某菱-赤褐混合型鐵礦石回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒—弱磁選試驗(yàn)*

陳澤宗 張 茂 王 東 毛擁軍

(長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司)

我國(guó)是鋼鐵大國(guó)，鐵礦石產(chǎn)量遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，對(duì)外依存度大，缺少國(guó)際定價(jià)話語(yǔ)權(quán)[1]。因此有必要開展有效處理低品位、難處理鐵礦石的研究工作，以實(shí)現(xiàn)該類礦石的開發(fā)和利用，對(duì)保障鐵礦資源安全和鋼鐵工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要作用。目前，菱、褐鐵礦等“紅礦”資源作為典型的低品位、難選鐵礦石，因其貧、細(xì)、雜等特點(diǎn)而較難選冶，利用率極低，沒有實(shí)現(xiàn)有效利用。通過(guò)磁化焙燒技術(shù)將菱、褐鐵礦礦物轉(zhuǎn)化為人工磁鐵礦后進(jìn)行簡(jiǎn)單磁選，從而促使“紅礦”中的鐵礦物得到較好的回收和綜合利用，對(duì)解決一直困擾鐵礦山的“紅礦”綜合回收利用率低的難題，實(shí)現(xiàn)我國(guó)貧鐵礦高效開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 菱-赤褐鐵礦石性質(zhì)

我國(guó)鐵礦資源主要特點(diǎn)是貧礦和紅礦多，伴生元素復(fù)雜，其中低品位鐵礦資源儲(chǔ)量較大，預(yù)測(cè)未探明資源量在1 000億t以上。我國(guó)鐵礦總體平均品位30%～35%，各種弱磁性鐵礦石占總儲(chǔ)量的65%左右，并多伴生錳、釩、銅、鈷等有用金屬及其他放射性元素，這類復(fù)合礦石占總儲(chǔ)量的2/3左右[2-4]。

自然界中鐵主要以化合物的形式分布在地殼中。鐵的主要礦物有磁鐵礦(含鐵量60%以上)、赤鐵礦(含鐵量50%～60%)，其次為褐鐵礦、黃鐵礦和菱鐵礦，其中赤鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦礦石物理化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 赤鐵礦、菱鐵礦礦石物理化學(xué)性質(zhì)

赤鐵礦(α-Fe2O3)是三角晶系，化學(xué)成分與磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)相同，但兩者晶體結(jié)構(gòu)和磁性特點(diǎn)均不同。當(dāng)升溫至400～800 ℃時(shí)，γ-Fe2O3將不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe2O3。菱鐵礦是鐵的碳酸鹽礦物，屬三方晶系，粒狀構(gòu)造，菱面體解理發(fā)育，理論鐵品位僅48.20%，同時(shí)鈣、鎂、錳常以類質(zhì)同象形式替換鐵。褐鐵礦多為無(wú)定形的鐵氧化物和氫氧化物，多呈土狀、膠狀、非晶質(zhì)或隱晶質(zhì)，常發(fā)育于赤鐵礦-針鐵礦裂隙和晶洞中，礦石構(gòu)造復(fù)雜，嵌布粒度極細(xì)。

2 菱-赤褐混合型鐵礦磁化焙燒原理

焙燒磁選法是目前處理常規(guī)選礦方法難以分選提純的低品位氧化鐵礦石的有效方法之一。礦石在焙燒爐中加熱時(shí)，赤鐵礦、水赤鐵礦、褐鐵礦及菱鐵礦等弱磁性鐵礦物在適宜的氣氛中轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)磁性鐵礦物，比磁化系數(shù)增加上千倍。在大多數(shù)情況下，脈石礦物磁性變化不大，比磁化系數(shù)基本不變。

褐鐵礦加熱到300～400 ℃便開始脫水，600 ℃時(shí)，脫水完成轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦。在還原氣氛中，赤鐵礦加熱到400 ℃開始進(jìn)行還原反應(yīng)，磁性顯著增強(qiáng)。磁化焙燒基本原理是將弱磁性的赤、褐鐵礦物加熱到一定溫度后與還原劑反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)磁性的磁鐵礦：

3Fe2O3+R=2Fe3O4+RO ，

(1)

式中，R為還原劑；RO為還原時(shí)的氣態(tài)產(chǎn)品。

菱鐵礦在中性氣氛中發(fā)生磁化焙燒，首先分解產(chǎn)生FeO，該中間相極易轉(zhuǎn)化為Fe3O4：

FeCO3=2FeO+CO2，

(2)

