赤泥還原焙燒磁選回收鐵的試驗研究

趙玉蓮，劉 敬，何瑞明，桂亞軍，吳雷斌

山西省地質(zhì)調(diào)查院，山西 太原030001

赤泥還原焙燒磁選回收鐵的試驗研究

趙玉蓮，劉 敬，何瑞明，桂亞軍，吳雷斌

山西省地質(zhì)調(diào)查院，山西 太原030001

針對赤泥普遍含鐵低、有價元素稀土和鈧含量較高的特點，采用還原焙燒磁選工藝對原平某地鋁土礦赤泥進行回收鐵的試驗，研究了溫度、時間、還原劑用量、添加劑、磨礦細(xì)度及場強對鐵精礦品位和回收率的影響．結(jié)果表明：在焙燒溫度1160 ℃、還原時間70 min及赤泥∶焦炭∶氟化鈣含量為100∶8∶8、磨礦細(xì)度-0.045 mm占97%、磁場強度為300 mT的條件下，所得鐵精礦品位63.71%、回收率83.36%，精礦中鈧損失率為8.63%、RE損失率為9.55%；磁選尾渣可作為分選稀土的原料，尾渣中含鐵2.56%，有利于鈧和稀土的分離．

低鐵赤泥；還原焙燒；鐵精礦；磁選

赤泥是氧化鋁生產(chǎn)過程中主要的固體廢棄物，含有鐵、鋁、硅、鈣、鈧、稀土等有價成分，因此綜合開發(fā)利用尾礦資源成為當(dāng)前急待解決的問題．

試驗原料為中電投山西鋁業(yè)有限責(zé)任公司下屬Al2O3生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)生的赤泥，該赤泥特點是鐵含量低、稀土和鈧含量較高．由于稀土和鈧的附加值高，因此該赤泥具有潛在的經(jīng)濟價值．回收赤泥中鈧時，鐵的存在會直接影響鈧的浸出及萃取，優(yōu)先分離鐵有利于后續(xù)鈧與稀土的提純．由于赤泥成分的復(fù)雜性，采用常規(guī)選礦方法回收赤泥中的鐵效果不好，本研究采用還原焙燒磁選工藝回收鋁土礦赤泥中的鐵.為找到回收赤泥中鐵的有效方法，提供了非常重要的依據(jù)．

1 試驗原料及研究方法

1.1 試驗原料

試驗原料采至中電投山西鋁業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，赤泥化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、XRD分析、鐵物相分析及鐵礦物嵌布粒度分布分別列于表1～表4．

表1 赤泥的主要化學(xué)成分

注：1)Sc和RE含量g/t

表2 赤泥中主要礦物含量

續(xù)表2

表3 赤泥鐵物相分析

表4 赤泥主要礦物嵌布粒度分布

由表1～表4可知：赤泥中全鐵品位含量較低，僅為11.59%；赤泥中鐵礦物有鋁針鐵礦和赤鐵礦，脈石礦物主要有加藤石、方鈉石、方解石和鈣霞石等;鐵礦物嵌布粒度很細(xì)，其中赤鐵礦中粒度小于0.01 mm的鐵礦物占到64.45%，鋁針鐵礦占到22.91%，含鐵礦物在粒度小于0.01 mm的粒級中約占48%.

在還原焙燒試驗中所用的還原劑分別為焦炭、褐煤、煙煤、無煙煤，它們的工業(yè)分析及化學(xué)成分列于表5，其中水份為分析基含量，灰份、揮發(fā)份、固定碳為干基含量．還原焙燒試驗中所用的添加劑分別為CaF2，Na2SO4和Na2CO3，添加劑的純度均為分析純(AR).

