邵安林, 蘇興國(guó), 韓躍新, 李艷軍

(1. 東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110819; 2. 鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司, 遼寧 鞍山 114000;3. 鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司 東鞍山燒結(jié)廠, 遼寧 鞍山 114000)

鐵礦石是鋼鐵工業(yè)的“糧食”.根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和海關(guān)總署數(shù)據(jù),我國(guó)鐵礦石進(jìn)口量連續(xù)五年超過10億噸,對(duì)外依存度連續(xù)五年超過80%，其中,2020年進(jìn)口鐵礦石11.7億噸,進(jìn)口額達(dá)1 260億美元,創(chuàng)歷史新高[1-2].另外,鐵礦石市場(chǎng)一直受國(guó)際礦業(yè)寡頭操控.因此,鐵礦石的安全穩(wěn)定供應(yīng),已成保障我國(guó)礦產(chǎn)資源安全的“卡脖子”難題之一[3-4].2021年初,國(guó)家工業(yè)和信息化部在《關(guān)于推動(dòng)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》中明確提出,2025年前鐵金屬國(guó)內(nèi)自給率需由目前的不足20%提升到45%以上,并加快推進(jìn)難選礦的綜合選別和高效利用技術(shù)應(yīng)用.

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),我國(guó)鐵礦石儲(chǔ)量巨大,達(dá)852億噸,但其資源稟賦差,難選鐵礦石儲(chǔ)量超200億噸.受現(xiàn)有技術(shù)制約,國(guó)內(nèi)以鞍山地區(qū)為代表的復(fù)雜難選鐵礦石的有效利用,已成世界性難題.鞍鋼集團(tuán)東鞍山燒結(jié)廠處理鐵礦石是典型的貧雜赤鐵礦,具有品位低、組成復(fù)雜、嵌布粒度細(xì)等特點(diǎn),是我國(guó)最有代表性、應(yīng)用較早、開展研究工作較多的難選貧赤鐵礦石[5-10].東鞍山燒結(jié)廠選礦生產(chǎn)工藝歷經(jīng)單一堿性正浮選、弱磁-強(qiáng)磁-酸性正浮選、重選-磁選-陰離子反浮選三個(gè)發(fā)展階段.重選-強(qiáng)磁-反浮選工藝實(shí)現(xiàn)了資源的有效利用,但仍存在回收率較低、浮選尾礦品位高等問題,造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi).東鞍山燒結(jié)廠生產(chǎn)中浮選尾礦直接排入尾礦庫(kù)[11],但其鐵品位較高,屬于高硅(SiO2>65%)、含鐵(TFe>18%)型尾礦,主要金屬礦物為赤鐵礦、磁鐵礦及菱鐵礦,具有一定回收利用價(jià)值.因此,尋求創(chuàng)新性技術(shù)從東鞍山浮選尾礦中回收利用鐵礦物,具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益.

針對(duì)復(fù)雜難選鐵礦石礦物組成復(fù)雜、共生關(guān)系密切、含鐵礦物種類多等特點(diǎn),東北大學(xué)突破磁化焙燒的傳統(tǒng)觀念,提出了鐵礦石懸浮焙燒新技術(shù),并建成3 000噸/年懸浮磁化焙燒生產(chǎn)線,先后實(shí)現(xiàn)在酒鋼鐵礦石、海南石碌鐵礦、山鋼塞礦DSO尾礦、遼寧三和贊比亞鐵錳礦、阿爾及利亞Gara鐵礦、鞍鋼東部尾礦等國(guó)內(nèi)外10余種鐵礦石上的應(yīng)用,上述研究及應(yīng)用均獲得了鐵精礦TFe品位60%～68%,作業(yè)回收率85%～97%的優(yōu)異技術(shù)指標(biāo)[12].根據(jù)懸浮磁化焙燒技術(shù)裝備及擴(kuò)大連續(xù)試驗(yàn)結(jié)果,建成酒鋼集團(tuán)165萬噸/年懸浮磁化焙燒生產(chǎn)線,并于2019年11月達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn);2020年12月遼寧三和贊比亞60萬噸/年懸浮磁化焙燒工程順利投產(chǎn).

