王 帥 孫永升 韓躍新 李艷軍 高 鵬

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819;2.難采選鐵礦資源高效開發(fā)利用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧 沈陽 110819;3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

作為世界鋼鐵生產(chǎn)和消費中心,中國每年消耗大量的鐵礦石。近年來受國際形勢影響,進(jìn)口鐵礦石價格居高不下,提高國內(nèi)難選鐵礦石的開發(fā)利用水平迫在眉睫[1-4]。研究表明,懸浮磁化焙燒技術(shù)是處理難選鐵礦石最有效的技術(shù)之一[5-8],該技術(shù)通過磁化焙燒將弱磁性鐵礦物轉(zhuǎn)化為強磁性鐵礦物,再經(jīng)磁選與雜質(zhì)礦物分離[9-10]。

實際生產(chǎn)過程中,由于鐵礦石性質(zhì)復(fù)雜、現(xiàn)場技術(shù)條件不足,礦石中赤鐵礦的磁化率難以滿足要求,從而導(dǎo)致后續(xù)磁選回收率偏低。PARSONAGE[11]指出,赤鐵礦表面覆蓋質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%～0.1%的磁鐵礦,即可通過磁選與石英等脈石礦物分離。呂超等[12]和伍喜慶等[13]均采用空氣氧化法,通過添加Fe2+及氨水實現(xiàn)了磁化赤鐵礦表面的目的,礦物磁選回收率大幅提高。以上研究表明,赤鐵礦的磁性轉(zhuǎn)化率是影響后續(xù)磁選指標(biāo)優(yōu)劣的關(guān)鍵性因素,而目前懸浮磁化焙燒工藝更多地關(guān)注工藝參數(shù)優(yōu)化。為此,本研究以赤鐵礦石為對象,采用磁化焙燒—磁選工藝,從磁化率角度分析焙燒溫度、CO濃度和焙燒時間等條件對磁選指標(biāo)的影響規(guī)律。

1 試驗原料與方法

1.1 試驗原料

試驗原料為天然塊狀赤鐵礦,經(jīng)破碎、研磨、篩分得到粒度為74～150μm的待試驗樣品。試樣化學(xué)成分及鐵物相分析結(jié)果分別見表1、表2,XRD分析結(jié)果見圖1。

表1 試樣化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Analysis result of chemical composition for the sample %

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

圖1 試樣XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of the sample

由表1及表2可知:試樣TFe品位為67.34%,鐵主要以赤鐵礦的形式存在,分布率為97.74%,有害元素S、P的含量較少。由圖1可知:試樣中主要礦物為赤鐵礦,圖譜中未見明顯脈石礦物衍射峰。綜上,樣品純度較高,滿足試驗要求。

1.2 試驗方法

本文采用懸浮磁化焙燒系統(tǒng)(圖2)進(jìn)行焙燒試驗。焙燒試驗開始前,先將焙燒爐加熱至預(yù)設(shè)溫度。準(zhǔn)確稱取15 g赤鐵礦樣品(74～150μm),將礦樣置于石英管內(nèi)多孔石英板上,連接尾氣處理裝置后通入保護(hù)氣(N2),待系統(tǒng)內(nèi)空氣排盡后,將石英管放入焙燒爐內(nèi),通入還原氣(CO)后開始計時,到達(dá)預(yù)設(shè)焙燒時間后停止通入CO,繼續(xù)通入N2,待焙燒產(chǎn)物冷卻至室溫后取出。對焙燒產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)成分分析,以焙燒產(chǎn)物中TFe品位、FeO含量和赤鐵礦轉(zhuǎn)化率α表征焙燒效果。然后取一定質(zhì)量的焙燒產(chǎn)物,在背景磁感應(yīng)強度0.1 T、磁選時間5 min的條件下進(jìn)行磁選試驗(不經(jīng)過磨礦流程),測定磁選精礦產(chǎn)品中TFe含量并計算磁選回收率。

圖2 懸浮磁化焙燒試驗系統(tǒng)示意Fig.2 Diagram of fluidized magnetization roasting experiment system

赤鐵礦轉(zhuǎn)化率α的計算公式如下:

采用振動樣品磁強計(VSM)對焙燒產(chǎn)品進(jìn)行磁性分析,通過飽和磁化強度的大小表征產(chǎn)物的磁性強弱;使用X射線衍射儀對焙燒產(chǎn)品進(jìn)行物相分析,探究焙燒過程中試樣的物相變化過程;利用偏光顯微鏡對不同焙燒時間產(chǎn)物的拋光截面進(jìn)行觀察,分析焙燒過程中磁鐵礦的形成及生長過程。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焙燒溫度的影響

