基于深度還原的某稀土尾礦選鐵試驗*

林 海 張文通 董穎博 許曉芳

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院;2.金屬礦山高效安全開采教育部重點實驗室)

礦產(chǎn)資源是不可再生資源，是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。2000年以來，我國城市化、城鎮(zhèn)化開始提速，一方面礦產(chǎn)資源需求量急劇增長，另一方面尾礦產(chǎn)出量加速上升。據(jù)不完全統(tǒng)計，2011年我國共產(chǎn)出初級尾礦約15.8億t，綜合利用總量約2.7億t，高達(dá)13億t以上的初級尾礦未被開發(fā)利用。

未利用的尾礦中有相當(dāng)一部分可作為二次資源用于提取經(jīng)濟(jì)建設(shè)所急需的有用成分，這些有用組分的提取不僅可減少對土地的占用，而且可減少對環(huán)境的污染［1-2］，因此，充分利用這些二次資源對保障國民經(jīng)濟(jì)又好又快增長具有重要意義。

從國內(nèi)生產(chǎn)實踐看，大量的稀土尾礦中均含有較高品位的鐵，近年，關(guān)于稀土尾礦選鐵的研究成果不斷見諸報端。趙瑞超等［3］采用高梯度磁選工藝從稀土浮選尾礦中獲得了鐵品位為46.06%、鐵回收率為53.80%的鐵精礦;姬俊梅［4］采用浮選工藝從稀土尾礦中獲得了高品質(zhì)的鐵精礦;李保衛(wèi)等［5］開展過微米炭、納米炭微波還原包鋼稀土尾礦—弱磁選選鐵研究。

國內(nèi)某稀土礦受礦石性質(zhì)和開發(fā)利用技術(shù)的制約，其尾礦鐵、稀土、螢石、重晶石以及鈮等含量均較高，具有綜合回收價值，本試驗對其中的鐵氧化物開展深度還原—磁選研究。

1 試驗原料

1.1 稀土尾礦

稀土尾礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，鐵物相分析結(jié)果見表2，XRD分析結(jié)果見圖1。

表1 稀土尾礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果 %

表2 稀土尾礦鐵物相分析結(jié)果 %

圖1 稀土尾礦XRD圖譜

從表1可以看出，稀土尾礦鐵品位為17.37%、REO為6.02%、含鈮0.16%，有用組分較多，且含量較高。

從表2可以看出，稀土尾礦中鐵主要以赤褐鐵礦、磁鐵礦和硅酸鐵形式存在，其中的鐵占鐵總量的75.61%，菱鐵礦、硫化鐵與硫酸鐵中鐵的占有率均在5%～10%之間。因此，常規(guī)選礦工藝難以獲得理想的分選指標(biāo)。

從圖1可以看出，稀土尾礦中主要礦物有螢石、赤褐鐵礦、石英、鐵白云石、堇青石、金云母等，氟碳鈰礦、重晶石少量。

為了盡量減少后續(xù)對其他有用組分回收的影響，并控制鐵回收成本，本試驗首先將稀土尾礦進(jìn)行磁選拋尾后對拋尾精礦進(jìn)行深度還原研究。稀土尾礦磁選預(yù)拋尾精礦(即深度還原試驗礦樣，以下簡稱試樣)產(chǎn)率為58.08%、鐵品位為25.75%、鐵回收率為86.10%。

1.2 還原煤

試驗用還原劑分別為碎至－2 mm的華北某地褐煤、煙煤及無煙煤。各還原煤工業(yè)分析結(jié)果見表3。

表3 還原煤工業(yè)分析結(jié)果 %

從表3可以看出，3種還原煤的成分差異較大，符合本研究對還原劑品質(zhì)的要求。

2 研究方法

將試樣與還原劑按一定配比混合均勻后置于坩堝內(nèi)，再在混合料上覆蓋一層煤粉以確保試樣的還原氣氛，然后將坩堝放入SX2－12－13型箱式電阻爐中進(jìn)行恒溫還原，深度還原產(chǎn)物自然冷卻后經(jīng)XMQ－240×90型錐形球磨機(jī)磨至一定細(xì)度，再用RK/CXG－?50型磁選管進(jìn)行弱磁選。最后采用XRD技術(shù)對還原產(chǎn)物及磁選鐵粉進(jìn)行分析。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 深度還原試驗

3.1.1 還原煤種類確定試驗

還原煤種類確定試驗的還原煤用量為煤與試樣總質(zhì)量的20%，還原溫度為1000℃，還原時間為60 min，還原產(chǎn)物磨礦細(xì)度為－74μm占85%，弱磁選磁場強(qiáng)度為118 kA/m，試驗結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，在還原煤用量相同的情況下，以褐煤為還原劑所得的磁選鐵粉鐵回收率最高，達(dá)86.48%，鐵品位則為59.65%，低于以無煙煤為還原劑所得的磁選鐵粉鐵品位。

根據(jù)還原反應(yīng)機(jī)理，實際起還原作用的為固定碳，固定碳含量越高，深度還原體系的還原氣氛就越強(qiáng)，因而還原深度越深，無煙煤還原鐵粉的鐵品位也就越高;而灰分和揮發(fā)分則通過影響還原過程中鐵顆粒的成長間接影響還原效果［6-7］，因而，褐煤還原鐵粉的鐵回收率最高。從經(jīng)濟(jì)、高效回收鐵的角度考慮，后續(xù)試驗選擇褐煤為還原劑。

3.1.2 褐煤用量試驗

褐煤用量試驗的還原溫度為1000℃，還原時間為60 min，還原產(chǎn)物磨礦細(xì)度為 －74μm占85%，弱磁選磁場強(qiáng)度為118 kA/m，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 褐煤用量對磁選鐵粉指標(biāo)的影響

