中国有大量的铌储量。现已探明江西、广东、广西、内蒙古等省有铌矿，但原矿中铌的品位较低。在钢中，铌可以细化晶粒，溶解成铁素体并强化晶粒。NbC和NbN沉淀增强了铌钢的强度。在钢中，铌可以提高晶粒粗化温度，降低钢的过热敏感性和回火脆性，提高钢的韧性，改善奥氏体不锈钢的晶间腐蚀。铌的应用越来越广泛，这对开发我国铌资源和扩大铌的应用具有重要意义。

第一，热力学分析

图1是标准状态下Nb的各种氧化物的生成自由能和温度之间的关系。从图1可以看出，NbO是所有Nb氧化物中最难被还原的。CO氧势线与NbO氧势线交点所对应的温度为1489℃，表明标准条件下C直接还原NbO的最低理论温度为1489℃。而在其他条件相同的情况下，C直接还原FeO的最低理论温度(705℃)远低于1489℃。因此，含铌尾矿中的铁可以在705 ~ 1489℃还原，然后分离铁和氧化铌，进一步富集铌。在1489℃以上，用C直接还原氧化铌，然后制备低品位铌铁提取铌。

二。熔点测试

铁矿粉的直接还原属于固体还原。因此，在确定矿粉熔融性的基础上，应进行不同装料制度的罐式直接还原试验，因此应事先测试矿粉的熔融性，以确定罐式还原的还原温度。矿粉熔化性能测试示意图如图2所示。

三。油箱减压试验

(1)测试方法

1.原材料条件

试验中使用的原材料的化学成分如表1和表2所示。

表1矿粉的化学成分(质量分数)%值

油箱减压的试验条件如表3所示。

表3罐法还原试验条件

(850、950℃)

1)将压制好的样品放在载物台的垫圈上；

2)将样品送入炉内的恒温区，对炉子进行加热；

3)当炉温升至600℃时，开始采集样品的图像。测试过程中，计算机自动识别样品在不同温度下的收缩率，并自动采集和存储相应的图像。

4)当样品收缩超过80%时，测试完成。停止加热，让样品在炉中自然冷却。

在测试过程中，摄像机(CCD)可以全程监控样品的熔化过程，并通过计算机采集样品在不同温度和收缩率下的图像。根据特征熔化温度和熔化时间的定义，相应地采集所需的图像。

图3显示了熔化性能测试的结果。从图3可以看出，样品在1020℃开始收缩5%，1200℃收缩率为20%，1230℃收缩率为50%，1320℃收缩率为70%。因此，盆栽试验的还原温度不应超过1000℃。本研究选用850℃和950℃两种温度。

3.装载方法

坩埚还原试验在高135毫米、内径75毫米和外径85毫米的耐热钢坩埚中进行。将矿物粉末以柱状、饼状和碳团块(具有煤A)的形式放入耐热钢坩埚的中心，并且用煤B填充坩埚中剩余的空空间，然后将坩埚放入已经升至预定温度的马弗炉中进行还原。(锅还原柱法:制作一个高85mm、内径30mm的纸管，放在耐热钢坩埚中央，将含铌尾矿粉放入纸管中，然后用B煤填充坩埚中的其他空室；饼罐法是将半罐高的煤粉放入坩埚中，在纸片上放一张直径约75mm的圆形纸片(其目的是支撑矿粉)。纸片的体积与柱状装药时的矿粉体积相同，装药后其厚度约为13mm。然后，锅里剩下的空装上B煤。碳压块是利用煤的粘结性，将煤粉和含铁粉末粘结成块。将煤粉和铁矿粉按一定比例混合，恒温加热，然后压制成块，得到配碳型煤。加热温度应保证煤具有良好的热塑性。该工艺不添加粘结剂，充分利用煤的热塑性，在煤软化熔化时与含铁原料粘结成块。熔融煤中的碳侵入含铁原料颗粒的空间隙或覆盖颗粒表面，含铁原料与煤粉颗粒充分接触。胶体形成过程如图5所示。

碳型煤的具体制作方法如下:

l)将含铌尾矿粉和煤粉混合均匀后，称取7g，放入模具中，放入500℃马弗炉中，恒温加热12min；

2)取出模具，放在加压器上，加压至30MPa(表压)，保持恒压lmin，然后脱模，取出配碳团块。配碳型煤的成品为21毫米×19毫米×13毫米的椭圆形型煤。

(2)测试结果及分析

1.降柱试验

用柱罐法还原含铌尾矿和铁精矿的试验结果见图6。

l)含铌尾矿在850℃的还原最终金属化率约为55%，在950℃的还原最终金属化率约为73%。这是因为高温有利于气体反应物和气体产物在矿粉和煤粉之间的扩散，即改变温度也相应改变了反应的热力学和动力学条件，从而使金属化率高。

