 金属矿山，2012( 2) : 77) ［5］ Chen J，Zhou P，Jiang Y X，et al． Study on mineral processing technology of placer iron in some Indonesia beach． Min Metall， 2013，22( 1) : 22 ( 陈军，周平，姜亚雄，等． 印度尼西亚某海滨砂铁矿选矿工 艺研究． 矿冶，2013，22( 1) : 22) ［6］ Long Y B，Zhang Y S，Yan W，et al． Experimental research on beneficiation of ferro sands form Indonesia beach． Met Mine，2010( 9) : 51 ( 龙运波，张裕书，闫武，等． 印度尼西亚某海滨含铁砂矿选 矿试验研究． 金属矿山，2010( 9) : 51) ［7］ Gao E X，Sun T C，Xu C Y，et al． Titanium and ferrum separation of a seaside titanomagnetite based on reduction roasting． Met Mine，2013( 11) : 46 ( 高恩霞，孙体昌，徐承焱，等． 基于还原焙烧的某海滨钛磁 铁矿的钛铁分离． 金属矿山，2013( 11) : 46) ［8］ Yu C X，Sun T C，Xu C Y，et al． Effect of coal slime as a reducing agent on direct reduction roasting of seaside titanomagnetite． Min Metall Eng，2014，34( 5) : 93 ( 于春晓，孙体昌，徐承焱，等． 煤泥作还原剂对海滨钛磁铁 矿直接还原焙烧磁选的影响． 矿冶工程，2014，34( 5) : 93) ［9］ Gao B H，Wang H J，Qu Y，et al． Experimental research on extracting iron from beach placer concentrate in Indonesia by direct reduction--grinding--magnetic separation． Min Metall Eng，2012， 32( 5) : 44 ( 高本恒，王化军，曲媛，等． 印尼某海滨砂矿精矿直接还原-- 磨矿--磁选提铁试验研究． 矿冶工程，2012，32( 5) : 44) ［10］ Shi Y K． The determination of SiO2，CaO，MgO in blast furnace dusts． Metall Anal，2004，24( 6) : 75 ( 史玉奎． 高炉 灰 中 SiO2，CaO，MgO 的 测 定． 冶 金 分 析， 2004，24( 6) : 75) ［11］ Langová ，Matsek D． Zinc recovery from steel-making wastes by acid pressure leaching and hematite precipitation． Hydrometallurgy，2010，101( 3-4) : 171 ［12］ Wang X L． Iron and Steel Metallurgy ( Ironmaking Segment) ． Beijing: Metallurgy Industry Press，2000 ( 王筱留． 钢铁冶金学( 炼铁部分) ． 北京: 冶金工业出版社，2000) ［13］ Wang D Y，Wang W Z，Chen W Q，et al． Present state and development trend of disposal technique of in-plant Zn--Pb-bearing dust． Iron Steel，1998，33( 1) : 65 ( 王东彦，王文忠，陈伟庆，等． 含锌铅钢铁厂粉尘处理技术 现状和发展趋势分析． 钢铁，1998，33( 1) : 65) ［14］ Smith S M，Zhou X，Nassaralla C L． A novel Process for recycling steelmaking dust． Iron Steelmaker，2000，27( 2) : 69 ［15］ Cao Y Y，Sun T C，Gao E X，et al． Effects of volatile component in coal on high-phosphorus oolitic hematite in direct reduction roasting process． J Northeast Univ Nat Sci，2014，35( 9) : 1346 ( 曹允业，孙体昌，高恩霞，等． 煤的挥发分对高磷鲕状赤铁 矿直接还原焙烧的影响． 东 北 大 学 学 报( 自 然 科 学 版) ， 2014，35( 9) : 1346) ［16］ Jiang T，Yu S W，Xue X X，et al． Ｒesearch on the solid-phase reduction and magnetic separation of Chengde vanadium titanomagnetite / / The 9th China’s steel conference proceedings． Beijing，2013: 1 ( 姜涛，余少武，薛向欣，等． 承德钒钛磁铁矿固相还原磁选 分离研究/ /第九届中国钢铁年会论文集． 北京，2013: 1) ［17］ Huang Z C，Cai L B，Zhang Y B，et al． Ｒeduction of iron oxides of red mud reinforced by Na2CO3 and CaF2 ． J Cent South Univ Sci Technol，2010，41( 3) : 843 ( 黄柱成，蔡凌波，张元波，等． Na2CO3 和 CaF2 强化赤泥铁 氧化物还原研究． 中南大学学报( 自然科学版) ，2010，41 ( 3) : 843) ［18］ Liu Y K，Wang D Z，Luo W P，et al． Catalysis of additive on direct reduction behavior of ferric red mud． Hunan Metall， 1995，11( 6) : 35 ( 刘永康，王淀佐，罗文平，等． 添加剂对高铁赤泥煤基直接 还原的催化作用． 湖南冶金，1995，11( 6) : 35) ·616·
