陳毅琳 唐曉玲 李艷軍 劉金長(zhǎng) 孫永升

（1.酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅嘉峪關(guān)735100；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819）

近年來，隨著鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)廢氣、廢水、廢渣數(shù)量逐年增多，其中選礦廠的尾礦排出量較大，全世界每年排出的尾礦和廢石在50億t以上。我國鐵礦石資源品位低，鐵礦石年產(chǎn)量大約有15億t，尾礦量高達(dá)10 億t 以上［1-3］。尾礦排放不僅占用大量土地，有時(shí)因管理不善還會(huì)發(fā)生尾礦壩潰壩事故，造成人員傷亡、環(huán)境污染、村鎮(zhèn)被毀等嚴(yán)重后果。因此，加強(qiáng)尾礦管理和尾礦的綜合利用對(duì)于減少土地資源占用、改善生態(tài)環(huán)境、提高周邊地區(qū)環(huán)境質(zhì)量和資源利用效率，具有非常重要的意義。

目前，酒鋼集團(tuán)選燒廠尾礦累計(jì)堆存量已達(dá)到8 000 萬 t，而且每年新增尾礦 500 多萬 t，不僅占用土地、污染環(huán)境，而且還有可能引發(fā)安全問題［4-5］。酒鋼選燒廠處理的礦石屬典型的復(fù)雜難選鐵礦資源，分選難度極大，導(dǎo)致現(xiàn)有工藝流程中部分鐵礦物流失進(jìn)入尾礦，尾礦鐵品位高達(dá)21%。因此，酒鋼鐵尾礦不僅是一種工業(yè)廢棄物，更是一種含鐵原料，具有重要的回收利用價(jià)值。

酒鋼與東北大學(xué)在共同完成了“酒鋼粉礦懸浮磁化焙燒擴(kuò)大試驗(yàn)”的基礎(chǔ)上［6-7］，針對(duì)酒鋼總尾礦進(jìn)行了預(yù)富集—懸浮焙燒擴(kuò)大連續(xù)試驗(yàn)研究，以期形成酒鋼尾礦懸浮焙燒工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)原型，為酒鋼尾礦的資源化高效開發(fā)利用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)原料與研究方法

1.1 原料來源及制備

懸浮焙燒連續(xù)擴(kuò)大試驗(yàn)所用原料為酒鋼尾礦壩堆積的尾礦經(jīng)一段弱磁、兩段強(qiáng)磁工藝預(yù)選的粗精礦（以下簡(jiǎn)稱為預(yù)富集精礦）。采得尾礦試樣細(xì)度為-200 目含量大于75%，其化學(xué)多元素分析結(jié)果見表1。

由表1 可知，酒鋼總尾礦中全鐵品位為21.50%，為主要有價(jià)元素；總尾礦中主要脈石成分為SiO2，含量高達(dá)39.71%，除硅仍然是選礦的主要任務(wù)。

尾礦中含有大量已經(jīng)完全單體解離的脈石，預(yù)先拋除這部分脈石，將有利于提高焙燒效率和產(chǎn)能，從而降低成本。為此，試驗(yàn)在酒鋼的選礦實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，首先對(duì)選別磁場(chǎng)強(qiáng)度、中礦沖洗水等參數(shù)進(jìn)行選擇試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定工藝流程及參數(shù)為：弱磁選（0.18 T）—強(qiáng)磁粗選（1.2 T）—強(qiáng)磁掃選（1.2 T）。對(duì)上述尾礦樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室預(yù)富集拋尾試驗(yàn)。對(duì)20 t尾礦樣進(jìn)行拋尾處理，共生產(chǎn)預(yù)富集精礦13 t左右。預(yù)富集試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由預(yù)富集試驗(yàn)結(jié)果可知，酒鋼尾礦經(jīng)一段弱磁—兩段強(qiáng)磁預(yù)富集工藝處理，可獲得鐵品位26.01%、回收率82.71%的預(yù)富集精礦。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

連續(xù)型懸浮系統(tǒng)見圖1。

2 原料特性分析

2.1 化學(xué)成分分析

對(duì)預(yù)富集精礦進(jìn)行了化學(xué)多元素分析，結(jié)果見表3。

表3分析結(jié)果表明，預(yù)富集精礦中鐵為主要回收成分，含量為26.76%；主要雜質(zhì)成分為SiO2，含量高達(dá)36.20%；此外，Al2O3、MgO、CaO、BaO 等雜質(zhì)成分含量也較高，分別為3.58%、2.99%、2.96%、3.98%；同時(shí)，有害元素S的含量較高，為1.09%。

