高磷鲕状赤铁矿深度还原过程中磷矿物反应特性及磷元素迁移机制

Coal-based reduction followed by magnetic separation provides an innovation technique for the effective utilization of high phosphorus oolitic iron ore. Due to shortage of corresponding fundamentals, the problem of migration and control for phosphorus has not been broken through. Mineralogy, metallurgy and physical chemistry are scientifically combined in this research. The enrichment and migration of phosphorus during coal-based reduction are investigated using high temperature X-ray diffraction (HT-XRD), field emission scanning electron microscope (FESEM), electron probe microanalysis (EPMA), etc. A systematical study is carried out by the method of combining theoretical analysis and experimental researches. The reaction behavior, thermodynamic basis and phase transformation of phosphate minerals are investigated in detail, and the reduction mechanisms of phosphate minerals are clarified. The occurrence and distribution characteristics of phosphorus in reduced ore are analyzed, and the phosphorus enrichment phase, migration direction and enrichment kinetic model are determined. The process and mechanisms of phosphorus interphase migration are studied on a micro level, and the micro pathway and driving mechanism of phosphorus migrating from slag to metal phase are deduced. The interphase migration model of phosphorus is presented, and the restrictive step is confirmed. Finally, the reaction mechanism of phosphate minerals and migration mechanism of phosphorus are revealed, and the corresponding controlling measures are comprehensively mastered. These works will provide theoretical basis for the regulation and control of phosphorus during coal-based reduction of high phosphorus oolitic iron ore.

深度还原-磁选技术为高磷鲕状赤铁矿的高效利用开辟了全新的途径，而还原过程中磷的走向及控制问题尚未取得突破性进展，主要是缺乏相应的基础理论研究。本项目将矿物学、冶金学和物理化学等学科有机结合，运用高温XRD、FESEM、EPMA等先进检测技术，采用理论分析和试验研究相结合的方法，针对深度还原过程中磷的富集迁移开展研究工作。系统地探究磷矿物的反应行为、热力学基础和物相演变规律，阐明磷矿物还原反应机理及规律；分析还原产物中磷元素的赋存状态和分布规律，确定磷元素的富集相和迁移走向，建立磷元素在金属相和渣相中的富集动力学模型；从微观层面研究磷元素的相际迁移过程及机理，查明磷元素由渣相向金属相迁移的微观途径及驱动机理，推导和建立磷元素相际迁移模型，并确定迁移过程的限制环节；最终揭示还原过程中磷矿物还原和磷元素迁移的机制，掌握相应的调整和干预措施，为高磷鲕状赤铁矿深度还原过程中磷的走向调控提供理论基础。

高磷鲕状赤铁矿是我国重要的铁矿资源，已探明储量37.2亿吨，但因矿物组成复杂、矿物结晶粒度微细、鲕状结构独特、有害元素磷含量高，传统选矿工艺难以获得良好的技术指标，至今尚未实现工业利用。近年来，深度还原技术为高磷鲕状赤铁矿的开发开辟了新途径。然而在还原过程中磷矿物会被还原为单质磷，并且迁移进入金属铁相，使得还原铁粉中有害元素磷含量偏高，限制了深度还原技术的发展。本项目围绕深度还原过程中磷矿物的反应行为及磷元素的迁移机制等关键科学问题开展了系统的基础研究。. 以湖北官店高磷鲕状赤铁矿石为研究对象，阐明了其工艺矿物学特性，找到了传统选矿工艺难以分选的根本原因。开展了深度还原过程中磷矿物的反应行为研究，针对不同体系磷矿物还原过程进行模拟计算，确定了磷矿物可能发生的化学反应，获得了平衡相组成等热力学基础数据；查明了矿石中主要组分SiO2、Al2O3、Fe2O3对磷矿物还原的影响规律、反应过程中物相及微观结构转化规律，建立了磷矿物还原动力学方程。深入分析了深度还原过程中磷元素的赋存状态及分布规律，磷以化合物和固溶体的形式在金属相中富集，以磷灰石和CaO-SiO2-P2O5固溶体的形式赋存于渣相中；磷分布于金属相、渣相和气相中，倾向富集的顺序为金属相＞渣相＞气相。进行了深度还原过程中磷元素的相际迁移机制研究，揭示了磷向金属相迁移的路径及驱动机理，建立了磷相际迁移的动力学模型，确定磷相际迁移的限制性环节为磷在金属相中的扩散。. 项目揭示了深度还原过程中磷矿物的反应行为和磷元素富集迁移的微观机制，形成了磷迁移走向调控理论和技术体系，为高磷鲕状赤铁矿高效开发利用奠定了基础。培养研究生2名，发表学术论文15篇，其中SCI收录7篇、EI收录2篇，申请国家发明专利4项、其中授权2项，合作出版国家出版基金资助的专著1部，参加国际学术会议1次、国内学术会议5次。