張漢泉，付金濤，路漫漫，李雪強(qiáng)，詹忠杰

武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,湖北 武漢430074

0 引 言

寧鄉(xiāng)式沉積型鮞狀赤鐵礦主要分布在我國湖北、湖南、四川、貴州等地，已探明的工業(yè)儲量達(dá)30多億t[1].鮞狀赤鐵礦是目前國內(nèi)外公認(rèn)的最難選的鐵礦石之一.鮞狀赤鐵礦的化學(xué)成分為Fe2O3，屬三方晶系的氧礦物，與等軸晶系的磁鐵礦成同質(zhì)多象[2].因其典型的鮞狀、腎狀結(jié)構(gòu)，礦物嵌布粒度極細(xì)很不利于礦石的單體解離[3]、原礦性質(zhì)復(fù)雜[4]等特點(diǎn)，長期以來被認(rèn)為是“呆礦”.國內(nèi)外鮞狀赤鐵礦選礦研究包括脫磷、脫硫、脫硅、反浮選、選擇性聚團(tuán)-反浮選、高梯度磁選、直接還原法、酸浸、焙燒、新設(shè)備和新技術(shù)等[5].鄂西鮞狀赤鐵礦儲量豐富，目前開發(fā)利用難度大.對于這部分難選礦石，由于嵌布粒度極細(xì)，不易單體解離，磁化焙燒-磁選是目前選別此類礦石最高效的途徑[6-7]，磁化焙燒將其中的非磁性物質(zhì)還原為磁性物質(zhì)，進(jìn)而通過磁選進(jìn)行選別.磁化焙燒不僅改變了該鐵礦的磁性，將Fe2O3還原成Fe3O4，鐵礦可磨性也會發(fā)生變化[8].冷卻介質(zhì)和冷卻速度[9]對焙燒礦選礦效果有重要影響，目前焙燒礦都采用水淬冷，可以防止新生成的磁鐵礦接觸空氣發(fā)生氧化[10]，但用水量大，不適用于缺水地區(qū).由于冷卻介質(zhì)與高溫焙燒礦表面直接接觸可能發(fā)生反應(yīng)，而對礦物表面性質(zhì)產(chǎn)生影響，從而對磨礦產(chǎn)生影響，本文研究了鄂西鮞狀赤鐵礦磁化焙燒前后可磨性的變化情況以及不同冷卻方式對焙燒礦磨礦的影響，以期選擇適宜的冷卻方法.

1 礦石性質(zhì)分析

鄂西鮞狀赤鐵礦全鐵品位為43.76%，最主要的鐵礦物是赤鐵礦，占全鐵的95.11%，微細(xì)的赤鐵礦呈細(xì)脈狀、網(wǎng)脈星散狀的形式嵌布在脈石中，嵌布粒度0.01～0.07 mm，故傳統(tǒng)的物理選礦方法較難選別.脈石礦物以石英(見圖1)為主，有害元素磷含量很高，占0.84%，遠(yuǎn)高于煉鋼煉鐵對磷含量的要求，因此開發(fā)此類礦石的重難點(diǎn)在于提高鐵品位和降低磷的含量.由于磷主要以磷灰石形式存在(見圖2)，以不規(guī)則團(tuán)塊狀、環(huán)狀等形式與赤鐵礦鮞粒共生，共生關(guān)系復(fù)雜.

圖1 微細(xì)的赤鐵礦(白色)彌散分布在石英(Q)中

圖2 膠磷礦(A)、石英和帶狀赤鐵礦(H)緊密共生

2 實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究成果，鄂西鮞狀赤鐵礦磁化焙燒的條件選擇為還原粉煤配比8%，溫度為750 ℃，保溫60 min.分別在密閉、水冷和自然冷卻3種方式下冷卻焙燒礦，冷卻后篩析.再分別焙燒，冷卻，進(jìn)行磨礦試驗(yàn)，磨礦時(shí)間為5、8、11、14、17 min，水篩篩析.應(yīng)重點(diǎn)描述3種冷卻方式及冷卻過程，特別是密閉冷卻和自然冷卻，如：是否隔絕空氣，冷卻速度，及不同速度下的冷卻效果.(注：密閉冷卻是將產(chǎn)品和容器一起埋入濕煤中隔絕空氣冷卻；水冷是直接將焙燒產(chǎn)品倒入冷水中；自然冷卻是將產(chǎn)品拿出焙燒爐，置于空氣中冷卻.)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試樣磁化焙燒的效果

原礦焙燒礦鐵物相分析結(jié)果見表1.

