鞠會(huì)霞 孫體昌 趙貴軍

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083;2.山東鋼鐵集團(tuán)魯南礦業(yè)有限公司，山東 臨沂276421)

隨著鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)鐵礦資源的開(kāi)發(fā)規(guī)模也不斷加大，與此同時(shí)產(chǎn)生了大量尾礦堆存于尾礦壩中，尾礦的輸送與處置，不僅消耗電力等能源，而且占用了大量的土地，還存在發(fā)生尾礦壩潰壩事故，造成人員傷亡及村鎮(zhèn)被毀等后果的潛在風(fēng)險(xiǎn)［1-5］。魯南礦業(yè)有限公司選廠(chǎng)尾礦中鐵主要以含鐵硅酸鹽及赤褐鐵礦形式存在，用常規(guī)的選礦方法很難達(dá)到理想的指標(biāo)。本研究采用還原焙燒—磁選工藝對(duì)該公司尾礦進(jìn)行了再選試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)原料

1.1 試驗(yàn)礦樣

試驗(yàn)用鐵尾礦粒度為－0.15 mm，其中－0.076 mm 粒級(jí)含量為60.30%。對(duì)試驗(yàn)礦樣進(jìn)行化學(xué)多元素分析和鐵物相分析，結(jié)果分別見(jiàn)表1、表2。

表1 試樣化學(xué)多元素分析結(jié)果Table 1 Chemical composition analysis results of the sample %

表2 試樣鐵物相分析結(jié)果Table 2 Iron phase analysis results of the sample %

從表1 可以看出:試樣全鐵含量為19.19%，甚至超過(guò)某些礦山實(shí)際采出礦石的原礦品位;主要雜質(zhì)成分為SiO2，有害元素硫、磷含量較低。

從表2 可以看出:鐵主要以硅酸鐵和赤褐鐵礦形式存在，分布率分別為47.36%、33.10%，采用常規(guī)選礦方法難以回收。

1.2 還原劑

試驗(yàn)所用還原劑為煤粉，產(chǎn)自山東濟(jì)寧，煤粉經(jīng)混勻、干燥后破碎至－1 mm，其工業(yè)分析結(jié)果如表3所示。

表3 還原煤粉工業(yè)分析結(jié)果Table 3 Industry index analysis results of reductant coal %

由表3 可知，還原煤粉中灰分較低，僅為7.39%，揮發(fā)分較高，滿(mǎn)足試驗(yàn)需要。

1.3 還原助劑

還原助劑CaO 為市售化學(xué)藥劑，分析純。

2 試驗(yàn)方法

取試驗(yàn)礦樣100 g 與還原劑及還原助劑按照一定的比例混勻，然后裝入容積為100 cm3的石墨坩堝中，將其置于爐內(nèi)已升至指定溫度的JNL －14MA 型馬弗爐中進(jìn)行焙燒，焙燒一定時(shí)間后將石墨坩堝取出并冷卻至室溫，采用武漢洛克粉磨設(shè)備有限公司的RK/BM 三輥四筒智能棒磨機(jī)磨礦，磨機(jī)滾筒容機(jī)為0.5 L，最大裝球量為100 g，磨礦介質(zhì)為16 根12 mm×95 mm 鋼棒，磨礦濃度為50%，磨礦產(chǎn)品經(jīng)磁選管磁選，得到還原鐵精礦。試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)流程Fig.1 Flowsheet of experiments

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 還原劑用量對(duì)精礦指標(biāo)的影響

還原劑用量直接影響還原過(guò)程CO 氣體的產(chǎn)生量，從而影響到試驗(yàn)礦樣的焙燒效果［6-7］。還原劑用量試驗(yàn)固定還原助劑用量為15 g、還原溫度為1 000℃、還原時(shí)間為40 min、磨礦時(shí)間為20 min、磁場(chǎng)強(qiáng)度為110 kA/m，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 還原劑用量對(duì)精礦指標(biāo)的影響Fig.2 Effect of reduction reagent dosage on concentrate indexes

