酒鋼鐵礦石懸浮磁化焙燒試驗(yàn)及機(jī)理研究

孫洪碩 陳毅琳 韓躍新 王建雄 高澤賓 李 嘉

(1.酒鋼集團(tuán)宏興股份公司選礦廠,甘肅 嘉峪關(guān) 735100;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819;3.難采選鐵礦資源高效開(kāi)發(fā)利用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧 沈陽(yáng) 110819)

近年來(lái),我國(guó)鋼鐵工業(yè)產(chǎn)能巨大,國(guó)內(nèi)鐵礦石產(chǎn)量嚴(yán)重不足。鐵礦石大量進(jìn)口導(dǎo)致鐵礦石對(duì)外依存度過(guò)高,至2020年對(duì)外依存度已連續(xù)6年超過(guò)80%,這嚴(yán)重威脅我國(guó)經(jīng)濟(jì)健康穩(wěn)定發(fā)展[1]。因此,高效開(kāi)發(fā)利用國(guó)產(chǎn)鐵礦石對(duì)緩解我國(guó)鐵礦石進(jìn)口壓力、保障鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義,然而我國(guó)鐵礦石稟賦較差,97%的鐵礦石必須經(jīng)過(guò)選礦工序才能達(dá)到高爐冶煉標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。長(zhǎng)期以來(lái),選礦科研人員針對(duì)我國(guó)鐵礦石的分選進(jìn)行了大量的研究工作,成功開(kāi)發(fā)了階段磨礦—粗細(xì)分級(jí)—重選—磁選—陰離子反浮選、回轉(zhuǎn)窯焙燒—磁選等工藝[4-7]。但上述工藝在處理復(fù)雜難選鐵礦石時(shí)存在工藝流程復(fù)雜、能耗高、藥劑成本高、設(shè)備生產(chǎn)率低等諸多缺點(diǎn)。實(shí)踐表明,懸浮磁化焙燒—磁選技術(shù)是處理復(fù)雜難選鐵礦石的有效技術(shù)手段,具有焙燒產(chǎn)品質(zhì)量好、能耗低、污染小、自動(dòng)化水平高等優(yōu)點(diǎn)。其中懸浮磁化焙燒產(chǎn)品的特性對(duì)磁選指標(biāo)有顯著的影響[8-9],因此對(duì)懸浮磁化焙燒產(chǎn)品進(jìn)行特性分析對(duì)改善磁選指標(biāo)具有重要的意義。

本研究以酒鋼鏡鐵山粉礦為研究對(duì)象,在對(duì)原礦進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了懸浮磁化焙燒—磁選試驗(yàn),分別探究了焙燒時(shí)間、焙燒溫度、CO濃度對(duì)分選指標(biāo)的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上采用X射線衍射分析、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)、掃描電子顯微鏡從物相轉(zhuǎn)化、磁性轉(zhuǎn)變及微觀結(jié)構(gòu)三個(gè)角度對(duì)懸浮磁化焙燒產(chǎn)品特性進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)原料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料為酒鋼鏡鐵山粉礦(粒徑-1 mm),礦石的化學(xué)組成分析結(jié)果如表1所示。

表1 礦石化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Chemical composition analysis results of the ore %

由表1可知,礦石中鐵為具有回收價(jià)值的元素,TFe含量為29.85%,FeO含量為10.39%。主要雜質(zhì)為 SiO2,其含量為 23.11%;Al2O3、CaO、MgO、Ba 含量較少,分別為2.68%、3.90%、3.13%、4.58%。主要有害元素S和P含量分別為1.29%和0.07%。此外礦石燒失率為13.56%,主要由菱鐵礦分解引起。

為了確定礦石中鐵元素賦存狀態(tài),對(duì)礦石進(jìn)行了鐵物相分析,結(jié)果如表2所示。

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

由表2可知,礦石中的鐵主要以赤褐鐵及碳酸鐵的形式存在,赤褐鐵中鐵的分布率為79.89%,碳酸鐵中鐵的分布率為15.96%。

為進(jìn)一步分析礦石的礦物組成,對(duì)礦石進(jìn)行了XRD分析,結(jié)果如圖1所示。

圖1 礦石XRD衍射圖譜Fig.1 XRD pattern of the ore

由圖1可知,礦石中含鐵礦物為赤鐵礦、菱鐵礦與鐵白云石。主要脈石為石英及重晶石,還有少量的云母。

礦石激光粒度分析結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,礦石粒度較細(xì),其中粒度小于29.40μm的顆粒含量為50%,小于196.12μm的顆粒含量為90%。

