云南某褐鐵礦直接還原—弱磁選試驗

王傳龍 楊慧芬 蔣蓓萍 張金龍 陸琳斐

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

云南某褐鐵礦直接還原—弱磁選試驗

王傳龍1,2楊慧芬1,2蔣蓓萍1,2張金龍1,2陸琳斐1,2

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

為確定云南某低品位難選褐鐵礦的開發利用方案，對有代表性礦樣進行了直接還原—弱磁選試驗。結果表明：在試樣、褐煤、CaO質量比為100∶20∶15，焙燒溫度為1 150 ℃，焙燒時間為50 min，一段磨礦細度為-0.045 mm占86.66%，一段弱磁選磁場強度為199.04 kA/m，二段磨礦細度為-0.045 mm占99.73%，二段弱磁選磁場強度為111.46 kA/m條件下，可獲得鐵品位為93.17%、鐵回收率為88.43%的金屬鐵粉。對試驗確定條件下焙燒產物的XRD和SEM分析表明，鐵礦物被直接還原成了顆粒飽滿、形狀規則的單質鐵，粒徑大多在50 μm左右，與脈石的界面清晰，為磨礦過程中較好地實現鐵顆粒與脈石礦物的解離創造了條件。對最終金屬鐵粉的主要化學成分分析表明，該金屬鐵粉雜質含量低，滿足煉鋼質量要求。

低品位難選褐鐵礦 直接還原 弱磁選 金屬鐵

我國鐵礦石資源較貧乏，尤其是高品質、易選鐵礦石資源更是如此。根據近年相關部門發布的消息，我國鐵礦石對外依存度達到50%以上[1]，這已成為我國鋼鐵工業發展的重大隱患。因此，加大國內鐵礦石資源的開發力度對保障行業發展安全具有重要意義。從國內鐵礦石資源的開發狀況看，當務之急是提升我國難選礦選礦技術,實現難選礦的規模化開發。

我國擁有多達10余億t的低品位難選褐鐵礦石資源待開發，其開發利用難點主要體現在磨礦過程中易泥化，鐵礦物比磁化系數低、難與共生的脈石分離等方面[2-3]。因此，開展低品位難選褐鐵礦的高效選礦技術研究，對提高國內鐵礦石資源利用率、促進鋼鐵企業穩定發展具有現實意義。

褐鐵礦中富含結晶水，理論鐵品位較低，采用物理選礦方法很難獲得鐵品位達60%的鐵精礦。褐鐵礦的還原焙燒一方面可通過較大的燒損實現焙燒產物鐵品位的顯著提高；另一方面，弱磁性鐵礦物的還原可生成強磁性鐵礦物，有利于改善分選指標[4]。國內外開展褐鐵礦直接還原—弱磁選工藝研究多年，成果相當豐碩[5-12]。

為確定云南某難選褐鐵礦石的開發利用方案，對有代表性礦樣進行了直接還原—弱磁選試驗研究。

1 試驗原料與試驗方法

1.1 試樣原料

1.1.1 試 樣

試驗用礦樣取自云南某地，主要鐵礦物褐鐵礦呈微細粒嵌布，絕大多數與脈石共生，且共生關系密切，部分呈細針狀、纖細狀或集合體存在，磁鐵礦含量極低；脈石礦物主要為石英和其他黏土類礦物。試樣直接磨礦，泥化現象嚴重，分選效果較差。試樣主要化學成分分析結果見表1，鐵物相分析結果見表2。

表1 試樣主要化學成分分析結果

Table 1 Main chemical composition of the sample %

表2 試樣鐵物相分析結果

Table 2 Iron phase analysis of the sample %

由表1、表2可見，試樣中有回收價值的元素為鐵，主要以褐鐵礦形式存在，占總鐵量的97.21%。

1.1.2 還原劑

試驗用還原劑為廣西天脊褐煤，其工業分析結果見表3。

表3 褐煤工業分析結果

Table 3 Industry index analysis of lignite %

1.1.3 助熔劑

試驗用助熔劑CaO為分析純，白色粉末狀。

1.2 試驗方法

將碎至2～0 mm的試樣與粒度為2～0 mm的褐煤粉及助熔劑按一定比例(均為與試樣的質量比)混勻，加入帶蓋石墨坩堝中，待CD-1 400X型馬弗爐內溫度達到設定溫度后將裝有反應物的坩堝放入爐內反應一定時間，焙燒產物經水淬冷卻后烘干，用RK/BR三輥四筒智能棒磨機磨礦、CXG-90A型磁選管弱磁選，對焙燒產物進行顯微結構觀察和XRD分析，對金屬鐵粉進行主要化學成分分析。

