錳礦選礦精礦燒結(jié)試驗(yàn)研究

趙 強(qiáng)

(1. 中冶長天國際工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410205； 2. 煙氣多污染物協(xié)同治理及資源化湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410205)

世界錳礦資源比較豐富，但分布極不平衡，95%以上的錳礦儲量集中在南非、烏克蘭、加蓬、澳大利亞、巴西、印度、中國和墨西哥等少數(shù)國家，其中南非錳礦儲量最多，占世界總儲量的42.8%[1-2]。錳礦按其成因類型可劃分為4個(gè)類型：海相沉積類型錳礦床、沉積變質(zhì)類型錳礦床、層控鉛鋅鐵錳礦床和風(fēng)化類型錳礦床[3]。錳礦90%以上用于鋼鐵行業(yè)，高鐵、高磷及貧錳的各類錳礦石一般都需進(jìn)行選礦富集使之達(dá)到冶金用錳礦石要求，然后冶煉成錳系鐵合金作為脫氧劑、脫硫劑或者合金劑用于煉鋼。目前，中國鋼產(chǎn)量躍居世界第一，金屬錳和錳系合金產(chǎn)量亦連續(xù)居世界第一，但國產(chǎn)錳礦石仍難以滿足國內(nèi)市場急劇增長的需求，每年約進(jìn)口錳礦石達(dá)到1 200萬t[4-5]。

錳礦石的加工主要分為火法冶煉和濕法冶煉兩大工藝。火法冶煉包括錳鐵冶煉、碳素錳鐵冶煉、中低碳錳鐵冶煉、硅錳合金冶煉及金屬錳冶煉。冶煉的錳系鐵合金種類和牌號不同，對錳礦石的錳含量、Mn/Fe、P/Mn的要求不同[6-8]。濕法冶煉一般是根據(jù)錳礦石的化學(xué)成分和礦物性質(zhì)，通過濕法浸出等冶煉加工方法將錳提煉成硫酸錳結(jié)晶和電解金屬錳或其他錳產(chǎn)品。硫酸錳是一種用途十分廣泛的無機(jī)化工原料，廣泛應(yīng)用于化工醫(yī)藥、飼料、電子工業(yè)等行業(yè)，并可作為進(jìn)一步深加工成MnCO3、Mn3O4、電解金屬錳，生產(chǎn)工藝成熟，輔以適當(dāng)?shù)奶崛『统s工藝，就能獲得相應(yīng)的合格產(chǎn)品[9-11]。本研究擬針對國外某錳礦選礦精礦開展燒結(jié)試驗(yàn)研究，論證低品位錳礦富集后的產(chǎn)品制備錳系產(chǎn)品的可行性。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料

本次燒結(jié)試驗(yàn)使用的錳礦選礦精礦1種，熔劑1種，焦粉1種。錳礦選礦精礦的化學(xué)成分、粒度組成分析分別如表1～2所示。

表1 錳礦選礦精礦的化學(xué)分析 %

表2 錳礦選礦精礦的粒度組成

由表1～2分析結(jié)果可知：錳礦選礦精礦的錳品位較高(達(dá)到46.24%)，有害元素P、S含量較低，扣除燒損后錳品位可提高至56.42%，且Mn/Fe、P/Mn、(CaO+MgO)/SiO2均符合錳礦燒結(jié)的要求，是一種良好的錳礦燒結(jié)原料；錳礦選礦精礦粒級適中，粗細(xì)粒度含量基本呈正態(tài)分布，可有效保證燒結(jié)料層的透氣性，符合錳礦燒結(jié)原料的粒度要求。