圖2 礦石激光粒度分析結(jié)果Fig.2 Laser particle size analysis results of the ore

1.2 試驗(yàn)方法

如圖3所示,采用TF-1200X-S-VT型立式管式爐進(jìn)行焙燒試驗(yàn)。進(jìn)行磁化焙燒試驗(yàn)時(shí),首先通入N2排除系統(tǒng)內(nèi)其他氣體,防止干擾試驗(yàn);當(dāng)焙燒爐升溫至預(yù)設(shè)溫度后,稱取20 g氧化后樣品迅速加入到爐管中,并使物料均勻分布于爐管多孔石英板上;然后通入一定濃度的CO氣體(CO濃度以CO流量占N2與CO合計(jì)流量的比例表示)。達(dá)到預(yù)設(shè)焙燒時(shí)間后,停止通入CO氣體,將焙燒產(chǎn)品在N2中冷卻至室溫。在磁場(chǎng)強(qiáng)度99.47 kA/m、磁選時(shí)間3 min的條件下,使用磁選管對(duì)焙燒產(chǎn)品進(jìn)行磁選試驗(yàn),考察焙燒條件對(duì)磁選指標(biāo)的影響。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)采用物相分析、磁性分析和SEM分析進(jìn)行焙燒產(chǎn)品的性質(zhì)分析,進(jìn)一步明確懸浮磁化焙燒的機(jī)理。

圖3 懸浮磁化焙燒系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of suspension magnetization roasting system

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焙燒時(shí)間對(duì)分選指標(biāo)的影響

焙燒時(shí)間對(duì)磁化焙燒效果有重要的影響。焙燒時(shí)間較短時(shí),赤鐵礦和菱鐵礦不能完全轉(zhuǎn)化為強(qiáng)磁性的磁鐵礦;焙燒時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí),會(huì)發(fā)生過(guò)還原反應(yīng)生成弱磁性的浮氏體;因此選擇適宜的磁化焙燒時(shí)間至關(guān)重要。在焙燒溫度為570℃、總氣體流量為600 mL/min、CO濃度為20%的條件下,考察了焙燒時(shí)間對(duì)分選指標(biāo)的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 焙燒時(shí)間對(duì)磁選指標(biāo)的影響Fig.4 Effect of roasting time on the magnetic separation indexes

由圖4可知,焙燒時(shí)間在10 min以內(nèi)時(shí),磁選精礦的鐵品位在53.10%～53.42%之間波動(dòng),回收率由40.49%提升至83.00%。而焙燒時(shí)間增加至20 min時(shí),精礦鐵品位由53.28%提升至56.76%,但鐵回收率卻由83.00%降低至71.12%,這可能是由于發(fā)生了過(guò)還原反應(yīng)。綜合考慮,確定適宜磁化焙燒時(shí)間為10 min,此時(shí),精礦的鐵品位為53.28%,鐵回收率為83.00%。

2.2 焙燒溫度對(duì)分選指標(biāo)的影響

溫度是影響化學(xué)反應(yīng)的重要因素,它決定著化學(xué)反應(yīng)能否進(jìn)行,并影響著反應(yīng)速率。磁化焙燒過(guò)程中,焙燒溫度過(guò)低時(shí),弱磁性鐵礦物向強(qiáng)磁性鐵礦物轉(zhuǎn)化困難;溫度過(guò)高時(shí),容易出現(xiàn)過(guò)還原現(xiàn)象,生成弱磁性的浮氏體,影響磁選指標(biāo)。故焙燒溫度選取應(yīng)當(dāng)適宜。在焙燒時(shí)間為10 min、總氣體流量為 600 mL/min、CO濃度為20%的條件下,選取焙燒溫度分別為470℃、520℃、570℃、620℃和670℃進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果如圖5所示。

圖5 焙燒溫度對(duì)磁選指標(biāo)的影響Fig.5 Effect of roasting temperature on the magnetic separation indexes

由圖5可知,隨著磁化焙燒溫度的上升,精礦鐵品位基本保持不變,在53.19%～53.53%之間波動(dòng),而鐵回收率總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)溫度由470℃提升至570℃時(shí),鐵回收率由79.42%提升至83.20%,這是由于在一定范圍內(nèi)提升溫度,可以提高生成磁鐵礦的反應(yīng)速率,故精礦鐵回收率持續(xù)增加。當(dāng)溫度由570℃提升至670℃時(shí),發(fā)生過(guò)還原現(xiàn)象,鐵回收率由83.20%降低至80.17%。綜合考慮,確定適宜磁化焙燒溫度為570℃,此時(shí)精礦鐵品位為53.33%,鐵回收率為83.20%。

