邵安林, 蘇興國, 韓躍新, 李艷軍

(1. 東北大學 資源與土木工程學院, 遼寧 沈陽 110819; 2. 鞍鋼集團礦業(yè)有限公司, 遼寧 鞍山 114000;3. 鞍山鋼鐵集團有限公司 東鞍山燒結廠, 遼寧 鞍山 114000)

鐵礦石是鋼鐵工業(yè)的“糧食”.根據(jù)國家統(tǒng)計局和海關總署數(shù)據(jù),我國鐵礦石進口量連續(xù)五年超過10億噸,對外依存度連續(xù)五年超過80%，其中,2020年進口鐵礦石11.7億噸,進口額達1 260億美元,創(chuàng)歷史新高[1-2].另外,鐵礦石市場一直受國際礦業(yè)寡頭操控.因此,鐵礦石的安全穩(wěn)定供應,已成保障我國礦產(chǎn)資源安全的“卡脖子”難題之一[3-4].2021年初,國家工業(yè)和信息化部在《關于推動鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導意見》中明確提出,2025年前鐵金屬國內(nèi)自給率需由目前的不足20%提升到45%以上,并加快推進難選礦的綜合選別和高效利用技術應用.

根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù),我國鐵礦石儲量巨大,達852億噸,但其資源稟賦差,難選鐵礦石儲量超200億噸.受現(xiàn)有技術制約,國內(nèi)以鞍山地區(qū)為代表的復雜難選鐵礦石的有效利用,已成世界性難題.鞍鋼集團東鞍山燒結廠處理鐵礦石是典型的貧雜赤鐵礦,具有品位低、組成復雜、嵌布粒度細等特點,是我國最有代表性、應用較早、開展研究工作較多的難選貧赤鐵礦石[5-10].東鞍山燒結廠選礦生產(chǎn)工藝歷經(jīng)單一堿性正浮選、弱磁-強磁-酸性正浮選、重選-磁選-陰離子反浮選三個發(fā)展階段.重選-強磁-反浮選工藝實現(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,造成了資源的嚴重浪費.東鞍山燒結廠生產(chǎn)中浮選尾礦直接排入尾礦庫[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值.因此,尋求創(chuàng)新性技術從東鞍山浮選尾礦中回收利用鐵礦物,具有顯著的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益.

針對復雜難選鐵礦石礦物組成復雜、共生關系密切、含鐵礦物種類多等特點,東北大學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,并建成3 000噸/年懸浮磁化焙燒生產(chǎn)線,先后實現(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、鞍鋼東部尾礦等國內(nèi)外10余種鐵礦石上的應用,上述研究及應用均獲得了鐵精礦TFe品位60%～68%,作業(yè)回收率85%～97%的優(yōu)異技術指標[12].根據(jù)懸浮磁化焙燒技術裝備及擴大連續(xù)試驗結果,建成酒鋼集團165萬噸/年懸浮磁化焙燒生產(chǎn)線,并于2019年11月達產(chǎn)達標連續(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磁預富集產(chǎn)品為研究對象,開展了系統(tǒng)的懸浮磁化焙燒-磁選試驗研究,以期為該浮選尾礦的回收利用提供技術支撐.

1 試驗原料和方法

1.1 試驗原料

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

表1 原礦化學多元素分析(質(zhì)量分數(shù))

表2 試驗原料的鐵物相分析結果(質(zhì)量分數(shù))

由表1可知,該試驗原料中主要有價組分為鐵元素,其質(zhì)量分數(shù)為31.13%,主要雜質(zhì)為SiO2,質(zhì)量分數(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%,合計為97.94%,故三種礦為該礦樣的主要回收對象.硫化鐵礦物中鐵、硅酸鐵礦物中鐵含量相對較少,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 試驗方法

懸浮磁化焙燒試驗的設備原理示意圖如圖2所示.懸浮磁化焙燒系統(tǒng)主要包括供氣系統(tǒng)、加熱反應系統(tǒng)和控溫系統(tǒng)(立式加熱爐型號為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.首先將焙燒爐升達溫,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.反應完后,先關閉加熱系統(tǒng)和還原氣體,最后關閉N2并冷卻,得到反應產(chǎn)物.將焙燒樣磨至-0.023 mm占90%左右,并進行弱磁選(85.1 kA/m)分離.

