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        高鐵鋁土礦懸浮磁化焙燒鐵鋁分離技術(shù)研究

        2021-05-10 07:58:28王若楓李艷軍孫永升1
        金屬礦山 2021年4期
        關(guān)鍵詞:原礦鋁土礦磁選

        王若楓 袁 帥 高 鵬,3 李艷軍 孫永升1

        (1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819;2.難采選鐵礦資源高效開發(fā)利用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧 沈陽 110819;3.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110819)

        鋁是重要的輕金屬,是地殼中含量最多的金屬元素,具有良好的延展性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性,易于加工,耐腐蝕,廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、交通運(yùn)輸、軍工等行業(yè),是現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支撐性材料[1]。鋁土礦是生產(chǎn)鋁的最重要來源,其產(chǎn)量的90%都用做制鋁原料[2],除此之外,鋁土礦也廣泛應(yīng)用于磨料、水泥、化學(xué)品、支撐劑和耐火材料的生產(chǎn)。

        從全球范圍來看,鋁土礦儲量豐富,美國地質(zhì)聯(lián)邦調(diào)查局的數(shù)據(jù)顯示,鋁土礦資源總量估計為550億~750億t,但分布卻極不均勻。2020年全球鋁土礦資源儲量分布和產(chǎn)量分布分別如圖1和圖2所示。中國是全球鋁土礦第七大資源國,同時也是全球原鋁產(chǎn)能主要國家。我國氧化鋁產(chǎn)量世界第一,是拉動全球鋁生產(chǎn)與消費(fèi)的主要引擎[3]。但我國鋁土礦石以一水硬鋁石為主,礦石共伴生組分較多,選冶難度大,工藝流程復(fù)雜,投資、能耗高,且分選產(chǎn)品質(zhì)量也與優(yōu)級進(jìn)口礦石有一定差距[4],因此我國鋁土礦可利用資源量極少。但近些年來中國鋁消費(fèi)量高度增長,造成我國氧化鋁產(chǎn)能由內(nèi)地向沿海和海外轉(zhuǎn)移[5],但是國內(nèi)鋁土礦產(chǎn)能擴(kuò)張能力有限,所以國產(chǎn)鋁土礦不斷向進(jìn)口鋁土礦轉(zhuǎn)變,對外依存度逐步攀升。

        印尼鋁土礦主要的礦床類型為紅土型鋁土礦,礦床規(guī)模大,覆土層薄,礦石質(zhì)量好,儲量較為集中,屬于紅土型超大型鋁土礦田。從礦產(chǎn)資源分布特征和礦業(yè)投資與開發(fā)情況方面來看,印尼未來在礦產(chǎn)資源開發(fā)及后端冶煉加工領(lǐng)域都與我國有很大的合作上升空間[6-7],對我國積極參與全球鋁土礦資源優(yōu)化配置具有重要意義。

        高鐵鋁土礦是世界公認(rèn)的難處理鋁土礦資源,由于礦石中鋁鐵礦物的類質(zhì)同象現(xiàn)象存在及微細(xì)粒嵌布特征導(dǎo)致鋁鐵分離極為困難。研究表明,鋁土礦中鐵的含量過高會降低設(shè)備的生產(chǎn)能力,增加生產(chǎn)能耗,并導(dǎo)致赤泥沉降困難,影響成品氧化鋁質(zhì)量[8]。高鐵鋁土礦按照目前鐵鋁分離工藝的基本原理,可以分為生物法[9-10]、物理法[11-12]和化學(xué)法[13-15]。生物法可用來處理復(fù)合型礦石,但微生物的培養(yǎng)對環(huán)境有嚴(yán)格的要求,處理礦石的過程中也存在一定的局限性。物理選礦的方法成本低,工藝流程簡單,但鐵的回收率較低,且只適用于結(jié)晶粒度粗、易于單體解離的高鐵鋁土礦?;瘜W(xué)法能較好地實(shí)現(xiàn)高鐵鋁土礦中鋁和鐵的分離,但不同性質(zhì)的礦石需要選用與之相適應(yīng)的工藝方案。

