含鐵銅尾礦選冶聯(lián)合分選提鐵研究①

陳 濤，肖軍輝，3，4，鄒 凱，高德強(qiáng)，鐘楠嵐

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010；2.西南科技大學(xué)四川省非金屬礦粉體改性與高質(zhì)化利用工程實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621010；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所，四川 成都 610041；4.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001）

尾礦是金屬或非金屬經(jīng)過(guò)選別后暫時(shí)留存的固體廢渣，截止2020年，我國(guó)尾礦累計(jì)堆存量超600億噸。在黑色金屬及有色金屬選礦中，銅尾礦是僅次于鐵尾礦的第二大有回收利用價(jià)值的尾礦資源［1?3］。有色金屬尾礦排放量占其礦石總產(chǎn)量的90%以上，其中銅尾礦年產(chǎn)量約2億噸，綜合利用率低且呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)［4?6］。由于資源緊缺和選礦水平不斷提高，銅尾礦的回收利用成為可能且回收價(jià)值日益凸顯。我國(guó)西南地區(qū)某選廠通過(guò)浮選流程選出銅精礦和硫精礦，留下的尾礦仍然含有部分鐵。本文對(duì)該選銅尾礦中鐵礦物特性進(jìn)行了研究，并采用強(qiáng)磁選預(yù)選富集?焙燒?弱磁選工藝回收該銅尾礦中鐵。

1 原料性質(zhì)及試驗(yàn)方法

1.1 原料性質(zhì)

某含鐵銅尾礦化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1，鐵物相分析結(jié)果見(jiàn)表2，粒度分析結(jié)果見(jiàn)表3。尾礦中能進(jìn)一步回收的有價(jià)元素為鐵，含量為31.77%，硫、磷含量較低，鐵主要賦存于菱鐵礦中，少量以硅酸鐵和赤褐鐵礦形式存在。X射線、鏡下鑒定及能譜分析結(jié)果表明，脈石礦物以石英為主，尚見(jiàn)綠泥石、鎂橄欖石和水鈣沸石，偶見(jiàn)絹云母、白云石分布，部分錳與鐵緊密共生。

表1 含鐵銅尾礦化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 含鐵銅尾礦鐵物相分析結(jié)果

表3 含鐵銅尾礦粒度分析結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

為避免直接焙燒處理時(shí)礦石量大、選礦能耗高、經(jīng)濟(jì)成本高的問(wèn)題，先進(jìn)行強(qiáng)磁選預(yù)選富集，再進(jìn)行焙燒?弱磁選。強(qiáng)磁選時(shí)首先預(yù)先分出部分合格物料，不合格物料再磨至一定細(xì)度，兩者混勻后進(jìn)行一段磁選；焙燒?弱磁選時(shí)將30 g強(qiáng)磁選精礦烘干加入100 mL陶瓷坩堝中，蓋好坩堝蓋并將坩堝置于已達(dá)到預(yù)定溫度的焙燒爐爐膛內(nèi)，經(jīng)預(yù)定時(shí)間焙燒后取出水冷，水冷后的焙燒礦經(jīng)磨礦、磁選管磁選、過(guò)濾、干燥獲得鐵精礦和尾礦。試驗(yàn)原則流程見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)原則流程

2 結(jié)果與討論

2.1 強(qiáng)磁選工藝條件對(duì)鐵預(yù)富集的影響

2.1.1 磨礦細(xì)度對(duì)鐵預(yù)富集效果的影響

磁場(chǎng)強(qiáng)度0.6 T，研究了磨礦細(xì)度對(duì)強(qiáng)磁選預(yù)富集鐵效果的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，隨著磨礦細(xì)度增加，鐵品位逐漸升高但回收率下降，當(dāng)磨礦細(xì)度達(dá)到－0.06 mm粒級(jí)占90%后，繼續(xù)增大磨礦細(xì)度，品位上升幅度不大。綜合考慮，選擇磨礦細(xì)度－0.06 mm粒級(jí)占90%以上為宜，此時(shí)鐵品位和回收率分別為36.54%及88.06%。

表4 磨礦細(xì)度對(duì)強(qiáng)磁選鐵預(yù)富集效果的影響

2.1.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)鐵預(yù)富集效果的影響

磨礦細(xì)度－0.06 mm粒級(jí)占90%，進(jìn)行了強(qiáng)磁選磁場(chǎng)強(qiáng)度條件試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度提高，鐵回收率逐漸增加，但磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)0.8 T時(shí)，鐵回收率增加得很緩慢，鐵品位下降幅度變大。綜合考慮，確定強(qiáng)磁選磁場(chǎng)強(qiáng)度0.8 T為宜，此時(shí)鐵品位和回收率分別為36.32%及90.95%。

