铁红制取还原铁粉试验

铁红制取还原铁粉试验
沈进杰;孙炳泉;高春庆;吴霞;骆洪振
【摘要】为考察将铁品位68.08％的铁红制备成高附加值的粉末冶金用还原铁粉的可行性,在对铁红进行性质分析的基础上,采用氧化焙烧—筛分—氢气还原—解碎—筛分工艺进行试验.结果表明:铁红主要成分为Fe2O3,主要杂质SiO2含量为0.20％,MnO含量为0.17％,Cl含量为0.447％,盐酸不溶物为0.24％;铁红中石英杂质含量少,粒度细,部分与铁颗粒形成固溶体;在焙烧温度850℃,焙烧时间2.5 h条件下氧化焙烧,焙烧产品在氢气还原粒度-150μm,还原温度950℃,还原时间90 min,氢气流量2.0 L/min,还原产物筛分筛孔尺寸为0.050 mm条件下,最终获得还原铁粉产率40.59％、铁品位98.59％、回收率58.78％的指标.还原产品的物理、化学及工艺性能指标达到粉末冶金用还原铁粉企业标准之DTFHY300牌号的要求.【期刊名称】《金属矿山》
【年(卷),期】2019(000)006
【总页数】5页(P204-208)
【关键词】铁红;氧化焙烧;还原铁粉
【作者】沈进杰;孙炳泉;高春庆;吴霞;骆洪振
【作者单位】中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司,安徽马鞍山243000;华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司,安徽马鞍山243000;中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司,安徽马鞍山243000;华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司,安徽马鞍山243000;中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司,安徽马鞍山243000;华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限
公司,安徽马鞍山243000;中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司,安徽马鞍山243000;华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司,安徽马鞍山243000;中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司,安徽马鞍山243000;华唯金属矿产
资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司,安徽马鞍山243000
【正文语种】中文
【中图分类】TF123
粉末冶金作为绿色、高效、低碳、可持续性制造技术已广泛应用于制备高性能材料和机械零件[1]。

铁粉是粉末冶金工业的基础原料之一，其粒度越细，比表面积越大，活性越强，则具有更强的电、磁、光、催化、吸附和化学反应性等特殊的性能，因此在电磁、生物、医学、光学等诸多领域具有广阔的应用前景[2]。

其制备方法
有还原法、真空蒸发法、溅射法、高能球磨法、羰基法、冷冻干燥法等。

国内外一些企业广泛应用羰基法来制取铁粉[3]，所用原料国内主要为轧钢铁鳞，国外则为
超纯铁精矿[4]。

但2者均存在生产成本高、工艺流程复杂、所需还原温度高等问题，不易获得超细铁粉，产品粒径也都在45µm以上[5]。

同时，采用轧钢铁鳞为
原料，由于轧钢批次、钢种的不同容易混入杂质，使还原铁粉质量、性能受到影响[6]。

因此，本研究以某铁红为原料制取微细铁粉，该工艺的特点是过程简单、易
操作、设备投资少、反应时间短、效率高，具有很好的应用前景。

1 原料性质
1.1 铁红化学成分分析
原料化学成分分析结果见表1。

从表1可以看出：铁红TFe品位为68.08%，主要杂质SiO2含量为0.20%，
MnO含量为0.17%，Cl含量为0.447%，盐酸不溶物为0.24%。

1.2 铁红粒度组成
原料（-1 mm）粒度组成筛析结果见表2。

从表2可以看出：各粒级Fe品位相差不大，-0.10 mm粒级SiO2含量较+0.10 mm粒级SiO2含量低。

1.3 铁红矿相组成
铁红XRD分析结果见图1。

从图1可以看出：铁红主要成分为Fe2O3。

1.4 铁红矿相结构
矿相分析结果显示铁红中石英杂质含量少，粒度细，主要以单体形式分布在0.005 mm左右，部分与铁颗粒形成固溶体，最大粒度在0.03 mm左右。

