海滨砂矿直接还原焙烧同步生产钛酸镁的研究

1、1 孙体昌 北京科技大学北京科技大学 矿物加工工程系矿物加工工程系 海滨钛磁铁矿的储量及特点 海滨钛磁铁矿的直接还原焙烧磁选研究 主要内容 海滨钛磁铁矿的常规选矿方法及结果 海滨钛磁铁矿的直接还原同步成钛酸镁 1.1海滨钛磁铁矿的储量 3 n海滨砂矿被定义为海滨砂矿被定义为 在海滨地带由河流、在海滨地带由河流、 波浪、潮汐、潮流和波浪、潮汐、潮流和 海流作用，使砂质沉海流作用，使砂质沉 积物中的重矿物碎屑积物中的重矿物碎屑 富集而形成的矿床。富集而形成的矿床。 n海滨砂矿通常可海滨砂矿通常可 划分为划分为非金属砂非金属砂 矿、黑色金属砂矿、黑色金属砂 矿、有色金属砂矿、有色金属砂 矿及稀有金属

2、砂矿及稀有金属砂 矿矿4 4大类大类。 n世界海滨砂矿世界海滨砂矿 资源主要分布在资源主要分布在 南半球各国的沿南半球各国的沿 海地区。海地区。 n据统计，从事据统计，从事 砂矿调查的沿海砂矿调查的沿海 国家有国家有4040多个，多个， 已报道探明砂矿已报道探明砂矿 储量的国家有近储量的国家有近 2020个。个。 n澳大利亚是当今世澳大利亚是当今世 界上海滨砂矿储量最界上海滨砂矿储量最 丰富、开采最发达、丰富、开采最发达、 工艺技术和工业装备工艺技术和工业装备 最先进、产品出口量最先进、产品出口量 最大的国家。最大的国家。 海滨砂矿总储量海滨砂矿总储量20.5720.57亿吨，其中矿物的分布为

3、：亿吨，其中矿物的分布为： 103530 82400 16000 2263 1285 255 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 钛铁矿钛铁矿钛磁铁矿钛磁铁矿磁铁矿磁铁矿锆石锆石金矿石金矿石独居石独居石 储量（万吨）储量（万吨） 矿石种类矿石种类 4 储量在海滨砂矿中占第二位，但目前利用率较低。储量在海滨砂矿中占第二位，但目前利用率较低。钛磁铁矿钛磁铁矿 1.2 海滨钛磁铁矿的特点 5 分布广泛、储量大、开采方便。分布广泛、储量大、开采方便。 原矿铁品位高，但钛品位也高，原矿铁品位高，但钛品位也高， 同时伴生有钛铁矿及少量金红同时伴生有钛铁矿及少量金

4、红 石等有用矿物。石等有用矿物。 缺点：用常规选矿所得铁精矿缺点：用常规选矿所得铁精矿 品位难提高，品位难提高， 。 精矿中钛品位高，精矿中钛品位高， 钛难利用钛难利用 海滨钛磁铁矿的储量及特点 海滨钛磁铁矿的直接还原焙烧磁选研究 主要内容 海滨钛磁铁矿的常规选矿方法及结果 海滨钛磁铁矿的直接还原同步成钛酸镁 实例1 7 p得到铁精矿：，回收率，回收率86.27%86.27%， ，回收率87.00%。 TFeTFe品位品位58.04%58.04% TiOTiO2 2品位品位9.20%9.20% 2 海滨钛磁铁矿常规选矿方法及效果简介 实例2 u原矿TFe含量47.11%，磁性 率(FeO/TF

5、e)为47.89%，同 时TiO2含量达12.10%，属于 含钛磁铁矿矿石。 u原矿中的铁主要以磁性铁的 形式存在，磁性铁占有率为 80.58%。 u主要铁矿物是含钛的钛磁铁 矿。 8 p得到的的铁精矿：，回收率，回收率94.18%94.18% ，。 TFeTFe品位品位60.28%60.28% TiOTiO2 2品位品位12.62%12.62% 实例3 u原矿TFe含量51.77%，TiO2 含量达11.57%，属于含钛磁 铁矿矿石。 u且原矿中的铁主要以磁性铁 的形式存在。 u主要铁矿物是含钛的钛磁铁 矿。 9 p得到TFeTFe品位品位58.52%58.52%，回收率，回收率96.06%

