懸浮磁化焙燒技術(shù)工業(yè)應(yīng)用簡介

王星亮

(中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

中國作為世界上最大的鐵礦石需求國，自身的鐵礦石儲量雖然不算少，但相比國外鐵礦石，選礦難度非常大，“貧、雜、細(xì)”是我國鐵礦石顯著特點(diǎn)。低品位貧礦多，貧礦資源儲量占總量的80%；礦石組成復(fù)雜，多元素共生的復(fù)合礦多，礦石嵌布粒度很細(xì)，磨礦難度較大，生產(chǎn)成本高。我國鐵礦石原料有磁鐵礦、赤鐵礦、黃鐵礦、菱鐵礦等，除了具有強(qiáng)磁性的鐵礦石以外，如磁鐵礦采用單一磁選流程基本上可以得到合格的精礦產(chǎn)品。其它弱磁性鐵礦石較磁性鐵礦石難選，生產(chǎn)指標(biāo)較低。弱磁性難選鐵礦分選技術(shù)一直是選礦行業(yè)技術(shù)難題，目前多數(shù)選礦廠采用強(qiáng)磁-浮選聯(lián)合工藝處理難選弱磁性鐵礦石，總回收率較低，資源不能得到充分利用，流失于尾礦中。同時磁鐵礦石中的赤鐵礦、菱鐵礦等弱磁性鐵礦石也沒有有效選別方法，流失于尾礦中，資源大量浪費(fèi)。鑒于強(qiáng)磁-浮選指標(biāo)不好，為充分利用資源，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，磁化焙燒工藝是處理難以用常規(guī)方法選別的低品位弱磁性鐵礦石最有效方法之一。

1 懸浮磁化焙燒技術(shù)

磁化焙燒是鐵礦石加熱到一定溫度后在相應(yīng)的氣氛中進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)的過程，經(jīng)磁化焙燒后弱磁性鐵礦物變?yōu)閺?qiáng)磁性鐵礦物，采用單一磁選方法就能得到高品位、高回收率的精礦，選礦指標(biāo)顯著提高。磁化焙燒工藝在工業(yè)化應(yīng)用過程采用過鞍山式豎爐、回轉(zhuǎn)窯、沸騰爐等裝置，上述幾種裝置在生產(chǎn)中均存在一定問題。豎爐焙燒只能處理大塊礦石100～15mm，還原過程慢、還原不均勻、能耗大、成本高、指標(biāo)低，目前僅酒鋼集團(tuán)仍采用豎爐處理大塊鐵礦石。回轉(zhuǎn)窯可實(shí)現(xiàn)全粒級(0～25mm)礦石焙燒，對于各種類型的鐵礦石都能較好地進(jìn)行磁化焙燒，其磁化焙燒礦質(zhì)量及分選技術(shù)指標(biāo)較豎爐好，但回轉(zhuǎn)窯焙燒粉狀礦石的生產(chǎn)實(shí)踐表明，由于回轉(zhuǎn)窯焙燒需60分鐘以上，礦石還原不均勻，焙燒成本高，設(shè)備投資大，熱量利用率低，容易結(jié)窯結(jié)圈，導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)難以順行，一直未在工業(yè)成功應(yīng)用。而沸騰爐在鐵礦行業(yè)一直僅是處于試驗(yàn)理論研究階段，一直沒有工業(yè)化生產(chǎn)。為解決上述傳統(tǒng)焙燒裝置存在的問題，國內(nèi)外的專家學(xué)者一直研究難選鐵礦石流態(tài)化焙燒工藝，20世紀(jì)80年代國外科研機(jī)構(gòu)研究出氣態(tài)懸浮焙燒裝置。該裝置作為高效的流態(tài)化焙燒設(shè)備，從根本上解決了傳統(tǒng)焙燒爐生產(chǎn)指標(biāo)不理想，爐內(nèi)易結(jié)圈等問題。懸浮焙燒技術(shù)的出現(xiàn)為我國難選鐵礦石選礦技術(shù)提供了新的技術(shù)手段。該工藝具有熱耗低、投資少、設(shè)備簡單、使用壽命長、維修費(fèi)用低、自動化程度高、有利于環(huán)境保護(hù)等特點(diǎn)，目前已是國內(nèi)大部分氧化鋁廠焙燒氧化鋁設(shè)備的首選，基本取代了回轉(zhuǎn)窯焙燒。鑒于懸浮焙燒工藝的諸多優(yōu)點(diǎn)和在鋁行業(yè)的廣泛應(yīng)用，東北大學(xué)針對鐵礦石磁化焙燒創(chuàng)造性地提出了“預(yù)熱—蓄熱還原—再氧化”懸浮磁化焙燒新技術(shù)。經(jīng)過多年的基礎(chǔ)研究與技術(shù)攻關(guān)，形成了非均質(zhì)礦石顆粒懸浮態(tài)流動控制、蓄熱式高效低溫還原、鐵物相精準(zhǔn)調(diào)控與余熱同步回收等一系列關(guān)鍵技術(shù)，建成了500kg/h復(fù)雜難選鐵礦石懸浮磁化焙燒—高效分選半工業(yè)試驗(yàn)平臺[1]。

