陳澤宗 張 茂 王 東 毛擁軍

(長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司)

我國是鋼鐵大國，鐵礦石產(chǎn)量遠(yuǎn)不能滿足實際生產(chǎn)需求，對外依存度大，缺少國際定價話語權(quán)[1]。因此有必要開展有效處理低品位、難處理鐵礦石的研究工作，以實現(xiàn)該類礦石的開發(fā)和利用，對保障鐵礦資源安全和鋼鐵工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要作用。目前，菱、褐鐵礦等“紅礦”資源作為典型的低品位、難選鐵礦石，因其貧、細(xì)、雜等特點而較難選冶，利用率極低，沒有實現(xiàn)有效利用。通過磁化焙燒技術(shù)將菱、褐鐵礦礦物轉(zhuǎn)化為人工磁鐵礦后進行簡單磁選，從而促使“紅礦”中的鐵礦物得到較好的回收和綜合利用，對解決一直困擾鐵礦山的“紅礦”綜合回收利用率低的難題，實現(xiàn)我國貧鐵礦高效開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 菱-赤褐鐵礦石性質(zhì)

我國鐵礦資源主要特點是貧礦和紅礦多，伴生元素復(fù)雜，其中低品位鐵礦資源儲量較大，預(yù)測未探明資源量在1 000億t以上。我國鐵礦總體平均品位30%～35%，各種弱磁性鐵礦石占總儲量的65%左右，并多伴生錳、釩、銅、鈷等有用金屬及其他放射性元素，這類復(fù)合礦石占總儲量的2/3左右[2-4]。

自然界中鐵主要以化合物的形式分布在地殼中。鐵的主要礦物有磁鐵礦(含鐵量60%以上)、赤鐵礦(含鐵量50%～60%)，其次為褐鐵礦、黃鐵礦和菱鐵礦，其中赤鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦礦石物理化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 赤鐵礦、菱鐵礦礦石物理化學(xué)性質(zhì)

赤鐵礦(α-Fe2O3)是三角晶系，化學(xué)成分與磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)相同，但兩者晶體結(jié)構(gòu)和磁性特點均不同。當(dāng)升溫至400～800 ℃時，γ-Fe2O3將不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe2O3。菱鐵礦是鐵的碳酸鹽礦物，屬三方晶系，粒狀構(gòu)造，菱面體解理發(fā)育，理論鐵品位僅48.20%，同時鈣、鎂、錳常以類質(zhì)同象形式替換鐵。褐鐵礦多為無定形的鐵氧化物和氫氧化物，多呈土狀、膠狀、非晶質(zhì)或隱晶質(zhì)，常發(fā)育于赤鐵礦-針鐵礦裂隙和晶洞中，礦石構(gòu)造復(fù)雜，嵌布粒度極細(xì)。

2 菱-赤褐混合型鐵礦磁化焙燒原理

焙燒磁選法是目前處理常規(guī)選礦方法難以分選提純的低品位氧化鐵礦石的有效方法之一。礦石在焙燒爐中加熱時，赤鐵礦、水赤鐵礦、褐鐵礦及菱鐵礦等弱磁性鐵礦物在適宜的氣氛中轉(zhuǎn)變?yōu)閺姶判澡F礦物，比磁化系數(shù)增加上千倍。在大多數(shù)情況下，脈石礦物磁性變化不大，比磁化系數(shù)基本不變。

褐鐵礦加熱到300～400 ℃便開始脫水，600 ℃時，脫水完成轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦。在還原氣氛中，赤鐵礦加熱到400 ℃開始進行還原反應(yīng)，磁性顯著增強。磁化焙燒基本原理是將弱磁性的赤、褐鐵礦物加熱到一定溫度后與還原劑反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)閺姶判缘拇盆F礦：

3Fe2O3+R=2Fe3O4+RO ，

(1)

式中，R為還原劑；RO為還原時的氣態(tài)產(chǎn)品。

菱鐵礦在中性氣氛中發(fā)生磁化焙燒，首先分解產(chǎn)生FeO，該中間相極易轉(zhuǎn)化為Fe3O4：

FeCO3=2FeO+CO2，

(2)

