林 海 張文通 董穎博 許曉芳

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院;2.金屬礦山高效安全開采教育部重點實驗室)

礦產(chǎn)資源是不可再生資源，是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。2000年以來，我國城市化、城鎮(zhèn)化開始提速，一方面礦產(chǎn)資源需求量急劇增長，另一方面尾礦產(chǎn)出量加速上升。據(jù)不完全統(tǒng)計，2011年我國共產(chǎn)出初級尾礦約15.8億t，綜合利用總量約2.7億t，高達13億t以上的初級尾礦未被開發(fā)利用。

未利用的尾礦中有相當(dāng)一部分可作為二次資源用于提取經(jīng)濟建設(shè)所急需的有用成分，這些有用組分的提取不僅可減少對土地的占用，而且可減少對環(huán)境的污染［1-2］，因此，充分利用這些二次資源對保障國民經(jīng)濟又好又快增長具有重要意義。

從國內(nèi)生產(chǎn)實踐看，大量的稀土尾礦中均含有較高品位的鐵，近年，關(guān)于稀土尾礦選鐵的研究成果不斷見諸報端。趙瑞超等［3］采用高梯度磁選工藝從稀土浮選尾礦中獲得了鐵品位為46.06%、鐵回收率為53.80%的鐵精礦;姬俊梅［4］采用浮選工藝從稀土尾礦中獲得了高品質(zhì)的鐵精礦;李保衛(wèi)等［5］開展過微米炭、納米炭微波還原包鋼稀土尾礦—弱磁選選鐵研究。

國內(nèi)某稀土礦受礦石性質(zhì)和開發(fā)利用技術(shù)的制約，其尾礦鐵、稀土、螢石、重晶石以及鈮等含量均較高，具有綜合回收價值，本試驗對其中的鐵氧化物開展深度還原—磁選研究。

1 試驗原料

1.1 稀土尾礦

稀土尾礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，鐵物相分析結(jié)果見表2，XRD分析結(jié)果見圖1。

表1 稀土尾礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果 %

表2 稀土尾礦鐵物相分析結(jié)果 %

圖1 稀土尾礦XRD圖譜

從表1可以看出，稀土尾礦鐵品位為17.37%、REO為6.02%、含鈮0.16%，有用組分較多，且含量較高。

從表2可以看出，稀土尾礦中鐵主要以赤褐鐵礦、磁鐵礦和硅酸鐵形式存在，其中的鐵占鐵總量的75.61%，菱鐵礦、硫化鐵與硫酸鐵中鐵的占有率均在5%～10%之間。因此，常規(guī)選礦工藝難以獲得理想的分選指標。

從圖1可以看出，稀土尾礦中主要礦物有螢石、赤褐鐵礦、石英、鐵白云石、堇青石、金云母等，氟碳鈰礦、重晶石少量。

為了盡量減少后續(xù)對其他有用組分回收的影響，并控制鐵回收成本，本試驗首先將稀土尾礦進行磁選拋尾后對拋尾精礦進行深度還原研究。稀土尾礦磁選預(yù)拋尾精礦(即深度還原試驗礦樣，以下簡稱試樣)產(chǎn)率為58.08%、鐵品位為25.75%、鐵回收率為86.10%。

1.2 還原煤

試驗用還原劑分別為碎至－2 mm的華北某地褐煤、煙煤及無煙煤。各還原煤工業(yè)分析結(jié)果見表3。

表3 還原煤工業(yè)分析結(jié)果 %

從表3可以看出，3種還原煤的成分差異較大，符合本研究對還原劑品質(zhì)的要求。

2 研究方法

將試樣與還原劑按一定配比混合均勻后置于坩堝內(nèi)，再在混合料上覆蓋一層煤粉以確保試樣的還原氣氛，然后將坩堝放入SX2－12－13型箱式電阻爐中進行恒溫還原，深度還原產(chǎn)物自然冷卻后經(jīng)XMQ－240×90型錐形球磨機磨至一定細度，再用RK/CXG－?50型磁選管進行弱磁選。最后采用XRD技術(shù)對還原產(chǎn)物及磁選鐵粉進行分析。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 深度還原試驗