圖2 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)強(qiáng)磁選鐵預(yù)富集效果的影響

2.2 強(qiáng)磁選鐵精礦焙燒?弱磁選工藝條件試驗(yàn)

對(duì)磨礦細(xì)度－0.06 mm粒級(jí)占90%、磁場(chǎng)強(qiáng)度0.8 T條件下強(qiáng)磁選預(yù)富集得到的鐵精礦進(jìn)行焙燒?弱磁選條件試驗(yàn)。該鐵精礦TFe品位為36.32%。

2.2.1 焙燒溫度對(duì)鐵品位及回收率的影響

焙燒時(shí)間20 min、弱磁選磨礦細(xì)度－0.06 mm粒級(jí)占90%、弱磁選磁場(chǎng)強(qiáng)度0.16 T時(shí)，考察了焙燒溫度對(duì)鐵精礦品位及回收率的影響，結(jié)果如圖3所示。隨著焙燒溫度升高，鐵精礦品位和回收率均逐漸增加，可以認(rèn)為磁鐵礦相在增加；焙燒溫度高于750℃后，鐵精礦品位開(kāi)始降低，但降幅不大，回收率仍在增加。綜合考慮，選擇焙燒溫度800℃。

圖3 焙燒溫度對(duì)弱磁選鐵精礦鐵品位及回收率的影響

2.2.2 焙燒時(shí)間對(duì)鐵品位及回收率的影響

焙燒溫度800℃，其他條件不變，考察了磁化焙燒時(shí)間對(duì)鐵精礦品位及回收率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。鐵精礦品位隨著焙燒時(shí)間增加先逐漸增加后下降，在焙燒時(shí)間30 min時(shí)鐵品位達(dá)到最大值54.21%；回收率總體上隨著焙燒時(shí)間增加先升高再降低，在焙燒時(shí)間20 min時(shí)達(dá)到最大值91.54%。選擇焙燒時(shí)間20 min。

圖4 焙燒時(shí)間對(duì)弱磁選鐵精礦鐵品位及回收率的影響

2.2.3 弱磁選磨礦細(xì)度對(duì)鐵品位及回收率的影響

對(duì)焙燒溫度800℃、焙燒時(shí)間20 min條件下所得焙燒礦進(jìn)行弱磁選，磁場(chǎng)強(qiáng)度0.12 T，磨礦細(xì)度對(duì)弱磁選效果的影響見(jiàn)表5。磨礦細(xì)度增加，鐵品位變化不明顯，而鐵回收率逐步下降，選擇弱磁選磨礦細(xì)度－0.06 mm粒級(jí)占90%。

表5 磨礦細(xì)度對(duì)弱磁選鐵精礦鐵品位及回收率的影響

2.2.4 弱磁選磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)鐵品位及回收率的影響

弱磁選磨礦細(xì)度－0.06 mm粒級(jí)占90%，其他條件不變，進(jìn)行了弱磁選磁場(chǎng)強(qiáng)度條件試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)0.12 T后，鐵回收率逐步上升，但鐵品位下降幅度較大。綜合考慮，選擇弱磁選磁場(chǎng)強(qiáng)度0.12 T。

圖5 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)弱磁選鐵精礦鐵品位及回收率的影響

2.3 全流程試驗(yàn)

在條件試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了強(qiáng)磁選?焙燒?弱磁選全流程試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖6。該含鐵銅尾礦經(jīng)強(qiáng)磁選預(yù)富集?焙燒?弱磁選工藝，在磨礦細(xì)度－0.06 mm粒級(jí)占90%、磁場(chǎng)強(qiáng)度0.8 T條件下強(qiáng)磁選，焙燒溫度800℃、焙燒時(shí)間20 min條件下磁化焙燒，磨礦細(xì)度－0.06 mm粒級(jí)占90%、磁場(chǎng)強(qiáng)度0.12 T條件下弱磁選，獲得的鐵精礦TFe品位、產(chǎn)率及鐵回收率分別為58.38%、44.14%及81.11%。