懸浮磁化焙燒技術(shù)為難選鐵礦和鐵尾礦等資源的高效開發(fā)利用開辟了新途徑.本文以東鞍山浮選尾礦強(qiáng)磁預(yù)富集產(chǎn)品為研究對(duì)象,開展了系統(tǒng)的懸浮磁化焙燒-磁選試驗(yàn)研究,以期為該浮選尾礦的回收利用提供技術(shù)支撐.

1 試驗(yàn)原料和方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料為東鞍山鐵礦石工業(yè)試驗(yàn)流程中浮選尾礦的強(qiáng)磁預(yù)富集精礦,經(jīng)沉淀、晾曬、篩分、混勻、縮分后得到試驗(yàn)樣品.表1為試樣的化學(xué)多元素分析結(jié)果,表2和圖1為物相分析結(jié)果.

表1 原礦化學(xué)多元素分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 試驗(yàn)原料的鐵物相分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

由表1可知,該試驗(yàn)原料中主要有價(jià)組分為鐵元素,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.13%,主要雜質(zhì)為SiO2,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40.78%;有害元素P,S含量不高,可忽略其影響.礦樣的燒失量較高(10.38%),說明礦樣中可能有可分解組分.

由圖1和表2可知,該試驗(yàn)原料中鐵元素主要存在于赤褐鐵礦、磁鐵礦和菱鐵礦中.赤褐鐵礦中鐵分布率為62.78%,磁性鐵為17.14%,碳酸鐵為18.02%,合計(jì)為97.94%,故三種礦為該礦樣的主要回收對(duì)象.硫化鐵礦物中鐵、硅酸鐵礦物中鐵含量相對(duì)較少,分布率分別占1.01%和1.04%,這部分鐵難以得到有效的富集和回收.

1.2 試驗(yàn)方法

懸浮磁化焙燒試驗(yàn)的設(shè)備原理示意圖如圖2所示.懸浮磁化焙燒系統(tǒng)主要包括供氣系統(tǒng)、加熱反應(yīng)系統(tǒng)和控溫系統(tǒng)(立式加熱爐型號(hào)為OTF-1200X-S-VT,焙燒管直徑為25 mm).焙燒系統(tǒng)可根據(jù)不同的氣體開展不同的氣氛試驗(yàn).首先將焙燒爐升達(dá)溫,再通入N2,隨后將30 g物料放于爐內(nèi)石英板上, 再給入N2和H2,開始焙燒.反應(yīng)完后,先關(guān)閉加熱系統(tǒng)和還原氣體,最后關(guān)閉N2并冷卻,得到反應(yīng)產(chǎn)物.將焙燒樣磨至-0.023 mm占90%左右,并進(jìn)行弱磁選(85.1 kA/m)分離.

圖1 試驗(yàn)原料XRD分析

1.3 檢測(cè)分析方法

采用化學(xué)分析、鐵化學(xué)物相分析、X射線衍射分析和振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)分析對(duì)焙燒樣品和精礦樣品的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè).X射線衍射分析檢測(cè)采用日本RIGAKU公司的D/MAX-RB型X射線分析儀,工作參數(shù)為:Cu靶輻射,鎳濾波,固體探測(cè)器,管電壓40 kV,管電流40 mA,掃描范圍2θ=5°～90°,步進(jìn)掃描,步長(zhǎng)0.033°,每步停留時(shí)間20.68 s,入射線波長(zhǎng)15.41 nm,掃描速度12(°)·min-1,工作溫度25 ℃.采用英普磁電技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的JDAW-2000D型振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)對(duì)樣品進(jìn)行磁性檢測(cè),通過對(duì)磁化曲線分析計(jì)算,得出比磁化系數(shù)曲線,來表征礦石磁性特征.

圖2 流態(tài)化還原磁化焙燒系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 懸浮磁化焙燒試驗(yàn)

2.1.1 焙燒溫度試驗(yàn)

進(jìn)行焙燒溫度條件試驗(yàn),固定條件為:焙燒時(shí)間20 min、H2體積分?jǐn)?shù)20%(N2氣氛)、總氣量600 mL/min,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.隨著溫度升高,鐵精礦品位逐漸上升、回收率逐漸降低.當(dāng)焙燒溫度從460 ℃升高到560 ℃時(shí),鐵精礦品位由63.86%增高到65.81%;回收率由79.30%降低至72.43%.這是由于原礦中主要為赤褐鐵礦,提高溫度既可以使還原更充分,又可以提高速率.但溫度過高會(huì)使Fe3O4與H2繼續(xù)反應(yīng),發(fā)生過還原反應(yīng),降低鐵精礦回收率[13].最后,確定520 ℃為適宜的反應(yīng)溫度,此時(shí)可獲精礦品位65.04%、回收率74.78%.

