湖南某貧赤鐵礦石還原焙燒—弱磁選試驗(yàn)

黃柱成 文亮明 鐘榮海 姚圣杰 但叢林

(中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083)

我國(guó)是世界上鐵礦資源較豐富的國(guó)家之一，已探明的儲(chǔ)量有578.72 億t［1］，可供開發(fā)利用的約有260億t，且可供利用的鐵礦資源中97%為鐵品位僅33%左右的貧礦［2-3］。隨著我國(guó)鋼鐵行業(yè)的迅速發(fā)展，鐵礦資源消耗速度加快，國(guó)內(nèi)鐵礦資源已無(wú)法滿足鋼鐵生產(chǎn)需要［4-5］，國(guó)內(nèi)多數(shù)鋼鐵企業(yè)不得不大量進(jìn)口鐵礦石，2014 年我國(guó)鐵礦石的對(duì)外依存度高達(dá)62%［6-8］。因此，針對(duì)我國(guó)鐵礦資源特點(diǎn)開發(fā)鐵礦石高效利用技術(shù)迫在眉睫。國(guó)內(nèi)針對(duì)低品位鐵礦石的開發(fā)利用進(jìn)行了大量的研究，由于對(duì)微細(xì)粒嵌布的赤鐵礦石采用常規(guī)選礦工藝很難獲得較好的回收指標(biāo)［9-10］，大都采用直接還原—磁選的方法進(jìn)行處理。魏玉霞等［11］對(duì)寧夏某鐵品位為33.48%、SiO2含量為19.15%的貧赤鐵礦石采用內(nèi)配煤壓團(tuán)直接還原的方法進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，在1 200 ℃下還原40 min，焙燒產(chǎn)品經(jīng)兩段磨選可得到鐵品位為90.05%、回收率為91.26%的直接還原鐵產(chǎn)品。然而，對(duì)于含有大量脈石礦物石英的低品位鐵礦石［12］，在1 100 ～1 200 ℃的溫度范圍內(nèi)焙燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的鐵橄欖石液相，對(duì)直接還原生產(chǎn)的順行造成嚴(yán)重影響。朱德慶等［13］在湖南某鐵品位為28. 83%、SiO2含量為45.18%的貧赤鐵礦中添加煤粉后，在950 ℃下還原焙燒80 min，經(jīng)3 段磨選獲得了鐵品位為69.54%、回收率為65.58%、鐵金屬化率為98.02%的鐵精礦，但此法存在磨選流程長(zhǎng)、能耗高、鐵回收率較低的問題，且得到的鐵精礦中SiO2含量較高，達(dá)26.76%，直接作為煉鋼原料會(huì)增加渣量。本研究對(duì)湖南祁東某高硅低品位微細(xì)粒嵌布赤鐵礦石采用配加添加劑、內(nèi)配煤制粒的方法進(jìn)行還原焙燒—弱磁選試驗(yàn)，以為該鐵礦資源的開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)原料

1.1 鐵礦石

試驗(yàn)礦石為湖南祁東某貧赤鐵礦石，來(lái)樣為粉礦，－0.045 mm 占71.41%，其化學(xué)多元素分析結(jié)果和鐵物相分析結(jié)果分別見表1、表2。

表1 礦石化學(xué)多元素分析結(jié)果Table 1 Chemical elements analysis results of raw ore %

表2 礦石鐵物相分析結(jié)果Table 2 Iron phase analysis results of the ore %

由表1、表2 可知:礦石鐵品位較低(僅31.77%)，鐵主要以赤鐵礦和褐鐵礦的形式存在;主要雜質(zhì)成分為SiO2，有害元素硫含量低。

礦石掃描電鏡分析結(jié)果以及赤鐵礦嵌布粒度分析結(jié)果如圖1 和表3 所示。

圖1 礦石掃描電鏡分析結(jié)果Fig.1 Microstructure image of raw ore

由圖1 和表3 可知，礦石中主要礦物為赤鐵礦和石英，赤鐵礦多呈微細(xì)粒嵌布，在－0.01 mm 粒級(jí)的分布率為49.94%，且赤鐵礦與脈石嵌布關(guān)系復(fù)雜，因此采用常規(guī)的選礦方法難以實(shí)現(xiàn)赤鐵礦的有效分選。

