孫洪碩 陳毅琳 韓躍新 王建雄 高澤賓 李 嘉

(1.酒鋼集團宏興股份公司選礦廠,甘肅 嘉峪關 735100;2.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819;3.難采選鐵礦資源高效開發(fā)利用技術國家地方聯合工程研究中心,遼寧 沈陽 110819)

近年來,我國鋼鐵工業(yè)產能巨大,國內鐵礦石產量嚴重不足。鐵礦石大量進口導致鐵礦石對外依存度過高,至2020年對外依存度已連續(xù)6年超過80%,這嚴重威脅我國經濟健康穩(wěn)定發(fā)展[1]。因此,高效開發(fā)利用國產鐵礦石對緩解我國鐵礦石進口壓力、保障鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義,然而我國鐵礦石稟賦較差,97%的鐵礦石必須經過選礦工序才能達到高爐冶煉標準[2-3]。長期以來,選礦科研人員針對我國鐵礦石的分選進行了大量的研究工作,成功開發(fā)了階段磨礦—粗細分級—重選—磁選—陰離子反浮選、回轉窯焙燒—磁選等工藝[4-7]。但上述工藝在處理復雜難選鐵礦石時存在工藝流程復雜、能耗高、藥劑成本高、設備生產率低等諸多缺點。實踐表明,懸浮磁化焙燒—磁選技術是處理復雜難選鐵礦石的有效技術手段,具有焙燒產品質量好、能耗低、污染小、自動化水平高等優(yōu)點。其中懸浮磁化焙燒產品的特性對磁選指標有顯著的影響[8-9],因此對懸浮磁化焙燒產品進行特性分析對改善磁選指標具有重要的意義。

本研究以酒鋼鏡鐵山粉礦為研究對象,在對原礦進行系統(tǒng)分析的基礎上,進行了懸浮磁化焙燒—磁選試驗,分別探究了焙燒時間、焙燒溫度、CO濃度對分選指標的影響規(guī)律。在此基礎上采用X射線衍射分析、振動樣品磁強計、掃描電子顯微鏡從物相轉化、磁性轉變及微觀結構三個角度對懸浮磁化焙燒產品特性進行分析。

1 試驗原料與試驗方法

1.1 試驗原料

試驗原料為酒鋼鏡鐵山粉礦(粒徑-1 mm),礦石的化學組成分析結果如表1所示。

表1 礦石化學成分分析結果Table 1 Chemical composition analysis results of the ore %

由表1可知,礦石中鐵為具有回收價值的元素,TFe含量為29.85%,FeO含量為10.39%。主要雜質為 SiO2,其含量為 23.11%;Al2O3、CaO、MgO、Ba 含量較少,分別為2.68%、3.90%、3.13%、4.58%。主要有害元素S和P含量分別為1.29%和0.07%。此外礦石燒失率為13.56%,主要由菱鐵礦分解引起。

為了確定礦石中鐵元素賦存狀態(tài),對礦石進行了鐵物相分析,結果如表2所示。

表2 礦石鐵物相分析結果Table 2 Iron phase analysis results of the ore %

由表2可知,礦石中的鐵主要以赤褐鐵及碳酸鐵的形式存在,赤褐鐵中鐵的分布率為79.89%,碳酸鐵中鐵的分布率為15.96%。

為進一步分析礦石的礦物組成,對礦石進行了XRD分析,結果如圖1所示。

圖1 礦石XRD衍射圖譜Fig.1 XRD pattern of the ore

由圖1可知,礦石中含鐵礦物為赤鐵礦、菱鐵礦與鐵白云石。主要脈石為石英及重晶石,還有少量的云母。

礦石激光粒度分析結果如圖2所示。由圖2可知,礦石粒度較細,其中粒度小于29.40μm的顆粒含量為50%,小于196.12μm的顆粒含量為90%。

圖2 礦石激光粒度分析結果Fig.2 Laser particle size analysis results of the ore

1.2 試驗方法

如圖3所示,采用TF-1200X-S-VT型立式管式爐進行焙燒試驗。進行磁化焙燒試驗時,首先通入N2排除系統(tǒng)內其他氣體,防止干擾試驗;當焙燒爐升溫至預設溫度后,稱取20 g氧化后樣品迅速加入到爐管中,并使物料均勻分布于爐管多孔石英板上;然后通入一定濃度的CO氣體(CO濃度以CO流量占N2與CO合計流量的比例表示)。達到預設焙燒時間后,停止通入CO氣體,將焙燒產品在N2中冷卻至室溫。在磁場強度99.47 kA/m、磁選時間3 min的條件下,使用磁選管對焙燒產品進行磁選試驗,考察焙燒條件對磁選指標的影響。在此基礎上,通過采用物相分析、磁性分析和SEM分析進行焙燒產品的性質分析,進一步明確懸浮磁化焙燒的機理。

圖3 懸浮磁化焙燒系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of suspension magnetization roasting system

