程紹凱 李文博 韓躍新 ，3

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

鋼鐵工業(yè)支撐著我國(guó)工業(yè)化的發(fā)展，鐵礦石的大規(guī)模開發(fā)又為鋼鐵業(yè)的健康發(fā)展奠定基礎(chǔ)。2019年中國(guó)鐵礦石產(chǎn)量超8.44億t，進(jìn)口量破10億t，鐵礦石對(duì)外依存度過(guò)高，影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展［1］。我國(guó)鐵礦資源較為豐富，但礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜、稟賦差，在復(fù)雜難選鐵礦中，鞍山式鐵礦石資源總儲(chǔ)量超過(guò)200億t，占全國(guó)鐵礦石總儲(chǔ)量30%以上［2-4］。這類礦石鐵品位低、鐵礦物結(jié)晶粒度細(xì)，在選別過(guò)程中有相當(dāng)數(shù)量微細(xì)?；蛉醮判缘蔫F礦物流失到尾礦中，造成較大的資源浪費(fèi)，因此，從尾礦中回收利用有價(jià)資源顯得尤為重要［5］。目前，鞍鋼集團(tuán)鞍山礦業(yè)公司東鞍山燒結(jié)廠年排放尾礦約400萬(wàn)t，該尾礦屬于高硅（SiO2含量大于65%）、含鐵（TFe含量大于15%）型尾礦，其中鐵礦物以赤（褐）鐵礦為主［6］。生產(chǎn)排放的大量鐵尾礦占用土地、污染環(huán)境，研究該尾礦中鐵礦物的回收與利用具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

為實(shí)現(xiàn)尾礦高效、清潔利用，提高礦石利用率，研究人員進(jìn)行了長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究。東北大學(xué)開發(fā)的“預(yù)富集—懸浮焙燒—磁選”新技術(shù)（PSMR）是復(fù)雜難選鐵礦的開發(fā)和尾礦鐵資源回收再利用的有效技術(shù)［7-10］。SUN等［11］對(duì)酒鋼鐵尾礦進(jìn)行了中試試驗(yàn)，在給礦鐵品位21.51%的條件下，獲得精礦鐵品位為58.67%、鐵回收率為57.82%的良好技術(shù)指標(biāo)，使該鐵尾礦得到了有效利用；唐曉玲等［11］、王儒等［12］進(jìn)行了渝東典型沉積型赤褐鐵礦、酒鋼粉礦、湖北鮞狀赤鐵礦等劣質(zhì)鐵礦資源的小試及中試試驗(yàn)，均獲得良好的焙燒效果和分選指標(biāo)［12-13］。本研究針對(duì)東鞍山浮選尾礦的工藝礦物學(xué)特點(diǎn)，采用預(yù)富集—磁化焙燒—磁選工藝流程處理該尾礦資源，系統(tǒng)考察了焙燒溫度、還原時(shí)間、CO濃度、磨礦細(xì)度對(duì)產(chǎn)品分選指標(biāo)的影響，以期為東鞍山浮選尾礦的高效利用提供新的技術(shù)途徑。

1 試樣性質(zhì)及研究方法

1.1 試樣性質(zhì)

試驗(yàn)礦樣為東鞍山燒結(jié)廠浮選尾礦，其化學(xué)成分分析和鐵物相分析結(jié)果分別見表1、表2。

由表1可知，該試樣屬于高硅、低硫、低磷型鐵尾礦，有價(jià)成分主要為Fe，TFe品位為17.20%，F(xiàn)eO的含量為5.45%；主要脈石成分SiO2含量高達(dá)65.17%；有害雜質(zhì)S、P含量較低。

由表2可知，試樣中鐵主要以赤（褐）鐵礦的形式存在，含量為12.07%，分布率為70.17%；其次為磁性鐵、碳酸鐵，少量以硅酸鐵和硫化鐵的形式存在。故試樣中主要回收對(duì)象為赤（褐）鐵礦、磁鐵礦、菱鐵礦。

為探明試樣的礦物組成，對(duì)其進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，該試樣主要由石英和赤鐵礦組成，另有少量的菱鐵礦、斜綠泥石和白云石；其他礦物如磁鐵礦可能由于含量較少而無(wú)法在XRD圖譜上顯示。

1.2 研究方法

由試樣性質(zhì)分析結(jié)果可知，該試樣中TFe品位較低，在焙燒試驗(yàn)前需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)富集，以提高焙燒物料的TFe品位和焙燒效率。預(yù)富集試驗(yàn)采用強(qiáng)磁粗選、掃選預(yù)先拋尾—磨礦—弱磁—強(qiáng)磁再選的技術(shù)路線，主要設(shè)備如表3所示。

