馬鋼姑山鐵礦石磁化焙燒—弱磁選試驗(yàn)研究

張劍廷 楊 峰 李志明 房舜堯

(1.遼寧東大礦冶工程技術(shù)有限公司,遼寧 朝陽(yáng) 122000;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819;3.英國(guó)倫敦大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,英國(guó) 倫敦 WC1E6BT)

姑山鐵礦是馬鋼三大原料基地之一,鐵礦物主要有赤鐵礦,少量假象赤鐵礦、褐鐵礦以及微量菱鐵礦[1]。姑山鐵礦石硬度大,嵌布粒度粗細(xì)不均,為典型的難磨難選紅礦[2]。姑山選廠進(jìn)行了多次的工藝流程改造以實(shí)現(xiàn)良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[3-4],但現(xiàn)行的破碎—洗礦—粗粒干式強(qiáng)磁選—階段磨礦—SLon脈動(dòng)高梯度磁選流程,僅可獲得精礦鐵品位57%、鐵回收率75%的生產(chǎn)指標(biāo),且生產(chǎn)中存在產(chǎn)品指標(biāo)隨礦石性質(zhì)變化波動(dòng)大、輔助作業(yè)成本高、尾礦金屬流失嚴(yán)重等問(wèn)題,亟須尋求高效選別新技術(shù)來(lái)促進(jìn)該礦石的開(kāi)發(fā)利用。

磁化焙燒預(yù)處理—磁選技術(shù)是實(shí)現(xiàn)難選鐵礦資源高效利用的重要手段[5-8],其中基于“預(yù)富集—蓄熱還原—再氧化”核心技術(shù)的懸浮磁化焙燒技術(shù)經(jīng)大量的研究、實(shí)踐表明技術(shù)可行,前景可觀[9-12]。該技術(shù)先后針對(duì)寶武集團(tuán)、鞍鋼集團(tuán)、酒鋼集團(tuán)、遼寧三和、海南礦業(yè)、塞拉利昂Tonkolili、阿爾及利亞Gara等地20余種鐵礦石進(jìn)行了半工業(yè)試驗(yàn),均取得了良好的技術(shù)指標(biāo)[13-16],同時(shí)該技術(shù)具有節(jié)能高效、清潔環(huán)保的特點(diǎn),經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著[17-20]。

本研究針對(duì)馬鋼姑山鐵礦石開(kāi)展系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室磁化焙燒試驗(yàn)研究,以期為馬鋼姑山鐵礦的高效開(kāi)發(fā)利用提供一定的指導(dǎo)。

1 試樣性質(zhì)

試驗(yàn)所用礦樣取自馬鋼姑山鐵礦,試樣主要化學(xué)成分、礦物組成及鐵物相分析結(jié)果分別見(jiàn)表1、圖1及表2。

圖1 試樣X(jué)RD圖譜Fig.1 XRD pattern of the sample

表2 試樣鐵物相分析結(jié)果Table 2 Results of the iron phases analysis of the sample %

從表1可以看出:試樣中主要有價(jià)元素為鐵,TFe含量為37.68%;主要雜質(zhì)成分為SiO2和Al2O3,含量分別為31.44%、5.00%;有害元素P含量較高,為0.72%。

由圖1及表2分析可知:試樣中主要鐵礦物為赤鐵礦,主要脈石礦物為石英;鐵主要以赤(褐)鐵礦的形式存在,含量為36.35%,鐵分布率達(dá)到96.48%。

2 磁化焙燒試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室采用管式爐進(jìn)行磁化焙燒試驗(yàn),系統(tǒng)研究焙燒給礦粒度、焙燒溫度、CO濃度、焙燒時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)產(chǎn)品分選指標(biāo)的影響,具體試驗(yàn)方法如下:待管式爐內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值后,通入N2排凈爐內(nèi)空氣,迅速將磨礦至一定細(xì)度的30 g礦樣放置于管式爐內(nèi),采用H2與CO混合氣作為還原氣體,按預(yù)先設(shè)定的體積比例(H2與CO體積比為3∶1)通入N2、CO和H2對(duì)樣品進(jìn)行還原焙燒,經(jīng)過(guò)一定的還原焙燒時(shí)間后,關(guān)閉加熱系統(tǒng)并停止通入還原氣體,繼續(xù)通入N2使焙燒物料冷卻至室溫。將焙燒產(chǎn)品研磨至一定細(xì)度,采用磁選管(磁場(chǎng)強(qiáng)度為85.15 kA/m)對(duì)焙燒樣品進(jìn)行弱磁選,確定適宜的焙燒條件。

