張漢泉，彭 然,張澤強(qiáng)

(武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

我國鋼鐵工業(yè)高速發(fā)展，鐵礦石原料的要求也急速增長.所以，采用合理工藝技術(shù)，開發(fā)國內(nèi)鐵礦山氧化鐵礦石資源在我國是非常急需和重要的，也是國家利用有效資源所鼓勵(lì)的[1-2].為開發(fā)利用廣西某鐵礦石資源(原礦鐵品位在52%左右)，本文對鐵礦石化學(xué)組成和礦物組成的分析，查明礦石中鐵元素的含量及呈何種礦物存在、嵌布粒度特性、有用礦物與脈石礦物間的共生關(guān)系；探索鐵礦物有效的選礦回收利用的最佳工藝及可能達(dá)到的指標(biāo)進(jìn)行了研究.通過對該鐵礦石進(jìn)行原礦理化性能研究、強(qiáng)磁選選別試驗(yàn)和磁化焙燒—磁選試驗(yàn)，結(jié)果表明，該礦石屬弱磁性礦物，單一的強(qiáng)磁選工藝無法實(shí)現(xiàn)對鐵礦物的回收，采用磁化焙燒—磁選聯(lián)合工藝，能滿足對該礦石鐵礦物的有效回收.

1 試樣制備

試驗(yàn)所用礦石原礦全鐵品位52.07%，磁性鐵含量僅為0.059%，赤褐鐵礦鐵含量48.53%，為典型的氧化鐵礦石.原礦樣粒度分布范圍寬，含泥較多，在0～100 mm范圍之間.試驗(yàn)前先進(jìn)行2 mm篩分分級，粗粒部分用SP—60×100顎式破碎機(jī)——XPS—Φ250×150輥式破碎篩分機(jī)破至-2 mm，然后進(jìn)行混勻、縮分、取樣，分別進(jìn)行粒度篩析、化學(xué)分析、礦物工藝學(xué)研究和選礦工藝考查試驗(yàn).試樣制備流程如圖1所示.

圖1 試樣制備流程圖

原礦粒度篩析結(jié)果見表1.由粒度篩析結(jié)果可知，廣西鐵礦石鐵礦物在各粒級分布比較均勻，鐵品位均在52%以上.-0.044 mm含量為15%左右，其中鐵的占有率也在13%以上，鐵品位相對其他粒級含量要低，均具有較高的回收價(jià)值，但由于礦石中-0.044 mm含量在15%以上，給分選帶來困難.

表1 廣西鐵礦篩析結(jié)果(水篩)

2 原礦理化性質(zhì)

2.1 鐵礦多元素分析

鐵礦多元素分析結(jié)果見表2.由表2可知，鐵礦石中鐵含量較高，但磁性率(FeO/Fe)只有2.11%，應(yīng)為氧化礦石，屬弱磁性礦物，同時(shí)燒損較大，SiO2和Al2O3為要分選排除的主要脈石礦物.有害組分硫、磷含量都很低.要實(shí)現(xiàn)提鐵降雜的目標(biāo)，單一的傳統(tǒng)弱磁選方法難以滿足要求.

表2 廣西鐵礦多元素分析結(jié)果

2.2 鐵礦鐵物相分析

廣西鐵礦鐵物相分析(表3)表明，鐵礦物以赤褐鐵礦為主，占98%以上，其他鐵礦物鐵的分布率均在0.5%以下.

表3 廣西鐵礦鐵物相分析結(jié)果

2.3 燃料性質(zhì)

試驗(yàn)用煤粉為武鋼烏龍泉礦水泥廠普通燃煤，其主要指標(biāo)見表4.

表4 試驗(yàn)用煤粉工業(yè)分析結(jié)果

3 選礦試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 強(qiáng)磁選試驗(yàn)

強(qiáng)磁選試驗(yàn)?zāi)サV所用設(shè)備為XMQ-150×50錐形球磨機(jī)上進(jìn)行，給料質(zhì)量為1kg，固液比為1∶1，磨礦濃度50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，用200 目標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩進(jìn)行水篩，測定-0.074 mm含量.

