湖北某鮞狀赤鐵礦石懸浮焙燒試驗(yàn)研究

王 儒 韓躍新 李艷軍 張?jiān)?陳 超

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110819;2.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所，四川 成都610041)

近年來，隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，對鐵礦石的需求迅速增加，雖然我國鐵礦石產(chǎn)量也在逐年增長，但增長速率遠(yuǎn)低于鋼鐵產(chǎn)量的增長速率，無法滿足鋼鐵企業(yè)的需求。2014 年我國粗鋼產(chǎn)量為8.23億t，占世界粗鋼產(chǎn)量的50.26%。2014 年我國累計(jì)進(jìn)口鐵礦石9.33 億t，同比增長13.8%，對外依存度高達(dá)78.5%［1］。鮞狀赤鐵礦嵌布粒度極細(xì)，且常與菱鐵礦、鮞綠泥石和含磷礦物共生或相互包裹，是目前國際公認(rèn)最難選的鐵礦石類型之一［2-4］。我國鮞狀赤鐵礦儲量豐富，占鐵礦資源總儲量的1/9，卻基本沒有得到開發(fā)利用［5-7］。因此開展鮞狀赤鐵礦的選別工藝研究，對提高我國可利用鐵礦資源儲量及國內(nèi)鐵礦石供給能力具有重要意義。

磁化焙燒是處理難選鐵礦石的有效技術(shù)，其可將弱磁性鐵礦物轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)磁性鐵礦物，再通過弱磁選工藝獲得較好的選別指標(biāo)［8］。但傳統(tǒng)磁化焙燒裝備及技術(shù)存在著還原時(shí)間長、還原不均勻、能耗及生產(chǎn)成本高等問題，制約了該技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［9］。懸浮焙燒具有焙燒時(shí)間短、熱利用效率高、處理能力大等優(yōu)點(diǎn)，可在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)鐵礦石的磁性轉(zhuǎn)變，為難選鐵礦石的利用開辟了新的途徑。本研究采用懸浮焙燒技術(shù)將鮞狀赤鐵礦中的弱磁性鐵礦物轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)磁性的磁鐵礦，再通過磁選進(jìn)行分離，為鮞狀赤鐵礦的高效利用提供了新的技術(shù)路線。

1 試驗(yàn)原料與試驗(yàn)方法

1.1 礦石性質(zhì)

試驗(yàn)原料取自湖北宜昌，采用三段一閉路破碎流程將礦樣破碎至－3 mm，經(jīng)混勻、縮分后制備出試驗(yàn)和檢測所需樣品。礦石化學(xué)多元素分析結(jié)果如表1所示，XRD 分析結(jié)果如圖1 所示。

表1 礦石化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 The chemical composition of iron ore %

圖1 礦石XRD 圖譜Fig.1 XRD pattern of the ore

由表1 可知:試驗(yàn)礦石主要有用元素為鐵，其含量為46.31%，雜質(zhì)成分主要為SiO2;礦石中磷的含量高達(dá)1.25%，表明該礦石為高磷鮞狀赤鐵礦石。

由圖1 可知，試驗(yàn)礦石中鐵主要以赤鐵礦的形式存在，脈石礦物主要為石英、綠泥石、方解石、磷灰石。

1.2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所采用的裝置為間歇式懸浮焙燒爐，見圖2。該懸浮焙燒裝置主要由給料斗、加熱裝置、溫度控制系統(tǒng)、出料斗、除塵器等組成，加熱方式為電加熱，懸浮爐中裝有熱電偶，以監(jiān)測爐內(nèi)溫度。還原氣體采用H2與N2的混合氣體，在氣體輸送管道中均裝有閥門、流量計(jì)和壓力表，以實(shí)現(xiàn)對還原氣體流量及比例的控制。

