某細粒含錳褐鐵礦焙燒-磁選試驗研究

劉紅召，王 威，王守敬，曹耀華，高照國

(1.中國地質科學院鄭州礦產綜合利用研究所，河南 鄭州 450006；2.國家非金屬礦資源綜合利用工程技術研究中心，河南 鄭州 450006；3.河南省黃金資源綜合利用重點實驗室，河南 鄭州 450006)

某細粒含錳褐鐵礦焙燒-磁選試驗研究

劉紅召1,2,3，王 威1,2,3，王守敬1,2，曹耀華1,2,3，高照國1,2,3

(1.中國地質科學院鄭州礦產綜合利用研究所，河南 鄭州 450006；2.國家非金屬礦資源綜合利用工程技術研究中心，河南 鄭州 450006；3.河南省黃金資源綜合利用重點實驗室，河南 鄭州 450006)

湖南某含錳鐵礦鐵礦物嵌布粒度細、錳含量高，本文采用磁化焙燒-磁選工藝進行鐵的可利用性研究，并對磁化焙燒產品進行了X射線衍射分析和顯微形貌分析。研究表明，在焙燒溫度為850℃、時間60min、煤炭加入量4%條件下得到的磁化焙燒產品，控制磨礦細度-325目 85%～90%，在159kA/m的磁選場強下，經過三次精選，可以得到鐵品位55.72%、錳品位為7.03%的鐵精礦，鐵回收率達到80.84%；磁化焙燒產品中主要礦物為磁鐵礦，大部分的磁鐵礦嵌布粒度細，與錳礦物、脈石以集合體的形式存在，磁鐵礦難以實現單體解離。

含錳褐鐵礦；細粒；磁化焙燒；磁選；鐵精礦

我國鐵礦石資源豐而不富，在約581億t儲量中，97%為貧礦，平均品位為33%[1-2]，需要進行選礦處理后才能利用[3]。近年來，隨著我國經濟的快速發展，鋼鐵工業持續高速增長，鐵礦石供求矛盾日益突出[4]。自2003 年以來，我國對進口鐵礦石的依賴度已達50%左右[5]。因此，迫切需要依靠技術進步最大限度地開發利用低品位復雜難選鐵礦石資源，以保障鋼鐵工業持續穩定發展[6]。

褐鐵礦是我國儲量較大的難利用鐵礦資源之一，礦石含鐵35%～40%，高者可達50%，我國已探明褐鐵礦儲量12.3億t，占全國鐵礦儲量的2.3%[7]。褐鐵礦為無定形的鐵的氧化物和氫氧化物，以針鐵礦(α-FeOOH)、水針鐵礦(α-FeOOH·nH2O)為主要組成，并包含數量不等的纖鐵礦(γ-FeOOH)、水纖鐵礦(γ-FeOOH·nH2O)[8]，多呈土狀、膠狀(腎狀、鐘乳狀等)、非晶質或隱晶質，常發育于赤鐵礦-針鐵礦裂隙和晶洞中，充填交代和膠結[9]。

由于褐鐵礦具有化學成分不固定、含鐵量很不穩定、水分含量變化大、碎磨過程中容易過粉碎等特殊性質，屬于極難選鐵礦石[9]。國內外學者也開展了大量的關于褐鐵礦開發利用的研究工作，在常規的重選、浮選、磁選、焙燒工藝的基礎上，也采用了一些新的磁化焙燒方法，如閃速磁化焙燒[10]、微波磁化焙燒[11]、鈉化還原焙燒[12]，也取得了一些進展，為褐鐵礦的開發利用提供了很好的研究基礎。

本文主要是對湖南郴州地區的某細粒含錳褐鐵礦開展工作，礦區賦存結核狀錳鐵礦資源量331.5萬t，土狀錳鐵礦2417.4萬t。該地區鐵礦不僅嵌布粒度細，而且伴生有錳，開發利用難度大。在系統地研究了該細粒含錳褐鐵礦工藝礦物學特性的基礎上，進行了磁化焙燒-磁選工藝條件的試驗研究，并結合XRD、顯微分析等技術手段，分析了磁化焙燒產品中磁鐵礦的嵌布情況，并提出了進一步研究的思路，為該類型褐鐵礦的開發利用提供了研究基礎。

1 試驗

1.1 礦石性質

試驗原料為湖南某細粒褐鐵礦，礦石埋藏接近地表，風化粉碎嚴重，礦樣呈蓬松粉狀，水分含量高，采樣為塊狀和粉狀混合物，2mm以上部分經鄂式破碎和對輥破碎，全部通過2mm篩后，混勻備用。

原料主要化學成分如表1所示，試驗原料的X射線衍射和顯微結構如圖1、圖2所示。從表1化學成分分析可以看出，該礦主要有用組分為鐵，伴生有一定量的錳，脈石礦物主要成分是硅和鋁。從X射線衍射圖可以看出，該礦主要有價元素鐵以赤鐵礦、褐鐵礦形式存在，錳以羥錳礦的形式存在。