表1 原礦、焙燒礦鐵物相分析結(jié)果

由表1可見，原礦經(jīng)焙燒后，磁性鐵含量明顯增多，由0.20%增長到了39.70%，磁性鐵分布率也由原來的0.46%增長到91.56%，說明焙燒磁化效果明顯，這將有利于磁選選別.從焙燒礦外觀看，自然冷卻時(shí)，產(chǎn)品有所氧化，表面呈淺紅色.水冷時(shí)冷卻速度最快，密閉冷卻時(shí)冷卻速度最慢.

3.2 焙燒前后礦石粒度分析

對原礦、焙燒礦粒度組成分析結(jié)果見表2.

表2 原礦、焙燒礦粒度篩析

由表2可知，經(jīng)過焙燒之后，顆粒平均粒徑由0.069 9 mm增加到0.08 mm以上，且粗粒級增多，細(xì)粒級減少，以+0.25 mm為例，原礦含量為41.05%，而焙燒后含量均在46%以上；對于-0.045 mm，原礦含量為24.07%，焙燒礦含量均在17%左右.焙燒后鐵元素向粗顆粒中富集，如原礦中+0.25 mm中鐵分布率為41.17%，焙燒后+0.25 mm中鐵分布率均大于46%.由粒度分析可知，焙燒后礦石粒度變化規(guī)律相同，即平均粒徑增大，粗顆粒增多，細(xì)顆粒減少.

3.3 不同冷卻方式對磨礦效果的影響

根據(jù)已有的報(bào)道，鄂西鮞狀赤鐵礦選礦磨礦的最佳粒度范圍為-0.045 mm80%以上[13-15]，故選擇-0.045 mm進(jìn)行磨礦結(jié)果比較.由圖3可知，原礦磨礦曲線自始至終都高于其他曲線，說明鄂西鮞狀赤鐵礦經(jīng)過磁化焙燒后可磨性變差.由圖4可知，密閉冷卻磨礦效果相對較好，如磨礦14 min時(shí)，密閉冷卻、水冷、自然冷卻-0.045 mm含量分別為83.89%、76.51%、77.14%，水冷和自然冷卻的磨礦效果基本相同.

圖3 原礦、焙燒礦磨礦曲線

圖4 冷卻方式對磨礦的影響

3.4 結(jié)果討論

a.掃描電鏡形貌分析結(jié)果見圖5～圖8，從總體看，鮞狀赤鐵礦經(jīng)焙燒后粗顆粒粒徑增大且含量增多，這是焙燒加熱過程中細(xì)顆粒軟化、萎縮產(chǎn)生少量液相，導(dǎo)致顆粒間粘結(jié)所致[16]，焙燒加入了礦石量8%的煤粉，煤的灰分為25.06%，可排除煤粉對粒度及粒度分布的影響.一般而言，礦石經(jīng)過焙燒后，會變得疏松多孔，可磨性會得以提高，變得更容易磨，而本試驗(yàn)中鄂西鮞狀赤鐵礦經(jīng)過磁化焙燒后，反而更難磨，可磨性降低，原因是鮞狀赤鐵礦經(jīng)過磁化焙燒后，礦物成分由赤鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)榱舜盆F礦，其莫氏硬度由鮞狀赤鐵礦的2～4變成了磁鐵礦的5.5～6.5[7]，硬度升高很多，而原礦燒失僅為3.57%，焙燒過程中分解，蒸發(fā)跑掉的成分少，礦石疏松性變化小，從圖6～圖8SEM照片看，礦石疏松性基本無變化，且焙燒后礦物顆粒變粗也可能使礦石結(jié)構(gòu)變的致密[4]，故而焙燒后礦石可磨性降低.

b.觀察圖6～圖8可知，焙燒礦經(jīng)密閉冷卻后比經(jīng)水冷和自然冷卻后顆粒要粗且含量也多，這與篩析結(jié)果一致，其平均粒徑分別為0.088 2 mm、0.084 3 mm、0.087 0 mm，+0.25 mm含量分別為50.35%、46.7%和49.98%，在磨礦曲線中隨著粒徑的變小斜率越小，磨礦效率越低，故粒徑較粗的密閉冷卻的焙燒礦磨礦效率要高一些.由表3可見，原礦密度最大，且冷卻方式不同，焙燒礦密度存在差別，密閉冷卻密度最小、水冷最大、自然冷卻居中，且分別為3.356 g/cm3、3.456 g/cm3、3.384 g/cm3.由于礦石密度越大礦石就越致密，所以密閉冷卻的焙燒礦磨礦效果最好，水冷和自然冷卻相當(dāng)，且自然冷卻稍微好磨.