3FeO+CO2=Fe3O4+CO ，

(3)

對于菱、赤褐混合型鐵礦，菱鐵礦分解產(chǎn)生的CO氣體可作為赤褐鐵礦磁化焙燒的還原劑使用，總反應(yīng)：

Fe2O3+FeCO3=Fe3O4+CO2，

(4)

還原焙燒程度一般用還原度表示:

R=FeO/TFe ，

(5)

當(dāng)Fe2O3全部還原成Fe3O4時，焙燒礦中FeO含量與全鐵含量比值為0.428，此時磁化焙燒還原程度最佳，鐵礦物磁性最強。

3 回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒實踐

目前工業(yè)上用于處理赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦等弱磁性氧化鐵礦石的工藝有豎爐和回轉(zhuǎn)窯兩種磁化焙燒工藝。豎爐工藝受透氣性限制，適合粒度較大塊礦的磁化焙燒，回轉(zhuǎn)窯適用于粒度-25 mm鐵礦石的磁化焙燒。近年來，得益于國內(nèi)菱鐵礦、褐鐵礦磁化還原焙燒核心技術(shù)和大型磁化焙燒回轉(zhuǎn)窯成套裝置裝備技術(shù)集成創(chuàng)新，菱褐鐵礦等難選“紅礦”資源的高效、低成本開發(fā)得以實現(xiàn)，經(jīng)濟和社會效益巨大，已在國內(nèi)新疆、云南、陜西等地獲得工業(yè)化應(yīng)用。目前新疆某鐵礦選礦廠、云南某鐵礦選礦廠回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒—磁選工藝工業(yè)生產(chǎn)實踐指標(biāo)見表2。

表2 回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒—磁選工業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)

近年來開發(fā)的回轉(zhuǎn)窯還原磁化焙燒選礦工藝技術(shù)為菱-赤褐鐵礦等難選鐵礦資源的低成本開發(fā)利用提供了重要保證，是其較為成熟的綜合回收工藝。該工藝無需對原料進行深加工，能合理利用自然資源，減少“紅礦”堆存造成的環(huán)境風(fēng)險，因而具有較好的工業(yè)化應(yīng)用前景。

4 回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒技術(shù)應(yīng)用

為驗證回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒技術(shù)對甘肅某選礦廠堆存的菱-赤褐鐵礦綜合利用的可行性，對該菱-赤褐鐵礦進行回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒—磁選試驗。

4.1 礦石性質(zhì)

甘肅某選礦廠菱-赤褐鐵礦石主要鐵礦物為赤褐鐵礦和菱鐵礦，脈石以三水鋁石和高嶺石居多，次為石英。礦石化學(xué)多元素分析和鐵物相分析結(jié)果分別見表3、表4。

表3 礦石化學(xué)多元素分析結(jié)果 %

表4 礦石鐵物相分析結(jié)果%

表3、表4表明，礦石鐵品位33.83%，S、P含量較高，影響鐵精礦質(zhì)量；鐵主要以赤褐鐵的形式存在，占總鐵的59.15%，其次為碳酸鐵，占24.89%，赤褐鐵礦和菱鐵礦中的鐵占總鐵的84.04%。

4.2 試驗結(jié)果與討論

4.2.1 焙燒時間試驗

焙燒溫度和焙燒時間存在互補關(guān)系。溫度高時，焙燒時間可適當(dāng)縮短，溫度低時需延長焙燒時間。結(jié)合項目需求，借鑒當(dāng)前大型磁化還原焙燒回轉(zhuǎn)窯的經(jīng)驗，使用大型回轉(zhuǎn)窯作為還原焙燒裝置，在焙燒溫度800 ℃、還原劑(還原煤)用量為5%的條件下進行磁化焙燒—磁選工藝焙燒時間試驗。焙燒礦直接水冷、倒水后濕磨至-0.037 mm 77.87%，進行1次弱磁選(磁場強度96 kA /m)，以最終鐵精礦品位和回收率指標(biāo)評判磁化焙燒效果的好壞。試驗結(jié)果見圖1。