原礦強(qiáng)磁選試驗(yàn)使用的是XCSQ-50×70濕式強(qiáng)磁選機(jī)分選，激磁電流為11.0 A，磁場強(qiáng)度為875.6 kA/m，給料50 g，原礦樣磨礦時(shí)間分別為5 min、10 min和15 min，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.由表5可知，采用強(qiáng)磁選(場強(qiáng)875.6 kA/m)處理原礦，鐵精礦鐵回收率均在75%以上，但鐵精礦品位僅為55%～56%，尾礦品位仍較高，未實(shí)現(xiàn)提高鐵品位的目標(biāo).因此，單一的強(qiáng)磁選工藝也無法滿足該鐵礦石的選礦要求.

表5 廣西鐵礦石強(qiáng)磁選試驗(yàn)結(jié)果

3.2 磁化焙燒—弱磁選試驗(yàn)研究

處理上述難選氧化鐵礦石的最有效方法是磁化焙燒—磁選，國外專家曾進(jìn)行了大量理論研究[3-8]，前蘇聯(lián)于1962年曾建設(shè)有30臺(tái)Φ3.6 m×L50 m的回轉(zhuǎn)窯處理克里沃羅格氧化鐵礦石(赤鐵礦石英巖)，我國鞍鋼、酒鋼、包鋼于20世紀(jì)50～70年代，曾建成130多臺(tái)豎爐對所屬難選氧化鐵礦石用磁化焙燒—磁選工藝生產(chǎn)鐵精礦，起了很大作用.根據(jù)熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)機(jī)理分析，氧化鐵礦物在焙燒過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有[9-10]：

3FeCO3=Fe3O4+2CO2+CO+205.86 kJ/mol

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2-53.2 kJ/mol

對于“磁化焙燒—磁選”工藝，在物料穩(wěn)定的堆積狀態(tài)情況下，影響氧化鐵礦物磁化轉(zhuǎn)化為磁鐵礦的主要工藝參數(shù)為：溫度、還原劑用量、反應(yīng)時(shí)間.為此針對不同工藝參數(shù)，進(jìn)行礦石焙燒條件試驗(yàn)，焙燒礦磨細(xì)后，在磁選管中進(jìn)行焙燒產(chǎn)品磁性檢查試驗(yàn).

廣西鐵礦石磁化焙燒是在12 kW高溫箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行的，每次裝礦量為50～500 g，通過調(diào)節(jié)溫度、磁化焙燒時(shí)間和粉煤配比來考查磁化焙燒效果.所用燃料為武鋼褐煤，粒度-1 mm，磁化焙燒后的產(chǎn)物直接進(jìn)水冷卻，然后進(jìn)行縮分、取樣，磨礦在XMQ—Φ150 mm×50 mm錐形球磨機(jī)上進(jìn)行，磨礦濃度為50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，磁選試驗(yàn)在磁選管內(nèi)完成，磁場強(qiáng)度為119.4 kA/m.

3.2.1 磁化焙燒煤粉配比試驗(yàn) 磁化焙燒—磁選煤粉配比試驗(yàn)磁化焙燒溫度為700 ℃，磁化焙燒時(shí)間為40 min，磁化焙燒礦磨礦時(shí)間為3 min，產(chǎn)品磨礦后-0.074 mm含量為84%.試驗(yàn)結(jié)果見表6.

隨著磁化焙燒煤粉配比由4%增加到8%，鐵回收率大幅度增加，但繼續(xù)增加煤粉配比至16%，鐵精礦品位和回收率反而下降，同時(shí)，隨著煤粉配比增加，煤灰混入量增加，導(dǎo)致綜合品位下降，由于磁化焙燒時(shí)間較短，磁選尾礦鐵品位居高不下，少量赤鐵礦未得到充分還原，因而，應(yīng)在下面的反應(yīng)過程中進(jìn)一步改善磁化焙燒條件.