2 试验方法
铁红制取还原铁粉工艺为：氧化焙烧—筛分—氢气还原—解碎。

首先将原料置于马弗炉中氧化焙烧，然后对氧化焙烧产物进行筛分，筛下物用于氢气还原。

氢气还原试验过程为：首先将管式炉升温至设定温度，然后称取一定量的筛下物装入瓷舟，置于耐高温石英玻璃管中，将玻璃管送入管式炉中，玻璃管中通入氢气（工业级，纯度99.99%）、点火（将残余氢气燃烧）、还原，一定时间后将玻璃管取出，待还原产物炉外冷却后停止通入氢气，最后取出还原产物解碎，即得还原铁粉。

3 试验结果与分析
3.1 铁红氧化焙烧预处理试验
由于铁红是轧钢过程的酸洗产物，因此具有很强的腐蚀性。

通常可以进行水洗或氧
化焙烧达到脱除原料中Cl的目的。

水洗是使铁的氯化物（主要为FeCl2）溶于水中，然后通过固液分离脱除Cl。

焙烧是通过高温将铁红中的氯化物氧化分解。

试
验对水洗及氧化焙烧脱除Cl的效果进行了比较。

当水洗液固质量比为3∶1，搅拌时间为2 h时，水洗产物Fe品位为69.29%，Cl含量为0.162%，Cl脱除率为64.32%。

水洗脱除Cl效果差，所以采用氧化焙烧脱除Cl。

3.1.1 氧化焙烧温度试验
当原料粒度为-1 mm，焙烧时间为2.0 h时，不同焙烧温度试验结果见图2。

从图2可以看出：焙烧温度越高，Cl脱除效果越明显，当温度超过850℃时，焙
烧产物中Cl含量变化较小。

因此，适宜焙烧温度为850℃，此时焙烧产物Fe品
位为69.06%、Cl含量为0.089%、Cl脱除率为80.36%。

3.1.2 氧化焙烧时间试验
当原料粒度为-1 mm，焙烧温度为850℃时，焙烧时间试验结果见图3。

从图3可以看出：焙烧时间越长，Cl脱除率越高；当焙烧时间超过2.5 h时，Cl
含量随焙烧时间延长变化不明显。

因此，适宜焙烧时间为2.5 h。

因此，铁红氧化焙烧预处理较优试验条件为：原料粒度-1 mm，焙烧温度850℃，焙烧时间2.5 h。

在该试验条件下，可获得氧化焙烧产物Fe品位为69.17%、Cl
含量为0.067%、Cl脱除率为85.24%的指标。

3.2 氢气还原条件试验
3.2.1 还原时间试验
当还原给料粒度为-1 mm，还原温度为950℃，氢气流量为2.7 L/min，炉外冷却时，分别对经氧化焙烧预处理以及未氧化焙烧预处理的物料进行还原时间试验，还原时间对铁粉指标的影响见图4。