圖3 焙燒溫度條件試驗(yàn)

2.1.2 焙燒時(shí)間試驗(yàn)

焙燒時(shí)間不足會(huì)使鐵礦物還原不完全,時(shí)間過長(zhǎng)則會(huì)過還原[13].本試驗(yàn)固定條件為:焙燒溫度520 ℃、H2體積分?jǐn)?shù)20%、總氣量600 mL/min,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.由圖4可見,還原時(shí)間對(duì)焙燒有明顯的影響.當(dāng)還原時(shí)間從5 min 增加至20 min時(shí),鐵精礦回收率由74.30%增加到79.53%,繼續(xù)延長(zhǎng)還原時(shí)間至30 min,回收率則顯著減小到74.43%.這是由于還原時(shí)間大于20 min時(shí),鐵礦物過還原為FeO.當(dāng)還原時(shí)間由5 min增加至30 min時(shí),鐵精礦品位變化并不明顯,在60.0%上下波動(dòng).綜合考慮,確定適宜的時(shí)間為20 min,此時(shí)精礦鐵品位64.23%、回收率79.53%.

圖4 還原時(shí)間條件試驗(yàn)

2.1.3 H2體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)

鐵礦石懸浮磁化焙燒工業(yè)生產(chǎn)過程中采用的還原劑為焦?fàn)t煤氣,其主要還原劑成分為H2.因此,本文開展了H2體積分?jǐn)?shù)條件試驗(yàn).固定試驗(yàn)條件為:磁化焙燒溫度520 ℃、焙燒時(shí)間20 min、總氣量600 mL/min, H2體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.由圖5知,H2體積分?jǐn)?shù)從0增至10%時(shí),鐵精礦品位顯著增加,由45.39%升至64.17%,鐵回收率由84.65%下降至72.95%;繼續(xù)增大H2體積分?jǐn)?shù)至40%,鐵精礦品位略微上升,由64.17%緩慢升至65.73%,呈先升后降趨勢(shì).這是因?yàn)椴煌€原氣氛的還原能力、效率存在差異.當(dāng)H2體積分?jǐn)?shù)過高時(shí)會(huì)過還原生成弱磁性浮士體,最終進(jìn)入磁選尾礦,導(dǎo)致精礦回收率低[13].故確定H2體積分?jǐn)?shù)20%.該條件下獲得精礦鐵品位64.73%、回收率79.16%的技術(shù)指標(biāo).

圖5 H2體積分?jǐn)?shù)條件試驗(yàn)

2.1.4 焙燒氣量試驗(yàn)

焙燒過程氣體用量對(duì)磁化還原過程具有重要影響.因此,進(jìn)行總氣量條件試驗(yàn).固定條件為:焙燒溫度520 ℃、焙燒時(shí)間20 min、H2體積分?jǐn)?shù)20%,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.由圖6可知,當(dāng)總氣量由400 mL/min增加至800 mL/min時(shí),鐵精礦品位呈現(xiàn)先略微下降后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì),在64.36%～65.4%之間波動(dòng);回收率呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢(shì),先由400 mL/min時(shí)的72.69%增至600 mL/min時(shí)的75.94%,后又降低至75.27%.這是由于適當(dāng)增大總氣量可增強(qiáng)焙燒過程傳熱傳質(zhì)效果,而過高的總氣量會(huì)增大還原劑總量,進(jìn)而發(fā)生過還原反應(yīng),降低選別指標(biāo).因此確定總氣量為600 mL/min,該條件下可獲得精礦鐵品位64.36%、回收率75.94%的技術(shù)指標(biāo).

圖6 焙燒總氣量的條件試驗(yàn)

2.2 產(chǎn)品理化性質(zhì)分析

2.2.1 產(chǎn)品化學(xué)分析

分別對(duì)懸浮焙燒產(chǎn)品和懸浮焙燒-磁選精礦產(chǎn)品進(jìn)行了化學(xué)分析,結(jié)果如表3所示.由表3可知,焙燒產(chǎn)品中主要回收元素鐵的含量有所升高,TFe品位33.00%,主要雜質(zhì)成分SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45.21%,其他雜質(zhì)Al2O3,CaO,MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,分別為0.93%,2.20%和2.00%,主要有害元素P和S含量較低,分選過程中可不予考慮.精礦產(chǎn)品的TFe品位為64.63%,主要雜質(zhì)成分SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.84%,其他雜質(zhì)Al2O3,CaO,MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,分別為0.21%,0.66%和1.07%,主要有害元素P和S質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,分別為0.018%和0.069%.