當(dāng)爐內(nèi)溫度升至預(yù)定值時(shí)，向懸浮焙燒爐內(nèi)通入預(yù)熱后的N2以排空反應(yīng)爐內(nèi)的空氣，然后通入H2與N2的體積比為2∶ 3 的混合氣體，速度為1.4 m/s，細(xì)磨后物料經(jīng)給料斗給入懸浮爐中進(jìn)行磁化焙燒，完成焙燒的物料進(jìn)入出料斗，在N2的保護(hù)下冷卻至室溫，氣體和微細(xì)粒的粉塵進(jìn)入除塵裝置實(shí)現(xiàn)氣固分離，粉塵收集在除塵裝置中。采用球磨機(jī)將焙燒產(chǎn)品磨至－0.035 mm 占90%，在磁場強(qiáng)度為85 kA/m 條件下采用磁選管1 次磁選得鐵精礦。

圖2 懸浮焙燒試驗(yàn)裝置Fig.2 Device of suspension roasting furnace

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 給礦細(xì)度試驗(yàn)

給礦細(xì)度影響焙燒過程中物料的傳熱和傳質(zhì)速率。物料粒度越小，顆粒比表面積越大，傳熱、傳質(zhì)效率也就越高。但物料粒度過小，懸浮焙燒過程中顆粒易發(fā)生團(tuán)聚，不利于氣固相間的熱傳遞，會(huì)降低還原速率。因此，在還原溫度為600 ℃條件下，對－0.074 mm 含量分別為60%、70%、80%、90%的物料進(jìn)行懸浮焙燒試驗(yàn)，焙燒產(chǎn)品磁選試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，焙燒產(chǎn)品XRD 圖譜分析結(jié)果如圖4 所示。

圖3 給礦細(xì)度對磁選指標(biāo)的影響Fig.3 Effect of particle size on indexes of magnetic separation

圖4 不同給礦細(xì)度下焙燒產(chǎn)品的XRD 圖譜Fig.4 XRD patterns of roasted products under different particle size

由圖3 可知:當(dāng)給礦中－0.074 mm 含量由60%提高至80%時(shí)，磁選精礦鐵品位和回收率均隨給料細(xì)度的增加而升高，當(dāng)給礦細(xì)度為－0.074 mm 占80%時(shí)，精礦鐵品位和回收率均達(dá)到最大值，分別為53.14%和42.94%。給礦粒度較粗時(shí)，還原反應(yīng)不夠充分，磁選指標(biāo)不佳;隨著給礦粒度變細(xì)，物料比表面積增加，與還原氣體接觸更充分，還原反應(yīng)更徹底，焙燒產(chǎn)品中磁鐵礦含量增加(圖4)。當(dāng)給礦中－0.074 mm含量由80%提高至90%時(shí)，精礦鐵品位和回收率均小幅降低。給礦粒度過細(xì)，會(huì)使物料中微細(xì)粒顆粒發(fā)生過還原，生成弱磁性的浮氏體(圖4)，降低分選指標(biāo)。確定最佳的給礦細(xì)度為－0.074 mm占80%。

2.2 還原溫度試驗(yàn)

還原溫度是懸浮焙燒過程中的重要影響因素。溫度過低，還原焙燒時(shí)的反應(yīng)速度較低;溫度過高，易產(chǎn)生過還原，生成弱磁性的浮氏體，此外，還原溫度過高，還會(huì)增加生產(chǎn)成本。因此，在給礦細(xì)度為－0.074 mm 占80%，溫度分別為550，600，650，700 ℃條件下進(jìn)行還原溫度試驗(yàn)，還原溫度對焙燒產(chǎn)品磁選指標(biāo)的影響如圖5 所示，不同還原溫度焙燒產(chǎn)品的XRD 圖譜如圖6 所示。

圖5 還原溫度對磁選指標(biāo)的影響Fig.5 Effect of reduction temperature on indexes of magnetic separation

圖6 不同還原溫度下焙燒產(chǎn)品的XRD 圖譜Fig.6 XRD patterns of roasted material under different reduction temperature