表3 赤鐵礦嵌布粒度分析結(jié)果Table 3 Particle size distribution results of hematite

1.2 還原煤

試驗(yàn)采用來(lái)自陜西的神木煤作為還原用煤，一部分作為外配煤直接使用，另一部分用顎式破碎機(jī)破碎至－1 mm，再用球磨機(jī)磨至－0.074 mm占40%作為內(nèi)配煤，其工業(yè)分析結(jié)果(以空氣干燥基計(jì)算)如表4所示。

表4 還原煤工業(yè)分析結(jié)果Table 4 Industrial analysis results of reductant coal%

由表4 可以看出，還原煤固定碳和揮發(fā)分含量高、灰分含量低，有害元素S 含量很低，是一種性能良好的還原劑。

1.3 膨潤(rùn)土

為改善礦石的成球性能，制球時(shí)添加來(lái)自山東的鈣基膨潤(rùn)土，其物理性能指標(biāo)如表5 所示。

表5 膨潤(rùn)土的物理性能指標(biāo)Table 5 Physical properties of bentonite

2 試驗(yàn)方法

稱取一定量(以添加劑與礦石+內(nèi)配煤粉的質(zhì)量比表示)添加劑(該添加劑易溶于水，可以促進(jìn)鐵礦內(nèi)配煤制粒小球的還原)，加入占礦石和內(nèi)配煤粉總質(zhì)量8%的水進(jìn)行溶解，再加入1.0%的膨潤(rùn)土(以膨潤(rùn)土與礦石+內(nèi)配煤粉的質(zhì)量比表示)及一定量的內(nèi)配還原煤粉(用煤粉中固定碳含量與礦石中全鐵含量的質(zhì)量比表示，即m(C)∶ m(Fe))，然后加入礦石，充分混合后制成直徑為3 ～5 mm、含水率為11.5%的生球。生球在110 ℃的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥2 h，稱取350 g 干燥后的小球加入已升至預(yù)定溫度的回轉(zhuǎn)管中時(shí)，同時(shí)外配質(zhì)量為焙燒小球質(zhì)量20%的還原煤(1 ～5 mm)，按照預(yù)定的溫度和時(shí)間進(jìn)行還原焙燒，焙燒完成后向回轉(zhuǎn)管中通入N2進(jìn)行冷卻，冷卻后將還原球團(tuán)錘碎至－1 mm，采用RK/ZQM(BM)系列智能球磨機(jī)、XCGS －73 型磁選管進(jìn)行磨礦—弱磁選試驗(yàn)。試驗(yàn)流程如圖2 所示，還原焙燒設(shè)備回轉(zhuǎn)管的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 試驗(yàn)流程Fig.2 Flow chart of experiment

圖3 還原焙燒設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.3 Equipment structure of reduction roasting

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 還原焙燒試驗(yàn)

3.1.1 內(nèi)配煤用量對(duì)焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率的影響

在添加劑用量為3%、還原溫度為960 ℃、還原時(shí)間為35 min 時(shí)，考察內(nèi)配煤用量對(duì)焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率的影響，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 內(nèi)配煤用量對(duì)焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率的影響Fig.4 Effect of coal dosage on the iron metallization of roasted products

由圖4 可知:未添加內(nèi)配煤進(jìn)行還原焙燒時(shí)，焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率僅28.51%;內(nèi)配m(C)∶ m(Fe)為0.3 的還原煤時(shí)，焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率提高到86.15%;此后再增加內(nèi)配煤用量，焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率呈下降趨勢(shì)。在外配煤為回轉(zhuǎn)管內(nèi)部空間提供充足還原氣氛的同時(shí)，內(nèi)配煤可以改善小球內(nèi)部的還原氣氛，增加小球內(nèi)外傳熱和傳質(zhì)的均勻性［14］，且內(nèi)配煤燃燒后產(chǎn)生的孔隙有利于還原氣體的擴(kuò)散和鐵氧化物還原反應(yīng)的進(jìn)行，外配煤與內(nèi)配煤協(xié)同使用，可使鐵礦物還原更加充分、均勻;內(nèi)配煤用量過(guò)大時(shí)，殘留在小球內(nèi)部未反應(yīng)的煤粉會(huì)阻礙金屬鐵的擴(kuò)散聚集，反而對(duì)鐵礦物還原不利，焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率降低。因此，內(nèi)配煤用量以m(C)∶ m(Fe)為0.3 最佳。