圖1 焙燒時間對磁化焙燒—磁選效果的影響

圖1表明，隨著焙燒時間從30 min延長到60 min，鐵精礦鐵品位從55.94%下降到51.59%，回收率從67.61%急劇下降至16.96%，還原度從0.84上升至1.05，磁化焙燒和選別指標(biāo)較差，綜合考慮，確定焙燒時間為30 min。

在整個焙燒時間范圍內(nèi)，弱磁精礦還原度指標(biāo)均遠(yuǎn)大于理論值，說明焙燒礦FeO含量偏高可能是造成弱磁精礦品位及回收率偏低的主要原因。FeO的產(chǎn)生，主要是由于還原劑過量、焙燒溫度過高或者焙燒時間過長等因素導(dǎo)致焙燒過程發(fā)生過還原現(xiàn)象，從而使得部分人工磁鐵礦轉(zhuǎn)化為富士體，降低礦石磁性，從而影響弱磁精礦品位及回收率。

4.2.2 還原劑用量試驗

為優(yōu)化磁化焙燒—磁選效果，固定其他條件不變，在焙燒時間為30 min的條件下，進行還原劑用量磁化焙燒—磁選工藝試驗，結(jié)果見圖2。

圖2 還原劑用量對磁化焙燒—磁選效果的影響

由圖2可知，當(dāng)不添加還原劑直接進行焙燒時，最終可獲得鐵品位55.4%、回收率92.1%的弱磁精礦。隨著還原劑用量的增加，鐵精礦品位稍有增加，回收率持續(xù)降低。說明對于該菱-赤褐混合型鐵礦石而言，菱鐵礦焙燒分解產(chǎn)生的CO為赤褐鐵礦轉(zhuǎn)化成磁鐵礦提供了還原性氣氛，在焙燒過程中可不添加或少添加還原劑便可使赤褐鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦。綜合考慮鐵精礦品位和回收率，選擇最佳還原劑用量為2%。

4.2.3 磁場強度試驗

固定其他條件不變，在焙燒時間30 min、還原劑用量2%的條件下，磁化焙燒—磁選工藝弱磁選磁場強度試驗，結(jié)果見圖3。

圖3表明，隨著磁場強度的增加，弱磁精礦品位逐漸降低，回收率逐漸升高；當(dāng)磁場強度達(dá)到96 kA/m時，弱磁精礦品位55.83%、回收率91.92%，指標(biāo)良好。

4.2.4 全流程試驗

在焙燒溫度800 ℃、焙燒時間30 min、焙燒礦磨礦細(xì)度-0.037 mm 77.87%、弱磁選粗、精選磁場強度分別為96，64 kA/m的條件下，對比焙燒時不使用還原劑和還原劑用量2%條件下的磁化焙燒—1粗1精弱磁選全流程試驗，結(jié)果見表5。

從表5可以看出，相比不添加還原劑，還原劑用量2%時鐵精礦品位稍高、回收率稍低，最終產(chǎn)率58.12%、品位58.76%、回收率87.31%。

圖3 弱磁選磁場強度對磁化焙燒—磁選效果的影響

5 結(jié) 論

(1)磁化焙燒—磁選法是目前處理低品位氧化鐵礦石的有效方法之一,回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒技術(shù)與成套裝備可規(guī)?；幚砹?赤褐鐵礦等混合型低品位難選紅礦資源，較好地實現(xiàn)其開發(fā)利用。

(2)甘肅某菱-赤褐混合型鐵礦石進行磁化焙燒時，菱鐵礦可分解產(chǎn)生還原性氣體CO，從而使該礦石在磁化焙燒過程中不添加或少添加還原劑便可使菱鐵礦和赤褐鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦。

(3)采用回轉(zhuǎn)窯磁化焙燒—1粗1精弱磁選技術(shù)處理甘肅某菱-赤褐混合型鐵礦石，在還原煤用量2%的條件下，可獲得產(chǎn)率58.12%、品位58.76%、回收率87.31%的鐵精礦?；剞D(zhuǎn)窯磁化焙燒—磁選技術(shù)可實現(xiàn)低品位菱-赤褐混合型鐵礦石的有效回收利用，解決紅礦難選別的問題，應(yīng)用前景廣闊。