表6 磁化磁化焙燒—磁選煤粉配比試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 磁化焙燒時(shí)間試驗(yàn) 磁化焙燒—磁選煤粉配比試驗(yàn)磁化焙燒溫度為700 ℃，磁化焙燒礦磨礦時(shí)間為3 min.試驗(yàn)結(jié)果見表7，由表7可知，在磁化焙燒時(shí)間為20 min時(shí)，磁選精礦鐵回收率高達(dá)98.26%，但是鐵精礦品位相對較低；當(dāng)磁化焙燒時(shí)間為40 min時(shí)，鐵精礦品位和回收率均較理想，尾礦品位低于10%.當(dāng)磁化焙燒時(shí)間為80 min時(shí)，鐵精礦回收率明顯下降，尾礦品位高于20%，存在著明顯的過燒現(xiàn)象，精礦鐵品位比磁化焙燒時(shí)間為20～40 min時(shí)變化不大.綜合考慮生產(chǎn)率、精礦質(zhì)量和鐵的回收率，確定40 min為最好的磁化焙燒時(shí)間條件.

表7 磁化焙燒時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

3.2.3 磁化焙燒溫度試驗(yàn) 為了考查不同溫度條件下的磁化焙燒效果，進(jìn)行了溫度為650～800 ℃的條件下的磁化焙燒，試驗(yàn)結(jié)果見表8.磁化焙燒溫度試驗(yàn)條件為：配煤8%，磁化焙燒時(shí)間為40 min.試驗(yàn)結(jié)果見表8.當(dāng)磁化焙燒溫度為650～700 ℃時(shí)，弱磁選鐵精礦產(chǎn)率均在87%以上，鐵回收率在96%以上，磁化焙燒效果較好；當(dāng)磁化焙燒溫度為800 ℃以上時(shí)，弱磁選鐵精礦鐵品位增加了1個(gè)百分點(diǎn)，但產(chǎn)率和鐵回收率均大幅下降，尾礦鐵品位上升5～6個(gè)百分點(diǎn)，磁化焙燒效果明顯惡化.溫度達(dá)到800 ℃時(shí),尾礦品位急劇上升,尾礦FeO含量急劇上升，出現(xiàn)了過還原現(xiàn)象.由于考慮到下面的試驗(yàn)焙燒礦量會(huì)增加，為確保磁化焙燒充分，因此采用的焙燒溫度為700 ℃.

表8 磁化焙燒溫度試驗(yàn)結(jié)果

3.2.4 磁化焙燒—磁選磨礦細(xì)度試驗(yàn) 磁化焙燒礦磨礦粒度試驗(yàn)所用磁化焙燒礦的條件：在700 ℃條件下，配加褐煤8%，磁化焙燒時(shí)間為40 min.磨礦試驗(yàn)是在XMQ—Φ150錐行球磨機(jī)上進(jìn)行，磨礦濃度為1∶1，試驗(yàn)結(jié)果見表9.由表9可知，磨礦粒度為-0.074 mm 84.00%時(shí)，鐵精礦品位為62.73%，鐵精礦回收率達(dá)96.35%，選別效果較好.磨礦粒度為-0.074 mm 93.50%時(shí)，鐵精礦品位和回收率下降約1個(gè)百分點(diǎn)；當(dāng)磨礦粒度為-0.047 mm超過90%時(shí)，尾礦鐵品位升高，精礦鐵回收率急劇下降；過磨造成磁選分離效果下降.故選擇磁化焙燒礦的磨礦粒度為-0.074 mm含量85%以下，磁選效果較為理想.