3.1.2 添加劑用量對(duì)焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率的影響

在m(C)∶ m(Fe)為0.3、還原溫度為960 ℃、還原時(shí)間為35 min 時(shí)，考察添加劑用量對(duì)焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率的影響，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 添加劑用量對(duì)焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率的影響Fig.5 Effect of sodium additives dosage on the iron metallization of roasted products

由圖5 可知，隨著添加劑用量的增加，焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率逐漸提高，但提高幅度逐漸變小。加入適量的添加劑后，鐵礦石的還原速度加快，在相同的還原時(shí)間內(nèi)可以得到鐵金屬化率更高的焙燒產(chǎn)品，綜合考慮，適宜的添加劑用量為3%。

3.1.3 還原溫度對(duì)焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率的影響

在添加劑用量為3%、m(C)∶ m(Fe)為0.3、還原時(shí)間為35 min 時(shí)，考察還原焙燒溫度對(duì)焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率的影響，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 還原溫度對(duì)焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率的影響Fig.6 Effect of reduction temperature on the iron metallization of roasted products

由圖6 可知，隨著還原溫度由900 ℃升高到960℃，焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率從67.57%提高到86.15%，隨著還原溫度進(jìn)一步升高至980 ℃，鐵金屬化率下降到83.13%。在一定范圍內(nèi)，隨著還原溫度的升高，布多爾反應(yīng)加劇，氣相CO 濃度上升，鐵氧化物還原加快，但還原溫度過(guò)高，礦石中的SiO2很容易與還原中間產(chǎn)物FeO 生成低熔點(diǎn)的鐵橄欖石液相，阻礙還原氣體的擴(kuò)散［15-16］，影響鐵礦物還原反應(yīng)的進(jìn)行，降低焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率。綜合考慮，確定還原溫度為960 ℃。

3.1.4 還原時(shí)間對(duì)焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率的影響

在添加劑用量為3%、m(C)∶ m(Fe)為0.3、還原溫度為960 ℃時(shí)，考察還原時(shí)間對(duì)焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率的影響，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 還原時(shí)間對(duì)焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率的影響Fig.7 Effect of reduction time on the iron metallization of roasted products

由圖7 可知:隨著還原時(shí)間由15 min 延長(zhǎng)到35 min，焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率由67.89% 提高到86.15%;隨著還原時(shí)間由35 min 延長(zhǎng)到45 min，鐵金屬化率小幅降低。適當(dāng)延長(zhǎng)還原時(shí)間有利于鐵礦物還原反應(yīng)的進(jìn)行，鐵金屬化率隨還原時(shí)間延長(zhǎng)而升高;還原時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，還原劑消耗量增加，還原氣氛減弱，已被還原的鐵易發(fā)生二次氧化，從而導(dǎo)致焙燒產(chǎn)品鐵金屬化率隨還原時(shí)間延長(zhǎng)而降低。因此，確定還原時(shí)間為35 min，此時(shí)可以得到鐵含量為32.08%、金屬鐵含量為27.64%、鐵金屬化率為86.15%的焙燒產(chǎn)品。

3.2 焙燒產(chǎn)品磨礦—弱磁選試驗(yàn)

對(duì)最佳還原焙燒條件下獲得的焙燒產(chǎn)品進(jìn)行磨礦—弱磁選試驗(yàn)。

3.2.1 磨礦細(xì)度對(duì)精礦指標(biāo)的影響

在磁場(chǎng)強(qiáng)度為183 kA/m 時(shí)，考察磨礦細(xì)度對(duì)精礦指標(biāo)的影響，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 磨礦細(xì)度對(duì)精礦指標(biāo)的影響Fig.8 Effect of grinding fineness on index of concentrate

由圖8 可知:隨著磨礦細(xì)度的提高，精礦鐵品位提高，鐵回收率降低;當(dāng)磨礦細(xì)度由－0.045 mm 占60%提高到－0.045 mm 占95% 時(shí)，精礦鐵品位從48.58%提高到80.23%，鐵回收率從88.31%下降到80.78%;當(dāng)磨礦細(xì)度進(jìn)一步提高到－0.045 mm 占100%(－0.038 mm 占85.30%)時(shí)，精礦鐵品位略有提高，但鐵回收率由80.78%降低到77.30%。綜合考慮，確定磨礦細(xì)度為－0.045 mm 占95%。