2)在850℃和950℃下，含铌尾矿和铁精矿还原约4h后，金属化率达到最大，延长还原时间金属化率没有明显增加。

3)在950℃，还原一定时间后，铁精矿金属化率约为90%，含铌尾矿金属化率约为73%。这是因为在相同的还原气氛下，高品位铁精矿(ωTFe为66%)与还原气体的接触条件良好，有利于金属化率的提高。

2.蛋糕还原试验

铌尾矿和铁精矿饼罐法还原试验结果见图7。从图7可以看出，在950℃下，含铌尾矿和铁精矿还原4h后，金属化率基本达到最大值(前者约为84%，后者约为90%)，随着时间的延长，金属化率没有明显增加。含铌尾矿金属化率低于铁精矿(ωTFE为66%)，原因是铁品位低(ωTFE为16%)，氧化铁与还原剂接触条件差。

3.碳压块还原试验

含铌尾矿通过碳压块与10%和20%的煤混合的还原试验结果如图8所示。

l)还原温度对掺碳团块的金属化率有重要影响。无论含碳量是10%还是20%，950℃金属化率都显著高于850℃(高出约14%)。这是因为C的直接还原是一个吸热反应。提高温度改善了反应的热力学条件，同时加快了气态反应物和气态反应产物的扩散反应速率等动力学条件。因此，提高温度有利于提高炭块的金属化率。

2)随着还原时间的延长，碳结合压块的金属化率增加，但在2h后增加速度逐渐减缓。这是因为随着反应的进行，大部分铁氧化物被还原，剩余的铁氧化物与还原剂的接触面积逐渐减小，反应动力学条件变差，导致反应速率降低。

3)配煤量对配碳型煤金属化率的影响。掺20%煤的型煤在80和950℃的金属化率比掺10%煤的型煤高2% ~ 3%。可以看出，与温度相比，配煤量对型煤金属化率的影响不明显。这是因为本实验所用原料为低铁品位(ωTFe约为16%)的含铌尾矿，配煤量的增加对氧化铁与碳的接触条件没有明显影响，因此配煤量对配碳型煤金属化率影响不明显。

4.不同收费系统的比较分析

基于上述研究，本文考察了在相同还原条件下，不同加料系统对含铌尾矿金属化率的影响(图9)。

1)对于任何装料制度，矿粉金属化率随还原时间的增加而增加，但2h后，增加速度明显减缓。在此实验条件下，还原时间由2h延长至8h，金属化率仅提高7% ~ 8%。

2)对于柱状和饼状装料方式，随着表面积和体积比的增加，矿粉的金属化率也增加，增加幅度在10%左右。

3)在相同的还原条件下，型煤配碳(10%或20%配煤)和饼装炉方式的金属化率相近(小于4%)，但均明显优于柱状装炉系统。

4)对于柱状、饼状和配碳型煤加料方式，随着加料方式和还原温度的变化，Nb2O5的富集程度也发生变化。具体变化见表4。(富集率是还原后分离金属铁后的Nb2O5含量与还原前的Nb2O5含量之比。)

如表4所示，在相同的还原条件下，随着矿粉金属化率的增加，Nb2O5的富集程度也增加。但随着含碳量的增加，型煤中灰分含量增加，导致相同还原温度下Nb2O5的富集率降低。在本研究的实验条件下，饼罐法对Nb2O5的富集率最高。

对于块料装料，在相同的还原条件下，金属化率比柱状装料高10%左右，这可能是由于两种装料方式的矿粉体积相等，但表面积不相等；oh存在时，饼状装药的反应面积大于柱状装药的反应面积。随着反应的进行，饼状装药的反应面积保持不变，而柱状装药的反应面积逐渐减小，即饼状装药与柱状装药的反应面积之差逐渐增大(表面积与体积之比逐渐增大)。上述原因导致饼状装药比柱状装药金属化率高。

表4还原后Nb2O5的富集

850℃

850℃

950℃

950℃

但配碳时将一定量的灰分带入型煤，降低了渣相中的Nb含量，在一定程度上削弱了其优势。另外，在压块阶段，需要对物料进行加热和压块，消耗大量的能源。

因此，在实验条件下，综合考虑影响含铌尾矿还原特性的因素，本文认为最佳加料方式应为饼罐法，还原温度为950℃，还原时间为4h。

四。结论

(1)在其他还原条件相同的情况下，矿粉的金属化率会随着还原温度的升高而增加。

(2)无论是含铌尾矿还是铁精矿，还原一定时间后，延长还原时间，矿粉金属化率没有明显提高。

(3)随着表面积/体积比的增加，矿粉的金属化率随着柱、饼和炭块的增加而增加。

(4)对于配碳型煤，在相同还原条件下，随着配煤量的增加，金属化率也增加。

在本实验条件下，最佳加料方式为饼罐法，还原温度为950℃，时间为4h。