從圖2可以看出:隨著還原劑用量的增加，精礦鐵品位和回收率均先升高后降低;還原劑用量為20 g時(shí)，鐵回收率達(dá)到最大值，為61.61%;此后隨著還原劑用量的增加，精礦鐵品位和回收率急劇降低。在一定范圍內(nèi)增加還原劑用量，可以促進(jìn)還原反應(yīng)的進(jìn)行，鐵品位和回收率提高，但過(guò)量的還原劑會(huì)降低鐵精礦品質(zhì)。在還原焙燒過(guò)程中，一般認(rèn)為隨著還原劑用量的不斷增加，還原氣氛增強(qiáng)，還原速率加快。但還原劑用量過(guò)大時(shí)，不僅是對(duì)資源和能源的浪費(fèi)，同時(shí)，還原劑用量的增加導(dǎo)致CO 的濃度過(guò)高［6-7］，其向試驗(yàn)礦樣內(nèi)部的擴(kuò)散動(dòng)力也會(huì)隨之增強(qiáng)，雖然可以提高反應(yīng)速率，但同時(shí)增大了SiO2在高溫下與FeO 發(fā)生反應(yīng)生成2FeO·SiO2等較穩(wěn)定復(fù)雜化合物的可能性，這些化合物夾雜在還原焙燒產(chǎn)物中，會(huì)降低精礦鐵品位。綜合考慮，確定還原劑用量為20 g。

3.2 還原溫度對(duì)精礦指標(biāo)的影響

焙燒溫度對(duì)焙燒過(guò)程及焙燒礦質(zhì)量都極為重要，雖然試驗(yàn)礦樣在還原過(guò)程中發(fā)生的主要是吸熱反應(yīng)，焙燒溫度的提高能夠大幅度提高還原反應(yīng)速率，但溫度過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致過(guò)還原現(xiàn)象的發(fā)生，使己經(jīng)生成的還原焙燒產(chǎn)物被二次氧化，影響還原效果。還原溫度影響試驗(yàn)固定還原劑用量為20 g、還原助劑用量為15 g、焙燒時(shí)間為40 min、磨礦時(shí)間為20 min、磁場(chǎng)強(qiáng)度為110 kA/m，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 還原溫度對(duì)精礦指標(biāo)的影響Fig.3 Effect of reduction temperature on concentrate indexes

從圖3 可以看出:隨著還原溫度由900 ℃升高到1 100 ℃，精礦鐵品位和回收率逐漸上升，當(dāng)還原溫度為1 100 ℃時(shí)，鐵回收率及品位都達(dá)到最大值，分別為74.02%和89.60%，此后隨著還原溫度的升高，鐵回收率及品位均急劇下降。因此，確定還原溫度為1 100 ℃。

3.3 還原時(shí)間對(duì)精礦指標(biāo)的影響

為使還原反應(yīng)達(dá)到理想效果，必須保證適宜的還原時(shí)間，以使還原反應(yīng)充分進(jìn)行。在還原劑用量為20 g、還原助劑用量為15 g、還原溫度為1 100 ℃、磨礦時(shí)間為20 min、磁場(chǎng)強(qiáng)度為110 kA/m 條件下，進(jìn)行還原時(shí)間試驗(yàn)，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 還原時(shí)間對(duì)精礦指標(biāo)的影響Fig.4 Effect of reduction time on concentrate indexes

從圖4 可以看出:隨著還原時(shí)間從20 min 延長(zhǎng)到40 min，精礦鐵品位和回收率均逐漸上升;還原時(shí)間為40 min 時(shí)，精礦鐵品位和回收率均達(dá)到最佳值，分別為90.82%、77.64%;此后隨著還原時(shí)間的延長(zhǎng)，精礦鐵品位和回收率都逐漸下降。還原時(shí)間較短時(shí)，鐵礦物未能反應(yīng)完全，精礦鐵品位低;雖然延長(zhǎng)還原時(shí)間有利于鐵顆粒的長(zhǎng)大，但過(guò)長(zhǎng)的還原時(shí)間會(huì)導(dǎo)致還原氣氛減弱，同時(shí)還原時(shí)間的延長(zhǎng)還會(huì)使焙燒產(chǎn)物發(fā)生熔融，造成磨礦困難［8-10］。因此，確定還原時(shí)間為40 min。