从图4可以看出：当未氧化焙烧预处理时，还原铁粉铁品位均小于98%；经氧化焙烧预处理后试样在还原时间大于60 min时，还原铁粉铁品位均大于98%。

因此，试验选择先经氧化焙烧预处理，再还原焙烧，还原时间为90 min，此时还原铁粉Fe品位为98.18%。

3.2.2 氢气流量试验
当还原给料粒度为-1 mm，还原温度为950℃，还原时间为90 min时，氢气流量对铁粉指标的影响见图5。

从图5可以看出：氢气流量对还原铁粉铁品位影响不大。

因此，试验选择氢气流量为2.0 L/min，此时还原铁粉Fe品位为98.16%。

3.2.3 给料粒度试验
当还原温度为950℃，还原时间为90 min，氢气流量为2.0 L/min时，氧化焙烧产物不同粒度（级）对铁粉指标的影响见图6。

从图6可以看出：粒度越细，还原铁粉铁品位越高；当粒度小于150 μm时，还原铁粉Fe品位均大于98.5%。

因此，氢气还原给料粒度选择-150 μm（+150 μm部分可考虑细磨或留作它用），此时还原铁粉Fe品位为98.51%、回收率为89.12%。

3.2.4 还原温度试验
当还原时间为90 min，氢气流量为2.0 L/min，给料粒度为-150 μm时，还原温度对还原铁粉指标的影响见图7。

从图7可以看出：随着还原温度升高，还原铁粉铁品位升高；当还原温度在950～1 050℃时，还原铁粉铁品位均大于98.5%，因此还原温度选择950℃。

因此，还原试验较优条件为：给料粒度-150 μm，还原温度950℃，还原时间90 min，氢气流量2.0 L/min。

在该条件下，可获得还原铁粉产率61.59%、铁品位98.51%、回收率89.12%的指标。

3.3 铁红制取还原铁粉扩大验证试验
在较佳试验条件下，分批次共制备了1 kg左右的还原铁粉，每批次产量是条件试验的6倍左右，最终获得还原铁粉平均产率61.59%、铁品位98.09%、回收率88.74%的指标。

4 产品考察
4.1 还原前后铁物相转变
还原铁粉XRD分析结果见图8。

从图8可知，还原后物料中铁主要以金属铁形式存在，结合图1可知，还原前后铁相转变规律为Fe2O3→Fe。

4.2 还原前后微观变化
铁红及还原铁粉SEM分析结果见图9。

从图9可以看出：铁红原料存在少量大颗粒，直径从几微米到几十微米不等，颗粒形貌不规则、致密；还原铁粉有粘结相生成，粒度均匀，颗粒呈海绵、多孔状，最大孔径在1～2 μm。

4.3 还原前后粒度变化
氢气还原前后物料粒度组成的变化曲线见图10。

从图10可以看出，虽然还原前后-76 μm粒级含量接近，但是还原后物料粒度明
显变粗，-38 μm粒级产率减少了35.82个百分点，43～76 μm粒级产率增加了26.41个百分点。

4.4 粒度组成
还原铁粉粒度组成筛析（干筛）结果见表3。

从表3可以看出：+0.076 mm粒级Fe品位较-0.076 mm粒级低，-0.076 mm 粒级Fe品位均大于98.5%。

4.5 化学成分分析
还原铁粉化学成分分析结果见表4，筛下为还原物料经筛孔尺寸为0.050 mm筛分后筛下产品，DTFHY300为莱芜市泰东粉末科技有限公司企业产品牌号。

从表4可以看出：筛下产品除C含量外其余指标均达到DTFHY300企业标准，还原过程中可考虑通入湿氢[7]降低C含量。

4.6 还原铁粉物理-工艺性能
还原铁粉物理-工艺性能检测结果见表5。

由于制备的还原铁粉粒度较细且疏松多孔，其松装密度为1.09 g/cm3。

基于产品考察及相关企业标准，试验制备的-300目还原铁粉可用于钢结构硬质合金、金刚石工具等。

5 结论
（1）铁红原料粒度较细，主要成分为Fe2O3，铁品位为68.08%，主要杂质SiO2含量为0.20%，MnO含量为0.17%，Cl含量为0.447%，盐酸不溶物为0.24%。

各粒级Fe品位相差不大，石英主要以单体形式存在，部分与铁颗粒形成固溶体，-0.10 mm粒级SiO2含量较+0.10 mm粒级SiO2含量低。

（2）采用氧化焙烧可有效脱除铁红中的Cl，当焙烧温度850℃，焙烧时间2.5 h 时，Cl脱除率为85.24%。

氧化焙烧产品在给料粒度-150 μm，还原温度950℃，还原时间90 min，氢气流量2.0 L/min条件下进行扩大试验，获得了还原铁粉产率61.59%、铁品位98.09%、回收率88.74%的指标。

氢气还原后铁相的转变规
律为Fe2O3→Fe。

还原铁粉颗粒呈海绵、多孔状，最大孔径在1～2 μm。

氢气还原后较还原前物料粒度明显变粗，-38 μm粒级产率减少了35.82个百分点，43～76 μm粒级产率增加了26.41个百分点。

参考文献
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