磁化焙燒—磁選試驗(yàn)采用管式焙燒爐（型號(hào)為OTF-1200X）對(duì)預(yù)富集精礦進(jìn)行磁化焙燒，焙燒氣氛為CO和CO2混合體系，其工藝流程如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)，將一定質(zhì)量的礦樣放置于石英管中部，檢查管道的密封性，通入CO2氣體將管道內(nèi)空氣排出。待石英管內(nèi)溫度達(dá)到試驗(yàn)要求后，在質(zhì)子流量計(jì)的控制下通入CO氣體，并開始計(jì)時(shí)。達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定的時(shí)間后，停止通入CO氣體。之后通入CO2進(jìn)行置換，保證石英管內(nèi)CO排凈。磁化焙燒產(chǎn)品經(jīng)水淬、烘干后混勻，取10 g樣品用錐形球磨機(jī)（XMQ 240×90 mm）磨至一定細(xì)度，在104 kA/m的磁場(chǎng)強(qiáng)度下使用磁選管（5XCSG-型磁選管）選別5 min，根據(jù)磁選精礦TFe品位和回收率衡量焙燒效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 預(yù)富集試驗(yàn)

采用強(qiáng)磁粗選、掃選預(yù)先拋尾—磨礦—弱磁—強(qiáng)磁再選工藝流程進(jìn)行浮選尾礦預(yù)富集試驗(yàn)，得到鐵品位為33.19%、鐵回收率為60.45%的預(yù)富集精礦，具體試驗(yàn)流程及條件如圖3所示。

2.2 磁化焙燒試驗(yàn)

在一定的溫度和氣氛下進(jìn)行鐵礦石的磁化焙燒，可將弱磁性鐵礦物轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)磁性鐵礦物，從而利于磁選。本研究以尾礦的預(yù)富集精礦為原料進(jìn)行磁化焙燒試驗(yàn)，將焙燒產(chǎn)品磨至一定細(xì)度后經(jīng)磁選管分選（固定磁場(chǎng)強(qiáng)度為104 kA/m），具體考察了焙燒溫度、CO濃度、還原時(shí)間及焙燒產(chǎn)品磨礦細(xì)度對(duì)預(yù)富集精礦磁化焙燒效果的影響。

2.2.1 焙燒溫度對(duì)焙燒產(chǎn)品分選指標(biāo)的影響

焙燒溫度是影響物料還原效果的重要因素，它決定了鐵的相變程度。在焙燒產(chǎn)品磨礦細(xì)度為-0.025 mm占98%的條件下，固定總氣量0.03 m3/h、CO濃度30%、還原時(shí)間15 min，探究焙燒溫度對(duì)焙燒產(chǎn)品分選指標(biāo)的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著焙燒溫度的上升，磁選精礦的鐵品位呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，在焙燒溫度為520～560℃時(shí)，鐵品位的上升增幅較大，由61.19%上升到63.42%；而磁選精礦的鐵回收率隨焙燒溫度的升高先增加后降低，在溫度為540℃時(shí)達(dá)到最大值79.40%。這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)，磁化焙燒反應(yīng)速率緩慢，溫度過(guò)高則易發(fā)生過(guò)還原反應(yīng)，生成弱磁性的浮氏體，從而降低鐵的回收率。綜合考慮，確定最佳的焙燒溫度為560℃。

2.2.2 CO濃度對(duì)焙燒產(chǎn)品分選指標(biāo)的影響

CO氣體能將弱磁性赤鐵礦和菱鐵礦還原為磁鐵礦，其濃度影響物料的還原程度。在焙燒產(chǎn)品磨礦細(xì)度為-0.025 mm占98%的條件下，固定總氣量0.03 m3/h、焙燒溫度560℃、還原時(shí)間15 min，探究CO濃度對(duì)焙燒產(chǎn)品選別指標(biāo)的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在CO濃度為10%～30%時(shí)，磁選精礦的鐵品位由59.64%增大至63.42%，鐵回收率由75.11%升高至78.41%；繼續(xù)升高CO濃度，磁選精礦的鐵品位和回收率均有所下降。當(dāng)還原劑CO的濃度低時(shí)，磁化焙燒效果較差，反應(yīng)不充分；當(dāng)CO濃度高時(shí)，則易導(dǎo)致生成的磁鐵礦發(fā)生過(guò)還原反應(yīng)，且CO用量過(guò)剩造成資源浪費(fèi)和成本提高。綜合考慮，確定最佳的CO濃度為30%。