表5 還原劑工業(yè)分析及主要成分分析

1.2 研究方法

將赤泥、還原劑、添加劑按一定比例混合均勻后，置剛玉坩堝于馬佛爐內(nèi)，按試驗設(shè)計的溫度、時間進行還原焙燒．還原后的物料經(jīng)水淬、烘干后磨礦，然后進入磁選分離作業(yè)，圖1為還原焙燒試驗流程示意圖．

圖1 還原焙燒磁選原則流程圖Fig.1 The roasted magnetic separation flow sheet

主要試驗儀器：SRJX-8-13箱式電阻爐、XMZ1-63型錐形球磨機、RK/CXG-Ф50磁選管、GZX-9240MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱、XCRS-74鼓型濕法弱磁選機和XMQ-67型240×90錐形球磨機．

2 還原焙燒磁選試驗

還原焙燒磁選工藝包括還原焙燒和磁選兩個步驟．還原焙燒就是在還原過程中通過加入還原劑和添加劑，將赤泥中的非磁性鐵還原成具有磁性的含鐵礦物，然后將焙燒后的含鐵礦物通過磁選進行分離，達(dá)到從赤泥中富集回收鐵的目的，還原焙燒對整個試驗的成功與否起到極其關(guān)鍵的作用．

2.1 還原焙燒

還原焙燒試驗考察了焙燒溫度、還原時間、添加劑及還原劑的用量和種類的影響．

2.1.1 焙燒溫度

在還原過程中焙燒溫度是主要影響因素，焙燒溫度和還原氣氛不同，焙燒產(chǎn)物也不同，因而還原效果不同，所以焙燒試驗先從考察焙燒溫度開始．

在赤泥∶還原劑(焦炭)的比例為10∶2、還原時間為2 h的條件下，考察焙燒溫度對還原效果的影響.赤泥中鐵計算含量為12.44%，試驗結(jié)果列于表6．

表6 焙燒溫度試驗結(jié)果

從理論方面來看[1-3]，鐵氧化還原熱力學(xué)反應(yīng)分為三個區(qū)，溫度t<920 ℃的區(qū)域為Fe3O4存在的穩(wěn)定區(qū)，920 ℃1154 ℃是Fe存在的穩(wěn)定區(qū)．由表6可知：當(dāng)溫度低于800 ℃時，還原不完全；當(dāng)溫度達(dá)到800～900 ℃時，發(fā)生了過還原反應(yīng)，赤泥中鐵大部分還原成Fe3O4，部分鐵還原成FeO；溫度在900～1100 ℃時，赤泥中鐵被過還原，還原過程中還經(jīng)歷了浮氏體過程，由于FeO是不能被磁選的鐵氧化物，加之赤泥中的鐵礦物粒度很細(xì)，在試驗細(xì)度下含鐵礦物難以解離，這些都會影響赤泥中鐵的回收率和品位；當(dāng)溫度升高至1200 ℃，赤泥中的鐵以單質(zhì)Fe形式穩(wěn)定存在，溫度的持續(xù)升高，使鐵顆粒逐漸增多且逐漸長大，這樣易于實現(xiàn)鐵與其他礦物的分離，因此鐵精礦產(chǎn)率、品位、回收率明顯有升高的趨勢．

綜合分析認(rèn)為，當(dāng)焙燒溫度達(dá)到1100 ℃，碳化反應(yīng)主要產(chǎn)物為CO，此時能保證足夠的還原氣氛，另外還原過程中加入添加劑，在1100 ℃的溫度下添加劑開始逐漸發(fā)揮其作用，能改善還原焙燒效果，還原焙燒溫度越高越有利于還原焙燒的進行，所以分別在焙燒溫度1100 ℃和1200 ℃下進行還原劑(焦炭)和添加劑用量的試驗．

2.1.2 還原時間

在赤泥∶還原劑(焦炭)的比例為10∶2、焙燒溫度1100 ℃的條件下，考察還原時間對還原效果的影響.赤泥中鐵計算品位為12.45%，試驗結(jié)果列于表7．

表7 還原時間試驗結(jié)果

由表7可知：當(dāng)還原時間從30 min延長到90 min時，隨著時間的延長，鐵回收率增加比較明顯；當(dāng)焙燒時間延長到120 min時，鐵回收率基本不變，繼續(xù)延長焙燒時間回收率還略有下降．這是因為在還原反應(yīng)的初始階段，CO濃度較高，還原氣氛很強，故反應(yīng)進行的較為激烈，該階段焙燒還原效果明顯，當(dāng)反應(yīng)進行到一定時間后，由于還原劑被消耗了一部分，碳的氣化反應(yīng)速度減慢，還原物料內(nèi)部及爐腔內(nèi)的CO濃度降低，繼續(xù)延長時間，焙燒效果會略有下降，此外還原時間過長，也會降低生產(chǎn)效率，增加能耗．從試驗結(jié)果看，還原時間不是主要影響因素，綜合考慮還原時間暫定為2 h．