2.1 焙燒給礦粒度的影響

給礦粒度影響焙燒過(guò)程中物料的傳質(zhì)和傳熱效率。為探究焙燒給礦粒度對(duì)磁化焙燒效果的影響,在焙燒溫度560℃、還原氣濃度30%、焙燒時(shí)間30min、氣體流量500 mL/min,焙燒產(chǎn)品磨礦細(xì)度-0.023 mm占90%和磁場(chǎng)強(qiáng)度85.15 kA/m的條件下,對(duì)-0.074 mm含量分別為 40%、50%、60%、70%、80%的物料開(kāi)展了焙燒試驗(yàn)。焙燒產(chǎn)品磁選試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 給礦粒度對(duì)磁選精礦指標(biāo)的影響Fig.2 Effect of feeding size on indexes of magnetic separation concentrate

由圖2可知:隨著給礦粒度變細(xì),磁選精礦鐵品位呈先保持不變后緩慢降低的變化趨勢(shì),當(dāng)給礦粒度由-0.074 mm占40%升至60%時(shí),精礦鐵品位在55.43%～55.81%范圍內(nèi)波動(dòng);繼續(xù)提高給礦粒度至-0.074 mm占80%,精礦鐵品位降至53.83%;而鐵回收率整體升高,由94.69%升至96.46%。給礦粒度的增加可促進(jìn)磁聚團(tuán)的形成,磁聚團(tuán)有利于減少分選過(guò)程中的金屬損失,但磁聚團(tuán)形成過(guò)程中的脈石夾雜會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量。綜合考慮,確定物料給礦粒度為-0.074 mm占50%。

2.2 焙燒溫度的影響

焙燒溫度對(duì)磁化還原過(guò)程具有重要影響。在焙燒給礦粒度為-0.074 mm占50%、還原氣濃度30%、焙燒時(shí)間30 min、氣體流量500 mL/min,焙燒產(chǎn)品磨礦細(xì)度-0.023 mm占90%和磁場(chǎng)強(qiáng)度85.15 kA/m的條件下,考察焙燒溫度對(duì)磁選精礦指標(biāo)的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 焙燒溫度對(duì)磁選精礦指標(biāo)的影響Fig.3 Effect of roasting temperature on indexes of magnetic separation concentrate

由圖3可知:隨著焙燒溫度的上升,鐵精礦品位在58.00%～58.70%之間波動(dòng)變化,可認(rèn)為處于穩(wěn)定狀態(tài),說(shuō)明焙燒溫度對(duì)磁選精礦鐵品位影響較小;隨著溫度升高,鐵回收率呈現(xiàn)出先升高后基本保持平穩(wěn)的變化規(guī)律。焙燒溫度的升高會(huì)促進(jìn)礦石結(jié)構(gòu)疏松,有利于后續(xù)礦物的單體解離,當(dāng)溫度從420℃升高至500℃時(shí),回收率由85.75%增加到94.33%,繼續(xù)升高溫度,回收率基本保持不變。故確定適宜的焙燒溫度為500℃。在該磁化焙燒溫度下,經(jīng)磁選可獲得鐵精礦品位58.00%、鐵回收率94.33%的技術(shù)指標(biāo)。

2.3 還原氣濃度的影響

為考察還原氣濃度對(duì)焙燒效果的影響,在焙燒給礦粒度為-0.074 mm占50%、焙燒溫度500℃、焙燒時(shí)間30 min、氣體流量500 mL/min,焙燒產(chǎn)品磨礦細(xì)度-0.023 mm占90%和磁場(chǎng)強(qiáng)度85.15 kA/m的條件下,考察還原氣濃度對(duì)磁選精礦指標(biāo)的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 還原氣濃度對(duì)磁選精礦指標(biāo)的影響Fig.4 Effect of reducing gas concentration on indexes of magnetic separation concentrate

由圖4可知:隨著還原氣濃度的增加,磁選精礦鐵品位和回收率變化均不明顯,其中鐵品位在57.32%～58.05%之間波動(dòng),鐵回收率在94.69%～94.97%范圍內(nèi)波動(dòng),鐵回收率整體保持在94%以上;為了保證還原效果,確定還原氣體濃度為40%。

2.4 焙燒時(shí)間的影響

焙燒時(shí)間是影響磁化焙燒效果的重要因素之一,焙燒時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致鐵礦物還原不完全,而過(guò)長(zhǎng)又會(huì)發(fā)生過(guò)還原。在焙燒給礦粒度為-0.074 mm占50%、焙燒溫度500℃、還原氣濃度40%、氣體流量500 mL/min,焙燒產(chǎn)品磨礦細(xì)度-0.023 mm占90%和磁場(chǎng)強(qiáng)度85.15 kA/m的條件下,考察焙燒時(shí)間對(duì)磁選精礦指標(biāo)的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 焙燒時(shí)間對(duì)磁選精礦指標(biāo)的影響Fig.5 Effect of roasting time on indexes of magnetic separation concentrate

