我国高磷铁矿资源丰富,由于其较高的磷含量及复杂的矿相结构,不能被开发利用。本文围绕高磷铁矿煤基直接还原-快速熔分工艺进行了基础研究,为实现高磷铁矿的高效利用提供理论依据。首先,通过原矿埋碳实验对高磷铁矿碳热还原过程中鲕状结构变化及矿物反应进行原位观察,揭示了鲕状结构变化与矿物反应的关系。发现氟磷灰石在还原的同时,还以扩散方式进入铁氧化物中,嵌布紧密,很难通过机械方法进行分离。然后,通过纯物质模拟高磷铁矿成分研究高磷铁矿在还原过程中的矿物演变和元素迁移规律。结果表明:在碳热还原过程中,高磷铁矿首先发生铁氧化物还原反应,随后Fe-Si-A1脉石相形成,氟磷灰石开始发生分解反应形成 Ca3(PO4)2 和 CaF2,Ca3(PO4)2 迅速与 Fe-Si-Al 脉石相反应,形成 CaAl2Si2O8和P2,CaF2会与Si02反应生成SiF4气体;还原生成的金属铁中磷元素主要分布在低温莱氏体中,铁素体和渗碳体中分布较少,磷与碳元素有相同的分布,铁相吸磷与渗碳过程紧密联系,磷元素主要被液态铁吸收,随着渗碳进行,金属铁熔点降低,促进铁相吸磷。因此,碳热还原过程中可以通过降低温度、减少还原剂等方法抑制铁相吸磷。第三,对高磷铁矿中含磷矿物氟磷灰石的碳热还原机理进行了详细研究。通过热力学分析发现:在只有碳和氟磷灰石情况下,氟磷灰石难以还原,吉布斯自由能计算可知还原温度高于1400℃;添加Al2O3或SiO2,促进氟磷灰石的脱磷并且产生含磷气体,二氧化硅的促进作用比氧化铝强,特别是当Al2O3或SiO2足够时,促进氟磷灰石脱氟,生成更容易还原的磷酸三钙,进一步降低氟磷灰石的发生还原脱磷温度;当Fe203存在时,生成Fe3P,Fe3P的生成与氟磷灰石的还原相互促进,阻碍铁和磷分离;当C过量时,生成含磷气体主要是P2,当C不足时,含磷气体主要是PO。此外,根据热力学分析结果,通过纯物质实验考察了 Al2O3、SiO2、Fe2O3和碳含量对还原过程中磷的气化的影响,并系统地总结了氟磷灰石还原过程得到完整的还原路线图。第四,采用纯物质模拟高磷铁矿的方法研究了碳热还原过程中磷的分配规律。结果表明:在1100℃还原时,气相中的磷所占百分比大于铁相中磷所占百分比,而还原温度为1200℃时,与之相反;是否有液态铁存在才是控制铁相吸磷的关键因素,因此,为实现铁和磷分离,还原过程应尽量避免液相铁生成;还原温度为1100℃,C/O=1.0较合适,此时气相脱除的磷较多而金属铁中磷含量较低,有利于高磷铁矿的脱磷。最后,根据上述理论研究结果,优化高磷铁矿还原熔分工艺条件,最终确定的工艺参数为碱度1.6、还原温度1100℃、还原时间25 min、C/O为1.0、添加剂CaF2和Na2CO3质量分数为5%,所得预还原球团金属化率95.31%,铁收得率94.28%,珠铁中磷含量0.098%,脱磷率94.34%,可满足后续炼钢的要求。