2.2 物相組成分析

2.2.1 XRD物相分析

預(yù)富集精礦X射線衍射分析結(jié)果見圖2。

由圖2可知，預(yù)富集精礦中含鐵成分主要為赤鐵礦、菱鐵礦和磁鐵礦，脈石礦物主要為石英、白云石和重晶石。

2.2.2 鐵化學(xué)物相分析

預(yù)富集精礦鐵化學(xué)物相分析結(jié)果見表4。

由表4 可知，鐵化學(xué)物相分析結(jié)果與XRD 結(jié)果相一致，鐵主要以赤（鏡、褐）鐵礦形式存在，分布率高達(dá)64.01%；碳酸鐵和磁性鐵的含量相對(duì)較高，分布率分別為16.89%和16.26%；硫化鐵和硅酸鐵的含量相對(duì)較低。因此，預(yù)富集精礦中主要回收對(duì)象為赤（鏡、褐）鐵礦、菱鐵礦、磁鐵礦。

3 懸浮焙燒擴(kuò)大試驗(yàn)研究

選用連續(xù)懸浮焙燒系統(tǒng)進(jìn)行酒鋼尾礦的預(yù)富集精礦樣品懸浮焙燒條件試驗(yàn)和穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)［8］。

3.1 懸浮焙燒條件試驗(yàn)

針對(duì)總尾礦預(yù)富集精礦系統(tǒng)地開展了還原溫度、還原劑流量、還原氣氛、處理量等條件試驗(yàn)，通過磁選管分選指標(biāo)判斷懸浮焙燒的效果。

3.1.1 還原溫度試驗(yàn)

首先進(jìn)行還原溫度條件試驗(yàn)。固定試驗(yàn)條件為：處理量99 kg/h，N2流量2.0 m3/h，CO 流量為3.0 m3/h。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3可知，隨著還原溫度升高，鐵精礦中鐵品位和回收率呈現(xiàn)出先明顯升高之后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)；當(dāng)溫度從450 ℃升高到520 ℃時(shí)，精礦鐵品位由47.56%提高到48.88%，鐵回收率由64.70%提高到75.14%；隨著溫度繼續(xù)升高，精礦鐵品位和回收率分別在48.89%～50.38%和72.82%～76.15%范圍內(nèi)波動(dòng)。因此，焙燒還原溫度應(yīng)控制在520～550 ℃。

3.1.2 CO流量試驗(yàn)

分別在還原溫度500、530和550℃條件下開展了CO流量試驗(yàn)，處理量為99 kg/h、N2流量為2.0 m3/h，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，還原劑流量對(duì)懸浮焙燒產(chǎn)品磁選結(jié)果影響顯著。當(dāng)還原溫度為500 ℃時(shí)，隨著CO 流量增加，鐵精礦中鐵品位從48.67%增加到49.80%，鐵回收率從69.99% 增加到73.09%；當(dāng)還原溫度為530 ℃時(shí)，隨著CO 流量增加，鐵品位在49.47%～49.97%之間波動(dòng)，鐵回收率在73.94%～75.24%之間變化，可認(rèn)為兩者基本保持穩(wěn)定；當(dāng)還原溫度為550 ℃時(shí)，隨著CO 流量增加，鐵精礦中鐵品位和回收率均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)；當(dāng)還原溫度為530 ℃和550 ℃時(shí)，在整個(gè)CO 流量范圍內(nèi)，鐵精礦品位大于49.42%，鐵回收率大于73.94%。因此，結(jié)合還原溫度（控制焙燒溫度為520～550 ℃），確定適宜的CO流量應(yīng)大于等于2.0 m3/h。

3.1.3 N2流量試驗(yàn)

N2流量對(duì)還原過程有重要的影響。試驗(yàn)過程中固定CO 流量，調(diào)節(jié)不同的N2流量進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)N2流量與焙燒產(chǎn)品選別指標(biāo)的關(guān)系，來評(píng)價(jià)N2濃度對(duì)還原過程的影響。固定試驗(yàn)條件：處理量99 kg/h、CO流量為2.0 m3/h、還原溫度為530 ℃。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，N2流量對(duì)鐵精礦中鐵品位和回收率具有一定的影響，當(dāng)N2流量從1.0 m3/h 增加到3.0 m3/h 時(shí)，鐵精礦中鐵品位和回收率呈現(xiàn)出略微降低的趨勢(shì)，而當(dāng)N2流量進(jìn)一步增加至5.0 m3/h 時(shí)，精礦中鐵品位和回收率則明顯降低。這是由于CO 相對(duì)濃度的降低，導(dǎo)致了還原速度下降；另一方面，N2流量的增加導(dǎo)致了總氣量的增加，加快了物料的流動(dòng)速度，縮短了還原時(shí)間，導(dǎo)致焙燒過程中鐵礦物磁化效果減弱，進(jìn)而造成了分選指標(biāo)下降。