2 試驗結果與分析

2.1 焙燒條件試驗

2.1.1 焙燒溫度試驗

焙燒溫度試驗的褐煤添加量為30%，CaO添加量為25%，焙燒時間為40 min，磨礦時間為15 min，弱磁選磁場強度為199.04 kA/m，試驗結果見圖1。

圖1 焙燒溫度對試驗指標的影響Fig.1 Effects of roasting temperature on experiment index■—品位；▲—回收率

由圖1可以看出，焙燒溫度升高，金屬鐵粉鐵品位先上升后下降、鐵回收率上升。綜合考慮，確定焙燒溫度為1 150 ℃。

2.1.2 褐煤用量試驗

褐煤用量試驗的CaO添加量為25%，焙燒溫度為1 150 ℃，焙燒時間為40 min，磨礦時間為15 min，弱磁選磁場強度為199.04 kA/m，試驗結果見圖2。

圖2 褐煤用量對試驗指標的影響Fig.2 Effects of lignite dosage on experiment index■—品位；▲—回收率

由圖2可以看出，褐煤用量增加，金屬鐵粉鐵品位下降、鐵回收率先上升后下降。綜合考慮，確定褐煤與試樣的質量比為20%。

2.1.3 CaO用量試驗

CaO用量試驗的褐煤添加量為20%，焙燒溫度為1 150 ℃，焙燒時間為40 min，磨礦時間為15 min，弱磁選磁場強度為199.04 kA/m，試驗結果見圖3。

圖3 CaO用量對試驗指標的影響Fig.3 Effects of CaO dosage on experiment index■—品位；▲—回收率

由圖3可以看出，CaO用量增加，金屬鐵粉鐵品位下降、鐵回收率上升。綜合考慮，確定CaO與試樣的質量比為15%。

2.1.4 焙燒時間試驗

焙燒時間試驗的褐煤添加量為20%，CaO添加量為15%，焙燒溫度為1 150 ℃，磨礦時間為15 min，弱磁選磁場強度為199.04 kA/m，試驗結果見圖4。

圖4 焙燒時間對試驗指標的影響Fig.4 Effects of length of roasting time on experiment index■—品位；▲—回收率

由圖4可以看出，焙燒時間延長，金屬鐵粉鐵品位和鐵回收率均先上升后下降。因此，確定焙燒時間為50 min。

2.2 焙燒產物磨礦細度試驗

大量的生產實踐表明，對品位較低的鐵礦石，在條件許可的情況下采用階段磨選工藝有利于節能減排、降本增效。因此，對褐煤添加量為20%，CaO添加量為15%，焙燒溫度為1 150 ℃，焙燒時間為50 min條件下的直接還原產物進行了2階段磨選試驗。

2.2.1 一段磨礦細度試驗

焙燒產物一段磨礦細度試驗的一段弱磁選磁場強度為199.04 kA/m，金屬鐵粉1指標見圖5。

圖5 一段磨礦時間對金屬鐵粉1指標的影響Fig.5 Effects of length of first stage grinding time on metallic powder 1■—品位；▲—回收率

由圖5可以看出，延長磨礦時間，金屬鐵粉1鐵品位呈先快后慢的上升趨勢，鐵回收率先明顯上升后微幅下降。從能拋早拋的角度考慮，確定一段磨礦時間為20 min，對應的磨礦細度為-0.045 mm占86.66%。

2.2.2 二段磨礦細度試驗

二段磨礦細度試驗以金屬鐵粉1為給礦，二段弱磁選磁場強度為111.46 kA/m，金屬鐵粉2指標見圖6。

圖6 二段磨礦時間對金屬鐵粉2指標的影響Fig.6 Effects of length of second stage grinding time on metallic powder 2■—品位；▲—回收率