由圖5 可知:當(dāng)還原溫度由550 ℃增加到650 ℃時(shí)，磁選精礦鐵品位和回收率隨還原溫度的升高而升高，在還原溫度為650 ℃時(shí)，精礦鐵品位和回收率達(dá)到最大值，分別為57.24%、62.70%;還原溫度由650 ℃升高至700 ℃時(shí)，精礦鐵回收率降至54.10%。由圖6 可知，當(dāng)還原溫度由550 ℃升至650 ℃時(shí)，赤鐵礦的衍射峰逐漸減弱，而磁鐵礦的衍射峰則逐漸增強(qiáng)。這是由于赤鐵礦的還原反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，提高還原溫度可大幅加快還原反應(yīng)速度，促進(jìn)物料中的赤鐵礦還原為強(qiáng)磁性的磁鐵礦，反應(yīng)更充分。繼續(xù)提高溫度至700 ℃，磁鐵礦的衍射峰強(qiáng)度減弱，并有浮氏體特征峰出現(xiàn)，表明新生成的磁鐵礦與H2繼續(xù)反應(yīng)，生成亞鐵相的浮氏體。因此，確定最佳的還原溫度為650 ℃。

2.3 還原時(shí)間試驗(yàn)

在給礦細(xì)度為－0.074 mm 占80%、還原溫度為650 ℃時(shí)，磁選獲得的精礦指標(biāo)較低，而且焙燒產(chǎn)品中赤鐵礦含量較高(圖6)，為此，擬采用延長還原時(shí)間的方法提高選礦指標(biāo)。而本研究采用間歇式懸浮焙燒爐，在其他試驗(yàn)條件確定時(shí)，無法調(diào)整還原時(shí)間(本研究物料1 次焙燒的還原時(shí)間為2 s)，因此在給礦細(xì)度為－0.074 mm 占80%、還原溫度為650 ℃的條件下通過增加還原次數(shù)來延長還原時(shí)間。還原時(shí)間對焙燒產(chǎn)品磁選指標(biāo)的影響如圖7 所示，不同還原時(shí)間焙燒產(chǎn)品的XRD 圖譜如圖8 所示。

由圖7 可知，隨著還原時(shí)間的延長，精礦鐵品位小幅增加，精礦鐵回收率則隨著焙燒時(shí)間的增加而增大，由62.7%增加至85.76%。由圖8 可知:隨著還原時(shí)間的延長，赤鐵礦的衍射峰逐漸消失，磁鐵礦的衍射峰逐漸增強(qiáng)。在焙燒時(shí)間為8 s 時(shí)，赤鐵礦的特征峰已經(jīng)消失，僅有磁鐵礦和石英的衍射峰。在還原時(shí)間較短時(shí)還原反應(yīng)不充分，延長還原時(shí)間有利于赤鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦，還原物料中強(qiáng)磁性礦物含量逐漸升高，鐵回收率也隨之增加。在焙燒時(shí)間為10 s 時(shí)，精礦鐵品位和回收率達(dá)到最高，分別為58.32%、85.69%。因此，確定本研究適宜的焙燒時(shí)間為10 s，工業(yè)應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整其他試驗(yàn)參數(shù)實(shí)現(xiàn)還原時(shí)間參數(shù)的調(diào)控。

圖7 還原時(shí)間對磁選指標(biāo)的影響Fig.7 Effect of reduction time on indexes of magnetic separation

圖8 不同還原時(shí)間下焙燒產(chǎn)品的XRD 圖譜Fig.8 XRD patterns of roasted material under different reduction time

根據(jù)不同懸浮焙燒條件對焙燒物料磁選的影響，最終確定適宜的試驗(yàn)條件為給礦細(xì)度－0.074 mm 占80%、H2濃度40%、氣體速度1.4 m/s、還原溫度650℃、還原時(shí)間10 s。將最佳條件下獲得的懸浮焙燒物料細(xì)磨至－0.035 mm 占90%，在磁場強(qiáng)度為85 kA/m 條件下磁選得鐵精礦，磁選鐵精礦化學(xué)成分分析結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，磁選精礦中有害元素磷含量仍較高，需在后續(xù)作業(yè)中對磷進(jìn)行脫除。

表2 磁選精礦化學(xué)成分分析結(jié)果Table 2 The chemical composition analysis of magnetic concentrate %