3FeO+CO2=Fe3O4+CO ，

(3)

對(duì)于菱、赤褐混合型鐵礦，菱鐵礦分解產(chǎn)生的CO氣體可作為赤褐鐵礦磁化焙燒的還原劑使用，總反應(yīng)：

Fe2O3+FeCO3=Fe3O4+CO2，

(4)

還原焙燒程度一般用還原度表示:

R=FeO/TFe ，

(5)

當(dāng)Fe2O3全部還原成Fe3O4時(shí)，焙燒礦中FeO含量與全鐵含量比值為0.428，此時(shí)磁化焙燒還原程度最佳，鐵礦物磁性最強(qiáng)。

3 回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒實(shí)踐

目前工業(yè)上用于處理赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦等弱磁性氧化鐵礦石的工藝有豎爐和回轉(zhuǎn)窯兩種磁化焙燒工藝。豎爐工藝受透氣性限制，適合粒度較大塊礦的磁化焙燒，回轉(zhuǎn)窯適用于粒度-25 mm鐵礦石的磁化焙燒。近年來(lái)，得益于國(guó)內(nèi)菱鐵礦、褐鐵礦磁化還原焙燒核心技術(shù)和大型磁化焙燒回轉(zhuǎn)窯成套裝置裝備技術(shù)集成創(chuàng)新，菱褐鐵礦等難選“紅礦”資源的高效、低成本開發(fā)得以實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大，已在國(guó)內(nèi)新疆、云南、陜西等地獲得工業(yè)化應(yīng)用。目前新疆某鐵礦選礦廠、云南某鐵礦選礦廠回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒—磁選工藝工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐指標(biāo)見表2。

表2 回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒—磁選工業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)

近年來(lái)開發(fā)的回轉(zhuǎn)窯還原磁化焙燒選礦工藝技術(shù)為菱-赤褐鐵礦等難選鐵礦資源的低成本開發(fā)利用提供了重要保證，是其較為成熟的綜合回收工藝。該工藝無(wú)需對(duì)原料進(jìn)行深加工，能合理利用自然資源，減少“紅礦”堆存造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，因而具有較好的工業(yè)化應(yīng)用前景。

4 回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒技術(shù)應(yīng)用

為驗(yàn)證回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒技術(shù)對(duì)甘肅某選礦廠堆存的菱-赤褐鐵礦綜合利用的可行性，對(duì)該菱-赤褐鐵礦進(jìn)行回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒—磁選試驗(yàn)。

4.1 礦石性質(zhì)

甘肅某選礦廠菱-赤褐鐵礦石主要鐵礦物為赤褐鐵礦和菱鐵礦，脈石以三水鋁石和高嶺石居多，次為石英。礦石化學(xué)多元素分析和鐵物相分析結(jié)果分別見表3、表4。

表3 礦石化學(xué)多元素分析結(jié)果 %

表4 礦石鐵物相分析結(jié)果%

表3、表4表明，礦石鐵品位33.83%，S、P含量較高，影響鐵精礦質(zhì)量；鐵主要以赤褐鐵的形式存在，占總鐵的59.15%，其次為碳酸鐵，占24.89%，赤褐鐵礦和菱鐵礦中的鐵占總鐵的84.04%。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.2.1 焙燒時(shí)間試驗(yàn)

焙燒溫度和焙燒時(shí)間存在互補(bǔ)關(guān)系。溫度高時(shí)，焙燒時(shí)間可適當(dāng)縮短，溫度低時(shí)需延長(zhǎng)焙燒時(shí)間。結(jié)合項(xiàng)目需求，借鑒當(dāng)前大型磁化還原焙燒回轉(zhuǎn)窯的經(jīng)驗(yàn)，使用大型回轉(zhuǎn)窯作為還原焙燒裝置，在焙燒溫度800 ℃、還原劑(還原煤)用量為5%的條件下進(jìn)行磁化焙燒—磁選工藝焙燒時(shí)間試驗(yàn)。焙燒礦直接水冷、倒水后濕磨至-0.037 mm 77.87%，進(jìn)行1次弱磁選(磁場(chǎng)強(qiáng)度96 kA /m)，以最終鐵精礦品位和回收率指標(biāo)評(píng)判磁化焙燒效果的好壞。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 焙燒時(shí)間對(duì)磁化焙燒—磁選效果的影響