由圖6可以看出，延長二段磨礦時間，金屬鐵粉2鐵品位先上升后下降，鐵回收率下降。綜合考慮，確定二段磨礦時間為20 min，對應的磨礦細度為-0.045 mm占99.73%，對應的金屬鐵粉2鐵品位為93.17%、鐵回收率為88.43%。

2.3 產品分析

褐煤、CaO添加量分別為20%、15%，焙燒溫度為1 150 ℃，焙燒時間為50 min情況下焙燒產物的XRD和SEM分析結果分別見圖7、圖8，金屬鐵粉2主要化學成分分析結果見表4。

圖7 焙燒產物的XRD圖譜Fig.7 XRD pattern of roasted products◆—單質鐵；□—石英

由圖7可以看出，焙燒產物中主要以單質鐵和石英為主，表明經直接還原焙燒，試樣中的褐鐵礦等鐵礦物被還原成了單質鐵。

圖8中白色橢圓形金屬鐵顆粒粒徑大多在50 μm左右，與脈石之間的界面較清晰，因而有利于磨礦過程中實現鐵顆粒與脈石的解離，為獲得較理想的分選指標創造了條件。

圖8 焙燒產物的SEM照片Fig.8 SEM photograph of roasted product表4 金屬鐵粉2主要化學成分分析結果Table 4 Main chemical composition analysis

of metallic powder 2 %

比較表4與表1可以看出，試樣經過直接還原—弱磁選，其中的鐵得以顯著富集，雜質含量顯著下降，鐵品位從36.57%提高到93.17%，SiO2、P、S等含量均較低，滿足煉鋼原料指標要求。

3 結 論

(1)采用直接還原—弱磁選工藝處理云南某低品位難選褐鐵礦石，在褐煤、CaO添加量分別為20%、15%，焙燒溫度為1 150 ℃，焙燒時間為50 min，一段磨礦時間為20 min(-0.045 mm占86.66%)，一段弱磁選磁場強度為199.04 kA/m，二段磨礦時間為20 min(-0.045 mm占99.73%)，二段弱磁選磁場強度為111.46 kA/m情況下，可獲得鐵品位為93.17%、鐵回收率為88.43%的金屬鐵粉，該金屬鐵粉中有害雜質元素P、S含量較低，滿足煉鋼要求。

(2)在最佳焙燒條件下，試樣中的鐵礦物被直接還原成顆粒飽滿、形狀規則的單質鐵，粒徑大多在50 μm左右，與脈石的界面較清晰，這為磨礦過程中較好地實現鐵顆粒與脈石礦物的解離創造了條件。

(3)直接還原—弱磁選工藝是處理該低品位難選褐鐵礦石的高效工藝。

[1] 余永富，余侃萍，翁孝卿.我國難選鐵礦石選礦技術進展[G]∥2011全國選礦學術高層論壇論文集.馬鞍山:《金屬礦山》雜志社，2011：1-4. Yu Yongfu，Yu Kanping，Weng Xiaoqing.Progress in China′s beneficiation technology for refractory iron ore[G]∥Proceedings of 2011 the National High-Level Forum Academic Dressing on Beneficiation.Maanshan：Metal Mine Magzine,2011:1-4.

[2] 孫炳泉.近年我國復雜難選鐵礦石選礦技術進展[J].金屬礦山，2006(3)：11-13. Sun Bingquan.Progress in China′s beneficiation technology for complex refractory iron ore[J].Metal Mine,2006(3)：11-13.

[3] 謝興中，王毓華.褐鐵礦選礦研究現狀與思考[J].金屬礦山，2010(1)：6-10. Xie Xingzhong，Wang Yuhua.Current situation and thinking of mineral processing technique on limonite ore[J].Metal Mine,2010(1)：6-10.

[4] 張宗旺，李 健，李 燕，等.國內難選鐵礦的開發利用現狀及發展[J].有色金屬科學與工程，2012，3(1):72-77. Zhang Zongwang，Li Jian，Li Yan，et al.The development and utilization status of China′s refractory ore[J].Nonferrous Metals Science and Engineering,2012,3(1):72-77.

