深海锰结核中富含Mn、Fe、Ni、Cu、Co等多种金属元素,具有巨大潜在经济价值及广阔综合利用前景,合理分类提取利用各种有价元素有利于缓解陆地矿产资源日益紧张的现状。本文以深海锰结核作为原料,对其基础矿物特性进行分析,并将石墨粉作为还原剂加入锰结核中,考察其预还原过程特性,实验探究了锰结核预还原过程中Fe、Mn、Cu、Co、Ni等元素迁移规律,旨在为锰结核粉回转窑预还原提供基础性数据支撑。深海锰结核的矿物学基础特性研究表明:深海锰结核以葡萄状、椭球状、瘤状、扁圆状和菜花状形态等存在,锰结核直径一般为1-4 cm,呈外部结核层、内部结核层和核心层三层结构。XRF分析表明锰结核中Mn、Fe、Ni、Cu含量分别为41.55%、11.05%、2.22%、1.66%;外部结核层Fe含量高于内部结核层与核心层,Mn、Cu含量最低;内部结核层Mn、Ni含量最高,Fe含量最低;核心层Mn、Fe、Ni、Cu含量与外部结核层数值上较为接近。锰结核中主要矿物种类为钠水锰矿、钡镁锰矿、方锰矿、δ-MnO₂、钙十字沸石和石英等,不同结核层各矿相含量具有一定的差异。锰结核的粉磨性能较好,外部结核层、内部结核层、核心层粉末平均粒径分别为69.29μm、51.25μm、57.37μm。热力学分析表明,温度大于50℃时CuO发生还原,温度为400-800℃时NiO、CoO、FeO等逐渐发生还原。锰结核中Mn氧化物主要以MnO₂形式存在,MnO₂在温度在400℃以上温度可向低价氧化物Mn₂O₃、Mn₃O₄、MnO转化,温度大于1420℃时MnO被C还原。动力学分析表明锰结核的预还原过程为直接还原,反应的中间步骤有CO产生与消耗,整个体系消耗的是C,反应的转化率X与反应时间t相关。差热分析表明在25-1300℃范围内,温度升高,试样质量与炉内热流持续下降,并在50℃、200℃、400℃、960℃、1100℃等温度处出现剧烈放热波动,出现还原与相变的温度转变点。还原温度为1100-1300℃、配碳比为0.2时,随温度升高,还原1 h后试样失重率由24.7%增加至32.4%,还原2 h后试样失重率由25.8%增加至44.2%。还原时间为2 h条件下,反应后试样中Fe、Mn、Cu、Co、Ni等金属元素主要富集于棒状或珠状物质中,Si、C、O等元素主要存在于渣中,渣与合金混杂在一起。随着温度的升高试样中Fe、Mn、Cu、Ni等元素的金属转化率提高,Cu、Ni元素转换率较高,其转化率分别超过80%和70%,Mn、Fe在1300℃还原1 h后转化率能达到70%左右,在还原2 h后转化率接近80%。还原温度为1100-1300℃、配碳比为0.3时,随温度升高,还原1 h后试样失重率由24.9%增加至33.9%,还原2 h后试样失重率由25.8%增加至46.2%。在1300℃温度下还原得到的试样表面出现Mn含量较高的球状合金物质,合金球状物质的存在有利于试样的渣金分离。温度升高有利于试样中金属转化率的提高,在1300℃温度条件下还原所得Fe、Mn、Cu、Ni等元素转化率分别为70.52%、72.04%、74.53%、82.89%。