由圖5可知:隨著還原時(shí)間的延長(zhǎng),磁選精礦鐵品位基本保持不變,整體維持在57.30%～58.01%范圍內(nèi)波動(dòng);而鐵回收率則緩慢升高,當(dāng)還原時(shí)間從10 min增加至20 min時(shí),鐵精礦回收率由92.91%增加到94.53%,繼續(xù)延長(zhǎng)還原時(shí)間至30 min,回收率略微升至94.67%。這是由于還原時(shí)間小于20 min時(shí),礦石中鐵礦物沒(méi)有完全被還原為磁鐵礦,當(dāng)還原時(shí)間大于20min后還原效果較明顯。同時(shí)可以看出,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),焙燒產(chǎn)品中的金屬鐵含量緩慢增加,但整體來(lái)看金屬鐵含量所占比例較小,過(guò)還原現(xiàn)象較少。因此,確定適宜的還原時(shí)間為20 min,此時(shí)磁選精礦可達(dá)到鐵品位57.30%、鐵回收率94.53%的指標(biāo)。

2.5 焙燒產(chǎn)品選別試驗(yàn)

根據(jù)磁化焙燒條件試驗(yàn)結(jié)果,最終確定原礦樣品實(shí)驗(yàn)室小型磁化焙燒適宜的條件為:焙燒給礦粒度-0.074 mm占50%、焙燒溫度500℃、還原氣濃度40%、焙燒時(shí)間20 min。在此條件下,制備出磁化焙燒樣品,進(jìn)行焙燒產(chǎn)品選別流程試驗(yàn),考慮到原礦硬度大,礦物嵌布粒度粗細(xì)不均,針對(duì)馬鋼姑山鐵礦石采用磁化焙燒—階段磨礦—階段磁選工藝,其數(shù)質(zhì)量 流程如圖6所示。

圖6 磁化焙燒—階段磨礦—階段磁選數(shù)質(zhì)量流程圖Fig.6 Quantity-quality flow chart of magnetization roasting-stage grinding-stage magnetic separation

由圖6可知:針對(duì)馬鋼姑山鐵礦石采用磁化焙燒—階段磨礦—階段磁選工藝,其適宜的工藝參數(shù)為:焙燒產(chǎn)品一段磨礦細(xì)度-0.038 mm占95%、一段磁選場(chǎng)強(qiáng)95.49 kA/m,二段磨礦細(xì)度-0.023 mm占95%、二段磁選場(chǎng)強(qiáng) 95.49 kA/m,三段磨礦細(xì)度-0.016 mm占95%、三段磁選管場(chǎng)強(qiáng)143.24 kA/m,該工藝可獲得精礦鐵品位63.98%、鐵回收率83.32%、P含量0.15%的技術(shù)指標(biāo),較現(xiàn)有工藝,品位提高了6.98個(gè)百分點(diǎn),回收率提高了8.32個(gè)百分點(diǎn)。

3 精礦產(chǎn)品性質(zhì)分析

對(duì)磁選精礦進(jìn)行化學(xué)多元素、XRD物相及鐵物相分析,結(jié)果分別見(jiàn)表3、圖7和表4。

表3 磁選精礦化學(xué)多元素分析結(jié)果Table 3 Results of chemical multi-elements analysis of the magnetic concentrate %

圖7 磁選精礦XRD圖譜Fig.7 XRD pattern of the magnetic concentrate

表4 磁選精礦鐵物相分析結(jié)果Table 4 Results of the iron phases analysis for the magnetic concentrate %

由表3可知:三段磁選精礦鐵品位為63.98%,FeO含量為20.53%;主要雜質(zhì)成分SiO2含量7.05%,Al2O3含量為0.99%;有害元素P含量為0.15%。由圖7可知:磁選精礦中主要鐵礦物為磁鐵礦,脈石礦物為石英。

由表4可知:磁性鐵礦物中鐵的分布率高達(dá)98.19%,赤(褐)鐵礦中鐵的分布率較低,為1.13%。與原礦相比,精礦中TFe和FeO含量均有升高,表明經(jīng)磁化焙燒處理后,礦石中的鐵礦物得到有效回收。

4 結(jié) 論

(1)馬鋼姑山鐵礦礦石鐵品位為37.68%,主要有用元素為鐵,鐵主要以赤鐵礦形式存在,分布率為96.48%;脈石礦物主要為SiO2和Al2O3;有害元素P含量較高,為0.72%。

(2)在焙燒給礦粒度為-0.074 mm占50%、焙燒溫度500℃、還原氣體濃度40%、焙燒時(shí)間20min、氣體流量500 mL/min的條件下進(jìn)行磁化焙燒后,焙燒產(chǎn)品采用磨礦—磁選—再磨—磁選—三段磨礦—磁選工藝,可獲得鐵品位63.98%、鐵回收率83.32%、P含量0.15%的鐵精礦。

(3)磁選精礦分析表明,經(jīng)磁化焙燒處理后,磁性鐵礦物中鐵的分布率高達(dá)98.19%,赤鐵礦中鐵的分布率降低至1.13%,表明礦石中絕大部分赤鐵礦轉(zhuǎn)化為了強(qiáng)磁性鐵礦物,可通過(guò)弱磁選進(jìn)行有效分選。磁化焙燒—弱磁選工藝為馬鋼姑山鐵礦的高效利用提供了新的途徑。