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，確定適宜的N2流量為3.0 m3/h，此時(shí)，獲得的鐵精礦中鐵品位為50.00%、鐵回收率為74.88%。

3.1.4 處理量試驗(yàn)

隨著處理量增加，礦樣完成磁化還原所需的還原劑流量也有所增加。因此，試驗(yàn)過程中隨著給礦量的增加，CO 和N2流量也相應(yīng)按照一定比例改變，以便保證提供充足的還原氣體。固定還原溫度為530 ℃進(jìn)行處理量試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

由圖6結(jié)果可知，隨著處理量增加，鐵精礦中鐵品位在48.65%～49.34%之間波動(dòng)；當(dāng)處理量從77 kg/h增加到108 kg/h 時(shí)，鐵回收率由76.05% 下降到73.74%，繼續(xù)增加處理量至124 kg/h，鐵回收率則開始升高至75.54%。在整個(gè)處理量變化范圍內(nèi)，鐵精礦中鐵品位大于48.65%，鐵回收率大于73.74%。盡管品位和回收率有一定的變化，但總體上看，處理量對(duì)指標(biāo)影響不大。

考慮到系統(tǒng)其它環(huán)節(jié)的能力，確定適宜的處理量為99 kg/h。該條件下可獲得鐵品位48.89%、鐵回收率74.17%的鐵精礦。

3.1.5 還原時(shí)間試驗(yàn)

還原時(shí)間條件的改變通過調(diào)節(jié)總氣量得以實(shí)現(xiàn)。為了保證反應(yīng)器內(nèi)還原氣氛相同，CO 和N2流量根據(jù)總氣量按一定比例進(jìn)行縮放。固定試驗(yàn)條件為還原溫度530 ℃，給礦量99 kg/h，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

由圖7結(jié)果可知，總氣量過高或過低均不利于礦石中弱磁性鐵礦物的磁化還原，適宜的總氣量范圍為5.0～6.0 m3/h，此時(shí)可獲得鐵品位大于49.74%、鐵回收率大于75.93%的良好指標(biāo)。

3.2 預(yù)富集精礦懸浮焙燒穩(wěn)定試驗(yàn)

3.2.1 穩(wěn)定試驗(yàn)條件

根據(jù)條件試驗(yàn)結(jié)果，最終確定懸浮磁化焙燒連續(xù)穩(wěn)定試驗(yàn)運(yùn)行條件為：處理量99 kg/h、CO 流量2.0 m3/h、N2流量3.0 m3/h、還原溫度530 ℃、總氣量5.0 m3/h。對(duì)焙砂采用實(shí)驗(yàn)室磁選管選別，磁選管選別條件為：磨礦細(xì)度-160 目100%、磁場(chǎng)強(qiáng)度0.18 T、選別時(shí)間4.5 min。

3.2.2 穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

本次預(yù)富集精礦連續(xù)穩(wěn)定試驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行了48 h，處理礦樣4.8 t。穩(wěn)定試驗(yàn)過程中每隔30 min 取小樣一次，將4 次小樣合并混勻作為2 h 樣品，并及時(shí)對(duì)2 h 樣品進(jìn)行磁選管分選，以分選指標(biāo)作為衡量連續(xù)懸浮焙燒工藝穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。懸浮焙燒連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果見表5和圖8。

由表5 和圖8 可知，試驗(yàn)樣品經(jīng)磁選后，鐵精礦中鐵品位均在50%以上，平均值為51.41%；鐵回收率均大于70%，平均值為72.39%。上述結(jié)果表明懸浮焙燒產(chǎn)品分選指標(biāo)穩(wěn)定。

3.3 預(yù)富集精礦懸浮焙燒產(chǎn)品性質(zhì)分析

3.3.1 焙燒產(chǎn)品化學(xué)成分分析

對(duì)焙燒產(chǎn)品進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表6。

由表6 可知，預(yù)富集精礦懸浮焙燒產(chǎn)品中TFe 品位為27.32%，F(xiàn)eO 含量為5.82%；主要雜質(zhì)成分為SiO2、Al2O3、CaO、MgO 和BaO；有害元素S 含量相對(duì)較高，達(dá)到1.02%，需要進(jìn)一步確定S的賦存狀態(tài)。

3.3.2 焙燒產(chǎn)品XRD物相分析

預(yù)富集精礦焙燒產(chǎn)品的XRD分析結(jié)果見圖9。

由圖9 可知，焙燒樣品中主要鐵礦物為磁鐵礦，脈石礦物主要為石英、白云石及重晶石。

3.3.3 焙燒產(chǎn)品鐵化學(xué)物相分析

預(yù)富集精礦焙燒產(chǎn)品和焙燒前的鐵化學(xué)物相分析結(jié)果見表7。

由表7可知，焙燒產(chǎn)品中的鐵主要以磁性鐵的形式存在，磁性鐵的分布率為83.05%；赤（鏡、褐）鐵礦中鐵的分布率為9.66%；碳酸鐵的分布率為4.54%。經(jīng)計(jì)算懸浮焙燒樣品的磁性轉(zhuǎn)化率為81.71%。