從圖3可以看出，隨著褐煤用量的增加，磁選鐵粉鐵品位先顯著下降而后走平，鐵回收率先顯著上升而后走平。綜合考慮，確定褐煤用量為煤與試樣總質(zhì)量的10%，對應(yīng)的磁選鐵粉鐵品位為80.1%，鐵回收率為81.53%。

在整個還原過程中，CO與鐵氧化物的氣固相反應(yīng)起主導(dǎo)作用。當(dāng)褐煤用量較低時，增加褐煤用量可使還原體系CO/CO2濃度升高，還原氣氛增強(qiáng)，反應(yīng)速率加快;當(dāng)褐煤用量過高時，試樣中夾雜的褐煤及其殘余物阻礙了鐵晶粒的聚集成長，給磁性礦物與脈石的解離帶來困難，進(jìn)而影響磁選鐵粉的鐵品位。

3.1.3 還原溫度試驗

還原溫度試驗的褐煤用量為煤與試樣總質(zhì)量的10%，還原時間為60 min，還原產(chǎn)物磨礦細(xì)度為－74 μm占85%，弱磁選磁場強(qiáng)度為118 kA/m，試驗結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，提高還原溫度磁選鐵粉鐵品位先快速上升后升速減緩，鐵回收率先上升后下降。綜合考慮，確定深度還原溫度為1200℃，對應(yīng)的磁選鐵粉鐵品位為91.00%，鐵回收率為90.83%。

研究表明，當(dāng)還原溫度過高時，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的液相增加，焙燒礦樣的孔隙率降低，還原動力學(xué)條件惡化，阻礙了反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，因而影響鐵回收率的進(jìn)一步升高［8］。

圖4 還原溫度對磁選鐵粉指標(biāo)的影響

3.1.4 還原時間試驗

還原時間試驗的褐煤用量為煤與試樣總質(zhì)量的10%，還原溫度為1200℃，還原產(chǎn)物磨礦細(xì)度為－74μm占85%，弱磁選磁場強(qiáng)度為118 kA/m，試驗結(jié)果見圖5。

圖5 還原時間對磁選鐵粉鐵指標(biāo)的影響

從圖5可以看出，延長還原時間，磁選鐵粉的鐵品位和鐵回收率先上升后走平。綜合考慮，確定還原時間為 60 min，對應(yīng)的磁選鐵粉鐵品位為91.00%，鐵回收率90.83%。

3.2 焙燒產(chǎn)物磨選試驗

3.2.1 磨礦細(xì)度試驗

還原產(chǎn)物磨礦細(xì)度試驗的弱磁選磁場強(qiáng)度為118 kA/m，試驗結(jié)果見圖6。

圖6 還原產(chǎn)物磨礦細(xì)度試驗結(jié)果

從圖6可以看出，隨著還原產(chǎn)物磨礦細(xì)度的提高，磁選鐵粉鐵品位先明顯上升后維持在高位、回收率小幅下降。綜合考慮。確定后續(xù)試驗的磨礦細(xì)度為－74μm占85%。

3.2.2 弱磁選磁場強(qiáng)度試驗

還原產(chǎn)物弱磁選磁場強(qiáng)度試驗的磨礦細(xì)度為－74μm占85%，試驗結(jié)果見圖7。

圖7 弱磁選磁場強(qiáng)度試驗結(jié)果

從圖7可以看出，隨著磁場強(qiáng)度的提高，磁選鐵粉鐵品位小幅下降，鐵回收率小幅上升。綜合考慮，確定弱磁選磁場強(qiáng)度為118 kA/m，對應(yīng)的磁選鐵粉鐵品位為91.00%、作業(yè)回收率為90.83%。

3.3 還原產(chǎn)物與磁選鐵粉的XRD分析

對褐煤用量為煤與試樣總質(zhì)量的10%，還原溫度為1200℃，還原時間為60 min的深度還原產(chǎn)物及磨礦細(xì)度為－74μm占85%，弱磁選磁場強(qiáng)度為118 kA/m的磁選鐵粉進(jìn)行了XRD分析，結(jié)果見圖8、圖9。

從圖8可以看出，深度還原產(chǎn)物中未見赤鐵礦、磁鐵礦等礦物的特征峰，但有單質(zhì)鐵礦物的特征峰，說明深度還原使大量的鐵氧化物還原成了單質(zhì)鐵。

從圖9可以看出，磁選鐵粉中主要為單質(zhì)鐵的特征峰，表明磨礦—弱磁選有效地分離富集了深度還原產(chǎn)物中的單質(zhì)鐵。

磁選鐵粉中微量的磷化鐵(Fe3P)是由還原焙燒生成的Fe3P與鐵單質(zhì)形成Fe3P－Fe二元共晶，弱磁選難以分離所致。

4 結(jié)論

(1)稀土尾礦中的鐵礦物成分復(fù)雜，磁選預(yù)拋尾精礦深度還原—弱磁選工藝可以高效回收稀土尾礦中的鐵礦物。

(2)試樣適宜的深度還原條件為褐煤用量為試樣與褐煤總質(zhì)量的10%、還原溫度為1200℃、還原時間為60 min，還原產(chǎn)物磨礦細(xì)度為 －74μm占85%、弱磁選磁場強(qiáng)度為118 kA/m，獲得的磁選鐵粉鐵品位為91.00%、還原產(chǎn)物弱磁選作業(yè)回收率為90.83%、鐵綜合回收率可達(dá)78.20%。

(3)深度還原產(chǎn)物和磁選鐵粉的XRD分析結(jié)果表明，還原對象中的復(fù)雜鐵礦物經(jīng)深度還原大都變成了單質(zhì)鐵，弱磁選可以對這些單質(zhì)鐵進(jìn)行高效富集。

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