2.3 CO濃度對(duì)分選指標(biāo)的影響

磁化焙燒過(guò)程中,當(dāng)CO濃度過(guò)低時(shí),反應(yīng)速率慢;當(dāng)CO濃度過(guò)高時(shí),容易發(fā)生過(guò)還原反應(yīng),產(chǎn)生的弱磁性浮氏體會(huì)影響磁選指標(biāo);因此應(yīng)確定適宜的CO濃度。在焙燒時(shí)間為10min、焙燒溫度為570℃、總氣體流量為600 mL/min的條件下,探究了CO濃度分別為10%、20%、30%、40%和50%時(shí)對(duì)選別指標(biāo)的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 CO濃度對(duì)磁選指標(biāo)的影響Fig.6 Effect of CO concentration on the magnetic separation indexes

由圖6可知,隨著CO濃度的提升,鐵回收率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)CO濃度從10%提升至40%時(shí),精礦鐵品位在52.98%～53.87%之間波動(dòng),鐵回收率由68.94%提升至79.07%。繼續(xù)提高CO濃度,精礦鐵品位及回收率均有所降低。過(guò)高的CO濃度導(dǎo)致發(fā)生過(guò)還原現(xiàn)象,不利于提高選別指標(biāo)。綜合考慮,確定適宜CO濃度為20%,此時(shí)精礦中鐵品位為52.98%,鐵回收率為83.92%。

綜上,確定懸浮磁化焙燒適宜條件為:焙燒時(shí)間10min;焙燒溫度570℃;總氣體流量為600mL/min;CO濃度20%,此條件下精礦鐵品位為52.98%,鐵回收率為83.92%。

2.4 鐵物相分析

原礦及焙燒產(chǎn)品鐵物相分析結(jié)果如表3所示。

表3 原礦及焙燒產(chǎn)品鐵物相分析結(jié)果Table 3 Iron phase analysis results of the raw ore and the roasting products %

由表3可知,經(jīng)磁化焙燒后,鐵賦存狀態(tài)發(fā)生極大改變,表現(xiàn)為磁性鐵中鐵含量增加,赤褐鐵以及碳酸鐵中鐵含量降低。懸浮磁化焙燒產(chǎn)品中磁性鐵中鐵含量為28.81%,分布率為84.86%,鐵分布率較焙燒前礦石提升了83.02個(gè)百分點(diǎn)。懸浮磁化焙燒產(chǎn)品中赤褐鐵中的鐵含量為3.21%,分布率為9.45%,較焙燒前礦石中磁性鐵中的鐵分布率降低了70.44個(gè)百分點(diǎn)。懸浮磁化焙燒產(chǎn)品中碳酸鐵中鐵含量為1.53%,較焙燒前礦石中碳酸鐵中的鐵含量有所降低,這是由于在高溫條件下,菱鐵礦發(fā)生分解、氧化等反應(yīng)轉(zhuǎn)化為赤鐵礦或磁鐵礦。

對(duì)不同焙燒時(shí)間的樣品進(jìn)行了XRD分析,結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同焙燒時(shí)間產(chǎn)品XRD圖譜Fig.7 XRD patterns of products at different roasting times

由圖7可知,隨著磁化焙燒時(shí)間的延長(zhǎng),赤鐵礦與菱鐵礦衍射特征峰逐漸消失,磁鐵礦衍射特征峰逐漸增加。當(dāng)磁化焙燒時(shí)間到10 min時(shí),菱鐵礦及赤鐵礦的衍射特征峰消失,說(shuō)明此時(shí)菱鐵礦及赤鐵礦已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化為磁鐵礦。

2.5 磁性特性分析

磁學(xué)特性直接影響礦石磁選時(shí)的行為,為探究磁化焙燒產(chǎn)品的磁學(xué)特性,采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)對(duì)其進(jìn)行分析。對(duì)不同焙燒時(shí)間的產(chǎn)品進(jìn)行磁性分析,其比磁化強(qiáng)度和比磁化系數(shù)與外加磁場(chǎng)的關(guān)系如圖8所示。由圖8可知,隨著焙燒時(shí)間的延長(zhǎng),磁化焙燒產(chǎn)品的飽和比磁化強(qiáng)度和比磁化系數(shù)逐漸增加然后降低。磁化焙燒時(shí)間由0增加到10 min時(shí),懸浮磁化焙燒產(chǎn)品的飽和比磁化強(qiáng)度由9.54 A·m2/kg提升至29.18 A·m2/kg,最大比磁化系數(shù)由1.29×10-4m3/kg提升至2.30×10-4m3/kg。繼續(xù)增加焙燒時(shí)間至20 min,飽和比磁化強(qiáng)度降低為26.77 A·m2/kg,最大比磁化系數(shù)降低為1.85×10-4m3/kg。這也證明了懸浮磁化焙燒焙燒適宜時(shí)間為10 min。