[5] Sen R，Mitra M K，Mukherjee S，et al.Effect of grading of chromite ores on the quality of briquettes[J].ISIJ Internation,2010,50(2)：200-206.

[6] Suzuki H，Mizoguchi H，Hayashi S.Influence of ore reducibility on reaction behavior of ore bed mixed with coal composite iron ore hot briquettes[J].ISIJ Internation,2011,51(8)：1255-1261.

[7] Jozwiak W K，Kaczmarek E，Maniecki T P，et al.Reduction behavior of iron oxides in hydrogen and carbon monoxide atmospheres[J].Applied Catalysis A-general,2007,326(1):17-27.

[8] 沈遠海，羅仙平，馮曉雙，等.鐵坑褐鐵礦石壓球—磁化焙燒—弱磁選試驗[J].金屬礦山，2012(8)：48-51. Shen Yuanhai，Luo Xianping，Feng Xiaoshuang，et al.Experimental study on the beneficiation of Tiekeng limonite ore by ball-pressure pelletization-magnetization roasting-low intensity magnetic separation[J].Metal Mine，2012(8)：48-51.

[9] 張家友，周芳芳，傅楊榮，等.海南島北部紅土型褐鐵礦開發問題探討[J].金屬礦山，2012(2)：162-165. Zhang Jiayou，Zhou Fangfang，Fu Yangrong，et al.Development issues study on lateritic limonite in North Hainan Island[J].Metal Mine，2012(2)：162-165.

[10] 戴惠新，余 力，趙 偉，等.云南某含磷赤褐鐵礦選礦試驗[J].金屬礦山，2011(9)：113-115. Dai Huixin，Yu Li，Zhao Wei，et al.Experimental study on mineral processing technology of high phosphorous hematite-limonite ore in Yunnan province[J].Metal Mine，2011(9)：113-115.

[11] 秦曉萌，肖永忠，孫體昌，等.某難選鐵礦石煤基直接還原—磁選試驗研究[J].金屬礦山，2010(6)：73-76. Qin Xiaomeng，Xiao Yongzhong，Sun Tichang，et al.Experiments on the coal-based direct reduction-magnetic separation of a refractory iron ore[J].Metal Mine，2010(6)：73-76.

[12] 孫體昌，秦曉萌，胡學平，等.低品位鐵礦石直接還原過程鐵顆粒生長和解離特性[J].北京科技大學學報，2011(9)：1048-1052. Sun Tichang，Qin Xiaomeng，Hu Xueping，et al.Grain growth and cleavage characteristics of metallic phase in direct reduction of a low-grade iron ore[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2011(9)：1048-1052.

(責任編輯 羅主平)

Experiments on Direct Reduction-Low Intensity Magnetic Separation of a Limonite in Yunnan Province

Wang Chuanlong1,2Yang Huifen1,2Jiang Beiping1,2Zhang Jinlong1,2Lu Linfei1,2

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.KeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMines，MinistryofEducation，Beijing100083，China)

On the development and utilization of a low-grade refractory limonite in Yunnan province，direct reduction-low intensity magnetic separation experiments were carried out.The results showed that under the ore，coal，CaO mass ratie of 100∶20∶15，at the roasting temperature of 1 150 ℃ for 50 min，and primary grinding for 86.66% passing 0.045 mm，intensity for one-stage magnetic separation of 199.04 kA/m，two stage of grinding 99.73% passing 0.045 mm，intensity of second-stage magnetic separation at 111.46 kA/m，metallic iron powder with iron grade of 93.17% and recovery of 88.43% was obtained.X-ray diffraction and SEM analysis on the roasted products indicated that iron minerals were reduced into granular and regular elementary iron at 50 μm in diameter，and was easily to distinguish from gangues，thus providing possibilities to liberate from the gangue minerals.Chemical components analysis shows that the final iron products can satisfy the requirement for steel industry for low contents of impurities.

Low-grade refractory limonite，Direct reduction，Low intensity magnetic separation，Metallic iron

2014-02-24

王傳龍 (1988—)，男，博士研究生。通訊作者 楊慧芬(1964—)，女，教授，博士。

TD925.7

A

1001-1250(2014)-05-074-04