表3 焙燒礦密度

圖5鮞狀赤鐵礦SEM照片(×1000)

Fig.5 SEM images of oolitic hematite

圖6密閉冷卻焙燒礦SEM照片(×1000)

Fig.6 SEM images of roasted ore by closed cooling

圖7 水冷焙燒礦SEM照片(×1000)

圖8 自然冷卻焙燒礦SEM照片(×1000)

5 結(jié) 語

a.鄂西鮞狀赤鐵礦鐵品位為43.76%，赤鐵礦嵌布粒度細(xì)，為0.01～0.07 mm.單體解離困難，可能使其過磨、泥化，所以選別此類礦石的關(guān)鍵是磨礦的研究.

b.鄂西鮞狀赤鐵礦焙燒后，礦石變粗，如原礦、密閉冷卻、水冷和自然冷卻焙燒礦的平均粒徑分別為0.069 9 mm、0.088 2 mm、0.084 3 mm、0.087 0 mm.且礦物中粗顆粒增多，細(xì)顆粒減少，以+0.25 mm含量為例，原礦為41.05%，而焙燒后含量均在46%以上；-0.045 mm含量，原礦為24.07%，焙燒礦含量均在18%左右.焙燒后鐵元素向粗顆粒中富集，如原礦中+0.25 mm中鐵分布率為41.17%，焙燒后+0.25 mm中鐵分布率均大于46%.

c.鄂西鮞狀赤鐵礦經(jīng)過磁化焙燒后可磨性變差，3種冷卻方式中密閉冷卻磨礦效果最好，如磨礦14 min時(shí)，密閉冷卻、水冷、自然冷卻-0.045 mm含量分別為83.89%、76.51%、77.14%，水冷和自然冷卻的磨礦效果基本相同，由于水冷消耗水量大，自然冷卻會導(dǎo)致焙燒礦表面新生成的赤鐵礦被O2氧化而磁性降低，綜合考慮鄂西鮞狀赤鐵礦焙燒礦應(yīng)該采用密閉冷卻.

致 謝

感謝中國國家自然科學(xué)基金委員會和武漢工程大學(xué)的經(jīng)費(fèi)支持，感謝武漢工程大學(xué)礦物加工實(shí)驗(yàn)室齊全的試驗(yàn)設(shè)施與濃厚的科研氛圍.

[1] 左倩, 王一, 田賦,等. 鄂西某鮞狀赤鐵礦焙燒磁選試驗(yàn)研究[J]. 金屬礦山, 2008(8): 36-38.

ZUO Qian, WANG Yi, TIAN Fu, et al. Experimental study on the beneficiation of an oolite iron ore from Western Hubei by roasting-magnetic separation[J]. Metal Mine, 2008(8): 36-38.(in Chinese)

[2] 童雄, 黎應(yīng)書, 周慶華, 等. 難選鮞狀赤鐵礦石的選礦新技術(shù)試驗(yàn)研究[J]. 中國工程科學(xué), 2005(7): 323-325.

TONG Xiong, LI Ying-shu, ZHOU Qing-hua, et al. Experiment of refractory oolitic hematite with ore processing[J]. Engineering Science, 2005(7): 323-325. (in Chinese)

[3] 張錦瑞, 胡力可, 梁銀英, 等. 難選鮞狀赤鐵礦的研究利用現(xiàn)狀及展望[J]. 中國礦業(yè), 2007, 16(7): 74-76.

ZHANG Jin-rui, HU Li-ke, LIANG Yin-ying, et al. The research on refractory oolitic hematite and expectation[J]. China Mining Magazine, 2007, 16(7): 74-76. (in Chinese)

[4] 陳敏. 鄂西鮞狀赤鐵礦磁化焙燒-弱磁選-反浮選工藝及焙燒性能研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2012.

CHEN Min. Study on magnetizing roasting-low intensity magnetic separation reverse flotation process and roasting properties of oolitic hematite in Western Hubei[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2012. (in Chinese)

[5] 孫志勇. 鄂西鮞狀赤鐵礦磁化焙燒-金屬化焙燒工藝選礦試驗(yàn)研究[D]. 武漢: 武漢科技大學(xué), 2010.