        因此,亟需尋找一種新的方法用于處理高鐵鋁土礦,以實(shí)現(xiàn)鐵鋁元素高效分離。本文提出懸浮磁化焙燒—磁選技術(shù)處理高鐵鋁土礦,開展了系統(tǒng)性條件試驗(yàn),探明了還原溫度、還原時間、給料粒度、CO濃度及總氣體流量等條件對焙燒效果的影響,并通過磁選實(shí)現(xiàn)了除鐵提鋁技術(shù)目標(biāo)。

        1 試驗(yàn)原料

        試驗(yàn)所用原料為印度尼西亞某高鐵鋁土礦,原礦化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。

        從表1可以看出,原礦TFe品位為14.06%,Al2O3含量為44.55%,二氧化硅含量8.05%,鋁硅比為5.53,燒失量為25.48%。因此,該鋁土礦屬于高鐵高硅、中低品位鋁土礦。原礦中雜質(zhì)鈣、鎂、鈉含量不高,有害元素硫、磷含量很低。

        采用X射線衍射技術(shù)(XRD)對高鐵鋁土礦樣品礦物組成進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示。

        由圖3可知,高鐵鋁土礦原礦中所含的主要礦物為三水鋁石、赤鐵礦、石英以及高嶺石。

        原礦鐵化學(xué)物相分析結(jié)果如表2所示。

        表2表明:原礦中的鐵主要是以赤(褐)鐵礦形式存在,赤(褐)鐵礦中的鐵占全鐵的77.71%;磁鐵礦中的鐵占全鐵的18.21%,此外還含有少量的硅酸鐵。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 試驗(yàn)方法

        通過自制懸浮磁化焙燒爐開展焙燒條件試驗(yàn)研究,裝置原理如圖4所示。

        試驗(yàn)首先將高鐵鋁土礦原礦從石英管出氣管口倒入石英管中,使其盡可能均勻地散布于多孔石英板上,通入N2進(jìn)行空氣置換排凈管內(nèi)空氣,待爐溫升至預(yù)定溫度后將石英管放入焙燒爐中,再待爐溫穩(wěn)定后,通入一定比例的CO和N2混合氣體展開焙燒試驗(yàn)。待還原焙燒結(jié)束后,關(guān)閉CO通道,繼續(xù)使用N2進(jìn)行空氣置換同時使物料冷卻至室溫后取出,然后在磁場強(qiáng)度為133.6 kA/m的條件下進(jìn)行弱磁選試驗(yàn),最后把得到的精礦、尾礦產(chǎn)品分開烘干稱重化驗(yàn)分析。

        2.2 焙燒條件對分選指標(biāo)的影響

        2.2.1 給料粒度對分選指標(biāo)的影響

        原礦在焙燒溫度550℃、總氣體流量為600 mL/min、CO濃度為30%、焙燒時間30 min條件下開展給料粒度試驗(yàn),考察了給料粒度分別為-0.074 mm占50%、60%、70%、80%、90%對鋁精礦指標(biāo)的影響,結(jié)果如圖5所示。

        由圖5可知:給料粒度在-0.074 mm占50%~90%范圍內(nèi),隨著給料粒度的減小,鋁精礦中氧化鋁含量變化不大,維持在66%左右;當(dāng)給料粒度由-0.074 mm占50%提升至80%時,鋁回收率由74.58%增加到86.47%,但鐵去除率由62.51%下降至52.75%。當(dāng)給料粒度由-0.074 mm占80%提高到90%時,鐵去除率由52.75%增長到64.20%,鋁回收率由86.47%降至77.01%。綜合考慮,確定給料粒度為-0.074 mm占50%。