表9 磁化焙燒—磁選磨礦細(xì)度試驗(yàn)

3.3 磁化焙燒—磁選—再磨磁選綜合試驗(yàn)

按照焙燒礦樣的選礦工藝條件及工藝流程試驗(yàn)，對焙燒礦進(jìn)行了粗磨—弱磁選—精礦再磨—弱磁選流程的驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)流程見圖2.

圖2 弱磁選精礦再磨再選流程數(shù)質(zhì)量流程圖

原礦焙燒條件：在700 ℃條件下，配加褐煤8%，磁化焙燒時(shí)間為40 min.磁化焙燒礦量為1 000 g.焙燒礦磨礦設(shè)備為.XMQ—Φ240 mm×90 mm錐形球磨機(jī)；弱磁選使用的是Φ400 mm×300 mm鼓形弱磁選機(jī)，筒體表面磁場強(qiáng)度≤0.25 T，磁場強(qiáng)度分別為119.4 kA/m、79.6 kA/m，為防止粗精礦發(fā)生磁團(tuán)聚現(xiàn)象，磁選粗精礦再磨前用Φ50 mm退磁器進(jìn)行退磁.試驗(yàn)結(jié)果見圖2數(shù)質(zhì)量流程圖.

由圖2可知，在一段磨礦粒度為-0.074 mm 49.41%、二段磨礦粒度為-0.074 mm 73.23%的條件下，可以得到鐵精礦品位為63.27%，鐵回收率95.99%的較好選礦指標(biāo).說明廣西鐵礦石經(jīng)過磁化焙燒后，可選性大大增強(qiáng)，可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)利用的目的.

3.4 產(chǎn)品分析

廣西鐵礦磁化焙燒礦經(jīng)過磁選—再磨磁選得到的鐵精礦鐵品位為63.27%，為考察精礦產(chǎn)品中有害雜質(zhì)的含量，對最終鐵精礦作了化學(xué)多元素分析鐵物相分析.結(jié)果見表10、11.

表10 最終鐵精礦化學(xué)多元素分析結(jié)果

由表10可以看出，最終鐵精礦中鐵品位達(dá)63.27%，有害元素硫，磷都較低，Al2O3、CaO、MgO的含量都能滿足高爐冶煉的要求，是優(yōu)質(zhì)鐵精礦.SiO2為3.27%，是由于考慮磨礦成本，磨礦細(xì)度較粗(-0.074mm 73.23%)，少量脈石沒有單體解離.但進(jìn)一步提高精礦鐵品位的空間不大.通過對鐵精礦產(chǎn)品多元素分析表明，四元堿度(CaO+ MgO)/(SiO2+ Al2O3)為0.377，屬于典型的酸性礦石，可用于生產(chǎn)燒結(jié)礦或氧化球團(tuán)礦.

表11 樣品中鐵的化學(xué)物相分析結(jié)果

由表11得出：

a.通過焙燒，焙燒礦中鐵的品位提高了2.12個(gè)百分點(diǎn)，這主要是原礦中褐鐵礦結(jié)晶水、吸附水的揮發(fā)所致.

b.原礦中鐵的賦存狀態(tài)較為復(fù)雜，分布在磁鐵礦中的鐵所占的比例很低只有0.11%，而以赤褐鐵礦和碳酸鹽形式存在的鐵分布率合計(jì)高達(dá)98.94%.通過焙燒后，鐵的賦存狀態(tài)發(fā)生了較大改變，磁性鐵礦物占了94.13%，與之對應(yīng)的赤褐鐵礦和碳酸鹽中的鐵所占的比例明顯降低，說明焙燒過程中原礦中絕大部分赤鐵礦、褐鐵礦都已轉(zhuǎn)化為磁鐵礦[11].

c.通過焙燒，赤褐鐵礦還原率達(dá)到98%以上，含鐵礦物轉(zhuǎn)化規(guī)律與預(yù)計(jì)的一致，完全能夠滿足磁化焙燒工藝的要求.