6、96.06%，TiOTiO2 2品位品位 11.93%11.93%的的含钛铁精矿。 精矿精矿 尾矿尾矿 试样试样 磨矿磨矿-200目目70.00% 弱磁选弱磁选87.58kA/m 原矿 铁品位/% TiO2品位/% Fe回收率/% 实例158.04 58.04 9.20 9.20 87.00 87.00 实例3 60.28 60.28 12.62 12.62 94.18 94.18 实例458.5258.5211.9311.9396.0696.06 不同海滨钛钛磁铁矿选别效果对比 比较可知： 海滨钛磁铁矿选别流程相对比较简单；海滨钛磁铁矿选别流程相对比较简单； 主要问题是所得铁精矿品位低，钛含

7、量高，钛资源没有得到主要问题是所得铁精矿品位低，钛含量高，钛资源没有得到 很好利用；很好利用； 原因是原因是存在于钛磁铁矿中，用一般的存在于钛磁铁矿中，用一般的 选矿方法无法分离。选矿方法无法分离。 钛主要以类质同象形式钛主要以类质同象形式 因此需要寻找新的方法实现同时回收钛磁铁矿中的铁和钛。因此需要寻找新的方法实现同时回收钛磁铁矿中的铁和钛。 10 海滨钛磁铁矿的储量及特点 海滨钛磁铁矿的直接还原焙烧磁选研究 主要内容 海滨钛磁铁矿的常规选矿方法及结果 海滨钛磁铁矿的直接还原同步成钛酸镁 钛磁铁矿钛磁铁矿 原矿原矿 弱磁选弱磁选 尾矿，钛富集尾矿，钛富集 二段磁选二段磁选 一段磨矿一段磨矿

8、直接还原铁直接还原铁 还原焙烧还原焙烧 添加剂添加剂 混合混合 二段磨矿二段磨矿 冷却冷却 煤煤 12 3.1目的： u以煤为还原剂，对海滨钛磁铁 矿进行直接还原焙烧； u在焙烧的过程中通过添加剂的 作用，使铁还原成金属，钛不还 原，然后通过磨矿磁选，使铁进 入直接还原铁中，实现钛和铁的 分离； u钛进入到尾矿中得到富集，实 现钛铁分离，可以从尾矿中再回 收钛。 特点： u可以实现海滨钛磁铁矿中铁和 钛的分离，使铁和钛分别得到回 收利用。 13 海滨钛磁铁矿化学分析结果海滨钛磁铁矿化学分析结果 3.23.2试样性质研究试样性质研究 来自印尼某海滨砂矿。来自印尼某海滨砂矿。 成分成分FeTiO2

9、SiO2Al2O3MgO 含量含量/%51.8511.3314.436.863.64 成分成分CaOSO3MnONa2OP2O5 含量含量/%1.090.580.490.420.14 成分成分Cr2O3K2OZnOClZrO2 含量含量/%0.130.10.070.040.01 主要矿物：主要矿物：钛磁铁矿钛磁铁矿、石英、石英、镁铁矿、方镁石等。镁铁矿、方镁石等。 14 海滨钛磁铁矿的颗粒海滨钛磁铁矿的颗粒 及矿物之间的关系及矿物之间的关系。 还原用煤的性质（干燥基） 15 煤种煤种 水分水分 （%） 灰分（灰分（%） 挥发份挥发份 （%） 固定碳固定碳 （%） 全硫（全硫（%） 烟煤烟煤A1

10、1.7719.9028.1851.922.15 烟煤烟煤B10.9546.3623.0030.652.32 无烟煤无烟煤0.904.406.6089.000.24 选择3种不同性质的煤为还原剂进行对比试验，考察煤性质 的影响 可见，3种煤的灰分、固定碳和挥发分都有较大的差别。 3.23.2煤的种类对直接还原效果的影响 对铁品位的影响对铁品位的影响 对铁回收率的影响对铁回收率的影响 16 6060 7070 8080 9090 100100 0 01010202030304040 TFe回收率/% 煤用量/% 烟煤A 烟煤B 无烟煤 8080 8282 8484 8686 8888 9090 0

