高磷鲕状赤铁矿石矿物组成复杂、矿物结晶粒度细、有害元素磷含量高、加之鲕状结构独特,传统选矿工艺难以加工利用,被公认为是世界上最难选的铁矿石。深度还原技术为高磷鲕状赤铁矿的高效利用开辟了新途径,然而目前已开展的工作仅限于还原工艺及磁选条件的优化。针对深度还原过程中矿物反应热力学和动力学机制、物相及微观结构演化、金属相形成及聚集生长、磷元素相际迁移等关键科学问题的研究相对较少。围绕上述问题,本文以湖北官店高磷鲕状赤铁矿石为研究对象,利用扫描电子显微镜、X射线衍射和电子探针等检测技术,采用理论分析、试验研究和计算模拟相结合的方法,开展了系统的基础研究工作,取得了一些具有科学意义和应用价值的研究成果。热力学计算模拟、物相转变和微观结构演化研究发现,高磷鲕状赤铁矿石深度还原是一个极其复杂的过程,还原过程中不仅发生铁矿物及脉石矿物的反应相变,同时还伴随着矿石微观结构的演化。铁矿物按照Fe2O3→Fe3O4→FeO(Fe2SiO4,FeAl2O4)→Fe的化学反应顺序以及颗粒边缘→颗粒内部的空间顺序逐渐还原为金属铁。SiO2、Al2O3、CaO等杂质组分依据Fe-Al-Si-O→Fe-Ca-Al-Si-O→Ca-Al-Si-O的反应历程形成渣相。矿石微观鲕状结构由外及内逐渐遭到破坏,微观结构演变过程可分为鲕状结构的边缘破坏、内部破坏、完全破坏三个阶段。基于上述结果,提出了高磷鲕状赤铁矿石深度还原过程的简化模型。深度还原动力学研究表明,随着还原过程的进行,还原机制发生改变。还原前期还原反应的主要物质为铁氧化物(Fe2O3,Fe3O4和FeO),由表面化学反应控制;还原后期则主要是铁的复杂化合物(Fe2SiO4和FeAl2O4),固相扩散为还原反应的限制性环节。等温还原过程可分为初期、中期、后期三个阶段,动力学机理函数分别为f(α)=4(1-α)[-ln(1-α)]3/4、f(α)=(1-α)2((C/O为1.5和2.0)和f(α)=2(1-α)3/2((C/O为2.5和3.0)、f(α)=3/2(1-α)4/3[(1-α)-1/3-1]-1。非等温还原的最佳动力学机理函数为化学反应模型f(α)=3/2(1-α)2/3[1-(1-α)1/3]-1。根据确定的机理函数,计算出了相应的指前因子和活化能,建立了高磷鲕状赤铁矿石深度还原过程的动力学方程。金属铁颗粒的形成及生长机理研究显示,还原生成的Fe原子首先在矿石表面析出形成微小的不规则金属凸起,成为金属颗粒生长的核心,后续生成的Fe原子扩散至凸起表面,融合生长为类球形的金属颗粒。还原前期,金属颗粒的生长由铁矿物还原为金属铁的化学反应控制;还原后期,金属铁颗粒的生长受表面扩散和金属铁在固体渣相中的扩散联合控制。根据金属铁颗粒的存在特征,利用光学显微图像分析技术对铁颗粒粒度进行了测量,并从频率分布和累积分布两个方面对其粒度分布规律进行了表征。基于经典的颗粒生长动力学方程,建立了高磷鲕状赤铁矿石深度还原过程中金属颗粒生长的动力学模型。磷的相际迁移规律研究发现,矿石中的Si02显著降低了磷矿物的还原起始温度,深度还原过程中磷矿物被还原为单质磷。从宏观角度,磷在金属相、渣相和气相中均有分布,最易富集在金属相内。磷在金属相中以Fe3P和Fe-P固溶体的形式赋存,在渣相中以未反应的磷灰石和CaO-SiO2-P205固溶体的形式存在。磷元素微观迁移的路径为:生成的单质磷由渣相扩散至渣-铁界面处,与金属铁反应形成Fe3P化合物,Fe3P中的P以固溶扩散的方式迁移至金属相内部形成Fe-P固溶体。依据物质传输的基本原理,建立了磷相际迁移的动力学方程,并计算出了扩散系数、扩散活化能和扩散常数。在上述基础上,本文针对高磷鲕状赤铁矿开发利用提出了深度还原-富磷新工艺,并对还原工艺进行了优化。确定的适宜还原条件为:还原温度1523 K,还原时间50 min,C/O摩尔比2.0,CaO用量6%。制备出的还原物料经分选,达到了铁粉品位89.86%、铁回收率96.04%、金属化率97.46%、磷品位1.74%、磷回收率64.27%的良好指标。富磷铁粉特性分析表明,酸性杂质和有害元素硫的含量较低。若采用脱磷炼钢技术对其进行冶炼,得到钢材的同时,还将获得P2O5含量高于10%的脱磷钢渣,为磷元素回收利用创造了条件。本文的研究成果加深了对高磷鲕状赤铁矿深度还原过程的认识,丰富了难选铁矿石深度还原理论体系,不仅对突破高磷鲕状赤铁矿深度还原的关键技术难题提供理论支撑,对其它复杂难选铁矿石的高效利用也具有良好的借鉴意义。