我國具有豐富的鐵礦資源，已探明儲量近500億t，可供開發利用的約260億t，其中96%為貧礦，平均品位為32.6%。隨著鋼鐵工業的快速發展，鐵礦資源消耗速度很快，富礦越來越少，已不能滿足鋼鐵生產的需要，國內多數大型鋼鐵企業不得不利用大量外匯高價購買澳大利亞、巴西等國的進口礦進行高爐冶煉。自2003年以來，我國對進口鐵礦石的依賴程度已達55%以上，比較分散的中小型鋼鐵企業則只能使用較低品位的鐵礦。此外，我國電弧爐煉鋼需要大師的廢鋼原料，來源緊張，造成不少電爐煉鋼廠處于半停產狀態。因此，尋找新的鋼鐵原料來源已經迫在眉睫。本研究在前期對國內某超微細貧赤鐵礦進行磁選、浮選、磁選-浮選等常規選礦試驗都無法獲得滿意結果的情況下，采用煤基直接還原-磁選工藝，實現了鐵的有效富集，為這種鐵礦石的開發利用提供了新的技術路線。
1、試驗原料
1.1、鐵礦石
試驗所用鐵礦石為湖南某貧赤鐵礦石。礦石采樣粒度10~50mm，用顎式破碎機在加對輥破碎機至-1mm備用。原礦化學多元素分析結果如表1所示。
由表1可見，礦石鐵品位僅為28.83%，SiO2含量高達45.18%，但P、S等有害雜質含量較低，如果能夠通過選礦富集的話，將是一種優質的高爐原料。
巖相分析表明：礦石結構較致密，但很脆，并不堅實。礦石中主要是赤鐵礦和石英這兩種礦物，赤鐵礦含量為26.35%，石英含量為61.27%，其次還有少量的三氧化二鋁、氧化鎂、氧化鈣等。鐵礦物主要以赤鐵礦形式存在，并以微細粒（3~5μm）嵌布在脈石中，分布比較均勻。赤鐵礦中含有少量的脈石和雜質，且以浸染狀與脈石礦物混雜交生，局部可過渡為稠密浸染狀。石英顆粒大小不一，大多為10~30μm。因此，該礦石具有鐵質板巖的特征，將極難分選，預計即便將礦石磨至全部小于10μm，絕大部分赤鐵礦仍將與石英呈連生體產出，這就決定了采用傳統的選礦工藝無法實現赤鐵礦和石英的有效分離。
1.2、還原劑
試驗所用還原劑為新疆奇臺煤，破碎至-1mm備用。煤樣的工業分析結果及灰份化學分析結果分別示于表2和表3。
由表2和表3可以看出，試驗用煤灰份少，固定碳和揮發份含量高，有害元素S含量及結焦指數低，是良好的還原劑。該煤灰渣的軟熔特性為變形溫度1100℃、軟化溫度1170℃、半球溫度1190℃、流動溫度1260℃，符合一般煤基直接還原的要求。
2、試驗方法
試驗工藝為：原礦加水混勻->壓團->干燥->預熱->直接還原->冷卻->磨礦->磁選。該工藝采用將原礦壓團預熱后再還原的方法，可以明顯提高鐵礦石的還原速度和金屬化率，有利于后續磁選時獲得較高的鐵回收率。
團塊制備采用φ13mm×50mm的模具將原礦壓制成φ13mm×8mm的圓柱；烘干的團塊在900℃下預熱10min，添加一定量的煤，置于φ65mm×100mm熱不銹鋼還原罐中按預定還原溫度和時間進行還原后取出，蓋煤冷卻，得到還原團塊；將還原團塊破碎后用XMQ240×90型錐形球磨機磨礦，磨礦細度采用JL-1166型激光粒度分析儀測定；磁選設備為XCGS-73型磁選管，直徑50mm，磁場強度可調。
3、試驗結果及分析
3.1、原礦直接還原試驗
3.1.1、還原溫度試驗
還原溫度對還原礦金屬化率的影響如圖1所示。可見：當還原溫度從900℃提高到950℃時，還原礦金屬化率從80%左右增加到89%左右；還原溫度繼續上升，還原礦金屬化率反而降低，在溫度達到1000℃時下降到81%左右，這主要是因為原礦中含量高達45.18%的SiO2在還原性氣氛下極易與還原生產的FeO發生反應，形成低熔點的鐵橄欖石，高溫時鐵橄欖石會在還原礦的表面形成大師液相，阻礙還原氣氛向內部擴散。因此，可以確定*佳的還原溫度為950℃，這個溫度比通常用高品位鐵礦石直接還原生產海綿鐵的適宜溫度1050℃要低100℃。