11、 01010202030304040 TFeTFe品位品位/%/% 煤用量煤用量/%/% 烟煤烟煤A A 烟煤烟煤B B 无烟煤无烟煤 煤的种类对直接还原铁铁指标的影响 对铁品位的影响对铁品位的影响 对铁回收率的影响对铁回收率的影响 17 6060 7070 8080 9090 100100 0 01010202030304040 TFe回收率/% 煤用量/% 烟煤A 烟煤B 无烟煤 8080 8282 8484 8686 8888 9090 0 01010202030304040 TFeTFe品位品位/%/% 煤用量煤用量/%/% 烟煤烟煤A A 烟煤烟煤B B 无烟煤无烟煤 从图中看出：

12、n不同种类的煤及用量对还原铁指标的影响规律不同： n随烟煤A用量的增加，TFe品位和回收率均逐渐提高； n而随烟煤B和无烟煤用量的增加 TFe品位下降，而回收率提高； n直接还原铁品位都比较低，直接还原铁品位都比较低，最高只有最高只有87.39%87.39%。 添加剂对铁品位的影响添加剂对铁品位的影响添加剂对铁回收率的影响添加剂对铁回收率的影响 18 3.33.3添加剂添加剂的种类的影响 7070 7575 8080 8585 9090 9595 100100 0 05 51010151520202525 TFeTFe品位品位/%/% 添加剂用量添加剂用量/%/% TCTC NCPNCP NC

13、SNCS 8080 8585 9090 9595 100100 0 05 51010151520202525 TFeTFe回收率回收率/%/% 添加剂用量添加剂用量/%/% TCTC NCPNCP NCSNCS 采用采用3 3种种添加剂，添加剂，TCTC、NCPNCP和和NCSNCS进行了对比试验进行了对比试验。 只添加还原剂效果不理想，需要添加剂。只添加还原剂效果不理想，需要添加剂。 添加剂对铁品位的影响添加剂对铁品位的影响添加对铁回收率的影响添加对铁回收率的影响 19 7070 7575 8080 8585 9090 9595 100100 0 05 51010151520202525 T

14、FeTFe品位品位/%/% 添加剂用量添加剂用量/%/% TCTC NCPNCP NCSNCS 8080 8585 9090 9595 100100 0 05 51010151520202525 TFeTFe回收率回收率/%/% 添加剂用量添加剂用量/%/% TCTC NCPNCP NCSNCS 添加剂对焙烧效果的影响规律不同。添加剂对焙烧效果的影响规律不同。 随随TCTC用量的增加，铁品位下降，铁回收率上升。用量的增加，铁品位下降，铁回收率上升。 添加剂对铁品位的影响添加剂对铁品位的影响添加对铁回收率的影响添加对铁回收率的影响 20 7070 7575 8080 8585 9090 9595

15、 100100 0 05 51010151520202525 TFeTFe品位品位/%/% 添加剂用量添加剂用量/%/% TCTC NCPNCP NCSNCS 8080 8585 9090 9595 100100 0 05 51010151520202525 TFeTFe回收率回收率/%/% 添加剂用量添加剂用量/%/% TCTC NCPNCP NCSNCS 添加剂对焙烧效果的影响规律不同。添加剂对焙烧效果的影响规律不同。 随随NCPNCP用量的增加，铁品位上升，铁回收率也上升。用量的增加，铁品位上升，铁回收率也上升。 添加剂对铁品位的影响添加剂对铁品位的影响添加对铁回收率的影响添加对铁回收率

16、的影响 21 7070 7575 8080 8585 9090 9595 100100 0 05 51010151520202525 TFeTFe品位品位/%/% 添加剂用量添加剂用量/%/% TCTC NCPNCP NCSNCS 8080 8585 9090 9595 100100 0 05 51010151520202525 TFeTFe回收率回收率/%/% 添加剂用量添加剂用量/%/% TCTC NCPNCP NCSNCS 添加剂对焙烧效果的影响规律不同。添加剂对焙烧效果的影响规律不同。 随随NCSNCS用量的增加，铁品位上升，铁回收率下降。是最佳添加剂用量的增加，铁品位上升，铁回收率下