圖6 強(qiáng)磁選?焙燒?弱磁選全流程數(shù)質(zhì)量流程

3 焙燒過(guò)程鐵的物相轉(zhuǎn)變機(jī)制

3.1 菱鐵礦的分解熱力學(xué)分析

FeCO3熱解過(guò)程中，F(xiàn)eCO3可以一步反應(yīng)，直接分解為Fe3O4（式（1）），還可以逐步反應(yīng)，先分解為FeO、再被CO2氧化為Fe3O4（式（2）～（3））［7?10］：

分解反應(yīng)在空氣中進(jìn)行，則分解產(chǎn)物可能會(huì)被氧化為Fe2O3。根據(jù)菱鐵礦分解反應(yīng)過(guò)程中的吉布斯自由能與溫度的變化規(guī)律，300～1 200 K范圍內(nèi)ΔGθ與T的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 菱鐵礦分解反應(yīng)式的ΔGθ?T關(guān)系曲線

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變化與溫度的計(jì)算數(shù)據(jù)，F(xiàn)eCO3的分解無(wú)論是一步反應(yīng)還是逐步反應(yīng)，其起始溫度均處于400～450 K范圍內(nèi)。溫度低于843 K時(shí)FeO相不穩(wěn)定，故在高于FeO穩(wěn)定存在的溫度下，分解生成Fe3O4和FeO都可能發(fā)生。

分解反應(yīng)發(fā)生在空氣氣氛中時(shí)，ΔGθ負(fù)值較大說(shuō)明生成Fe2O3的反應(yīng)越容易發(fā)生。實(shí)際焙燒過(guò)程中，應(yīng)該加蓋密封以使反應(yīng)處于相對(duì)密閉的體系內(nèi)。

3.2 磁化焙燒過(guò)程鐵的物相變化規(guī)律

升溫速率10℃／min、氮?dú)饬髁?0 mL／min條件下，強(qiáng)磁選鐵精礦熱分解的TG?DTG曲線如圖8所示，強(qiáng)磁選鐵精礦在被加熱到434℃前失重較少，質(zhì)量減少與部分礦物失去吸附水和結(jié)晶水有關(guān)。434～542℃是菱鐵礦的受熱分解過(guò)程，菱鐵礦在434℃時(shí)開(kāi)始分解，在511℃左右熱分解速率達(dá)到最大，在542℃時(shí)結(jié)束。

圖8 強(qiáng)磁選鐵精礦在氮?dú)鈿夥障碌腡G?DTG曲線

焙燒時(shí)間20 min，不同焙燒溫度下所得焙燒礦的XRD譜圖如圖9所示。由圖9可以看出，焙燒時(shí)間20 min，焙燒溫度達(dá)到700℃時(shí)，F(xiàn)eCO3已基本完成向Fe3O4的轉(zhuǎn)變。

圖9 不同焙燒溫度下所得焙燒礦XRD圖譜

焙燒溫度800℃，不同焙燒時(shí)間下所得焙燒礦的XRD譜圖如圖10所示。焙燒時(shí)間10 min時(shí)，F(xiàn)eCO3已經(jīng)完成分解，繼續(xù)延長(zhǎng)焙燒時(shí)間到40 min，出現(xiàn)了Fe2O3的衍射峰，這是少量Fe3O4被氧化的緣故。

圖10 不同焙燒時(shí)間下所得焙燒礦XRD圖譜

4 結(jié) 論

1）我國(guó)西南某地區(qū)含鐵銅尾礦中鐵主要以菱鐵礦形式存在于鐵礦物中，鐵含量低，僅31.77%，脈石礦物大部分為石英，細(xì)粒級(jí)（－0.075 mm）含量較多。

2）在強(qiáng)磁選磨礦細(xì)度－0.06 mm粒級(jí)占90%、磁場(chǎng)強(qiáng)度0.8 T，焙燒溫度800℃、焙燒時(shí)間20 min，弱磁選磨礦細(xì)度－0.06 mm粒級(jí)占90%、磁場(chǎng)強(qiáng)度0.12 T條件下，經(jīng)強(qiáng)磁選預(yù)富集?磁化焙燒?弱磁選工藝獲得的鐵精礦TFe品位及鐵回收率分別為58.38%和81.11%。

3）TG分析結(jié)果表明，434～542℃范圍內(nèi)，強(qiáng)磁選鐵精礦失重明顯；紅外光譜分析結(jié)果表明，菱鐵礦在700℃下焙燒20 min基本轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3O4，升高溫度有利于磁鐵礦晶體的發(fā)育；800℃下焙燒40 min時(shí)，有少量赤鐵礦出現(xiàn)。