3.2.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)精礦指標(biāo)的影響

當(dāng)磨礦細(xì)度為－0.045 mm 占95%時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)精礦指標(biāo)的影響如圖9 所示。

圖9 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)精礦指標(biāo)的影響Fig.9 Effect of magnetic field intensity on index of concentrate

由圖9 可知:隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的提高，精礦鐵品位降低，鐵回收率提高;當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度由57 kA/m 提高到183 kA/m 時(shí)，精礦鐵品位從 84.37% 降低到80.23%，鐵回收率從66.37%升高到80.78%;當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步提高到217 kA/m 時(shí)，鐵回收率小幅提高，但鐵品位下降幅度較大。綜合考慮，選擇磁場(chǎng)強(qiáng)度為183 kA/m，此時(shí)所獲精礦的化學(xué)多元素分析結(jié)果見表6。

表6 精礦化學(xué)多元素分析結(jié)果Table 6 Chemical elements analysis of iron concentrate %

由表6 可知，試驗(yàn)所得精礦鐵品位較高，且鐵主要以金屬鐵形式存在，有害雜質(zhì)P、S 含量低，SiO2含量由原礦中的41.83%降低到了9.48%，取得了較好的分選效果。

4 結(jié) 論

(1)湖南祁東某貧鐵礦石鐵品位為31.77%，礦石中鐵主要以赤鐵礦形式存在;赤鐵礦多呈微細(xì)粒嵌布，－0.01 mm 粒級(jí)的分布率為49.94%。

(2)制備還原球團(tuán)時(shí)，添加內(nèi)配煤可以改善小球內(nèi)部的還原氣氛，增加小球內(nèi)外傳熱和傳質(zhì)的均勻性，且內(nèi)配煤燃燒后產(chǎn)生的孔隙利于還原氣體的擴(kuò)散和鐵氧化物還原反應(yīng)的進(jìn)行，外配煤與內(nèi)配煤協(xié)同使用，可使小球還原更加充分、均勻。

(3)采用配加添加劑、內(nèi)配煤制成直徑為3 ～5 mm 小球的方法進(jìn)行直接還原焙燒，在添加劑用量為3%、m(C)∶ m(Fe)為0.3 時(shí)制成直徑3 ～5 mm 的小球，小球在外配煤用量為20%、還原溫度為960℃、還原時(shí)間為35 min 時(shí)可以得到鐵金屬化率為86.15%的焙燒產(chǎn)品，焙燒產(chǎn)品在磨礦細(xì)度為－0.045 mm 占95%、磁場(chǎng)強(qiáng)度為183 kA/m 條件下弱磁選，獲得了鐵品位為80.23%、SiO2含量為9.48%、鐵回收率為80.78%的精礦，實(shí)現(xiàn)了該鐵礦石的高效分選。

［1］ 張涇生.我國(guó)鐵礦資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］. 中國(guó)冶金，2007，13(1):1-6.

Zhang Jingsheng.Status and trend of exploitation and utilization of iron ore resources in China［J］.China Metallurgy，2007，13(1):1-6.

［2］ 侯宗林.中國(guó)鐵礦資源現(xiàn)狀與潛力［J］. 地質(zhì)找礦論叢，2005，20(4):242-247.

Hou Zonglin.Current situation and potential of iron ore resources in China［J］.Contribution to Geology and Mineral Resource Research，2005，20(4):242-247.

［3］ 王海軍，張國(guó)華.我國(guó)鐵礦資源勘查現(xiàn)狀及供需潛力分析［J］.中國(guó)國(guó)土資源經(jīng)濟(jì)，2013，31(11):35-39.

Wang Haijun，Zhang Guohua. Exploration situation and potential analysis on supply and demand of China's iron ore resources［J］.Natural Resource Economics of China，2013，31(11):35-39.

［4］ 余永富.從煉鐵工業(yè)發(fā)展討論我國(guó)鐵礦選礦發(fā)展方向［J］.金屬礦山，2002 (8):5-9.

Yu Yongfu.On the development orientation of China's iron ore beneficiation in view of its iron-making industry development actualities［J］.Metal Mine，2002 (8):5-9.

［5］ 鄒 健.2006 年中國(guó)鐵礦業(yè)面臨的形勢(shì)［J］. 金屬礦山，2006(1):15-18.