17、降。是最佳添加剂 添加剂对直接还原铁添加剂对直接还原铁 中中TiOTiO2 2含量的影响含量的影响 添加剂对直接还原铁中 TiO2 2含量的影响规律明显 不同： 添加剂TC用量的增加， 直接还原铁中TiO2含量快 速上升； 而随添加剂NCP和NCS用 量的增加，直接还原铁 中TiO2含量迅速下降，最 低可以达到0.25%； 22 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 0 05 51010151520202525 TiOTiO2 2品位品位/%/% 添加剂用量添加剂用量/%/% TCTC NCPNCP NCSNCS 添加剂添加剂可以明显降低直接还原铁中可以明显降低直接还

18、原铁中 TiO2含量高，较好的实含量高，较好的实 现铁和钛的有效分离，同时现铁和钛的有效分离，同时NCPNCP和和NCSNCS也可以明显提高直接还也可以明显提高直接还 原铁中铁的品位。原铁中铁的品位。 0.25 添加剂添加剂NCSNCS的效果最好。的效果最好。 NCSNCS用量对还原铁指标的影响用量对还原铁指标的影响 23 0 0 0.50.5 1 1 1.51.5 2 2 2.52.5 3 3 7070 7575 8080 8585 9090 9595 100100 0 02 24 46 68 810101212 TFeTFe品位品位/%/% NCSNCS用量用量/%/% FeFe品位品位

19、FeFe回收率回收率 TiO2TiO2含量含量 可以看出：可以看出： n随着添加剂随着添加剂NCSNCS用量的用量的添添 加，直接还原铁中铁的品位加，直接还原铁中铁的品位 上升，回收率有所下降；上升，回收率有所下降； nTiOTiO2 2的含量随的含量随NCSNCS用量的增用量的增 加明显下降；用量为加明显下降；用量为11%11%时时 可以降低到可以降低到0.44%0.44%。 n证明证明NCSNCS有明显的促进铁有明显的促进铁 钛分离的效果。钛分离的效果。 p还进行了焙烧温度、焙烧还进行了焙烧温度、焙烧 时间、磨矿磁选的条件试验时间、磨矿磁选的条件试验 ，确定了最佳条件。，确定了最佳条件。

20、海砂矿海砂矿 弱磁选弱磁选 钛富集钛富集 二段磁选二段磁选 一段磨一段磨矿，矿， -0.074mm76.20%-0.074mm76.20% 直接还原铁直接还原铁 还原焙烧还原焙烧1250 1250 ，60min60min NCS 11%NCS 11% 混合混合 二段磨二段磨矿，矿， -0.074mm75.02%-0.074mm75.02% 水淬冷却水淬冷却 烟煤烟煤A 30%A 30% 产率产率 铁品位铁品位 铁回收铁回收 率率 TiO2 含量 51.7751.7793.47 93.47 88.73 88.73 0.430.43 最终直接还原铁指标（% %） 原矿铁品位原矿铁品位51.85%5

21、1.85%，TiOTiO2 211.33%11.33% 最佳条件及结果 24 尾矿TiO2含量升高到23.03%， 回收率98.04%，为钛的进一步 回收创造了条件。 3 3.4.4最佳最佳条件及结果条件及结果 25 不同不同NCSNCS用量焙烧矿的电子显微镜观察用量焙烧矿的电子显微镜观察 2%NCS5%NCS 8%NCS 12%NCS 可以看出：添加不同用量NCS所得焙烧矿的结构也有明显的不同。 3.5机理研究 26 n可以看出：添加不同用量NCS 所得焙烧矿中所生成的金属铁的 颗粒及与其他矿物的关系也有较 大影响。 2%NCS 12%NCS 27 不同不同NCSNCS用量焙烧矿的用量焙烧矿

22、的XRDXRD分析分析 0%NCS 5%NCS 8%NCS 12%NCS 主要矿物：A-金属铁(Fe); B-陨硫铁(FeS); C-铁板钛矿 (Fe2TiO5); D-钛铁矿(FeTiO3);E-三斜霞石(Na(AlSiO4); F-(Mg2TiO4) 28 0%NCS 5%NCS 8%NCS 12%NCS 主要矿物： n金属铁(Fe); nB-陨硫铁(FeS); nC-铁板钛矿(Fe2TiO5); D-钛铁矿(FeTiO3); nE-三斜霞石(Na(AlSiO4); F-(Mg2TiO4) 不同不同NCSNCS用量焙烧矿的用量焙烧矿的XRDXRD分析分析 含钛矿物种类多且多数 含铁，造成铁