錳礦選礦精礦肉眼下為黑色間雜黃白色，風(fēng)化較明顯，多呈松散塊狀和粉狀樣，大部分較為松散，敲之易碎裂。錳礦物呈較密集的集合體狀態(tài)出現(xiàn)，脈石含量少。錳礦物集合體較為松軟，光面上常有條痕，并有硬度差別，表現(xiàn)出凹凸不平現(xiàn)象。掃描電鏡面分析表明，松散狀的錳礦物集合體中含錳均較富，鈣硅等脈石含量很少(見圖1)。這類錳礦物集合體形態(tài)變化較大，主要有團(tuán)塊狀、多孔狀、膠狀、環(huán)帶狀等形態(tài)，此外有生物碎屑狀。集合體粒度差別懸殊，粗粒者可達(dá)10 mm以上，細(xì)粒者在0.1 mm以下。這種形式的錳礦物較為集中，部分錳礦物集合體中分布有細(xì)小方解石及泥質(zhì)物。

(a)背散射電子像;(b)Mn面掃描;(c)Ca面掃描;(d)Si面掃描

熔劑采用蛇紋石，其化學(xué)成分檢測結(jié)果如表3所示，焦粉工業(yè)分析結(jié)果如表4所示。熔劑中MgO +CaO的含量為40.18%，是一種合格的燒結(jié)用熔劑；焦粉的固定碳含量為81.70%，質(zhì)量良好，是一種良好的燒結(jié)用燃料。

表3 熔劑的化學(xué)成分分析 %

表4 燃料的工業(yè)分析 %

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)工藝流程如圖2所示，錳礦選礦精礦與熔劑、燃料按一定配比經(jīng)配料、混合處理后，在Φ=150 mm燒結(jié)杯上進(jìn)行布料、點(diǎn)火、燒結(jié)及冷卻，粉狀物料經(jīng)高溫加熱，在不完全熔化的條件下燒結(jié)成塊，所需熱能由配入燒結(jié)料內(nèi)的焦粉與通入過剩的空氣經(jīng)燃燒提供，物料經(jīng)過液相粘結(jié)后形成燒結(jié)成品礦。

圖2 試驗(yàn)工藝流程

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)杯工藝優(yōu)化試驗(yàn)研究

燒結(jié)杯工藝優(yōu)化試驗(yàn)?zāi)康氖菍τ绊憻Y(jié)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的主要因素，即燃料配比、混合料水分、熔劑配比和燒結(jié)負(fù)壓進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)過程中固定混合制粒時(shí)間4 min，返礦配比26%，鋪底料粒度為10～16 mm，用量1.0 kg，壓料深度20 mm，點(diǎn)火溫度為1 100 ℃，點(diǎn)火時(shí)間為2 min，在燒結(jié)杯中冷卻，冷卻負(fù)壓4 900 Pa。在此條件下進(jìn)行改變?nèi)剂吓浔?、混合料水分、熔劑配比和燒結(jié)負(fù)壓的燒結(jié)試驗(yàn)。按正交表L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其因素水平選擇見表5，實(shí)驗(yàn)安排如表6。按表6安排進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn)，對條件試驗(yàn)結(jié)果的綜合分析見表7。

表5 試驗(yàn)因素水平表

表6 正交試驗(yàn)安排表

表7 燒結(jié)正交試驗(yàn)結(jié)果分析表

表7燒結(jié)正交試驗(yàn)結(jié)果表明：影響燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度因素的主次順序是DBAC，最優(yōu)因素水平組合為D1B3A2C2，其中6號試驗(yàn)燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度最高，為62.3%；影響利用系數(shù)因素的主次順序是CBAD，最優(yōu)因素水平組合為C3B2=3A1D1，其中3號試驗(yàn)利用系數(shù)最高，為1.20 t/m2·h；影響固體燃耗的因素主次順序是BCDA，最優(yōu)因素水平組合為B2C3D2A3，其中2號試驗(yàn)固體燃耗最低，為162.3 kg/t。

2.2 綜合條件試驗(yàn)研究

燒結(jié)成品礦的主要評價(jià)指標(biāo)為轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度，因此選定6號試驗(yàn)開展綜合條件試驗(yàn)研究，其最優(yōu)因素水平組合為D1B3A2C2，即燃料配比10.0%、混合料水分14.0%、熔劑配比6.5%、燒結(jié)負(fù)壓5 900 Pa。綜合條件試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 綜合條件燒結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：上述試驗(yàn)結(jié)果與正交試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，較好地驗(yàn)證了正交試驗(yàn)的可靠性。