3.1.2、還原時間試驗
還原時間對還原礦金屬化率的影響如圖2所示。可見：還原時間從30min增加到80min，還原礦的金屬化率從78%左右提高到89%左右；但是隨著還原時間的進一步延長，金屬化率反而下降，這可能是由于隨著還原時間的增加，煤被不斷消耗，還原罐內的還原性氣氛降低，而氧化性氣氛增強，從而使已還原的礦石再氧化。因此，確定還原時間為80min。
3.1.3、煤/礦質量比試驗
煤/礦質量比對還原礦金屬化率的影響如圖3所示。可見：當煤/礦質量比由1:1增加到2.5:1時，還原礦的金屬化率由77.75%提高到93.72%；煤/礦質量比進一步增加，還原礦金屬化率的變化趨于平緩。因此，煤/礦質量比定為2.5:1。
由于實驗室還原罐為非封閉體系，需要遠大于理論量的還原劑才能保證還原罐內有足夠的還原氣氛，，試驗煤/礦質量比工業生產高得多（工業生產僅為0.5左右）。
3.2、還原礦磨礦-磁選試驗
上述試驗得到的*佳直接還原工藝參數為煤/礦質量比2.5:1、還原時間80min，還原溫度950℃。按此條件制備出的還原礦全鐵品位為31.87%、金屬鐵含量為29.90%、金屬化率為93.82%。對該還原礦進行了磨礦-磁選試驗。
3.2.1、磨礦細度試驗
將還原礦按不同磨礦時間進行磨礦，產品的平均粒徑見表4。
對不同磨礦時間下的磨礦產品分別進行1次磁選，精礦鐵品位及回收率的變化如圖4所示。可見，隨著磨礦時間的延長，還原礦的平均粒徑減小，精礦鐵品位從50%左右提高到66%左右，而精礦中鐵的回收率從86%左右降低到70%左右。顯然，磨礦細度對精礦品位有很大的影響，欲獲得品位在60%以上的鐵精礦，須將還原礦細磨到8μm以下，這進一步證明試驗礦石屬超微細嵌布。
3.2.2、磁場強度試驗
在不同磁場強度下對磨礦20min的還原礦進行1次磁選，精礦鐵品位及回收率的變化如圖5所示。可見：磁選精礦的鐵品位隨著磁場強度的提高而下降，當磁場強度由199.0kA/m提高到358.2kA/m時，精礦鐵品位由68%左右降低到65%左右；而磁選精礦的鐵回收率隨著磁場強度的提高先上升后下降，在磁場強度為278.6kA/m時*高，超過79%。綜合考慮精礦品位及回收率，磁場強度以278.6kA/m為宜。
3.2.3、還原礦磨礦-磁選流程試驗
根據磨礦細度和磁場強度試驗經進校，進行了還原礦的磨礦-磁選流程試驗，結果見圖6。圖6表明，還原礦經過3段磨礦、 3段磁選，獲得了精礦鐵品位為69.54%、鐵回收率為65.58%（對還原礦）的良好指標。
流程試驗所得鐵精礦的多元素化學分析結果示于表5。可見：鐵精礦以金屬鐵為主，金屬化率為98.02%，氧化亞鐵含量很低，有害雜質含量也很少，可以作為轉爐煉鋼的原料。但是，鐵精礦中SiO2含量仍然很高（26.76%），表明鐵的嵌布粒度超細，難以與石英完全解離，這與巖相分析結果相吻合。
4、結論
（1）湖南某赤鐵礦石屬鐵質板巖，鐵品位低；礦石中赤鐵礦嵌布粒度極細，大部分粒度僅3~5μm，且主要以浸染狀與石英緊密共生，難以充分單體解離。
（2）由于礦石中主要鐵礦物赤鐵礦嵌布粒度超 微細，以常規選礦方法不能獲得鐵品位高于50%的鐵精礦，因此采用煤基直接還原-磁選工藝，成功實現了鐵的有效富集。
（3）在還原溫度為950℃、還原時間為80min、煤/礦質量比為2.5:1的條件下，通過煤基直接還原，得到了全欠缺品位為31.87%、金屬鐵含量為29.90%、金屬化率為93.82%的還原礦；還原礦在*終磨礦產品平均粒度為7μm左右條件下，經磁選管3次選別，得到了產率為鐵品位為69.54%、鐵回收率為65.58%（對還原礦）、金屬化率高達98.02%的鐵精礦。
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