當還原溫度升至1350℃以上時，海綿鐵由于滲碳而融化聚集，同時渣子也隨之熔化。在熔化過程中，由于鐵水和熔渣在密度、表面張力等方面的差異，渣鐵實現分離［10］。ITmk3技術是在鐵－碳相圖的新區域中進行探索性試驗，在此區域中，含碳復合球團在1350℃的相對較低溫度下進行還原、熔化，且鐵水易于與渣分離。ITmk3在固/液兩相區進行還原反應，這不同于傳統直接還原鐵技術。熔化出現在還原之后，并且殘余的FeO量少于2%。因此FeO不會對高爐爐襯造成損傷。

轉底爐珠鐵工藝處理高鐵赤泥的熱力學分析

采用轉底爐珠鐵工藝處理高鐵赤泥過程中，可能發生的主要反應如下。(1)鐵氧化物的還原反應。在反應初期高鐵赤泥中的鐵氧化物首先與碳發生固體間的直接還原反應，其反應式為3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO(1)Fe3O4+C=3FeO+CO(2)FeO+C=Fe+CO(3)Fe3O4+C=3Fe+CO(4)隨著反應的進行及CO氣體的生成，當溫度達到1050℃以上時，碳的氣化反應加劇生成較高濃度的CO氣體，鐵氧化物開始被CO氣體還原，其反應式為3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2(5)Fe3O4+CO=3FeO+CO2(6)FeO+CO=Fe+CO2(7)(2)碳的氣化反應。在平衡態下，碳的氣化反應開始溫度為700℃，實際中開始反應溫度為850℃，達到1050℃時，反應劇烈進行。其反應式為C+CO2=2CO(8)(3)滲碳反應。新生成的金屬鐵會與周圍的碳和CO接觸，發生直接滲碳和間接滲碳反應，其反應式為C=［C］(9)2CO=［C］+CO2(10)隨著溫度的升高，間接滲碳反應會受到抑制，在熱力學上當溫度達到845.4℃時反應終止，因此珠鐵生成過程中的滲碳反應以直接滲碳為主。以上反應的主要熱力學數據如表1所示［11］。從表1可以看出，高鐵赤泥含碳球團內部發生的化學反應主要為鐵氧化物的還原、碳的氣化及珠鐵的滲碳反應。且這些反應均可在熔分溫度1350～1450℃以下完成(間接滲碳雖然在標準態下于845.4℃時開始向逆向進行，但實際條件下CO濃度高于平衡狀態，因而反應可以正方向進行，FeO的間接還原亦是如此［2］)，赤泥中的Al2O3被C和CO還原開始溫度分別為2307.6℃和12436℃，因此還原熔分后Al2O3不會被還原，而是直接進入渣中。