3.1.1 還原煤種類確定試驗

還原煤種類確定試驗的還原煤用量為煤與試樣總質(zhì)量的20%，還原溫度為1000℃，還原時間為60 min，還原產(chǎn)物磨礦細度為－74μm占85%，弱磁選磁場強度為118 kA/m，試驗結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，在還原煤用量相同的情況下，以褐煤為還原劑所得的磁選鐵粉鐵回收率最高，達86.48%，鐵品位則為59.65%，低于以無煙煤為還原劑所得的磁選鐵粉鐵品位。

根據(jù)還原反應(yīng)機理，實際起還原作用的為固定碳，固定碳含量越高，深度還原體系的還原氣氛就越強，因而還原深度越深，無煙煤還原鐵粉的鐵品位也就越高;而灰分和揮發(fā)分則通過影響還原過程中鐵顆粒的成長間接影響還原效果［6-7］，因而，褐煤還原鐵粉的鐵回收率最高。從經(jīng)濟、高效回收鐵的角度考慮，后續(xù)試驗選擇褐煤為還原劑。

3.1.2 褐煤用量試驗

褐煤用量試驗的還原溫度為1000℃，還原時間為60 min，還原產(chǎn)物磨礦細度為 －74μm占85%，弱磁選磁場強度為118 kA/m，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 褐煤用量對磁選鐵粉指標的影響

從圖3可以看出，隨著褐煤用量的增加，磁選鐵粉鐵品位先顯著下降而后走平，鐵回收率先顯著上升而后走平。綜合考慮，確定褐煤用量為煤與試樣總質(zhì)量的10%，對應(yīng)的磁選鐵粉鐵品位為80.1%，鐵回收率為81.53%。

在整個還原過程中，CO與鐵氧化物的氣固相反應(yīng)起主導(dǎo)作用。當(dāng)褐煤用量較低時，增加褐煤用量可使還原體系CO/CO2濃度升高，還原氣氛增強，反應(yīng)速率加快;當(dāng)褐煤用量過高時，試樣中夾雜的褐煤及其殘余物阻礙了鐵晶粒的聚集成長，給磁性礦物與脈石的解離帶來困難，進而影響磁選鐵粉的鐵品位。

3.1.3 還原溫度試驗

還原溫度試驗的褐煤用量為煤與試樣總質(zhì)量的10%，還原時間為60 min，還原產(chǎn)物磨礦細度為－74 μm占85%，弱磁選磁場強度為118 kA/m，試驗結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，提高還原溫度磁選鐵粉鐵品位先快速上升后升速減緩，鐵回收率先上升后下降。綜合考慮，確定深度還原溫度為1200℃，對應(yīng)的磁選鐵粉鐵品位為91.00%，鐵回收率為90.83%。

研究表明，當(dāng)還原溫度過高時，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的液相增加，焙燒礦樣的孔隙率降低，還原動力學(xué)條件惡化，阻礙了反應(yīng)的進一步進行，因而影響鐵回收率的進一步升高［8］。

圖4 還原溫度對磁選鐵粉指標的影響

3.1.4 還原時間試驗

還原時間試驗的褐煤用量為煤與試樣總質(zhì)量的10%，還原溫度為1200℃，還原產(chǎn)物磨礦細度為－74μm占85%，弱磁選磁場強度為118 kA/m，試驗結(jié)果見圖5。

圖5 還原時間對磁選鐵粉鐵指標的影響

從圖5可以看出，延長還原時間，磁選鐵粉的鐵品位和鐵回收率先上升后走平。綜合考慮，確定還原時間為 60 min，對應(yīng)的磁選鐵粉鐵品位為91.00%，鐵回收率90.83%。