2.1.3 還原劑用量

分別控制焙燒溫度為1100 ℃和1200 ℃，還原時間為2 h，考察還原劑用量對還原效果的影響，試驗結(jié)果列于表8．

表8 還原劑(焦炭)用量試驗結(jié)果

由表8可知：當(dāng)溫度為1100 ℃時，隨著還原劑用量的增加，精礦的產(chǎn)率、鐵品位及鐵回收率均提高，但當(dāng)還原劑用量超過20%后，精礦回收率略有下降；當(dāng)溫度為1200 ℃時，還原劑用量為8%時，可獲得品位69.96%、回收率71.13%的鐵精礦指標(biāo)，繼續(xù)增加還原劑用量，精礦回收率明顯降低．由此可知，提高溫度有利于還原劑用量的降低.這是因為溫度越高，碳化反應(yīng)越劇烈，即使還原劑用量較低，仍可在短時間內(nèi)保證焙燒所需的還原氣氛，從而達(dá)到較好的還原效果．

綜合考慮，當(dāng)焙燒溫度為1100 ℃時還原劑用量占20%為宜，當(dāng)溫度1200 ℃時還原劑用量占8%為宜．

2.1.4 還原劑種類

控制焙燒溫度1100 ℃，還原時間2 h，分別選擇褐煤、煙煤、無煙煤、焦炭等不同煤種，考察還原劑種類對還原效果的影響．還原劑用量是在參照焦炭作還原劑時最佳用量條件下，用其固定碳總量進行換算而來.試驗結(jié)果列于表9．

表9 還原劑種類試驗結(jié)果

由表9可知，還原劑種類不同還原焙燒效果也不同．當(dāng)焦炭作還原劑時，鐵精礦品位和回收率都較高，所以認(rèn)為焦炭作還原劑較合適．另外，不同還原劑中的水分、灰分、揮發(fā)份和固定碳都有不同，其中焦炭的水分最低、固定碳含量最高，S和P元素含量也較低，所以焦炭是良好的還原劑．

2.1.5 添加劑種類及條件考察

赤泥中除了含有Fe2O3外還含有Al2O3，SiO2和CaO等，在高溫還原氣氛下，赤泥還原焙燒過程中FeO易與這些鋁、硅化合物間發(fā)生固相反應(yīng)而生成一些復(fù)雜的化合物，從而降低了FeO的還原活度，影響還原焙燒效果．通過添加堿金屬化合物的方式，可使得鋁硅化合物優(yōu)先與添加劑發(fā)生反應(yīng)，從而阻礙了鋁、硅與FeO的結(jié)合，使鐵礦物充分與還原劑結(jié)合，相應(yīng)提高了FeO還原活度，從而改善還原焙燒效果．

在焙燒溫度1100 ℃、還原時間2 h及赤泥與還原劑用量比為10∶2的條件下，分別加入添加劑CaF2，Na2SO4和Na2CO3，進行添加劑種類對還原焙燒效果的影響試驗.赤泥中鐵計算品位為12.45%，試驗結(jié)果列于表10．

由表10可知，在還原焙燒過程中添加CaF2和Na2SO4，均能明顯改善還原焙燒效果．與不加添加劑相比，添加CaF2后鐵精礦回收率明顯提高，而添加Na2SO4后鐵精礦品位提高顯著，加入Na2CO3后作用不明顯．單從試驗結(jié)果分析，CaF2和Na2SO4的混合添加，可能更利于改善還原焙燒效果，但是考慮赤泥是一種綜合利用資源，如果添加劑種類多、用量多，不利于其它有價成分的回收，同時又會產(chǎn)生新的廢棄物．結(jié)合試驗的目的，盡量提高鐵的回收率，降低磁選尾渣中鐵含量，所以選擇單一CaF2作添加劑更合適．

表10 添加劑種類試驗結(jié)果

由于焙燒溫度不同，添加劑在其中作用大小也不同．當(dāng)焙燒溫度分別為1200 ℃和1100 ℃、還原時間分別為1 h和2 h、焦炭用量分別為赤泥的8%和20%時，進行了添加劑CaF2用量分別為赤泥的8%～24%的用量試驗．1100 ℃時赤泥中鐵計算品位為12.45%，1200 ℃時赤泥中鐵計算品位為11.93%，試驗結(jié)果列于表11．

