赵永强等：CO对海滨钛磁铁矿精矿直接还原-磁选工艺中还原气氛的影响 839 participate in solid-solid reaction,reduce FeO content in Ti-containing mineral and facilitate the migration and enrichment of Ti and Fe components,which promote the growth of metallic iron particles.Thus,adding CaO is good for the separation and recovery of Fe and Ti by grinding and magnetic separation. KEY WORDS direct reduction-magnetic separation;CaO;reducing atmosphere;beach titanomagnetite;iron particles 海滨钛磁铁矿资源储量丰富，开采成本低，是 A-Fe27sTinzsO 海滨金属砂矿中储量第二的矿产资源，世界总储 B-FeTiO; 量约为82400万t,可以作为铁矿石和富钛料的重 C-SiO 要来源印度尼西亚海岸线有大量的海滨钛磁 铁矿资源，其最主要的特点原矿颗粒粒度细、有用 成分品位高以及资源分布广（但海滨砂矿中 钛、铁的共生关系较为密切，采用常规选矿工艺得 到的铁精矿中Fe品位低，TiO2品位较高，无法实 现铁和钛的有效分离-采用高炉炼铁时，需要 10 2030405060708090100 烧结造块，但由于海滨钛磁铁矿颗粒形状规则、表 28M) 面光滑致密、熔点高等特点，目前仅能作为一种配 图1试样的XRD谱图 料少量使用四因此，寻找合理的工艺方法，使 Fig.1 XRD pattern of the sample 钛铁相互分离并能有效回收利用是海滨钛磁铁矿 选择石墨粉为还原剂，纯度为99.99%，所用石墨 研究的一大方向 粉粒度较细，小于0.074mm粒级占98%以上.添加 研究表明，采用直接还原-磁选工艺处理海滨钛 剂CaO为化学分析纯.石墨粉用量用碳氧摩尔比 磁铁矿可以实现钛铁分离，获得合格的直接还原铁产 (ncno)表示，其中nc为还原剂中碳的摩尔量，no是 品，但得到的非磁性产品中钛的赋存状态复杂，含钛 指海滨钛磁铁矿中FeO,和FeO的含氧摩尔量 矿物中铁品位较高，存在铁回收率低等问题3-7 2试验方法 Jung81、丁闪)、曹羽鑫2o等以CaO/CaCO3为添加 剂对钛磁铁矿碳热还原的影响进行研究，发现添加 还原焙烧试验在竖炉内进行，按照试验条件， CaO可以降低反应的活化能.促进钛磁铁矿的还原 将10g试样、还原剂(ncno=l.0)和一定量的添加 因此，为查明CO对海滨钛磁铁矿直接还原-磁选的 剂充分混匀后，装入刚玉坩埚.当炉内温度升至预 影响，本文在还原温度1300℃，还原时间60min,还 设的还原温度1300℃时，先通入5 L:minN2,当 原剂用量ncmo=l.0的条件下，从反应产生的CO 烟气分析仪显示炉内O2为0时，将刚玉坩埚吊挂 和CO2气体组成、总反应的气化速率、CO分压值、 到竖炉内，并开始计时，然后将N2流量降为3Lmin' 金属化率等角度进行分析，探究CaO的作用机理 用烟气分析仪实时测量和记录反应产生的CO和 CO2气体的体积浓度，具体的还原竖炉和气体测 1原料性质 量系统如图2所示 试验所用海滨砂矿来源于印尼，经过弱磁选 反应时间60min后，将还原样品取出，冷却至 后获得海滨钛磁铁矿精矿（以下称试样），试样粒 室温.然后从还原样品的中间处进行切割、研磨 度小于60m,化学多元素分析结果如表1所示， 和抛光，制备成光片，进行铁颗粒粒度测量.粒度 XRD分析结果如图1所示.由表1及图1可知：试 测量主要包括图像采集、图像处理和数据分析三 样中TFe品位为58.58%，Ti02品位为12.04%，有 个步骤.首先通过安装在光学显微镜上的数码摄 害元素的含量较少；主要有用矿物为钛磁铁矿和 像机将光学图像转换成数字图像，然后选择合适 少量的钛铁矿，脉石主要为石英 的放大倍数和清晰度，对光片的左、中、右、上、下 区域分别拍照.利用Qwin图像处理软件读取图片 表1试样的化学分析结果 中铁颗粒的灰度值，然后自动测量，获得每个铁颗 Table 1 Chemical analysis of the sample % 粒的表面积、等效圆粒径和颗粒总数等参数，统计 Element Fe TiO,SiO,Mgo Cao MnO Al,O:S P 铁颗粒总数不少于1000个.