3.4 還原助劑CaO 用量對(duì)精礦指標(biāo)的影響

鐵尾礦還原時(shí)，鐵礦物必須先分解成自由的鐵氧化物，再被還原劑還原，因此還原過(guò)程較難發(fā)生，能耗高，為此，研究了還原助劑CaO 的加入對(duì)精礦指標(biāo)的影響。在還原劑用量為20 g、還原時(shí)間為40 min、還原溫度為1 100℃、磨礦時(shí)間為20 min、磁場(chǎng)強(qiáng)度為110 kA/m、還原助劑用量分別為10，15，20，25 g 條件下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖5 所示。

從圖5 可以看出:還原助劑CaO 的用量對(duì)精礦指標(biāo)影響較大;隨著CaO 用量的增加，精礦鐵品位和回收率均先升高后降低;在CaO 用量為20 g 時(shí)，精礦鐵品位及回收率均達(dá)到最大值，分別為92.27% 和83.60%。因此，確定CaO 用量為20 g。

圖5 還原助劑用量對(duì)精礦指標(biāo)的影響Fig.5 Effect of assistant reducing agent dosage on concentrate indexes

3.5 磨礦細(xì)度對(duì)精礦指標(biāo)的影響

焙燒產(chǎn)品的磨礦粒度會(huì)影響鐵礦物的單體解離度，進(jìn)而影響分選指標(biāo)。對(duì)最佳焙燒條件獲得的焙燒產(chǎn)品在磁場(chǎng)強(qiáng)度為110 kA/m、磨礦時(shí)間分別為5，10，15，20，25 min 條件下進(jìn)行磁選，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 磨礦時(shí)間對(duì)精礦指標(biāo)的影響Fig.6 Effect of grinding time on concentrate indexes

由圖6 可以看出:隨著磨礦時(shí)間的增加，精礦鐵品位逐漸升高，但升高的幅度逐漸降低，鐵回收率隨磨礦時(shí)間增加而降低。綜合考慮，確定磨礦時(shí)間為15 min，對(duì)應(yīng)的磨礦產(chǎn)品細(xì)度為0.043 mm 占65%，此時(shí)可以得到鐵品位和回收率分別為91.48% 和86.24%的精礦。

3.6 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)精礦指標(biāo)的影響

對(duì)最佳焙燒條件獲得的焙燒產(chǎn)品在磨礦細(xì)度為－0.043 mm 占65%條件下進(jìn)行不同磁場(chǎng)強(qiáng)度磁選試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7 可知，精礦鐵品位隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而降低，鐵回收率則表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)會(huì)使鐵顆粒團(tuán)聚形成磁性鐵顆粒簇，而這種絮團(tuán)的形成通常沒(méi)有選擇性，使還原鐵粉的品位降低。綜合考慮，確定磁場(chǎng)強(qiáng)度為110 kA /m，此時(shí)得到的精礦鐵品位和回收率分別為91.48%和86.24%。

4 結(jié) 論

圖7 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)精礦指標(biāo)的影響Fig.7 Effect of magnetic field intensity on concentrate indexes

(1)魯南礦業(yè)鐵尾礦鐵品位為19.19%，鐵主要以硅酸鐵和赤褐鐵礦形式存在，分布率分別為47.36%和33.10%，主要雜質(zhì)成分為SiO2，有害元素硫、磷含量較低。

(2)在試樣用量為100 g、還原助劑CaO 用量為20 g、還原劑用量為20 g、還原溫度為1 100℃、還原時(shí)間為40 min、還原產(chǎn)品磨礦細(xì)度為－0.043 mm 占65%、磁場(chǎng)強(qiáng)度為110 kA /m 條件下磁選，可得到鐵品位為91.48%、回收率為86.24%的鐵精礦產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該鐵尾礦的有效回收。

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