表11 添加劑條件對比試驗結(jié)果

從表11可以看出，當(dāng)溫度為1200 ℃時，隨著CaF2用量的增加，鐵精礦品位降低，回收率增加，在保證還原效果的同時，應(yīng)盡可能的減少添加劑的用量．綜合考慮，選擇溫度1200 ℃，添加劑用量占赤泥8%的條件較合適，此時鐵精礦品位和回收率都較高，而添加劑和還原劑用量最少．

2.1.6 還原焙燒最終工藝條件的確定

通過鐵氧化物還原反應(yīng)的動力學(xué)和碳?xì)饣磻?yīng)的熱力學(xué)分析可知，當(dāng)焙燒溫度t>1154 ℃的區(qū)域是Fe存在的穩(wěn)定區(qū)域，同時該溫度下焦炭氣化反應(yīng)的主要產(chǎn)物為CO．從條件試驗結(jié)果看出，適當(dāng)提高還原溫度可以降低還原劑及添加劑的用量，因此在還原焙燒過程中溫度是最主要的影響因素，提高溫度有利于還原焙燒的進行，但溫度的提高同時也會增加了焙燒成本，考慮到盡量降低焙燒成本，所以最終確定焙燒溫度1160 ℃．當(dāng)焙燒溫度達(dá)到1160 ℃時，既能保證足夠的還原氣氛，也有助于添加劑作用的充分發(fā)揮，同時也是單質(zhì)Fe存在的穩(wěn)定區(qū)域，從而有利于還原焙燒效果的提升．所以認(rèn)為還原焙燒的最終適宜條件為焙燒溫度1160 ℃、還原時間70 min、赤泥∶焦炭∶添加劑用量比例為100∶8∶8．

2.2 磁選試驗

在還原焙燒最終適宜試驗條件下，通過對赤泥焙燒物進行磨礦細(xì)度及磁場強度考察，確定焙燒磁選可能達(dá)到的選別指標(biāo)．

2.2.1 磨礦細(xì)度

磨礦細(xì)度對選礦來說非常重要，過細(xì)和過粗的磨礦細(xì)度均不利于選礦指標(biāo)的提升．在試驗場強為250 mT時進行磨礦細(xì)度試驗.赤泥中鐵計算品位為11.93%，試驗結(jié)果列于表12．

表12 磨礦細(xì)度試驗結(jié)果

在1160 ℃的溫度下，反應(yīng)屬于深度還原反應(yīng)，鐵主要是被還原成單質(zhì)鐵，由于赤泥中鐵品位低且鐵礦物粒度很細(xì)，所以焙燒后的鐵顆粒雖有所聚集長大，但粒度仍然很細(xì)，從而會影響鐵精礦品位和回收率的提高．由表12可知：在較粗的粒度下，赤泥中被還原的鐵得到了較好的回收，隨著磨礦細(xì)度的增加，鐵的單體解離度也在增加，因此精礦品位也在增加，但精礦回收率變化不大；當(dāng)磨礦細(xì)度從-0.045 mm占94%提高到-0.037 mm占到95%時，鐵精礦品位從60.94%增加到74.68%，雖然精礦品位增加幅度較大，但回收率卻從80.6%降到77.12%．從選礦成本考慮，磨礦費用是選礦成本增加的主要來源，當(dāng)磨礦細(xì)度從-0.045 mm占94%增加到-0.037 mm 占到95%，會極大地增加磨礦費用，綜合分析考慮，當(dāng)磨礦細(xì)度-0.045mm占97%時，鐵精礦品位及回收率均較高，所以選擇適宜的磨礦細(xì)度為-0.045 mm占97%．

2.2.2 磁場強度

在磨礦細(xì)度-0.045 mm占97%的條件下，進行場強試驗，試驗結(jié)果列于表13．由表13可知，隨著磁場強度的增加，更多鐵礦物連生體進入精礦中，導(dǎo)致精礦品位降低，但精礦回收率隨著磁場強度增加而略有增加．綜合考慮，選擇場強300 mT較為合適，此時鐵精礦品位為63.83%、回收率為81.50%．

