周廷波 嚴(yán)倩倩 陳睿哲 魏曉彤 張淑敏 孫永升

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819）

我國鐵礦資源十分豐富，已探明儲(chǔ)量848億t，位居世界第四位，占世界總儲(chǔ)量的12%。但我國鐵礦石資源以貧礦為主，富礦僅占1.18%。貧礦又以菱鐵礦為代表，菱鐵礦礦石礦物組成復(fù)雜，常與鈣、錳、鎂等呈類質(zhì)同象共生，導(dǎo)致鐵品位低，難以進(jìn)行大規(guī)模的開發(fā)利用［1-2］。隨著我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)鐵礦石的需求量越發(fā)巨大，而我國又是世界鐵礦石第一進(jìn)口大國，對(duì)外依存度極大，這種情況極大地削弱了中國鋼鐵工業(yè)的國際話語權(quán)和競爭力，也對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的安全運(yùn)行構(gòu)成了巨大威脅。因此，研發(fā)自主創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)我國難選鐵礦資源高效開發(fā)利用，降低選礦過程中的能耗，提高鐵礦石自給率，具有重要的戰(zhàn)略意義。

磁化焙燒技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)菱鐵礦的有效利用，然而傳統(tǒng)的磁化焙燒常采用電加熱或燃?xì)獾募訜岱绞?，存在處理時(shí)間長、物料受熱不均勻、能耗大等缺點(diǎn)，容易造成環(huán)境污染且其鐵精礦的回收率也較低［3-5］。與傳統(tǒng)加熱方式相比，微波焙燒是以微波為加熱方式，焙燒處理時(shí)間短、處理效果顯著、可以對(duì)有用礦物進(jìn)行選擇性加熱且加熱均勻，同時(shí)對(duì)環(huán)境的污染小、能耗低［6-8］。而且利用微波來處理菱鐵礦可以減少焙燒成本，提高菱鐵礦的利用率，這對(duì)菱鐵礦資源的開發(fā)與利用具有重要的意義［9-11］。本試驗(yàn)將磁化焙燒技術(shù)與微波處理相結(jié)合，對(duì)菱鐵礦石進(jìn)行了微波磁化焙燒試驗(yàn)，對(duì)焙燒時(shí)間與焙燒氣氛進(jìn)行了探究，取得了較好的效果。

1 礦石性質(zhì)

試驗(yàn)所用菱鐵礦石取自陜西省柞水縣，將所取礦樣破碎至-0.45 mm。試驗(yàn)樣品的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，礦石中鐵化學(xué)物相分析結(jié)果如表2所示。

表1表明：礦石為貧礦；全鐵含量為22.38%，F(xiàn)eO高達(dá)20.86%；主要雜質(zhì)為SiO2和Al2O3，含量分別為36.84%和9.99%，MgO含量為1.83%；有害元素S含量較高，為0.36%，P含量較低，為0.04%。

由表2可以看出，礦石中的鐵主要賦存在碳酸鐵（菱鐵礦）和赤/褐鐵中，其中碳酸鐵中鐵的分布率為46.16%，赤/褐鐵礦中鐵的分布率為40.35%；礦石中還含有一定量的磁性鐵和硅酸鐵，鐵的分布率分別為8.00%和4.11%。

2 試驗(yàn)方法

焙燒試驗(yàn)在自行研制的微波焙燒系統(tǒng)中進(jìn)行，微波磁化焙燒試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)過程為：稱取30 g樣品放入焙燒管中，待微波磁化焙燒爐升溫到指定溫度后，通入指定氣體，氣體流量設(shè)定為400 mL/min；經(jīng)過預(yù)定時(shí)間的焙燒后，關(guān)閉微波焙燒爐，取出焙燒管，在空氣氣氛下冷卻至室溫。稱取15 g冷卻后的礦樣，并加入5 mL水，使用XMB型三輥四筒棒磨機(jī)進(jìn)行棒磨，磨礦細(xì)度為-0.043 mm占95%。對(duì)磨礦后的物料采用XCGS型磁選管進(jìn)行濕式弱磁選，磁選磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為85.12 kA/m。試驗(yàn)流程如圖2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 N2氣氛微波焙燒試驗(yàn)

3.1.1 焙燒溫度試驗(yàn)

焙燒溫度是鐵礦石磁化焙燒的重要影響因素之一，確定最佳的焙燒溫度對(duì)磁化焙燒過程至關(guān)重要。向焙燒管內(nèi)通入N2，在焙燒溫度分別為500、550、600、650、700、750、800 ℃，焙燒時(shí)間15 min的條件下進(jìn)行磁化焙燒溫度條件試驗(yàn)。焙燒溫度對(duì)磁化焙燒產(chǎn)品磨礦—磁選指標(biāo)的影響如圖3所示。