2.4 懸浮焙燒前后物料的磁性分析

鮞狀赤鐵礦礦石中的弱磁性鐵礦物通過懸浮焙燒轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)磁性鐵礦物，然后通過磁選實(shí)現(xiàn)有用礦物與脈石礦物的分離，因此，探明懸浮焙燒前后物料的磁性變化對懸浮焙燒過程研究具有重要意義。采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)對原礦及在給礦細(xì)度為－0.074 mm占80%、H2濃度為40%、氣體速度為1.4 m/s、還原溫度為650 ℃、焙燒時(shí)間為10 s 條件下獲得的焙燒產(chǎn)品分別分析其磁化強(qiáng)度和比磁化率隨磁化場強(qiáng)的變化規(guī)律，結(jié)果分別見圖9、圖10。

圖9 懸浮焙燒前后物料磁化強(qiáng)度與磁化場強(qiáng)關(guān)系Fig.9 Relationship between magnetization and magnetic field strength to the material both before and after suspension roasting

圖10 懸浮焙燒前后物料比磁化率與磁化場強(qiáng)關(guān)系Fig.10 Relationship between magnetic susceptibility and magnetic field strength of the material both before and after suspension roasting

由圖9 可知:原礦的磁化強(qiáng)度隨外加磁場的增強(qiáng)呈線性逐漸增大，表現(xiàn)為順磁性，未達(dá)到磁飽和;懸浮焙燒后物料的磁化強(qiáng)度隨外加磁場的增強(qiáng)先迅速升高，隨后趨于平穩(wěn)，達(dá)到磁飽和。

由圖10 可知:原礦的比磁化率隨外加磁場的增強(qiáng)基本不變，表明試驗(yàn)原料呈弱磁性;焙燒產(chǎn)品的比磁化率隨外加磁場的增強(qiáng)先迅速增加后緩慢降低，在磁化場強(qiáng)為42.67 kA/m 時(shí)達(dá)到最大值3.57 ×10－4m3/kg，繼續(xù)增加磁場強(qiáng)度，比磁化率則逐漸減小。這是由于在外加磁場較低時(shí)，隨著磁場強(qiáng)度的增大，磁鐵礦中的磁疇壁迅速發(fā)生位移，磁矩轉(zhuǎn)向磁場方向，直至達(dá)到飽和狀態(tài)，磁飽和后繼續(xù)增加磁場強(qiáng)度，磁矩不變，磁場強(qiáng)度不斷增大，故比磁化率不斷降低［10］。磁性分析表明，鮞狀赤鐵礦中的鐵礦物經(jīng)懸浮焙燒后轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)磁性鐵礦物，礦石的比磁化率顯著提高，擴(kuò)大了鐵礦物與脈石礦物的磁性差異，可通過弱磁選進(jìn)行分離。

3 結(jié) 論

(1)湖北某鮞狀赤鐵礦有用元素主要為鐵，TFe含量為46.31%，鐵主要以赤鐵礦的形式存在，脈石礦物主要為石英、鮞綠泥石、方解石;礦石中磷的含量高達(dá)1.25%，屬高磷鮞狀赤鐵礦石。

(2)在給礦細(xì)度為－0.074 mm 占80%、氣體速度為1.4 m/s、H2與N2的體積比為2∶ 3、還原溫度為650 ℃，還原時(shí)間為10 s 條件下進(jìn)行懸浮焙燒后，焙燒產(chǎn)品磨細(xì)至－0.035 mm 占90%，在磁場強(qiáng)度為85 kA/m 條件下磁選可獲得鐵品位為58.32%、回收率為85.69%的鐵精礦。

(3)磁性分析表明，鮞狀赤鐵礦在磁化場強(qiáng)中呈弱磁性，經(jīng)懸浮焙燒后物料的磁化強(qiáng)度和比磁化率均顯著增強(qiáng)，在磁化場強(qiáng)為42.67 kA/m 時(shí)焙燒物料的比磁化率為3.57 ×10－4m3/kg，懸浮焙燒擴(kuò)大了物料中鐵礦物與脈石礦物的磁性差異，可通過弱磁選進(jìn)行分離。

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