2 懸浮磁化焙燒鐵礦行業(yè)應(yīng)用

2.1 懸浮磁化焙燒工業(yè)應(yīng)用背景

甘肅省酒鋼集團(tuán)鐵礦石是我國典型的復(fù)雜、氧化、難選貧鐵礦石典型，因其獨(dú)特的礦石性質(zhì)在國內(nèi)鐵礦床中自成一類，稱為“鏡鐵山式鐵礦床”。該礦石在選礦生產(chǎn)上具有難選別、難脫磁、難過濾，易泥化、環(huán)水易結(jié)垢等特點(diǎn)，酒鋼選礦廠經(jīng)過幾十年的選礦技術(shù)攻關(guān)和生產(chǎn)實(shí)踐，形成了塊礦(+15mm)豎爐焙燒—弱磁—反浮選，粉礦(0～15mm)強(qiáng)磁選的生產(chǎn)工藝流程，但粉礦強(qiáng)磁選工藝指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于塊礦豎爐焙燒工藝。見酒鋼選礦工序指標(biāo)表1。

表1 選礦工序2015年技術(shù)指標(biāo)(%)

由表1可知，酒鋼塊礦豎爐工藝精礦品位高14.33%，回收率高了13.61%，針對粉礦強(qiáng)磁選工藝指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于塊礦焙燒磁選工藝指標(biāo)的問題，酒鋼在選礦投產(chǎn)初期就開展了粉礦磁化焙燒研究工作，其中：回轉(zhuǎn)窯焙燒技術(shù)、沸騰爐焙燒技術(shù)、閃爍焙燒技術(shù)、轉(zhuǎn)底爐焙燒技術(shù)等均取得與塊礦磁化焙燒接近的指標(biāo)，但由于設(shè)備及工藝存在一定缺陷，如回轉(zhuǎn)窯密封、窯內(nèi)礦石軟化結(jié)圈的問題，沸騰爐、轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)效率低、能耗高的問題等，目前還沒有較好的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例。2015年酒鋼公司跟蹤了懸浮焙燒技術(shù)的進(jìn)展情況，該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于氧化鋁行業(yè)，在鐵礦行業(yè)已經(jīng)有間歇式焙燒爐和處理能力150kg/h的半工業(yè)試驗(yàn)系統(tǒng)，并已先后完成了鄂西、渝東鮞狀赤鐵礦，鞍鋼尾礦等多家難選鐵礦磁化焙燒試驗(yàn)，取得了較好的試驗(yàn)指標(biāo)[2]。2016年酒鋼進(jìn)行了粉礦懸浮焙燒間歇試驗(yàn)和擴(kuò)大連續(xù)試驗(yàn)，并取得了顯著效果。酒鋼粉礦(0～15 mm)采用強(qiáng)磁選拋尾—懸浮焙燒—磁選—反浮選新工藝處理， 最終獲得了 TFe品位60.67%、SiO2含量4.52%的合格鐵精礦，鐵回收率為76.27%。與原單一強(qiáng)磁選工藝相比，新工藝的精礦鐵品位提高了16.11 個百分點(diǎn)，SiO2含量降低了6.83個百分點(diǎn)，鐵回收率提高了14.43個百分點(diǎn)，精礦指標(biāo)有了較大幅度的提高，雜質(zhì)SiO2含量大幅度降低。懸浮磁化焙燒技術(shù)為酒鋼粉礦的高效利用提供了新的途徑[3]。故為加快懸浮焙燒爐工業(yè)化進(jìn)度，2016年初酒鋼委托中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司開展酒鋼粉礦磁化焙燒選礦項目設(shè)計工作。

2.2 粉礦懸浮磁化焙燒選礦廠設(shè)計

2016年8月由中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司設(shè)計的國內(nèi)鐵礦行業(yè)首套懸浮磁化焙燒工程正式開工建設(shè)。該項目位于甘肅省嘉峪關(guān)市酒鋼集團(tuán)宏興股份有限公司選燒廠區(qū)內(nèi)，由中冶北方負(fù)責(zé)選礦廠整體設(shè)計，總規(guī)模為年處理鐵粉礦660萬t，設(shè)計共4條生產(chǎn)線，分兩期建設(shè)，一期工程建設(shè)一年處理165萬t的生產(chǎn)線。