表13 磁場強度試驗結(jié)果

2.3 綜合試驗

在還原焙燒磁選最終工藝條件下，進行了綜合條件試驗，其工藝條件為：焙燒溫度1160 ℃、還原時間70 min、赤泥∶焦炭∶CaF2用量為100∶8∶8及磨礦細(xì)度-0.045 mm占97%、磁場強度300 mT.圖2為焙燒磁選數(shù)質(zhì)量流程圖，試驗結(jié)果分別列于表14和表15．

由表14和表15可知，赤泥經(jīng)還原焙燒磁選后，可獲含鐵63.71%、回收率83.36%的鐵精礦指標(biāo)，精礦中有害元素S和P含量很低，以及Sc和RE的損失率分別為8.63%和9.55%．高爐煉鐵精礦品位要求大于56%，該精礦可用于高爐煉鐵．磁選尾礦含鐵2.55%，磁選尾礦可作為鈧和稀土分選試驗的原料．

圖2 焙燒磁選試驗數(shù)質(zhì)量流程圖Fig.2 Roasted magnetic separation test mass fraction flowsheet

表14 綜合試驗結(jié)果

注：1)Sc和Re品位g/t

表15 鐵精礦多元素分析結(jié)果

注：1)Sc和Re含量g/t

3 結(jié) 論

(1)試驗所用赤泥含鐵低，Sc和RE含量較高，含鐵礦物主要為赤鐵礦和鋁針鐵礦，含鐵礦物粒級小于0.01 mm的約占48%，采用常規(guī)的選礦方法難以分離其中的含鐵礦物．試驗研究表明，采用還原焙燒磁選回收赤泥中的鐵在技術(shù)上可行，這不僅解決了氧化鋁廠赤泥對環(huán)境的污染，而且為赤泥的綜合利用開辟了一條新途徑．

(2)在還原焙燒過程中，溫度是影響還原焙燒最主要的因素，溫度的提高有利于還原過程的進行．提高還原溫度，既可保證充足的還原氣氛，減少還原劑的用量，也有利于添加劑CaF2作用的充分發(fā)揮，但是還原溫度的提高同時也會增加了焙燒成本．

(3)還原焙燒磁選工藝最佳條件：還原溫度1160 ℃，焙燒時間70 min，赤泥∶還原劑∶CaF2質(zhì)量比為100∶8∶8，磨礦細(xì)度-0.045 mm占97%，磁場強度300 mT．在最佳工藝條件下所得鐵精礦品位63.71%、回收率83.36%，精礦中Sc和RE損失率分別為8.63%和9.55%，磁選尾礦可作為分選Sc和RE的原料．

[1] 高鵬，韓躍新．白云鄂博氧化礦石深度還原物料分選試驗研究[J]．東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，31(6)：886-886.

[2] 劉述仁．還原焙燒-磁選法回收拜耳法赤泥中鐵的研究[D]．昆明：昆明理工大學(xué)，2014：37-45.

[3] 莊錦強．高鐵氧化鋁赤泥中鐵回收技術(shù)研究[J]．中國有色冶金，2014(4)：32-35.

Thestudyonreductionroastingandmagneticseparationofredmud

ZHAO Yulian，LIU Jing，HE Ruiming，GUI Yajun，WU Leibin

ShanxiGeologicalSurvey，Taiyuan030001，China

In view of the low iron content in common red mud and the high contents of rare earth and scandium in valuable elements, the recovery of iron from red mud in Yuanping bauxite mine was carried

out by reduction roasting and magnetic separation process. The effects of temperature，time，the amount of reducing agent，ground and field strength to the iron concentrate grade and recovery was investigated. The result shows that iron concentrate grade is 63.71%，iron recovery of 83.36%，scandium loss rate of 8.63% in concentrate, and tailings of magnetic separation that contains 2.56% iron could be used as the resource of rare earth separation，under the environment of the calcination temperature of 1160℃，70-minute restore time，content ratio of 100∶8∶8 among red mud，coke and calcium fluoride，97% of -0.045mm grinding fineness and magnetic intensities of 300 mT. All of those is beneficial for the separation of scandium and rare earth.

low iron red mud；reduction roasting；iron concentrate powder；magnetic separation

2017-10-30

趙玉蓮(1964-)，女，山西太原人，本科，高級工程師.

1673-9981(2017)04-0256-09

TD92

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