圖1 試驗原料XRD分析

1.3 檢測分析方法

采用化學分析、鐵化學物相分析、X射線衍射分析和振動樣品磁強計分析對焙燒樣品和精礦樣品的物理化學性質(zhì)進行檢測.X射線衍射分析檢測采用日本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,固體探測器,管電壓40 kV,管電流40 mA,掃描范圍2θ=5°～90°,步進掃描,步長0.033°,每步停留時間20.68 s,入射線波長15.41 nm,掃描速度12(°)·min-1,工作溫度25 ℃.采用英普磁電技術開發(fā)有限公司生產(chǎn)的JDAW-2000D型振動樣品磁強計對樣品進行磁性檢測,通過對磁化曲線分析計算,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 結果與討論

2.1 懸浮磁化焙燒試驗

2.1.1 焙燒溫度試驗

進行焙燒溫度條件試驗,固定條件為:焙燒時間20 min、H2體積分數(shù)20%(N2氣氛)、總氣量600 mL/min,試驗結果如圖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.當焙燒溫度從460 ℃升高到560 ℃時,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.但溫度過高會使Fe3O4與H2繼續(xù)反應,發(fā)生過還原反應,降低鐵精礦回收率[13].最后,確定520 ℃為適宜的反應溫度,此時可獲精礦品位65.04%、回收率74.78%.

圖3 焙燒溫度條件試驗

2.1.2 焙燒時間試驗

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

圖4 還原時間條件試驗

2.1.3 H2體積分數(shù)試驗

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爐煤氣,其主要還原劑成分為H2.因此,本文開展了H2體積分數(shù)條件試驗.固定試驗條件為:磁化焙燒溫度520 ℃、焙燒時間20 min、總氣量600 mL/min, H2體積分數(shù)試驗結果如圖5所示.由圖5知,H2體積分數(shù)從0增至10%時,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體積分數(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.這是因為不同還原氣氛的還原能力、效率存在差異.當H2體積分數(shù)過高時會過還原生成弱磁性浮士體,最終進入磁選尾礦,導致精礦回收率低[13].故確定H2體積分數(shù)20%.該條件下獲得精礦鐵品位64.73%、回收率79.16%的技術指標.

圖5 H2體積分數(shù)條件試驗

2.1.4 焙燒氣量試驗

焙燒過程氣體用量對磁化還原過程具有重要影響.因此,進行總氣量條件試驗.固定條件為:焙燒溫度520 ℃、焙燒時間20 min、H2體積分數(shù)20%,試驗結果如圖6所示.由圖6可知,當總氣量由400 mL/min增加至800 mL/min時,鐵精礦品位呈現(xiàn)先略微下降后趨于穩(wěn)定的趨勢,在64.36%～65.4%之間波動;回收率呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢,先由400 mL/min時的72.69%增至600 mL/min時的75.94%,后又降低至75.27%.這是由于適當增大總氣量可增強焙燒過程傳熱傳質(zhì)效果,而過高的總氣量會增大還原劑總量,進而發(fā)生過還原反應,降低選別指標.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%的技術指標.

圖6 焙燒總氣量的條件試驗

2.2 產(chǎn)品理化性質(zhì)分析

2.2.1 產(chǎn)品化學分析

分別對懸浮焙燒產(chǎn)品和懸浮焙燒-磁選精礦產(chǎn)品進行了化學分析,結果如表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)量分數(shù)為45.21%,其他雜質(zhì)Al2O3,CaO,MgO質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為5.84%,其他雜質(zhì)Al2O3,CaO,MgO質(zhì)量分數(shù)較低,分別為0.21%,0.66%和1.07%,主要有害元素P和S質(zhì)量分數(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多元素分析(質(zhì)量分數(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分析結果

2.2.3 產(chǎn)品鐵物相分析

對焙燒樣和精礦樣進行鐵化學物相分析,結果見表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.與原礦鐵化學物相結果(表2)對比分析可知,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磁性鐵礦物.

圖8 精礦產(chǎn)品XRD分析結果

表4 焙燒產(chǎn)品中鐵的化學物相分析結果(質(zhì)量分數(shù))

2.2.4 產(chǎn)品磁性分析

分別對原礦和焙燒產(chǎn)品進行了磁性分析,結果分別如圖9和圖10所示.由圖可知,原礦飽和磁化強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磁性鐵礦物發(fā)生了轉(zhuǎn)變,鐵礦物磁性大大增強.

圖9 原礦磁性分析

圖10 焙燒產(chǎn)品磁性分析

3 結 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)量分數(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)量分數(shù)分別為50.50%和30.77%,且都以毗連型連生體居多,質(zhì)量分數(shù)分別為79.20%和83.33%.赤鐵礦和磁鐵礦嵌布解離較細,-0.043 mm質(zhì)量分數(shù)分別為96.05%和100%.常規(guī)選別方法難以實現(xiàn)該原料的高效回收利用.

2) 試驗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 ℃,最佳還原焙燒時間為20 min,最佳氣體流量為600 mL/min,最佳還原氣體(H2)體積分數(shù)為20%.此時焙燒產(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.