4 結(jié) 語

a.廣西鐵礦石中鐵含量較高，但磁性率(FeO/Fe)只有2.11%，應(yīng)為氧化礦石，屬弱磁性礦物，同時(shí)燒損較大，SiO2和Al2O3為要分選排除的主要脈石礦物.有害組分硫、磷含量都很低.通過焙燒后，鐵的賦存狀態(tài)發(fā)生了較大改變，磁性鐵礦物占了94.13%，與之對應(yīng)的赤褐鐵礦和碳酸鹽中的鐵所占的比例明顯降低，焙燒過程中98%以上的赤鐵礦、褐鐵礦都已轉(zhuǎn)化為磁鐵礦.

b.通過對廣西鐵礦石進(jìn)行礦物化學(xué)分析、強(qiáng)磁選選別試驗(yàn)和焙燒—磁選試驗(yàn)，結(jié)果表明，該礦石屬弱磁性礦物，單一的強(qiáng)磁選工藝無法實(shí)現(xiàn)對鐵礦物的回收，采用焙燒—磁選工藝，鐵精礦產(chǎn)率達(dá)82.70%，回收率95.99%，基本滿足對該礦石鐵礦物的有效回收.鐵精礦中鐵品位達(dá)63.27%，有害元素硫，磷都較低，Al2O3、CaO、MgO、SiO2的含量都能滿足高爐冶煉的要求，是優(yōu)質(zhì)鐵精礦.要真正實(shí)現(xiàn)對該鐵礦石的選別回收，建議進(jìn)行擴(kuò)大試驗(yàn)或半工業(yè)試驗(yàn)研究，進(jìn)一步優(yōu)化工藝技術(shù)指標(biāo)，提高鐵資源的利用效果，力爭最大的經(jīng)濟(jì)效益.

參考文獻(xiàn)：

[1]任亞峰，余永富.難選紅鐵礦磁化焙燒技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 金屬礦山，2005，353(11):20-23.

[2]羅立群，樂毅.難選鐵物料磁化焙燒技術(shù)的研究與發(fā)展[J].中國礦業(yè)，2007,16(3): 55-58.

[3]Youssef M A, Morsi M B. Reduction Roast And Magnetic Separation Of Oxidized Iron Ores For The Production Of Blast Furnace Feed[J]. Canadian Metallurgical Quarterly, 1998， 37(5)：419-428.

[4]Thurnhofer A， Schachinger M， Winter F，et al. Iron Ore Reduction In a Laboratory-Scale Fluidized Bed Reactor-Effect Of Pre-Reduction on Final Reduction Degree[J]. ISIJ International, 2005，45 (2)：151-158.

[5]El-Abdouni H，Modaressi A, Heizmann J J. Chemical reaction[J].Reativ Solids, 1988,(5):108.

[6]Adam F, Dupre B, Gleitzer C. Cracking of hematite crystals during their low temperature reduction into magnetite[J]. Solid State Ionics, 1989, 32(1)：330-333.

[7]Et-Tabirou M, Dupre B, Gleitzer C. Hematite Single Crystal Reduction Into Magnetite With CO-CO2[J]. Metallurgical Transactions B (Process Metallurgy), 1988(4)：311-317.

[8]Nasr M I, Omar A A, Khadr M H, et al. Analysis of Solid-State Reduction of Iron Ore From a Couple of Experimental Measurements[J]. Scandinavian Journal of Metallurgy, 1994(6)：119-125.

[9]蘭正學(xué). 化學(xué)熱力學(xué)計(jì)算[M]. 西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1986：61-263.

[10]申柯連科. 黑色金屬礦選礦手冊[M].殷俊良譯.北京：冶金工業(yè)出版社，1985：23-30.

[11]張漢泉，任亞峰，管俊芳.難選赤褐鐵礦焙燒-磁選試驗(yàn)研究[J].中國礦業(yè)，2006，15(5)：44-48.