        2.2.2 焙燒溫度對分選指標(biāo)的影響

        在給料粒度為-0.074 mm占50%,焙燒時間30 min,總氣體流量為600 mL/min,CO濃度為30%,焙燒溫度分別為500、550、600、650、700 ℃條件下,考察了焙燒溫度對鋁精礦指標(biāo)的影響,結(jié)果如圖6所示。

        由圖6可知:當(dāng)焙燒溫度從500℃增加到550℃時,鐵去除率由67.99%提高到69.33%,氧化鋁含量由65.75%提高到66.97%,鋁回收率也由77.41%降至74.41%;隨著焙燒溫度繼續(xù)增加至600℃,鐵去除率由69.33%降至68.26%,氧化鋁含量由66.97%提高到68.17%,鋁回收率也由74.41%增加到74.78%;在焙燒溫度達(dá)到650℃時,氧化鋁含量增至68.92%,鋁回收率提高到77.65%,但鐵去除率下降至66.07%。焙燒溫度過低時,還原反應(yīng)速度慢,部分赤鐵礦物不能充分還原成磁鐵礦[16]。綜上考慮,確定合適的焙燒溫度為600℃。

        2.2.3 焙燒時間對分選指標(biāo)的影響

        在焙燒溫度600℃,給料粒度為-0.074 mm占50%,CO濃度為30%,總氣體流量為600 mL/min,焙燒時間分別為10、20、30、40、50 min條件下,考察了焙燒時間對鋁精礦指標(biāo)的影響,結(jié)果如圖7所示。

        由圖7可知:隨著焙燒時間的增加,氧化鋁含量整體變化幅度較??;當(dāng)焙燒時間從10 min增加到20 min時,鋁回收率由78.44%降低至73.26%,鐵去除率由62.10%提高到66.14%;焙燒時間增加至30 min,鋁回收率提高到76.29%,鐵去除率降低至60.76%;焙燒時間繼續(xù)增加到50 min,鋁回收率從76.28%下降至71.08%。鐵去除率在焙燒時間20 min時達(dá)到最大值,焙燒時間太短會導(dǎo)致部分赤鐵礦不能完全轉(zhuǎn)化為磁鐵礦[17]。綜合考慮,適宜的焙燒時間確定為20 min。

        2.2.4 CO濃度對分選指標(biāo)的影響

        在給料粒度為-0.074 mm占50%,焙燒時間20 min,總氣體流量為600 mL/min,焙燒溫度600℃,CO濃度分別為10%、20%、30%、40%、50%條件下,考察了CO濃度對鋁精礦指標(biāo)的影響,結(jié)果如圖8所示。

        由圖8可知:當(dāng)CO濃度從10%增加到20%時,氧化鋁含量由66.92%提高到67.51%,鐵去除率由63.95%提高到64.59%;CO濃度由20%增加到30%時,氧化鋁含量由67.51%提高到68.14%,但鐵去除率由64.59%下降至62.06%;當(dāng)CO濃度由30%增加至50%時,鐵去除率增至63.59%,但氧化鋁含量降至67.38%,鋁回收率由77.11%下降至75.48%。當(dāng)CO濃度較小時,還原效果不明顯,赤鐵礦不能完全轉(zhuǎn)化為磁鐵礦,若CO濃度過高時,可能發(fā)生過還原,導(dǎo)致分選效果下降[18]。綜合分選效果及經(jīng)濟(jì)成本考慮,確定合適的CO濃度為20%。

        2.2.5 總氣體流量對分選指標(biāo)的影響

        在給料粒度為-0.074 mm占50%,焙燒時間20 min,CO濃度為20%,焙燒溫度600℃,總氣體流量分別為300、400、500、600、700 mL/min條件下,考察了總氣體流量對鋁精礦指標(biāo)的影響,結(jié)果如圖9所示。

