氨气还原矿物相变-磁选法高效绿色分离难选铁矿的关键技术与机理研究

针对传统CO/H2还原剂高能耗、高污染的瓶颈问题，沈阳研究院团队创新性提出氨气(NH3)作为清洁还原剂，通过矿物相变-磁选技术处理海南石碌铁矿重选尾矿。在620℃、8分钟、NH3浓度20%条件下获得铁品位68.21%、回收率91.35%的磁精矿，结合XRD/VSM/BET等多尺度表征揭示赤铁矿→磁铁矿转化机制，为低碳冶金提供新范式。

　　

随着钢铁工业快速发展，全球优质铁矿资源日趋枯竭，难选铁矿和低品位矿成为主要原料来源。中国铁矿资源禀赋差，90%以上需选矿处理，长期依赖进口导致资源安全风险。传统矿物相变技术虽能处理难选矿，但常用还原剂CO会产生大量温室气体，H₂则面临储运成本高、安全隐患大等问题。在此背景下，开发新型清洁还原剂成为破解资源环境双重约束的关键。

中国研究人员在《Powder Technology》发表的研究中，创新性地将氨气(NH₃)作为还原剂应用于海南石碌铁矿重选尾矿处理。该团队通过系统的条件优化实验，结合X射线衍射(XRD)、振动样品磁强计(VSM)、比表面积分析(BET)等表征手段，建立了氨气氛围下矿物相变-磁选新工艺。关键技术包括：采用固定床反应器进行氨气还原实验，通过控制温度、气体浓度等参数实现赤铁矿向磁铁矿的高效转化；利用湿式弱磁选机对还原产物进行分离；通过X射线光电子能谱(XPS)和扫描电镜-能谱(SEM-EDS)分析表面化学状态与微观形貌演变。

材料特性分析
原料为含铁44.1%的石碌铁矿重选尾矿，主要含赤铁矿(hematite)和少量针铁矿(goethite)。XRD显示石英为主要脉石矿物，铁物相分析表明赤铁矿占比达82.6%，为后续还原提供明确靶点。

反应温度影响
在500-700℃区间研究发现，620℃时磁精矿铁品位和回收率同时达到峰值(68.21%, 91.35%)。温度过低导致还原不彻底，过高则引发磁铁矿过度还原为浮氏体(wüstite)。VSM测试证实620℃产物饱和磁化强度最高(68.5 emu/g)，与最优选矿指标吻合。

反应时间优化
8分钟为最佳反应时长，继续延长时间会导致磁铁矿颗粒烧结，BET比表面积从3.82 m²/g降至1.45 m²/g，恶化分选效果。SEM观察到8分钟样品形成丰富裂纹和孔隙结构，促进后续单体解离。

氨气浓度调控
20% NH₃浓度下铁回收率较纯氨气条件仅降低2.1%，但可减少38%氨耗。XPS分析表明N 1s峰强度与还原程度呈正相关，证实氨气分解产生的活性氢原子[H]是主要还原介质。

机理揭示
综合表征表明：氨气在600℃以上裂解生成H₂和氮气，H₂将赤铁矿(Fe₂O₃)逐步还原为磁铁矿(Fe₃O₄)，同时矿物内部产生晶格畸变和微裂纹。这种结构变化既增强了磁性，又改善了矿物解离性，最终通过85.6 kA/m弱磁场即可实现高效分选。

该研究首次证实氨气直接还原铁矿的可行性，相比传统工艺具有三大优势：① 氨气储运成本仅为氢气的1/10，且无碳排放；② 反应温度较甲烷还原降低150-200℃，能耗显著下降；③ 最终产物仅含氮气和水，符合绿色冶金要求。研究为"氨-氢"能源在冶金领域的应用提供了示范案例，对实现"双碳"目标下的资源可持续开发具有重要战略意义。工艺参数已通过公斤级放大实验验证，下一步将开展连续式反应器设计与生命周期评价研究。