圖1表明，隨著焙燒時(shí)間從30 min延長(zhǎng)到60 min，鐵精礦鐵品位從55.94%下降到51.59%，回收率從67.61%急劇下降至16.96%，還原度從0.84上升至1.05，磁化焙燒和選別指標(biāo)較差，綜合考慮，確定焙燒時(shí)間為30 min。

在整個(gè)焙燒時(shí)間范圍內(nèi)，弱磁精礦還原度指標(biāo)均遠(yuǎn)大于理論值，說(shuō)明焙燒礦FeO含量偏高可能是造成弱磁精礦品位及回收率偏低的主要原因。FeO的產(chǎn)生，主要是由于還原劑過(guò)量、焙燒溫度過(guò)高或者焙燒時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等因素導(dǎo)致焙燒過(guò)程發(fā)生過(guò)還原現(xiàn)象，從而使得部分人工磁鐵礦轉(zhuǎn)化為富士體，降低礦石磁性，從而影響弱磁精礦品位及回收率。

4.2.2 還原劑用量試驗(yàn)

為優(yōu)化磁化焙燒—磁選效果，固定其他條件不變，在焙燒時(shí)間為30 min的條件下，進(jìn)行還原劑用量磁化焙燒—磁選工藝試驗(yàn)，結(jié)果見圖2。

圖2 還原劑用量對(duì)磁化焙燒—磁選效果的影響

由圖2可知，當(dāng)不添加還原劑直接進(jìn)行焙燒時(shí)，最終可獲得鐵品位55.4%、回收率92.1%的弱磁精礦。隨著還原劑用量的增加，鐵精礦品位稍有增加，回收率持續(xù)降低。說(shuō)明對(duì)于該菱-赤褐混合型鐵礦石而言，菱鐵礦焙燒分解產(chǎn)生的CO為赤褐鐵礦轉(zhuǎn)化成磁鐵礦提供了還原性氣氛，在焙燒過(guò)程中可不添加或少添加還原劑便可使赤褐鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦。綜合考慮鐵精礦品位和回收率，選擇最佳還原劑用量為2%。

4.2.3 磁場(chǎng)強(qiáng)度試驗(yàn)

固定其他條件不變，在焙燒時(shí)間30 min、還原劑用量2%的條件下，磁化焙燒—磁選工藝弱磁選磁場(chǎng)強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見圖3。

圖3表明，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，弱磁精礦品位逐漸降低，回收率逐漸升高；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到96 kA/m時(shí)，弱磁精礦品位55.83%、回收率91.92%，指標(biāo)良好。

4.2.4 全流程試驗(yàn)

在焙燒溫度800 ℃、焙燒時(shí)間30 min、焙燒礦磨礦細(xì)度-0.037 mm 77.87%、弱磁選粗、精選磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為96，64 kA/m的條件下，對(duì)比焙燒時(shí)不使用還原劑和還原劑用量2%條件下的磁化焙燒—1粗1精弱磁選全流程試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

從表5可以看出，相比不添加還原劑，還原劑用量2%時(shí)鐵精礦品位稍高、回收率稍低，最終產(chǎn)率58.12%、品位58.76%、回收率87.31%。

圖3 弱磁選磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁化焙燒—磁選效果的影響

5 結(jié) 論

(1)磁化焙燒—磁選法是目前處理低品位氧化鐵礦石的有效方法之一,回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒技術(shù)與成套裝備可規(guī)?；幚砹?赤褐鐵礦等混合型低品位難選紅礦資源，較好地實(shí)現(xiàn)其開發(fā)利用。

(2)甘肅某菱-赤褐混合型鐵礦石進(jìn)行磁化焙燒時(shí)，菱鐵礦可分解產(chǎn)生還原性氣體CO，從而使該礦石在磁化焙燒過(guò)程中不添加或少添加還原劑便可使菱鐵礦和赤褐鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦。

(3)采用回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒—1粗1精弱磁選技術(shù)處理甘肅某菱-赤褐混合型鐵礦石，在還原煤用量2%的條件下，可獲得產(chǎn)率58.12%、品位58.76%、回收率87.31%的鐵精礦。回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒—磁選技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低品位菱-赤褐混合型鐵礦石的有效回收利用，解決紅礦難選別的問(wèn)題，應(yīng)用前景廣闊。