3.2 焙燒產(chǎn)物磨選試驗

3.2.1 磨礦細度試驗

還原產(chǎn)物磨礦細度試驗的弱磁選磁場強度為118 kA/m，試驗結(jié)果見圖6。

圖6 還原產(chǎn)物磨礦細度試驗結(jié)果

從圖6可以看出，隨著還原產(chǎn)物磨礦細度的提高，磁選鐵粉鐵品位先明顯上升后維持在高位、回收率小幅下降。綜合考慮。確定后續(xù)試驗的磨礦細度為－74μm占85%。

3.2.2 弱磁選磁場強度試驗

還原產(chǎn)物弱磁選磁場強度試驗的磨礦細度為－74μm占85%，試驗結(jié)果見圖7。

圖7 弱磁選磁場強度試驗結(jié)果

從圖7可以看出，隨著磁場強度的提高，磁選鐵粉鐵品位小幅下降，鐵回收率小幅上升。綜合考慮，確定弱磁選磁場強度為118 kA/m，對應(yīng)的磁選鐵粉鐵品位為91.00%、作業(yè)回收率為90.83%。

3.3 還原產(chǎn)物與磁選鐵粉的XRD分析

對褐煤用量為煤與試樣總質(zhì)量的10%，還原溫度為1200℃，還原時間為60 min的深度還原產(chǎn)物及磨礦細度為－74μm占85%，弱磁選磁場強度為118 kA/m的磁選鐵粉進行了XRD分析，結(jié)果見圖8、圖9。

從圖8可以看出，深度還原產(chǎn)物中未見赤鐵礦、磁鐵礦等礦物的特征峰，但有單質(zhì)鐵礦物的特征峰，說明深度還原使大量的鐵氧化物還原成了單質(zhì)鐵。

從圖9可以看出，磁選鐵粉中主要為單質(zhì)鐵的特征峰，表明磨礦—弱磁選有效地分離富集了深度還原產(chǎn)物中的單質(zhì)鐵。

磁選鐵粉中微量的磷化鐵(Fe3P)是由還原焙燒生成的Fe3P與鐵單質(zhì)形成Fe3P－Fe二元共晶，弱磁選難以分離所致。

4 結(jié)論

(1)稀土尾礦中的鐵礦物成分復(fù)雜，磁選預(yù)拋尾精礦深度還原—弱磁選工藝可以高效回收稀土尾礦中的鐵礦物。

(2)試樣適宜的深度還原條件為褐煤用量為試樣與褐煤總質(zhì)量的10%、還原溫度為1200℃、還原時間為60 min，還原產(chǎn)物磨礦細度為 －74μm占85%、弱磁選磁場強度為118 kA/m，獲得的磁選鐵粉鐵品位為91.00%、還原產(chǎn)物弱磁選作業(yè)回收率為90.83%、鐵綜合回收率可達78.20%。

(3)深度還原產(chǎn)物和磁選鐵粉的XRD分析結(jié)果表明，還原對象中的復(fù)雜鐵礦物經(jīng)深度還原大都變成了單質(zhì)鐵，弱磁選可以對這些單質(zhì)鐵進行高效富集。

［1］ 劉潤華，許珠信，劉 暢，等.尾礦資源現(xiàn)狀及綜合利用技術(shù)的進展［J］.黃金，2011(11):66-69.

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［3］ 趙瑞超.從稀土浮選尾礦中回收鐵的磁選實驗研究［D］.包頭:內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2008.

［4］ 姬俊梅.包頭礦鈮礦物的綜合回收研究［J］.礦業(yè)快報，2005 (10):13-15.

［5］ 李保衛(wèi)，張邦文，趙瑞超，等.用微波還原—弱磁選工藝從包鋼稀土尾礦回收鐵［J］.金屬礦山，2008(6):45-48.

［6］ 孫永升，李淑菲，史廣全，等.某鮞狀赤鐵礦深度還原試驗研究［J］.金屬礦山，2009(5):80-83.

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