2.2.3 還原時(shí)間對(duì)焙燒產(chǎn)品分選指標(biāo)的影響

還原時(shí)間也是影響磁化焙燒效果的重要因素，還原時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致鐵礦物還原不充分，而過(guò)長(zhǎng)又會(huì)發(fā)生過(guò)還原。在焙燒產(chǎn)品磨礦細(xì)度為-0.025 mm占98%的條件下，固定總氣量0.03 m3/h、焙燒溫度560℃、CO濃度30%，探究還原時(shí)間對(duì)焙燒產(chǎn)品選別指標(biāo)的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)還原時(shí)間由6 min延長(zhǎng)至12 min時(shí)，磁選精礦的鐵品位和鐵回收率均先升高，且上升幅度較大，鐵品位由61.31%增至63.02%，鐵回收率由77.97%增至81.39%；隨著還原時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，磁選精礦的鐵品位緩慢升高后基本不變，鐵回收率則呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。這主要是由于適當(dāng)增加焙燒時(shí)間，物料中赤鐵礦等含鐵礦物向磁鐵礦轉(zhuǎn)化越充分。綜合考慮，確定最佳的還原時(shí)間為12 min。

2.2.4 磨礦細(xì)度對(duì)焙燒產(chǎn)品分選指標(biāo)的影響

焙燒產(chǎn)品經(jīng)磨礦可以實(shí)現(xiàn)礦物的單體解離，影響磁選精礦的質(zhì)量和回收率。在充氣量0.03 m3/h、焙燒溫度為560℃、CO濃度30%、還原時(shí)間12 min的條件下，探究焙燒產(chǎn)品磨礦細(xì)度對(duì)分選指標(biāo)的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)磨礦細(xì)度（-0.025 mm含量）由92%升高至96%時(shí)，磁選精礦的鐵品位和回收率變化不大；繼續(xù)增加磨礦細(xì)度至-0.025 mm含量占98%，鐵品位逐漸增大至63.02%，鐵回收率由76.57%快速升高至81.39%。綜合考慮，確定焙燒產(chǎn)品適宜的磨礦細(xì)度為-0.025 mm含量占98%，此時(shí)，磁選精礦的鐵品位為63.02%，鐵回收率達(dá)81.39%，指標(biāo)良好。

2.3 磁化焙燒前后產(chǎn)品分析

采用X射線衍射法（XRD）分別對(duì)磁化焙燒前后的樣品進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，焙燒前礦樣中主要為赤鐵礦、菱鐵礦和石英，焙燒后樣品主要由磁鐵礦和石英組成，這說(shuō)明磁化焙燒可以使赤鐵礦、菱鐵礦等弱磁性礦物向強(qiáng)磁性礦物轉(zhuǎn)化。

為進(jìn)一步探究磁化焙燒過(guò)程中的物相轉(zhuǎn)變，對(duì)焙燒前后產(chǎn)品進(jìn)行鐵物相分析，結(jié)果如表4所示。由表4可知，通過(guò)磁化焙燒，樣品中磁性鐵含量明顯增多，分布率由13.98%增至88.36%，赤鐵礦和菱鐵礦的分布率分別降低到2.85%和7.68%。鐵品位從33.19%略微提高到34.35%，這與高溫?zé)в嘘P(guān)。

3 結(jié) 論

（1）東鞍山燒結(jié)廠浮選尾礦主要有價(jià)成分為鐵，含量為17.20%，其中鐵主要以赤鐵礦的形式存在，還有少量磁鐵礦及菱鐵礦；主要脈石成分為SiO2，含量高達(dá)65.17%。

（2）該尾礦經(jīng)過(guò)粗選、掃選預(yù)先拋尾—磨礦—弱磁—強(qiáng)磁再選工藝預(yù)富集，可獲得鐵品位33.19%、鐵回收率60.45%的預(yù)富集精礦。

（3）預(yù)富集精礦在焙燒溫度為560℃、焙燒時(shí)間為12 min、充氣量為0.03 m3/h、CO濃度為30%的適宜條件下進(jìn)行磁化焙燒，焙燒產(chǎn)品磨礦至-0.025 mm占98%，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為104 kA/m的條件下經(jīng)磁選管選別，獲得磁選精礦鐵品位63.02%、鐵回收率81.39%的技術(shù)指標(biāo)。

（4）預(yù)富集精礦中的赤鐵礦、菱鐵礦通過(guò)磁化焙燒絕大部分轉(zhuǎn)化成磁鐵礦，經(jīng)磨礦解離和弱磁選能夠有效回收鐵礦物。預(yù)富集—懸浮焙燒—磁選工藝可為尾礦鐵資源回收再利用提供指導(dǎo)。