由圖3可知：焙燒溫度對(duì)選別指標(biāo)影響較大；焙燒溫度從500℃升高到650℃時(shí)，鐵精礦的鐵回收率呈持續(xù)增加的趨勢(shì)，鐵品位呈現(xiàn)出先增加后波動(dòng)的趨勢(shì)；焙燒溫度為650℃時(shí)，精鐵礦品位為63.10%、回收率為78.43%；繼續(xù)升高焙燒溫度到800℃，鐵精礦的鐵品位與鐵回收率變化較小。綜合考慮，確定焙燒溫度為650℃。

3.1.2 焙燒時(shí)間試驗(yàn)

焙燒時(shí)間是磁化焙燒的一個(gè)重要影響因素，焙燒時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致礦石中菱鐵礦分解不完全，時(shí)間過長不僅增加能耗，還會(huì)影響選別指標(biāo)，為了取得最佳的選別指標(biāo)，必須準(zhǔn)確控制焙燒時(shí)間。向焙燒管內(nèi)通入N2，在焙燒溫度為650℃，焙燒時(shí)間分別為5、10、15、20、25、30 min的條件下，進(jìn)行磁化焙燒時(shí)間條件試驗(yàn)。焙燒時(shí)間對(duì)磁化焙燒產(chǎn)品磨礦—磁選指標(biāo)的影響如圖4所示。

由圖4可知：隨著焙燒時(shí)間的增加，精礦品位先小幅度上升后變化不明顯，精礦回收率大幅度上升后變化不明顯；焙燒時(shí)間從5 min增加至15 min時(shí)，鐵精礦的鐵品位由62.51%升高到63.93%，鐵回收率從14.70%升高至74.33%，繼續(xù)增加焙燒時(shí)間，鐵精礦品位和回收率均無明顯提高。因此，確定焙燒時(shí)間為15 min。

3.2 CO2氣氛微波焙燒試驗(yàn)

3.2.1 焙燒溫度試驗(yàn)

向焙燒管內(nèi)通入CO2，在焙燒溫度分別為550、600、650、700、750、800 ℃，焙燒時(shí)間15 min的條件下進(jìn)行磁化焙燒溫度條件試驗(yàn)。焙燒溫度對(duì)磁化焙燒產(chǎn)品磨礦—磁選指標(biāo)的影響如圖5所示。

由圖5可知：焙燒溫度從550℃升高到650℃時(shí)，精礦鐵品位從58.70%增加到61.78%，回收率從64.01%增加到81.45%；繼續(xù)升高焙燒溫度，鐵精礦品位有小幅度提升，超過750℃時(shí)，回收率明顯下降，從81.39%降至78.52%，這可能是因?yàn)闇囟冗^高，部分菱鐵礦的熱分解產(chǎn)物在CO2氣氛下氧化生成弱磁性產(chǎn)物，導(dǎo)致精礦回收率下降［12］。綜合考慮，確定焙燒溫度為650℃。

3.2.2 焙燒時(shí)間試驗(yàn)

向焙燒管內(nèi)通入CO2，在焙燒溫度為650℃，焙燒時(shí)間分別為5、10、15、20、25、30 min的條件下，進(jìn)行磁化焙燒時(shí)間條件試驗(yàn)。焙燒時(shí)間對(duì)磁化焙燒產(chǎn)品磨礦—磁選指標(biāo)的影響如圖6所示。

由圖6可知：隨著焙燒時(shí)間的增加，精礦品位小幅度上升后變化不明顯，精礦回收率大幅度上升后變化不明顯；焙燒時(shí)間從5 min增至10 min時(shí)，精礦鐵品位從60.88%增至61.53%，回收率從21.11%增至80.05%；繼續(xù)增加焙燒時(shí)間，品位和回收率都變化不大，反而會(huì)增加耗能、降低焙燒效率。因此，確定最佳焙燒時(shí)間為10 min。

通過對(duì)比焙燒溫度為650℃、不同氣氛下焙燒產(chǎn)品的磨礦—磁選精礦最佳指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，N2中性氣氛精礦品位是63.93%，比CO2還原氣氛精礦品位61.53%高2.40個(gè)百分點(diǎn)，而N2中性氣氛精礦回收率是74.33%，比CO2還原氣氛精礦回收率80.05%低5.72個(gè)百分點(diǎn)?？梢奀O2焙燒氣氛可以節(jié)省焙燒時(shí)間，提高精礦回收率。