4 懸浮焙燒產(chǎn)品分選試驗(yàn)研究

對(duì)焙燒擴(kuò)大試驗(yàn)的焙燒產(chǎn)品進(jìn)行了選礦工藝流程、工藝參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量等方面的詳細(xì)研究［9-13］。

4.1 預(yù)富集精礦懸浮焙燒產(chǎn)品分選試驗(yàn)

根據(jù)焙燒產(chǎn)品的性質(zhì)，采用磁選—反浮選聯(lián)合工藝進(jìn)行了分選試驗(yàn)。結(jié)合總尾礦預(yù)富集流程結(jié)果，采用酒鋼總尾礦預(yù)富集—懸浮焙燒—分選的全流程進(jìn)行分選試驗(yàn)，具體工藝流程見文獻(xiàn)［7］，結(jié)果見表8。

由表8結(jié)果可知，采用預(yù)富集—懸浮焙燒—磁選—反浮選工藝處理酒鋼尾礦，最終可獲得鐵品位58.67%、鐵回收率57.82%、SiO2含量6.48%的鐵精礦，尾礦中鐵品位由原來的21.50%降低到12%左右。

4.2 精礦產(chǎn)品性質(zhì)分析

4.2.1 精礦化學(xué)成分分析

酒鋼總尾礦懸浮焙燒產(chǎn)品經(jīng)磁選—浮選流程分選后，所得精礦的化學(xué)成分分析結(jié)果如表9所示。

由表9 可知，精礦產(chǎn)品的鐵品位為58.45%；雜質(zhì)成分CaO 和Al2O3含量較少，分別為1.18%和1.11%；SiO2和MgO含量相對(duì)較高，分別為6.52%和3.59%；有害元素S、P 的含量較低。S 含量由原尾礦中的1.03%下降至0.272%，降低了74%。經(jīng)分析，S 在尾礦壩尾礦中主要以重晶石形式存在，礦樣經(jīng)磁化焙燒后，再經(jīng)過進(jìn)一步細(xì)磨，重晶石與磁性鐵礦物得到了解離，且與鐵礦物磁性差異加大，選別后大部分重晶石進(jìn)入了尾礦，因此產(chǎn)品中S含量大大降低。

4.2.2 精礦鐵化學(xué)物相分析

酒鋼總尾礦懸浮焙燒分選精礦產(chǎn)品的鐵化學(xué)物相分析結(jié)果見表10。

由表10 可知，精礦產(chǎn)品中的鐵主要以磁性鐵的形式存在，分布率高達(dá)97.37%；硅酸鐵、硫化鐵和碳酸鐵中鐵的分布率分別為1.20%、1.02%和0.41%。

5 結(jié) 論

（1）酒鋼尾礦經(jīng)一段弱磁—兩段強(qiáng)磁預(yù)富集工藝分選，獲得了鐵品位26.01%、回收率82.71%的預(yù)富集精礦。分析結(jié)果表明，預(yù)富集精礦中含鐵礦物主要為赤鐵礦、磁鐵礦和菱鐵礦，脈石礦物主要為石英、白云石和重晶石。

（2）預(yù)富集精礦在還原溫度530 ℃、CO 流量2.0 m3/h、N2流量3.0 m3/h、處理量99 kg/h、總氣量5.0 m3/h的適宜懸浮焙燒工藝參數(shù)下，穩(wěn)定試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行了48 h，取得了磁選管磁選鐵精礦平均鐵品位51.41%、鐵回收率72.39%的技術(shù)指標(biāo)。

（3）酒鋼總尾礦采用預(yù)富集—懸浮焙燒—磁選—反浮選全流程處理，最終可獲得鐵品位58.67%、鐵回收率57.82%、SiO2含量6.48%的鐵精礦，綜合尾礦鐵品位12.00%，指標(biāo)良好。

（4）懸浮焙燒試驗(yàn)過程中焙燒系統(tǒng)運(yùn)行良好、工作參數(shù)控制穩(wěn)定、焙燒產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)異，表明該系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，懸浮磁化焙燒在裝備和技術(shù)上均是完全可靠的，研究結(jié)果可作為酒鋼總尾礦懸浮磁化焙燒工程化建設(shè)的依據(jù)。推薦酒鋼總尾礦處理流程為預(yù)富集—懸浮焙燒—磁選—浮選流程。