Zou Jian.Situation facing China’s iron ore industry in 2006［J］.Metal Mine，2006(1):15-18.

［6］ 劉 軍. 中國(guó)鐵礦資源的現(xiàn)狀與對(duì)策［J］. 中國(guó)礦業(yè)，2009，18(12):1-2.

Liu Jun.The actuality and countermeasure of the iron ore resource in China［J］.China Mining Magazine，2009，18(12):1-2.

［7］ 余永富.我國(guó)鐵礦礦冶形勢(shì)及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2005，25(6):43-46.

Yu Yongfu. Processing state and technology progress of iron ore in China［J］.Conservation and Utilization of Mineral Resources，2005，25(6):43-46.

［8］ 張艷飛，陳其慎，于汶加，等.2015—2040 年全球鐵礦石供需趨勢(shì)分析［J］.資源科學(xué)，2015，37(5):921-932.

Zhang Yanfei，Chen Qishen，Yu Wenjia，et al. The supply and demand trend analysis of global iron ore during 2015 to 2040［J］.Resources Science，2015，37(5):921-932.

［9］ 劉桂卿，趙運(yùn)歡，邱 俊，等. 某低品位鐵礦石的選礦工藝研究［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2010 (11):14-16.

Liu Guiqing，Zhao Yunhuhan，Qu Jun，et al. Study on mineral processing technology of a low-grade iron ore［J］.Modern Mining，2010(11):14-16.

［10］ 李永聰，陶清泉. 極貧磁鐵礦石的選礦實(shí)驗(yàn)研究與生產(chǎn)實(shí)踐［J］.金屬礦山，2001 (11):37-39.

Li Yongcong，Tao Qingquan. Experiment research and production practice of ultra lean magnetite ore beneficiation［J］. Metal Mine，2001 (11):37-39.

［11］ 魏玉霞，孫體昌，寇 玨，等.內(nèi)配煤用量對(duì)某難選鐵礦石壓塊直接還原焙燒的影響［J］. 中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，58(4):1305-1311.

Wei Yuxia，Sun Tichang，Kou Jue，et al.Effect of coal dosage on direct reduction roasting of refractory iron ore briquettes［J］. Journal of Central South University:Science and Technology，2013，58(4):1305-1311.

［12］ 朱德慶，鄧秀蘭，春鐵軍，等. 某微細(xì)嵌布貧赤鐵礦石直接還原—弱磁選試驗(yàn)［J］.金屬礦山，2012，47(2):60-66.

Zhu Deqing，Deng Xiulan，Chun Tiejun，et al.Research of superfine low grade hematite by coal-based direct reduction-low intensity magnetic separation［J］.Metal Mine，2012，47(2):60-66.

［13］ 朱德慶，翟 勇，潘 建，等.煤基直接還原—磁選超微細(xì)貧赤鐵礦新工藝［J］. 中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，53(6):1132-1138.

Zhu Deqing，Zhai Yong，Pan Jian，et al. Beneficiation of super microfine low-grade hematite ore by coal-based direct reduction-magnetic concentration process［J］. Journal of Central South University:Science and Technology，2008，53(6):1132-1138.

［14］ 許 斌，莊劍鳴，白國(guó)華，等.低品位鐵礦煤基直接還原的研究［J］.礦產(chǎn)綜合利用，2001，22(6):20-24.

Xu Bin，Zhuang Jianming，Bai Guohua，et al.Study of low-grade iron ore with coal based direct reduction［J］. Multipurpose Utilization of Mineral Resources，2001，22(6):20-24.

［15］ 朱子宗，張丙懷.煤基直接還原貧菱鐵礦冶煉海綿鐵的試驗(yàn)研究［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1998，43(2):101-105.

Zhu Zizong，Zhang Binghuai.An experimental research on coal-base reducing poor siderite to sponge iron［J］.Journal of Chongqing University:Science and Technology，1998，43(2):101-105.

［16］ 朱德慶，郭宇峰，邱冠周，等.釩鈦磁鐵精礦冷固結(jié)球團(tuán)催化還原機(jī)理［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2000，45(3):208-211.

Zhu Deqing，Guo Yufeng，Qiu Guanzhou，et al.Catalyzing the direct reduction of cold-bound pellets form vanado-titanium magnetite concentrate［J］. Journal of Central South University:Science and Technology，2000，45(3):208-211.