——酒鋼選廠現(xiàn)狀：酒鋼擁有一選、二選兩座選礦工序，主要處理來自鏡鐵山礦樺樹溝和黑溝兩個礦區(qū)的礦石，總能力約1 100萬t/a。兩個選礦工序選礦工藝一致，入選礦工序原礦首先進(jìn)行原礦篩分，篩出原礦中的塊礦(≥15mm)和粉礦(15mm～0)。

塊礦(≥15mm)系統(tǒng)工藝為：塊礦—豎爐焙燒—干選—三段階段磨礦—階段弱磁選—反浮選，最終鐵精礦品位59.51%，Si02品位5.3%，鐵回收率78.82%；

粉礦(15mm～0)系統(tǒng)工藝為：粉礦—兩段磨礦—強(qiáng)磁粗選—粗選尾礦粗細(xì)分級—強(qiáng)磁再選，最終鐵精礦品位45.46，Si02品位11.66%，鐵回收率65.3%。

——礦床與礦石類型：樺樹溝和黑溝鐵礦床屬于火山沉積變質(zhì)熱液迭加成因，是一種沉積變質(zhì)鐵礦，它雖然與鞍山式鐵礦同屬沉積變質(zhì)型，但成礦時代晚，物質(zhì)組成比鞍山式鐵礦復(fù)雜。

礦石自然類型：根據(jù)礦石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征及礦物共生組合可將鐵礦石劃分為碧玉鏡鐵礦礦石、碧玉菱鐵礦礦石、碧玉菱鐵鏡鐵礦礦石、碧玉鏡鐵菱鐵礦四種礦石類型，各類型礦石逐漸過渡，無明顯界線。

礦石工業(yè)類型：樺樹溝礦區(qū)礦石類型包括鏡鐵礦石、鏡鐵礦菱鐵礦混合礦石、鏡鐵礦褐鐵礦混合礦石、菱鐵礦石、褐鐵礦石、鐵質(zhì)千枚巖。

黑溝礦區(qū)礦石劃分的工業(yè)類型包括：不需選礦礦石，有混合礦石富礦、菱鐵礦石富礦；需選礦礦石，有混合礦石貧礦、菱鐵礦礦石貧礦、鐵白云石礦石、鐵質(zhì)千枚巖礦石。

——設(shè)計工藝流程：根據(jù)酒鋼粉礦懸浮磁化焙燒擴(kuò)大試驗(yàn)焙燒產(chǎn)品選礦試驗(yàn)報告，強(qiáng)磁預(yù)選礦焙燒工藝相比原礦焙燒工藝精礦產(chǎn)率低5～6個百分點(diǎn)，回收率低9～10百分點(diǎn)，選礦指標(biāo)差距明顯，原礦直接焙燒試驗(yàn)指標(biāo)優(yōu)于原礦強(qiáng)磁預(yù)選后焙燒試驗(yàn)指標(biāo)。科研單位及懸浮焙燒設(shè)備廠建議酒鋼粉礦需強(qiáng)磁預(yù)選脫泥后給入到懸浮焙燒系統(tǒng)。原因在于酒鋼粉礦原礦中細(xì)粒級含量很高，一段磨礦產(chǎn)品在-0.074mm占70%時，-0.025mm含量達(dá)到51.59%，細(xì)泥含量過高對懸浮焙燒設(shè)備穩(wěn)定生產(chǎn)有三點(diǎn)不利影響：1)焙燒礦細(xì)粒級含量高，流動性低，不利于焙燒；2)粉料在焙燒系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)嚴(yán)重，造成管路堵塞，同時增加系統(tǒng)能耗；3)礦石內(nèi)有害成分含量高，如氯、鈉、鈣離子、重晶石等。

考慮到懸浮焙燒技術(shù)在鐵礦中尚屬首次應(yīng)用，項目不確定因數(shù)多，需在生產(chǎn)中摸清鐵礦懸浮焙燒系統(tǒng)工藝。本次設(shè)計按原礦直接焙燒設(shè)計。 粉礦懸浮磁化焙燒系統(tǒng)要求給礦粒度為-0.074mm 40%， F95小于0.3mm。生產(chǎn)中一選、二選一段磨礦產(chǎn)品細(xì)度均大于-0.074mm 60%，含細(xì)粒級較高，對懸浮焙燒系統(tǒng)有不利影響。設(shè)計在原有選廠一段磨礦前增加高壓輥磨-預(yù)選篩分作業(yè)，改造一段磨礦工藝為針對預(yù)選篩篩上和篩下產(chǎn)品進(jìn)行分級磨礦，根據(jù)不同給礦粒度調(diào)整磨礦參數(shù)，減少磨礦產(chǎn)品細(xì)粒級含量，利于懸浮焙燒系統(tǒng)順行。