        由圖9可知:當(dāng)總氣體流量由300 mL/min增加到500 mL/min時,鋁精礦的氧化鋁含量總體呈現(xiàn)上升趨勢,由65.99%上升到68.55%,同時,鐵去除率由61.66%增加到65.63%,鋁回收率則由76.29%降至74.44%;當(dāng)總氣體流量由500 mL/min增長到700 mL/min時,氧化鋁含量和鐵去除率均呈下降趨勢,氧化鋁含量降至67.52%,鐵去除率下降到65.29%。因此,確定適宜的總氣體流量為500 mL/min。

        2.3 各產(chǎn)品物相分析

        采用XRD分別對原礦、最佳焙燒條件下得到的焙燒產(chǎn)品及選別產(chǎn)品進(jìn)行物相分析,結(jié)果如圖10所示。

        從圖10可以看出:焙燒產(chǎn)品中主要為磁鐵礦和石英結(jié)晶礦物,同時原礦中的三水鋁石礦相消失,并以非晶態(tài)Al2O3形式存在于焙燒產(chǎn)品中;磁性產(chǎn)品中主要礦相為磁鐵礦,鋁精礦中主要為非晶態(tài)Al2O3和一定量的石英。XRD分析結(jié)果表明鋁礦物和鐵礦物經(jīng)過焙燒—磁選實(shí)現(xiàn)了有效分離,鋁精礦產(chǎn)品中的鐵礦物含量大幅降低。

        2.4 各產(chǎn)品磁性分析

        采用振動樣品磁強(qiáng)計(VSM)分析研究高鐵鋁土礦原礦、焙燒產(chǎn)品、磁性產(chǎn)品及鋁精礦的磁性變化規(guī)律,結(jié)果如圖11所示。

        由圖11可知,原礦磁化強(qiáng)度極低故不能直接采用磁選方式使鐵鋁礦物分離,原礦的飽和磁化強(qiáng)度為1.06 A·m2/kg,焙燒樣品的飽和磁化強(qiáng)度為6.48 A·m2/kg,說明懸浮磁化焙燒過程致使焙燒樣品磁性增強(qiáng),焙燒后原礦中弱磁性赤(褐)鐵礦被還原成了強(qiáng)磁性的磁鐵礦,此時可以采用弱磁選的方式達(dá)到使有用鐵礦物和脈石礦物分離的目的。磁性產(chǎn)品的飽和磁化強(qiáng)度為19.72 A·m2/kg,就是由于焙燒過后的弱磁選過程使得磁性產(chǎn)品在鐵精礦中進(jìn)一步富集從而使其飽和磁化強(qiáng)度增加。

        3 結(jié) 論

        (1)印度尼西亞某高鐵鋁土礦中TFe品位為14.06%,Al2O3含量為44.55%。SiO2含量為8.05%,有害元素硫、磷含量很低。原礦中的鐵礦物主要是以赤(褐)鐵礦形式存在,赤(褐)鐵礦中的鐵占全鐵的77.71%;磁鐵礦中的鐵占全鐵的18.21%。

        (2)在還原焙燒溫度為600℃、總氣體流量為500 mL/min、焙燒時間為20 min、CO濃度為20%的條件下進(jìn)行懸浮磁化焙燒試驗(yàn),并在磁場強(qiáng)度為133.6 kA/min條件下進(jìn)行弱磁選,可以獲得氧化鋁含量為68.55%、鐵去除率為65.63%的鋁精礦。

        (3)經(jīng)過磁化焙燒,高鐵鋁土礦中的赤鐵礦、褐鐵礦大部分已轉(zhuǎn)化為磁鐵礦,鐵礦物因與鋁精礦存在磁性差異得以經(jīng)弱磁選分離,最終磁性產(chǎn)品中鐵礦物主要為磁鐵礦,鋁精礦中主要為氧化鋁和石英。

        (4)懸浮磁化焙燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高鐵鋁土礦中鋁、鐵礦物的有效分離,為高鐵鋁土礦的高效綜合利用和大宗減量提供了技術(shù)思路,同時可為其他復(fù)合伴生礦產(chǎn)資源分離利用提供技術(shù)借鑒。

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