圖8 不同焙燒時(shí)間產(chǎn)品磁學(xué)特性分析結(jié)果Fig.8 Magnetic properties analysis results of products at different roasting times

對(duì)原礦及磁化焙燒產(chǎn)品進(jìn)行磁性分析,結(jié)果如圖9所示。由圖9可知,經(jīng)過(guò)磁化焙燒后,焙燒產(chǎn)品的飽和比磁化強(qiáng)度及比磁化系數(shù)均顯著提高。焙燒產(chǎn)品的飽和比磁化強(qiáng)度與最大比磁化系數(shù)分別為26.59 A·m2/kg與4.08×10-3m3/kg。此外焙燒產(chǎn)品的剩磁為5.01 A·m2/kg,矯頑力為15.90 kA/m。

圖9 原礦及焙燒產(chǎn)品磁學(xué)特性分析結(jié)果Fig.9 Magnetic properties analysis results of the raw ore and the roasting products

2.6 微觀結(jié)構(gòu)演化

為研究懸浮磁化焙燒產(chǎn)品的微觀形貌,對(duì)磁化焙燒產(chǎn)品進(jìn)行SEM分析,結(jié)果如圖10所示。

圖10 焙燒產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)演化Fig.10 Microstructure evolution of roasted products

由圖10(a)可知,磁化焙燒前樣品表面較為平整與致密,無(wú)孔洞和裂紋。由圖10(b)可知,礦石表面形成了部分裂紋和缺陷,促進(jìn)了CO氣體擴(kuò)散,表明磁化焙燒反應(yīng)是由顆粒表面逐漸向內(nèi)部發(fā)生。由圖10(c)和(d)可以得知,隨著焙燒時(shí)間的逐漸延長(zhǎng),顆粒表面變得較為疏松和粗糙,表面結(jié)構(gòu)遭到破壞,呈現(xiàn)出蜂窩狀形貌。焙燒所形成的微裂紋和裂縫可以作為CO氣體擴(kuò)散的通道,使之與鐵氧化物充分接觸并反應(yīng),焙燒反應(yīng)后CO氣體與鐵氧化物反應(yīng)產(chǎn)生的CO2氣體擴(kuò)散到顆粒外部,形成氣孔[10-11]。隨著反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行,氣孔和微裂紋進(jìn)一步發(fā)育,氣孔和微裂紋開(kāi)始相互連通并且向深處發(fā)育,顆粒表面形成疏松多孔的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 論

(1)酒鋼鏡鐵山粉礦的最佳懸浮磁化焙燒條件為:焙燒時(shí)間10min、焙燒溫度570℃、總氣體流量為600 mL/min、CO濃度 20%。將焙燒產(chǎn)品研磨至-0.125mm,在磁場(chǎng)強(qiáng)度99.47 kA/m、選別時(shí)間3 min的條件下進(jìn)行磁選,可以獲得最佳選別指標(biāo),最終精礦的鐵品位為52.98%,鐵回收率為83.92%。

(2)焙燒產(chǎn)品磁性分析表明,經(jīng)過(guò)磁化焙燒后,樣品的飽和比磁化強(qiáng)度和比磁化系數(shù)均大幅提高,樣品磁性顯著增強(qiáng)。鐵物相分析和XRD分析表明,原礦中的弱磁性的赤鐵礦與菱鐵礦經(jīng)磁化焙燒后轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)磁性的磁鐵礦,而脈石礦物基本無(wú)變化。

(3)SEM分析表明磁化焙燒反應(yīng)是由顆粒表面逐漸向內(nèi)部進(jìn)行的。隨著焙燒時(shí)間延長(zhǎng),顆粒表面變得疏松多孔,表面結(jié)構(gòu)遭到破壞,呈現(xiàn)蜂窩狀形貌。焙燒過(guò)程中形成的微裂紋和裂縫可為CO提供擴(kuò)散通道,使CO與樣品接觸更充分,促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。