2 試驗結果與討論

2.1 焙燒時間對分選指標的影響

焙燒時間對磁化焙燒效果有重要的影響。焙燒時間較短時,赤鐵礦和菱鐵礦不能完全轉化為強磁性的磁鐵礦;焙燒時間過長時,會發(fā)生過還原反應生成弱磁性的浮氏體;因此選擇適宜的磁化焙燒時間至關重要。在焙燒溫度為570℃、總氣體流量為600 mL/min、CO濃度為20%的條件下,考察了焙燒時間對分選指標的影響,試驗結果如圖4所示。

圖4 焙燒時間對磁選指標的影響Fig.4 Effect of roasting time on the magnetic separation indexes

由圖4可知,焙燒時間在10 min以內時,磁選精礦的鐵品位在53.10%～53.42%之間波動,回收率由40.49%提升至83.00%。而焙燒時間增加至20 min時,精礦鐵品位由53.28%提升至56.76%,但鐵回收率卻由83.00%降低至71.12%,這可能是由于發(fā)生了過還原反應。綜合考慮,確定適宜磁化焙燒時間為10 min,此時,精礦的鐵品位為53.28%,鐵回收率為83.00%。

2.2 焙燒溫度對分選指標的影響

溫度是影響化學反應的重要因素,它決定著化學反應能否進行,并影響著反應速率。磁化焙燒過程中,焙燒溫度過低時,弱磁性鐵礦物向強磁性鐵礦物轉化困難;溫度過高時,容易出現過還原現象,生成弱磁性的浮氏體,影響磁選指標。故焙燒溫度選取應當適宜。在焙燒時間為10 min、總氣體流量為 600 mL/min、CO濃度為20%的條件下,選取焙燒溫度分別為470℃、520℃、570℃、620℃和670℃進行試驗,結果如圖5所示。

圖5 焙燒溫度對磁選指標的影響Fig.5 Effect of roasting temperature on the magnetic separation indexes

由圖5可知,隨著磁化焙燒溫度的上升,精礦鐵品位基本保持不變,在53.19%～53.53%之間波動,而鐵回收率總體呈現先增加后降低的趨勢。當溫度由470℃提升至570℃時,鐵回收率由79.42%提升至83.20%,這是由于在一定范圍內提升溫度,可以提高生成磁鐵礦的反應速率,故精礦鐵回收率持續(xù)增加。當溫度由570℃提升至670℃時,發(fā)生過還原現象,鐵回收率由83.20%降低至80.17%。綜合考慮,確定適宜磁化焙燒溫度為570℃,此時精礦鐵品位為53.33%,鐵回收率為83.20%。

2.3 CO濃度對分選指標的影響

磁化焙燒過程中,當CO濃度過低時,反應速率慢;當CO濃度過高時,容易發(fā)生過還原反應,產生的弱磁性浮氏體會影響磁選指標;因此應確定適宜的CO濃度。在焙燒時間為10min、焙燒溫度為570℃、總氣體流量為600 mL/min的條件下,探究了CO濃度分別為10%、20%、30%、40%和50%時對選別指標的影響,試驗結果如圖6所示。

圖6 CO濃度對磁選指標的影響Fig.6 Effect of CO concentration on the magnetic separation indexes

由圖6可知,隨著CO濃度的提升,鐵回收率呈現先升高后降低的趨勢。當CO濃度從10%提升至40%時,精礦鐵品位在52.98%～53.87%之間波動,鐵回收率由68.94%提升至79.07%。繼續(xù)提高CO濃度,精礦鐵品位及回收率均有所降低。過高的CO濃度導致發(fā)生過還原現象,不利于提高選別指標。綜合考慮,確定適宜CO濃度為20%,此時精礦中鐵品位為52.98%,鐵回收率為83.92%。

綜上,確定懸浮磁化焙燒適宜條件為:焙燒時間10min;焙燒溫度570℃;總氣體流量為600mL/min;CO濃度20%,此條件下精礦鐵品位為52.98%,鐵回收率為83.92%。

2.4 鐵物相分析

原礦及焙燒產品鐵物相分析結果如表3所示。

表3 原礦及焙燒產品鐵物相分析結果Table 3 Iron phase analysis results of the raw ore and the roasting products %

由表3可知,經磁化焙燒后,鐵賦存狀態(tài)發(fā)生極大改變,表現為磁性鐵中鐵含量增加,赤褐鐵以及碳酸鐵中鐵含量降低。懸浮磁化焙燒產品中磁性鐵中鐵含量為28.81%,分布率為84.86%,鐵分布率較焙燒前礦石提升了83.02個百分點。懸浮磁化焙燒產品中赤褐鐵中的鐵含量為3.21%,分布率為9.45%,較焙燒前礦石中磁性鐵中的鐵分布率降低了70.44個百分點。懸浮磁化焙燒產品中碳酸鐵中鐵含量為1.53%,較焙燒前礦石中碳酸鐵中的鐵含量有所降低,這是由于在高溫條件下,菱鐵礦發(fā)生分解、氧化等反應轉化為赤鐵礦或磁鐵礦。