23、总回收率 低。同时钛回收困难。 生成FeS，造成产品中 硫含量超标。 有正钛酸镁(Mg2TiO4)生成。 海滨钛磁铁矿的储量及特点 海滨钛磁铁矿的直接还原焙烧磁选研究 主要内容 海滨钛磁铁矿的常规选矿方法及结果 海滨钛磁铁矿的直接还原同步成钛酸镁 3.6焙烧同时生成Mg2TiO4的研究 30 钛酸镁的性质和用途： n钛酸镁（Mg2TiO4）具有介电损耗低、介电常数温度系数 小等特点, 被广泛用于高频热补偿电容器、多层陶瓷电容 器, 引起了各国材料工作者的极大关注； n主要用于制备微波陶瓷，是一种新型的陶瓷材料； n目前都用纯TiO2和MgO在1400以上温度下合成。 主要矿物： n金属铁(Fe

24、); nB-陨硫铁(FeS); nC-铁板钛矿(Fe2TiO5); D-钛铁矿(FeTiO3); nE-三斜霞石(Na(AlSiO4); F-(Mg2TiO4) 有正钛酸镁(Mg2TiO4)生成 。 海滨钛磁铁矿的储量及特点 海滨钛磁铁矿的直接还原焙烧磁选研究 主要内容 海滨钛磁铁矿的常规选矿方法及结果 海滨钛磁铁矿的直接还原同步成钛酸镁 钛磁铁矿精矿钛磁铁矿精矿 弱磁选弱磁选 钛酸镁粉体钛酸镁粉体 二段磁选二段磁选 一段磨一段磨矿矿 直接还原铁直接还原铁 还原焙烧还原焙烧 含镁化合物含镁化合物 混合压球混合压球 二段磨二段磨矿矿 干式磁选干式磁选 还原剂还原剂 32 优势 减少 其他 添加

25、剂同时 生成 用途 更广 泛的 钛酸 镁粉 体 铁回 收率 提高 没有 尾矿， 一举 两得 3.6焙烧同时生成Mg2TiO4的研究 33 80 85 90 95 100 88 89 90 91 92 93 94 051015 铁回收率铁回收率/% 铁品位铁品位/% M用量用量/% 品位 回收率 铁回收率达 到97%以上 n随添加剂M用量增加，还原铁中铁品位和回收率都明显提高； n说明添加剂中的镁代替铁与钛结合。 添加剂M用量试验（焙烧温度1300） 34 添加剂对焙烧产物中矿物组成的影响 在用量为10% 时焙烧产物 中基本是只 有今金属铁 和钛酸镁。 矿物组成明 显简单。 l磁选后还原铁品位在

26、92%以上，正钛酸镁的纯度达到90%以上 正钛酸镁(Mg2TiO4) 金属铁金属铁 35 2468101214161820 keV 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 cps/eV Mg O Ti Ti Al 2468101214161820 keV 0 1 2 3 4 5 6 7 cps/eV Fe Fe C Ti Ti 钛磁铁矿精矿钛磁铁矿精矿 弱磁选弱磁选 钛酸镁粉体钛酸镁粉体 二段磁选二段磁选 一段磨一段磨矿矿 直接还原铁直接还原铁 还原焙烧还原焙烧 含镁化合物含镁化合物 混合压球混合压球 二段磨二段磨矿矿 干式磁选干式磁选 烟煤烟煤 36 优势 减少 其他 添加 剂同时 生成 用途 更广 泛的 钛酸 镁粉 体 铁回 收率 提高 没有 尾矿， 一举 两得 证明用钛磁铁矿为原料， 用直接还原焙烧磁选工艺 生产金属铁和正钛酸镁是 可行的。 37 钛磁铁矿钛磁铁矿高温固相反应法制备介电级钛酸镁工艺流程（高温固相反应法制备介电级钛酸镁工艺流程（A A） 与钒钛磁铁矿直接还原制备介电级钛酸镁