4 焙燒氣氛對(duì)物料磁性的影響

4.1 N2氣氛下焙燒產(chǎn)物磁性分析

圖7為N2氣氛、不同焙燒溫度下菱鐵礦焙燒產(chǎn)物的磁性分析。

由圖7可知：不同焙燒溫度下焙燒產(chǎn)品單位質(zhì)量磁矩均隨外加磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，先快速增加而后趨于平緩，最終達(dá)到磁飽和；隨著焙燒溫度的升高，焙燒產(chǎn)品的飽和單位質(zhì)量磁矩增加速度逐漸減少。在650℃下的焙燒產(chǎn)品在磁場(chǎng)強(qiáng)度為483kA/m時(shí)存在比磁化系數(shù)最大值，為1.489×10-5m3/kg，繼續(xù)增加磁化強(qiáng)度，焙燒產(chǎn)品的比磁化率逐漸減少。

圖8為N2氣氛、不同焙燒時(shí)間下菱鐵礦焙燒產(chǎn)物的磁性分析。

由圖8可知，不同焙燒時(shí)間下焙燒產(chǎn)品單位質(zhì)量磁矩均隨外加磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，先快速增加而后趨于平緩，最終達(dá)到磁飽和；隨著焙燒時(shí)間的增加，焙燒產(chǎn)品的飽和單位質(zhì)量磁矩增加速度逐漸減少。在焙燒時(shí)間為15 min下的焙燒產(chǎn)品在磁場(chǎng)強(qiáng)度為488 kA/m時(shí)存在比磁化系數(shù)最大值，為1.416×10-5m3/kg，繼續(xù)增加磁化強(qiáng)度，焙燒產(chǎn)品的比磁化率逐漸減少。

4.2 CO2氣氛下焙燒對(duì)物料磁性的影響

圖9為CO2氣氛、不同焙燒溫度下菱鐵礦焙燒產(chǎn)物的磁性分析，圖10為CO2氣氛、不同焙燒時(shí)間下菱鐵礦焙燒產(chǎn)物的磁性分析。

由圖9、圖10可知：不同焙燒溫度和焙燒時(shí)間下焙燒產(chǎn)品單位質(zhì)量磁矩均隨外加磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加先快速增加而后趨于平緩，最終達(dá)到磁飽和；隨著焙燒時(shí)間的增加，焙燒產(chǎn)品的飽和單位質(zhì)量磁矩增加速度逐漸減少。在650℃下的焙燒產(chǎn)品在磁場(chǎng)強(qiáng)度為494 kA/m時(shí)存在比磁化系數(shù)最大值，為2.172×10-5m3/kg，繼續(xù)增加磁化強(qiáng)度，焙燒產(chǎn)品的比磁化率逐漸減少；在焙燒時(shí)間為10 min下的焙燒產(chǎn)品在磁場(chǎng)強(qiáng)度為493 kA/m時(shí)存在比磁化系數(shù)最大值，為2.036×10-5m3/kg，繼續(xù)增加磁化強(qiáng)度，焙燒產(chǎn)品的比磁化率逐漸減少。

通過對(duì)比不同氣氛下焙燒產(chǎn)品的磁性，發(fā)現(xiàn)焙燒產(chǎn)品的磁化曲線均出現(xiàn)了磁飽和現(xiàn)象，且焙燒產(chǎn)品具有較大的比磁化率最大值，表明焙燒產(chǎn)品具有強(qiáng)磁性。且CO2氣氛下的焙燒產(chǎn)品的飽和單位質(zhì)量磁矩和比磁化率最大值均大于N2氣氛下的焙燒產(chǎn)品，表明菱鐵礦在CO2氣氛下的焙燒產(chǎn)品磁性強(qiáng)于N2氣氛下的焙燒產(chǎn)品，說明CO2氣氛下焙燒效果更好。

5 結(jié)論

（1）在N2氣氛下，焙燒溫度為650℃、焙燒時(shí)間15 min、焙燒產(chǎn)品磨至-0.043 mm粒級(jí)占95%，磁場(chǎng)強(qiáng)度為85.12 kA/m條件下進(jìn)行濕式弱磁選，可獲得精礦鐵品位為63.93%、回收率為74.33%的指標(biāo)；在CO2氣氛下，焙燒溫度為650℃、焙燒時(shí)間10 min、焙燒產(chǎn)品磨至-0.043 mm粒級(jí)占95%，磁場(chǎng)強(qiáng)度為85.12 kA/m條件下進(jìn)行濕式弱磁選，可獲得精礦鐵品位為61.53%、回收率為80.05%的指標(biāo)。CO2氣氛焙燒產(chǎn)品與N2氣氛焙燒產(chǎn)品相比，精礦鐵品位低、回收率高。磁性分析表明CO2氣氛焙燒后磁選精礦磁性強(qiáng)于N2氣氛。

（2）菱鐵礦石通過焙燒，單位質(zhì)量磁矩和比磁化率均顯著增強(qiáng)，微波磁化焙燒使得礦石中的鐵礦物與脈石礦物的磁性差異增大，可以通過弱磁選進(jìn)行有效分選。