2.3 成品燒結(jié)礦的理化性能分析

針對6號試驗(yàn)獲得的成品燒結(jié)礦開展理化性能分析，包括化學(xué)成分分析、礦相分析以及高溫冶金性能分析。

2.3.1 化學(xué)成分分析

成品燒結(jié)礦的化學(xué)成分如表9所示。

表9 成品燒結(jié)礦的化學(xué)成分 %

由表9可知：燒結(jié)礦具有較好的化學(xué)成分，全錳品位47.54%，F(xiàn)eO含量0.09%，MgO含量為7.44%，二元堿度2.26，與生產(chǎn)企業(yè)要求基本一致，能滿足冶煉的要求。

2.3.2 礦相分析

由顯微鏡鑒定分析表明，該燒結(jié)成品礦中主要礦物為含錳礦物，大部分為Mn3O4(黑錳礦)和MnO(方錳礦)，并有不同成分的過渡種類。其他礦物有錳酸鈣、硅酸鈣、玻璃質(zhì)。由于配加了蛇紋石，生成有鎂錳氧化物(或錳酸鎂)并有較多的硅酸鈣和玻璃質(zhì)。表10為燒結(jié)成品礦中主要礦物的含量。

表10 燒結(jié)成品礦的主要礦物的含量 %

圖3為樣品的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征分析。

由圖3可知：樣品中氣孔極為發(fā)育，均呈多孔狀構(gòu)造，除燒結(jié)礦格架間的粗大孔洞外，物料中還有眾多細(xì)小空隙和裂隙。樣品中錳礦物結(jié)構(gòu)有粒狀、片狀、雛晶狀結(jié)構(gòu)，富含大量從液相冷卻結(jié)晶形成的雛晶，由于加入了蛇紋石，氧化錳中多含有一定量的鎂，還形成了一定含量的錳酸鎂，硅酸鈣等鹽礦物和玻璃質(zhì)含量較高，多以無定形狀緊密分布在氧化錳顆粒間，膠結(jié)特點(diǎn)明顯。

(a)氧化錳(M)在燒結(jié)塊邊緣結(jié)晶較粗,中部較細(xì)；(b)含錳硅酸鈣(G)膠結(jié)雛晶狀氧化錳(M)；(c)較粗粒的雛晶氧化錳(M),其間充填網(wǎng)狀氧化錳和硅酸鈣(灰色)；(d)粒狀/雛晶狀氧化錳(M)間充填硅酸鹽/玻璃質(zhì)(G)類膠結(jié)物

2.3.3 高溫冶金性能分析

成品燒結(jié)礦的熔滴性能分析如表11所示。

表11 試驗(yàn)燒結(jié)礦樣熔滴性能 ℃

如表11所示：該成品燒結(jié)礦軟化溫度高，軟化區(qū)間窄，融、滴落溫度高，高溫軟熔性能較好，符合后續(xù)冶煉工序的需要。

3 結(jié) 論

1)試驗(yàn)所用錳礦選礦精礦的錳品位較高(達(dá)到46.24%)，有害元素P、S含量較低，扣除燒損后錳品位可提高至56.42%，且Mn/Fe、P/Mn、(CaO+ MgO)/SiO2均符合錳礦燒結(jié)的要求，是一種良好的錳礦燒結(jié)原料。錳礦選礦精礦粒級適中，粗細(xì)粒度含量基本呈正態(tài)分布，可有效保證燒結(jié)料層的透氣性，符合錳礦燒結(jié)原料的粒度要求。

2)錳礦選礦精礦燒結(jié)正交試驗(yàn)結(jié)果表明：在燃料配比10.0%、混合料水分14.0%、熔劑配比6.5%、燒結(jié)負(fù)壓5 900 Pa的條件下，獲得的燒結(jié)礦成品率79.7%，利用系數(shù)0.64 t/(m2·h)，固體燃耗193.9 kg/t，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度62.3%，高溫冶金性能良好，符合后續(xù)冶煉工序的要求。