最后，根据等效圆粒 Mass fraction58.5812.041.691.740.360.03123<0.010.02 径的范围，人为划分出了一些粒级，再统计出各粒participate in solid-solid reaction, reduce FeO content in Ti-containing mineral and facilitate the migration and enrichment of Ti and Fe components, which promote the growth of metallic iron particles. Thus, adding CaO is good for the separation and recovery of Fe and Ti by grinding and magnetic separation. KEY WORDS    direct reduction-magnetic separation；CaO；reducing atmosphere；beach titanomagnetite；iron particles 海滨钛磁铁矿资源储量丰富，开采成本低，是 海滨金属砂矿中储量第二的矿产资源，世界总储 量约为 82400 万 t，可以作为铁矿石和富钛料的重 要来源[1−4] . 印度尼西亚海岸线有大量的海滨钛磁 铁矿资源，其最主要的特点原矿颗粒粒度细、有用 成分品位高以及资源分布广[5– 6] . 但海滨砂矿中 钛、铁的共生关系较为密切，采用常规选矿工艺得 到的铁精矿中 Fe 品位低，TiO2 品位较高，无法实 现铁和钛的有效分离[7−9] . 采用高炉炼铁时，需要 烧结造块，但由于海滨钛磁铁矿颗粒形状规则、表 面光滑致密、熔点高等特点，目前仅能作为一种配 料少量使用[10−12] . 因此，寻找合理的工艺方法，使 钛铁相互分离并能有效回收利用是海滨钛磁铁矿 研究的一大方向. 研究表明，采用直接还原−磁选工艺处理海滨钛 磁铁矿可以实现钛铁分离，获得合格的直接还原铁产 品，但得到的非磁性产品中钛的赋存状态复杂，含钛 矿物中铁品位较高，存在铁回收率低等问题[13−17] . Jung[18]、丁闪[19]、曹羽鑫[20] 等以 CaO/CaCO3 为添加 剂对钛磁铁矿碳热还原的影响进行研究，发现添加 CaO 可以降低反应的活化能，促进钛磁铁矿的还原. 因此，为查明 CaO 对海滨钛磁铁矿直接还原–磁选的 影响，本文在还原温度 1300 ℃，还原时间 60 min，还 原剂用量 nC/nO = 1.0 的条件下，从反应产生的 CO 和 CO2 气体组成、总反应的气化速率、CO 分压值、 金属化率等角度进行分析，探究 CaO 的作用机理. 1    原料性质 试验所用海滨砂矿来源于印尼，经过弱磁选 后获得海滨钛磁铁矿精矿（以下称试样），试样粒 度小于 60 μm，化学多元素分析结果如表 1 所示， XRD 分析结果如图 1 所示. 由表 1 及图 1 可知：试 样中 TFe 品位为 58.58%，TiO2 品位为 12.04%，有 害元素的含量较少；主要有用矿物为钛磁铁矿和 少量的钛铁矿，脉石主要为石英. 选择石墨粉为还原剂，纯度为 99.99%，所用石墨 粉粒度较细，小于 0.074 mm 粒级占 98% 以上. 添加 剂 CaO 为化学分析纯. 石墨粉用量用碳氧摩尔比 （nC/nO）表示，其中 nC 为还原剂中碳的摩尔量，nO 是 指海滨钛磁铁矿中 Fe2O3 和 FeO 的含氧摩尔量. 2    试验方法 还原焙烧试验在竖炉内进行，按照试验条件， 将 10 g 试样、还原剂（nC/nO = 1.0）和一定量的添加 剂充分混匀后，装入刚玉坩埚. 当炉内温度升至预 设的还原温度 1300 ℃ 时，先通入 5 L·min−1 N2，当 烟气分析仪显示炉内 O2 为 0 时，将刚玉坩埚吊挂 到竖炉内，并开始计时，然后将 N2 流量降为 3 L·min−1 . 用烟气分析仪实时测量和记录反应产生的 CO 和 CO2 气体的体积浓度，具体的还原竖炉和气体测 量系统如图 2 所示. 反应时间 60 min 后，将还原样品取出，冷却至 室温. 然后从还原样品的中间处进行切割、研磨 和抛光，制备成光片，进行铁颗粒粒度测量. 粒度 测量主要包括图像采集、图像处理和数据分析三 个步骤. 首先通过安装在光学显微镜上的数码摄 像机将光学图像转换成数字图像，然后选择合适 的放大倍数和清晰度，对光片的左、中、右、上、下 区域分别拍照. 利用 Qwin 图像处理软件读取图片 中铁颗粒的灰度值，然后自动测量，获得每个铁颗 粒的表面积、等效圆粒径和颗粒总数等参数，统计 铁颗粒总数不少于 1000 个. 最后，根据等效圆粒 径的范围，人为划分出了一些粒级，再统计出各粒 表 1 试样的化学分析结果 Table 1 Chemical analysis of the sample % Element Fe TiO2 SiO2 MgO CaO MnO Al2O3 S P Mass fraction 58.58 12.04 1.69 1.74 0.36 0.03 1.23 <0.01 0.02 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 C A A A A A A A A A A A A B Relative intensity 2θ/(°) A—Fe2.75Ti0.25O4 B—FeTiO3 C—SiO2 图 1 试样的 XRD 谱图 Fig.1 XRD pattern of the sample 赵永强等： CaO 对海滨钛磁铁矿精矿直接还原−磁选工艺中还原气氛的影响 · 839 ·