實驗室試驗

依據上述熱力學分析，對轉底爐珠鐵熔分法利用高鐵赤泥在實驗室進行了模擬試驗。1）試驗原料：試驗所用赤泥為山東茌平某鋁廠拜耳法工藝生產氧化鋁產生的，還原劑為無煙煤，粒度為－32目。無煙煤工業分析結果見表2，其主要化學成分和XRD結果見表3和圖1（略）。2）試驗方法：將赤泥、煤粉按C/O=1.2即質量比為85.6/14.4，CaF2添加量為0、2%和4%，外配約10%的水分，混合料經人工混勻后用手板式制樣機壓制成Φ20×20mm的圓柱體，將樣品在DZF－6020型電熱烘干箱于130℃下烘干24h。用SSJ－17D型高溫硅鉬爐模擬轉底爐進行還原熔分。將鋪有石墨粉的石墨盤放入爐膛中進行預熱。當爐溫達到設定溫度后將球團置于石墨盤中推入爐膛進行焙燒。到達預定時間后取出石墨盤。對于熔分的球團將其至于空氣中冷卻，對于未熔分的球團，為防止其氧化將其放入石墨粉中進行埋碳冷卻。如此反復進行其余各組試驗。試驗溫度為1300、1350、1400和1450℃，反應時間為3～15min，觀察球團在熔分過程中的形貌變化，分別對熔分后的渣、鐵進行取樣分析。3）試驗結果與分析：試驗發現對于未添加CaF2的球團在上述溫度均未熔分或熔分出部分小鐵粒，不利于磁選分離;對于添加2%CaF2的球團在1400℃時渣鐵徹底分離，熔出的鐵聚集長大，熔分效果較好。在1450℃時，因溫度較高，球團過早熔化，渣中FeO較高，鐵的回收率降低;對于添加4%CaF2的球團，在各溫度的熔分效果比添加2%CaF2的略好，區別不明顯，因其對環境具有危害作用，不宜多加，所以將CaF2的添加量定為2%。添加2%CaF2的球團在1400℃時在還原過程中的形貌變化如圖2所示。由圖2可知，還原過程中隨著時間的進行，球團表面首先出現部分熔化，熔化面積逐漸增大，隨后9min時出現小鐵珠，鐵珠隨后聚集長大，12min時即可實現渣鐵的很好分離。熔分渣呈球形，中心是一個空腔，說明熔分渣表面張力較大。熔分所得的珠鐵含C2.01%，S0.51%。可作為一種煉鋼原料使用，不足之處在于珠鐵中S含量較高，珠鐵中的S來源于赤泥和煤粉，其中煤粉是主要來源，約占總S量的60%，因熔分過程中渣僅為熔融狀態，流動性較差，渣與鐵的接觸不夠充分，影響脫S;同時因為反應時間短，渣中FeO含量較高，也不利于脫S，綜合以上因素導致珠鐵中S含量較高，可通過加入CaO、Na2CO3等脫硫劑進行脫硫，或選用硫含量較低的煤粉作為還原劑，以降低原料帶入的S。對于熔分渣的化學分析和X射線衍射結果如表4、表5、圖3所示。由表4、表5可見，渣中FeO含量達到7.42%，高FeO可降低渣子的熔點，使渣子流動性增強，有利于渣鐵的熔化分離。渣中除Fe外的其他元素都出現了不同程度的富集，其中Sc2O3的含量達到184ppm，高于工業利用標準，目前工業提鈧主要以赤泥為原料采用酸浸出工藝，因原始赤泥鈧品位較低，且含有大量鐵，造成浸出過程中耗酸量增大，生產效率低，珠鐵熔分渣因其鈧品位高，殘留鐵少等特點可作為一種很好的提鈧原料。熔分渣的X射線衍射圖譜顯示，渣中主要物相有霞石、鈣鐵榴石、鈣鈦榴石和鈣鈦礦。其中霞石是一種含鋁和鈉的硅酸鹽，鈣鐵榴石和鈣鈦榴石分別是鈣、鐵和鈣、鈦、鐵的硅酸鹽，鈣鈦礦的主要成分為CaTiO3。

高鐵赤泥綜合利用新流程

基于以上直接還原熔分試驗提出了高鐵赤泥渣－鐵分離的新工藝，進而為高鐵赤泥的綜合利用提出了一個新流程，如圖4所示（略）。高鐵赤泥與還原劑、添加劑等按一定比例配料、混勻，經過壓球機造球，烘干后在轉底爐中還原熔分，實現渣鐵的分離，生成的珠鐵可用作煉鋼原料，渣子因其鈧含量較高，可用酸浸方法將其浸入溶液中，浸出渣可用作水泥添加劑。從而實現高鐵赤泥的零排放利用。該流程的核心為轉底爐珠鐵工藝，該工藝具有投資少、生產周期短、操作靈活、鐵回收率高等優點，該工藝已在美國實現工業化生產，國內尚處于實驗室研究階段。

結論

(1)赤泥是一種很難被工業化利用的工業廢棄物，它具有豐富的Fe、Al、Ti、Sc等有價金屬，因為粒度細小、成分復雜，使得Fe的完全去除很難實現，制約著其他金屬的富集再回收。因此，回收Fe是綜合利用赤泥的前提。(2)轉底爐珠鐵工藝是轉底爐直接還原的延伸，可利用多種復雜礦，可有效回收Zn、Pb、K、Na等多種元素，具有較好的經濟技術指標。(3)熱力學分析和實驗室試驗均證明，利用轉底爐珠鐵工藝處理高鐵赤泥是可行的，為高鐵赤泥的綜合利用提供了一個新流程，有助于進一步回收赤泥中的其他有價元素，同時也拓展了轉底爐工藝的應用范圍，是一項很有意義的探索。