根據(jù)《酒鋼粉礦懸浮磁化焙燒擴(kuò)大試驗(yàn)焙燒產(chǎn)品選礦試驗(yàn)報告》中全流程試驗(yàn)結(jié)果，焙燒礦后續(xù)選別工藝有磁選—反浮選和單一磁選兩個流程方案。兩個流程精礦鐵品位均達(dá)到60%以上，磁-浮流程SiO2品位低于4.5%。單一磁選流程SiO2品位則大于5%。磁浮流程磨礦細(xì)度-0.048mm為93.2%，單一磁選流程磨礦細(xì)度需達(dá)到-0.037mm為93.5%。綜合分析，磁-浮工藝雖增加了浮選作業(yè)，設(shè)備投資、生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)都會較單一磁選工藝高，但磁-浮工藝磨礦細(xì)度較單一磁選粗，對礦石可選性波動適應(yīng)性強(qiáng)，精礦硅含量較低，利于后續(xù)燒結(jié)球團(tuán)礦生產(chǎn)。磁-浮工藝經(jīng)過酒鋼現(xiàn)場生產(chǎn)多年技術(shù)總結(jié)，針對酒鋼鏡鐵山式鐵礦石焙燒后選別工藝指標(biāo)優(yōu)于單一磁選工藝。故酒鋼懸浮磁選焙燒改造工程最終推薦工藝流程為“粉礦—高壓輥磨—預(yù)先篩分—分級磨礦—懸浮焙燒—再磨—磁選—反浮選”。

由于該項目屬于懸浮磁化焙燒技術(shù)首次應(yīng)用，技術(shù)先進(jìn)、工藝復(fù)雜、設(shè)計難度大，在充分結(jié)合懸浮磁化焙燒工藝特點(diǎn)、試驗(yàn)指標(biāo)、設(shè)計可行性等問題，設(shè)計確定了貼合實(shí)際生產(chǎn)的選礦工藝流程。酒鋼粉礦懸浮磁化焙燒選礦改造工程分兩期建設(shè)。第一期建設(shè)一條懸浮磁化焙燒生產(chǎn)線，處理二選工序的粉礦。一期工程核心在于摸索懸浮磁選焙燒爐工業(yè)生產(chǎn)情況，根據(jù)一期生產(chǎn)運(yùn)行情況，有效調(diào)整設(shè)計參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化、指導(dǎo)二期建設(shè)。故一期工程建議不上反浮選工藝，焙燒磁選精礦直接給到過濾車間。故本次初步設(shè)計酒鋼懸浮磁選焙燒選礦改造一期工藝流程為“粉礦—高壓輥磨—預(yù)先篩分—分級磨礦—懸浮焙燒—再磨—磁選”。設(shè)計指標(biāo)見表2。

表2 粉礦磁化焙燒選礦工藝指標(biāo)(一期)

如表2所示，粉礦工藝改造后各項指標(biāo)良好，在單一磁選的情況下鐵精礦品位可以達(dá)到55%，回收率高達(dá)88%。該項目一期工程于2018年建成并進(jìn)入試車調(diào)試階段，由于在鐵礦行業(yè)首次應(yīng)用懸浮焙燒技術(shù)和酒鋼鏡鐵礦石性質(zhì)復(fù)雜，易泥化等原因，該懸浮焙燒裝置在原料進(jìn)料、焙燒后冷卻、余熱利用等方面出了一些問題，經(jīng)過一年多的針對性改造和調(diào)試，2019年底項目正式投產(chǎn)運(yùn)行。投產(chǎn)后粉礦工藝系統(tǒng)金屬回收率由改造前65%提高到86%，精礦品位由45%提高到55%，基本達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，提升效果顯著，證明懸浮焙燒技術(shù)已經(jīng)得到生產(chǎn)實(shí)踐的證明。接下來將進(jìn)一步優(yōu)化懸浮磁化焙燒工藝生產(chǎn)參數(shù)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)指標(biāo)、降低生產(chǎn)成本，為二期建設(shè)做準(zhǔn)備。

3 結(jié)語

懸浮磁化焙燒技術(shù)符合國家鋼鐵工業(yè)發(fā)展目標(biāo)，節(jié)能減排、技術(shù)改造、淘汰落后、自主創(chuàng)新。我國對于赤鐵礦、褐鐵礦等難選鐵礦利用率很低。發(fā)展難選鐵礦高效利用技術(shù)，可減少對國際鐵礦市場的依賴。

懸浮焙燒技術(shù)在氧化鋁行業(yè)大量應(yīng)用、可靠的理論、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、科學(xué)的焙燒工藝條件、合理的工藝設(shè)計綜合決定了該技術(shù)在鐵礦行業(yè)成功應(yīng)用。懸浮磁化焙燒技術(shù)解決了國內(nèi)外難選鐵礦石的磁化焙燒技術(shù)難題，是難選鐵礦石選礦技術(shù)的一次重大突破。其低能耗、高效率、大處理量的特點(diǎn)決定了該技術(shù)競爭力強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。