SUN Zhi-yong. Experimental research on Exi oolitic hematite with magnetic roasting and metallic roasting processes[D].Wuhan: Wuhan University of Science and Technology, 2010. (in Chinese)

[6] 鄭貴山. 鄂西高磷鮞狀赤鐵礦分選的研究[D]. 沈陽: 東北大學(xué), 2010.

ZHENG Gui-shan. The study of beneficiating process of West Hubei high phosphorus oolitic hematite[D]. Shenyang: Northeastern University, 2010. (in Chinese)

[7] 邱俊, 呂憲俊, 陳平, 等. 鐵礦選礦技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2012:141-154.

QIU Jun, Lü Xian-jun, CHEN Ping, et al. Iron ore dressing technology[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2012:141-154.(in Chinese)

[8] 顏亞梅, 李茂林, 崔瑞, 等. 磁化焙燒對鄂西鐵礦磨礦性能的影響[J]. 礦冶工程, 2012, 32(5):34-36.

YAN Ya-mei, LI Mao-lin, CUI Rui, et al. Influence of magnetizing roasting parameters on grindability of oolitic hematite[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 2012, 32(5): 34-36. (in Chinese)

[9] Baozhong Ma, Chengyan Wang, Weijiao Yang,et al. Screening and reduction roasting of limonitic laterite and ammonia-carbonate leaching of nickel-cobalt to produce a high-grade iron concentrate[J]. Minerals Engineering. 2013,50:106-113.

[10] 龐永莉. 菱鐵礦流態(tài)化磁化焙燒技術(shù)的開發(fā)與研究[D]. 西安: 西安建筑科技大學(xué), 2006.

PANG Yong-li. The research and development of the techniques for siderite powder roasted and magnetized in the state of fluidization[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2006. (in Chinese)

[11] 張漢泉, 汪鳳玲, 李浩. 鮞狀赤鐵礦磁化焙燒-磁選-反浮選降磷試驗(yàn)[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 33(3): 29-31.

ZHANG Han-quan, WANG Feng-ling, LI Hao. Study on magnetic roasting magnetic separation inverseflotation for phosphorus reduction of oolitic hematite[J]. Journal of Wuhan Institute of Technology. 2011, 33(3): 29-31. (in Chinese)

[12] 王淀佐, 邱冠周, 胡岳華. 資源加工學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010:24-28.

WANG Dian-zuo, QIU Guan-zhou, HU Yue-hua. Resource processing[M].Beijing: Science Press, 2010:24-28. (in Chinese)

[13] 楊大偉, 孫體昌, 徐承焱, 等. 鄂西某高磷鮞狀赤鐵礦提鐵降磷選礦試驗(yàn)研究[J]. 金屬礦山,2009(10): 81-83.

YANG Da-wei, SUN Ti-chang, XU Cheng-yan, et al. Beneficiation test on iron increase and phosphorous reduction of a high-phosphorus oolitic hem atite in Western Hubei[J]. Metal Mine, 2009(10): 81-83. (in Chinese)

[14] 王秋林, 陸小蘇, 彭澤友, 等. 高磷鮞狀赤鐵礦焙燒-磁選-反浮選試驗(yàn)研究[J]. 湖南有色金屬, 2009(4): 12-15.

WANG QIU-lin, LU Xiao-su, PENG Ze-you, et al. An experimental research on roasting-magnetic separation-reverse flotation of oolite hematite from Exi iron ore[J]. Hunan Nonferrous Metals, 2009(4): 12-15. (in Chinese)

[15] 王國軍, 王智化, 楊 麗, 等. 某鮞狀赤鐵礦循環(huán)流化床焙燒-磁選試驗(yàn)研究[J]. 金屬礦山, 2010(2):57-61.

WANG Guo-jun, WANG Zhi-hua, YANG Li, et al. Experiments on roasting technology magnetic separation of oolitic hematite ore by the circulating f1uidized bed[J]. Metal Mine, 2010(2):57-61. (in Chinese)

[16] 宋海霞. 懸浮態(tài)磁化焙燒菱鐵礦的試驗(yàn)研究[D]. 西安: 西安建筑科技大學(xué), 2007.

SONG Hai-xia. Research on the suspension magnetic roasting of siderite[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2007. (in Chinese)