對不同焙燒時間的樣品進行了XRD分析,結果如圖7所示。

圖7 不同焙燒時間產品XRD圖譜Fig.7 XRD patterns of products at different roasting times

由圖7可知,隨著磁化焙燒時間的延長,赤鐵礦與菱鐵礦衍射特征峰逐漸消失,磁鐵礦衍射特征峰逐漸增加。當磁化焙燒時間到10 min時,菱鐵礦及赤鐵礦的衍射特征峰消失,說明此時菱鐵礦及赤鐵礦已經完全轉化為磁鐵礦。

2.5 磁性特性分析

磁學特性直接影響礦石磁選時的行為,為探究磁化焙燒產品的磁學特性,采用振動樣品磁強計對其進行分析。對不同焙燒時間的產品進行磁性分析,其比磁化強度和比磁化系數與外加磁場的關系如圖8所示。由圖8可知,隨著焙燒時間的延長,磁化焙燒產品的飽和比磁化強度和比磁化系數逐漸增加然后降低。磁化焙燒時間由0增加到10 min時,懸浮磁化焙燒產品的飽和比磁化強度由9.54 A·m2/kg提升至29.18 A·m2/kg,最大比磁化系數由1.29×10-4m3/kg提升至2.30×10-4m3/kg。繼續(xù)增加焙燒時間至20 min,飽和比磁化強度降低為26.77 A·m2/kg,最大比磁化系數降低為1.85×10-4m3/kg。這也證明了懸浮磁化焙燒焙燒適宜時間為10 min。

圖8 不同焙燒時間產品磁學特性分析結果Fig.8 Magnetic properties analysis results of products at different roasting times

對原礦及磁化焙燒產品進行磁性分析,結果如圖9所示。由圖9可知,經過磁化焙燒后,焙燒產品的飽和比磁化強度及比磁化系數均顯著提高。焙燒產品的飽和比磁化強度與最大比磁化系數分別為26.59 A·m2/kg與4.08×10-3m3/kg。此外焙燒產品的剩磁為5.01 A·m2/kg,矯頑力為15.90 kA/m。

圖9 原礦及焙燒產品磁學特性分析結果Fig.9 Magnetic properties analysis results of the raw ore and the roasting products

2.6 微觀結構演化

為研究懸浮磁化焙燒產品的微觀形貌,對磁化焙燒產品進行SEM分析,結果如圖10所示。

圖10 焙燒產品微觀結構演化Fig.10 Microstructure evolution of roasted products

由圖10(a)可知,磁化焙燒前樣品表面較為平整與致密,無孔洞和裂紋。由圖10(b)可知,礦石表面形成了部分裂紋和缺陷,促進了CO氣體擴散,表明磁化焙燒反應是由顆粒表面逐漸向內部發(fā)生。由圖10(c)和(d)可以得知,隨著焙燒時間的逐漸延長,顆粒表面變得較為疏松和粗糙,表面結構遭到破壞,呈現出蜂窩狀形貌。焙燒所形成的微裂紋和裂縫可以作為CO氣體擴散的通道,使之與鐵氧化物充分接觸并反應,焙燒反應后CO氣體與鐵氧化物反應產生的CO2氣體擴散到顆粒外部,形成氣孔[10-11]。隨著反應的進一步進行,氣孔和微裂紋進一步發(fā)育,氣孔和微裂紋開始相互連通并且向深處發(fā)育,顆粒表面形成疏松多孔的結構。

3 結 論

(1)酒鋼鏡鐵山粉礦的最佳懸浮磁化焙燒條件為:焙燒時間10min、焙燒溫度570℃、總氣體流量為600 mL/min、CO濃度 20%。將焙燒產品研磨至-0.125mm,在磁場強度99.47 kA/m、選別時間3 min的條件下進行磁選,可以獲得最佳選別指標,最終精礦的鐵品位為52.98%,鐵回收率為83.92%。

(2)焙燒產品磁性分析表明,經過磁化焙燒后,樣品的飽和比磁化強度和比磁化系數均大幅提高,樣品磁性顯著增強。鐵物相分析和XRD分析表明,原礦中的弱磁性的赤鐵礦與菱鐵礦經磁化焙燒后轉變?yōu)閺姶判缘拇盆F礦,而脈石礦物基本無變化。

(3)SEM分析表明磁化焙燒反應是由顆粒表面逐漸向內部進行的。隨著焙燒時間延長,顆粒表面變得疏松多孔,表面結構遭到破壞,呈現蜂窩狀形貌。焙燒過程中形成的微裂紋和裂縫可為CO提供擴散通道,使CO與樣品接觸更充分,促進反應的進行。