焙燒溫度是影響赤鐵礦還原過程的關(guān)鍵因素,在總氣體流量500 mL/min、焙燒時間12 min、CO 濃度20%的條件下,考察焙燒溫度對焙燒產(chǎn)物及磁選回收率的影響,結(jié)果見圖3。

由圖3可知:隨著焙燒溫度的升高,焙燒產(chǎn)物中FeO含量隨之上升,磁性轉(zhuǎn)化率及磁選回收率先升高后下降;焙燒產(chǎn)物TFe品位均超過70%,上升趨勢不明顯。當(dāng)焙燒溫度由500℃升高至550℃時,焙燒產(chǎn)物中FeO含量由28.42%升高至29.05%,磁性轉(zhuǎn)化率由97.70%升高至99.80%,表明樣品在此過程中未發(fā)生過還原反應(yīng);磁選回收率小幅升高(由99.24%升高到99.67%)。當(dāng)溫度達(dá)到575℃時,焙燒產(chǎn)物中FeO含量升高至31.17%,磁性轉(zhuǎn)化率降低至96.58%,且進(jìn)一步升高焙燒溫度,磁性轉(zhuǎn)化率降低,表明樣品發(fā)生過還原反應(yīng)。隨著焙燒產(chǎn)物中磁性轉(zhuǎn)化率降低,焙燒產(chǎn)物的磁選回收率降低,表明樣品發(fā)生過還原反應(yīng),磁鐵礦進(jìn)一步還原為FeO,產(chǎn)物磁性降低,從而影響了后續(xù)的磁選回收率。綜合考慮,適宜的焙燒溫度為550℃。

圖3 焙燒溫度對焙燒產(chǎn)物及磁選回收率的影響Fig.3 Effect of roasting temperature on roasted products and magnetic separation recovery rate

2.2 CO濃度的影響

在焙燒溫度550℃、總氣體流量500 mL/min、焙燒時間12min的條件下,考察CO濃度對焙燒產(chǎn)物及磁選回收率的影響,結(jié)果見圖4。

圖4 CO濃度對焙燒產(chǎn)物及磁選回收率的影響Fig.4 Effect of CO concentration on roasted products and magnetic separation recovery rate

由圖4可知:隨著CO濃度的增加,焙燒產(chǎn)物中TFe品位和FeO含量隨之增長,磁性轉(zhuǎn)化率先升高后下降。CO濃度由10%增加至20%時,焙燒產(chǎn)物中FeO含量由18.86%升高至29.05%,磁性轉(zhuǎn)化率由65.51%升高到99.80%,表明此時樣品未發(fā)生過還原反應(yīng)。繼續(xù)增加CO濃度,焙燒產(chǎn)物磁性轉(zhuǎn)化率逐漸降低,磁選回收率也略微降低。這可能是因為石英管內(nèi)熱量堆積導(dǎo)致部分位置溫度過高,加之CO濃度較高,導(dǎo)致過還原現(xiàn)象發(fā)生。綜合考慮,適宜的CO濃度為20%。

2.3 焙燒時間的影響

在焙燒溫度550℃、總氣體流量500mL/min、CO濃度20%的條件下,考察焙燒時間對焙燒產(chǎn)物及磁選回收率的影響,結(jié)果見圖5。

圖5 焙燒時間對焙燒產(chǎn)物及磁選回收率的影響Fig.5 Effect of roasting time on roasted products and magnetic separation recovery rate

由圖5可知:隨著焙燒時間的增加,焙燒產(chǎn)物的TFe品位和FeO含量逐漸升高,磁性轉(zhuǎn)化率先升高后降低。當(dāng)焙燒時間從0min延長至12min時,焙燒產(chǎn)物的FeO含量由0.88%增加至29.05%,磁性轉(zhuǎn)化率由0升高至99.80%,接近理論轉(zhuǎn)化率100%,整個過程沒有下降趨勢,表明樣品未發(fā)生過還原反應(yīng);繼續(xù)延長焙燒時間至14min,焙燒產(chǎn)物的磁性轉(zhuǎn)化率降低至93.12%,這可能是因為焙燒時間過長導(dǎo)致石英管內(nèi)部分位置熱量堆積使實際焙燒溫度超過550℃,導(dǎo)致樣品出現(xiàn)過還原現(xiàn)象。