表3 懸浮焙燒產(chǎn)品及其磁選精礦的化學(xué)多元素分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2.2.2 產(chǎn)品物相分析

圖7和圖8為焙燒樣和精礦樣的物相分析結(jié)果.圖7焙燒樣中鐵礦物主要為磁鐵礦,主要脈石礦物為石英和鐵白云石,表明原礦中的赤鐵礦、菱鐵礦經(jīng)焙燒后多轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦.圖8精礦中鐵礦物主要為磁鐵礦,主要脈石礦物為石英.

圖7 焙燒產(chǎn)品的XRD分析結(jié)果

2.2.3 產(chǎn)品鐵物相分析

對(duì)焙燒樣和精礦樣進(jìn)行鐵化學(xué)物相分析,結(jié)果見表4.焙燒樣中鐵主要以磁性鐵存在,其次以赤褐鐵礦、碳酸鐵形式存在;硫化鐵和硅酸鐵的含量較少,鐵分布率均小于1%,這部分鐵難以得到有效富集和回收.與原礦鐵化學(xué)物相結(jié)果(表2)對(duì)比分析可知,礦石懸浮焙燒后,赤褐鐵礦、碳酸鐵明顯減少,磁性鐵含量明顯增加,表明大部分弱磁性鐵礦物變成了強(qiáng)磁性鐵礦物.

圖8 精礦產(chǎn)品XRD分析結(jié)果

表4 焙燒產(chǎn)品中鐵的化學(xué)物相分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2.2.4 產(chǎn)品磁性分析

分別對(duì)原礦和焙燒產(chǎn)品進(jìn)行了磁性分析,結(jié)果分別如圖9和圖10所示.由圖可知,原礦飽和磁化強(qiáng)度和比磁化率分別為0.130 7 kA/m和4.251 2 × 10-7m3/kg,而焙燒產(chǎn)品飽和磁化強(qiáng)度和飽和磁化率分別為160.678 8 kA/m和3.572 6 × 10-4m3/kg,說明原礦經(jīng)過懸浮磁化焙燒后,礦石中弱磁性鐵礦物向強(qiáng)磁性鐵礦物發(fā)生了轉(zhuǎn)變,鐵礦物磁性大大增強(qiáng).

圖9 原礦磁性分析

圖10 焙燒產(chǎn)品磁性分析

3 結(jié) 論

1) 原料特性分析表明,原料中TFe品位為31.13%、主要雜質(zhì)成分SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)40.78%;原料中主要有用礦物為赤鐵礦、磁鐵礦和菱鐵礦,主要脈石礦物為石英.主要鐵礦物赤鐵礦和磁鐵礦單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50.50%和30.77%,且都以毗連型連生體居多,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為79.20%和83.33%.赤鐵礦和磁鐵礦嵌布解離較細(xì),-0.043 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為96.05%和100%.常規(guī)選別方法難以實(shí)現(xiàn)該原料的高效回收利用.

2) 試驗(yàn)表明采用懸浮磁化焙燒-磁選工藝處理該原料可以獲得質(zhì)量較好的鐵精礦產(chǎn)品.最佳懸浮焙燒溫度為520 ℃,最佳還原焙燒時(shí)間為20 min,最佳氣體流量為600 mL/min,最佳還原氣體(H2)體積分?jǐn)?shù)為20%.此時(shí)焙燒產(chǎn)品再經(jīng)過弱磁選,可獲得TFe品位64.23%%、回收率79.53%的鐵精礦.

3) 產(chǎn)品檢測(cè)分析表明,原礦經(jīng)懸浮焙燒后,礦石中赤褐鐵礦和碳酸鐵含量明顯減少,絕大部分已轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦,取得了良好的磁化焙燒效果.懸浮磁化焙燒-磁選工藝簡(jiǎn)單,成本較低且能得到合格品位的鐵精礦,能大幅提高浮選尾礦的資源利用率.