赤/褐铁矿等弱磁性复杂难选铁矿石一直难以工业利用,俗称“呆矿”。基于CO还原氧化铁的热力学平衡图和热综合分析结果,提出了磁化焙烧-磁选获得铁精矿的方法,即将氧化铁还原焙烧为磁铁矿后磁选。由热力学平衡图可知,当CO气氛充足时,焙烧温度低于570℃时,Fe2O3被还原为Fe3O4,随后继续还原MFe;焙烧温度高于570℃后,Fe2O3被还原为Fe3O4,继续还原FeO,最后还原为MFe。但事实上,热力学平衡决定了CO还原Fe2O3的可能性,而动力学决定了该反应能否持续高效发生,须对褐铁矿进行CO气氛下的热综合分析。由CO气氛下褐铁矿的热重与差热曲线可知,当焙烧温度在200~400℃,褐铁矿析出结晶水;焙烧温度在400~570℃,Fe2O3完全被还原为Fe3O4,但宏观上不会被持续还原为MFe;焙烧温度在570~780℃,Fe2O3被还原为Fe3O4后,将会被继续还原为FeO,但宏观上不会持续被还原为MFe;当焙烧温度大于830℃,宏观上才逐渐有MFe生成。由此可知,随着温度升高,Fe2O3与CO的还原反应是逐步进行,即Fe2O3→Fe3O4→FeO→MFe。由于Fe2O3还原为MFe的反应受动力学制约,一般需要将反应温度提升至1000℃以上才能满足实际反应的动力学要求,此时反应所需要能耗过高,因而提出将Fe2O3还原为Fe3O4的焙烧方法。
回看CO气氛下赤/褐铁矿还原反应的热力学计算结果可知,只需控制合适CO、O2浓度与温度,即使焙烧温度大于570℃,Fe3O4也可以长期稳定存在,即可达到难选赤/褐铁矿磁化焙烧的目的。基于提高Fe2O3还原反应动力学的研究思路,通过降低矿石粒度以提高其反应面积,同时降低反应过程的传热与传质阻力,进行了Fe2O3还原反应的CFD模拟研究,建立了Fe2O3还原为Fe3O4的温度场、气氛场、气流场“三场”调控机制,在此机制下首次成功开发了闪速焙烧成套技术与装备,并应用于湖北凤山矿业有限公司,工业生产运行稳定,铁精矿品位和铁回收率分别提高了10.96%、58.68%,技术优势十分显著。