由磁性轉(zhuǎn)化率與磁選回收率關(guān)系圖可以看出,焙燒產(chǎn)物中磁性轉(zhuǎn)化率為32.99%時,磁選回收率達(dá)到99.58%,接近100%。繼續(xù)增加焙燒時間,磁性轉(zhuǎn)化率逐漸升高,磁選回收率無明顯變化,表明74～150 μm粒級赤鐵礦向磁鐵礦的轉(zhuǎn)化率達(dá)到32.99%時就可以得到較優(yōu)的磁選指標(biāo),無需將赤鐵礦完全還原為磁鐵礦。綜合考慮,適宜的磁化焙燒時間為4 min。

2.4 焙燒產(chǎn)物磁性及物相分析

在焙燒溫度550℃、總氣體流量500mL/min、CO濃度20%的條件對試樣進(jìn)行焙燒試驗,采用振動樣品磁強計(VSM)和X射線衍射儀分別對焙燒1、2、3、4和5 min的焙燒產(chǎn)物進(jìn)行磁性和物相分析,結(jié)果分別見圖6、圖7。

圖6 不同焙燒時間下焙燒產(chǎn)物的磁化曲線Fig.6 Magnetization curves of roasted product at different roasted time

圖7 不同焙燒時間下焙燒產(chǎn)物的XRD圖譜Fig.7 XRD patterns for roasted product at different roasted time

由圖6可知:1～3 min焙燒產(chǎn)物的飽和磁化強度較低,故此時焙燒產(chǎn)物的磁選回收率較低;當(dāng)焙燒時間增加至4 min時,焙燒產(chǎn)物的飽和磁化強度為28.54 Am2/kg;隨著焙燒時間的延長,焙燒產(chǎn)物的飽和磁化強度繼續(xù)增加,表明4 min焙燒產(chǎn)物的磁性并未達(dá)到最大值。結(jié)合前文磁選結(jié)果可知,焙燒時間4 min時,焙燒產(chǎn)物的磁選回收率為99.58%,說明赤鐵礦焙燒產(chǎn)物的飽和磁化強度達(dá)到28.54 Am2/kg即可使用弱磁選進(jìn)行回收。

由圖7可知:焙燒產(chǎn)物中主要成分為赤鐵礦和磁鐵礦,隨著焙燒時間的增加,赤鐵礦衍射峰不斷減弱,數(shù)量逐漸減少;與此同時磁鐵礦的衍射峰不斷增強,數(shù)量也逐漸增加,說明在此過程中赤鐵礦逐漸被還原為磁鐵礦。由磁選結(jié)果可知,赤鐵礦在焙燒時間為4 min時,焙燒產(chǎn)物回收率達(dá)到較優(yōu)值,XRD分析結(jié)果顯示,此時焙燒產(chǎn)物中同時存在赤鐵礦和磁鐵礦的衍射峰,說明此時赤鐵礦并未完全被還原為磁鐵礦。

2.5 焙燒樣品偏光顯微鏡分析

不同焙燒時間下焙燒產(chǎn)物的拋光截面顯微照片如圖8所示。

圖8 焙燒產(chǎn)物拋光截面的顯微照片F(xiàn)ig.8 Photomicrograph of the polished cross-section of the roasted product

從圖8可以看出:赤鐵礦在磁化焙燒過程中,磁鐵礦首先在赤鐵礦顆粒邊緣及裂隙處生成,后由顆粒表面向內(nèi)部生長;隨著焙燒時間延長,磁鐵礦厚度逐漸增加,同時整個顆粒的磁性逐漸增強;結(jié)合磁選結(jié)果可知:焙燒產(chǎn)物赤鐵礦轉(zhuǎn)化率達(dá)到32.99%,焙燒產(chǎn)物的飽和磁化強度達(dá)到28.54 Am2/kg,即可獲得較優(yōu)的磁選效果。

3 結(jié) 論

(1)針對本研究試樣,適宜的焙燒條件為:總氣體流量500 mL/min、焙燒溫度550℃、CO濃度20%、焙燒時間4 min。在此條件下,焙燒產(chǎn)物磁性轉(zhuǎn)化率為32.99%,飽和磁化強度為28.54 Am2/kg,磁選回收率達(dá)到99.58%。

(2)磁鐵礦首先在赤鐵礦顆粒邊緣和裂縫處生成,后由顆粒表面向內(nèi)部生長,隨著焙燒時間的延長,新生磁鐵礦厚度逐漸增加。4 min焙燒產(chǎn)物中赤鐵礦未完全還原為磁鐵礦,磁性也未達(dá)到最佳值,磁選過程已取得了優(yōu)異的磁選指標(biāo)。因此,在實際生產(chǎn)過程中,可以在保證回收率的前提下,適當(dāng)減少焙燒時長,以實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。