試驗過程中，采用的煤粉為山西焦煤，試驗前將煤炭磨細到-200目 90%，煤炭測試結果如表2所示，主要化學成分如表3所示。

圖1 原礦X射線衍射結果

表1 原礦化學分析結果

表2 試驗用煤粉工業分析

表3 磁化焙燒溫度對磁選指標的影響

1.2 試驗方法

取300 g鐵礦原料與一定量的煤粉(-200目 90%)混合，控制一定的煤粉的質量百分比(煤炭重量/(煤炭重量+鐵尾礦重量))，混勻后裝入不銹鋼坩堝，待SX-8-13馬弗爐內溫度升至設定溫度后，將不銹鋼坩堝放入爐內焙燒一定時間，取出水淬、烘干，稱取25 g磁化焙燒樣品在XMB-70型三筒四輥研磨機中磨一定時間，再用XCGS-50型磁選管進行弱磁選(磁場強度為88 kA/m)，得金屬鐵粉。超聲波預處理中，超聲波頻率為42kHz，功率為400W。

2 試驗結果

2.1 磁化焙燒條件試驗

2.1.1 焙燒溫度

在磁化焙燒溫度試驗中，控制主要試驗條件為：煤炭加入量 6%；磁化時間60min，磁選場強為159kA/m，磨礦細度為-325目85%～90%。具體試驗結果如表3所示。

從焙燒產品的分析結果可以看出，隨著焙燒溫度的提高，焙燒產品的鐵品位不斷提高；隨著焙燒溫度的提高，磁選鐵精礦品位不斷提高，同時鐵回收率也提高較大。在850℃時，磁選精礦品位為57.11%，鐵回收率為84.43%，均為最高，因此，確定最佳焙燒溫度為850℃。

2.1.2 焙燒時間

為了考察反應時間對磁化率的影響，在不同焙燒時間條件下，進行了焙燒-磁選試驗，具體試驗條件為：原料煤炭加入量為6%，焙燒溫度為850℃，反應時間分別控制在20min、40min、60min和80min；磨礦細度為-325目85%～90%，磁選場強為159kA/m，試驗結果見表4。

表4 焙燒時間對磁選指標的影響

從表4可以看出，焙燒產品品位除去反應時間為20min時較低外，其他樣品變化不大，在50%左右；磁選精礦品位，隨著磁化焙燒時間的不同，變化不大；鐵回收率則在磁化焙燒時間過長、過短的情況下，都較低，而在40min、60min兩個點比較高。確定最佳的焙燒時間為60min。

2.1.3 煤炭加入量

煤炭在磁化焙燒生產過程中，即起到產生熱量的作用，也為磁化焙燒提供還原氣氛。由于本試驗是在馬弗爐內進行，煤炭主要是作為還原劑。

煤加入量試驗條件為：煤炭加入量分別控制為3%、4%、5%、6%和8%，磁化焙燒溫度850℃、焙燒時間60min，磨礦細度為-325目85%～90%，磁選場強為159kA/m，試驗結果如表5所示。

從不同煤加入量的磁選試驗結果可以看出，隨著煤炭加入量的增加，焙燒產品中鐵品位有下降的趨勢；經過磁選后，得到的鐵精礦品位隨著煤炭加入量變不大；回收率則隨著煤炭加入量的增加，逐漸降低。從試驗數據可以看出，最佳煤炭加入量為3%，但為了更好地保持磁化焙燒過程中的還原氣氛，試驗中增加煤炭量到4%。

2.2 磁選條件試驗

2.2.1 磨礦細度實驗

細度試驗采用原料是磁化焙燒產品，焙燒條件為：煤炭加入量4%的原料，850℃焙燒60min，水淬后烘干即可得到焙燒產品。將焙燒樣品分別磨礦2min、3min、5min、10min、20min，然后用200目和325目分樣篩進行篩分，得到的試驗結果見圖2。

對不同磨礦細度的產品進行磁選試驗，結果如表6所示。磁選試驗采用的原料為煤炭加入量為3%，850℃焙燒60min，磁選場強為在120kA/m。

表5 煤炭加入量對磁選的影響

圖2 磨礦細度與磨礦時間的關系

表6 鐵精礦中鐵錳含量隨磨礦細度的變化/%

2.2.2 磁選場強試驗

試驗條件：試驗原料為煤炭加入量為4%、850℃焙燒60min的樣品，控制磨礦細度為-325目百分比85%～90%，在不同磁場強度下磁選。

磁選試驗結果如表7所示，可以看出，隨著磁選場強的增強，磁選精礦品位有所下降，但回收率大幅度提高；磁選場強在對該礦的磁選指標影響較大，考慮到回收率問題，確定最佳場強為159kA/m。

表7 鐵精礦中鐵錳含量隨磁選場強的變化

2.3 磁選工藝優化

根據磨礦細度試驗和磁選場強試驗結果，采用4%煤炭加入量原料，在850℃條件下，還原60min得到的產品，在磁選管內進行磁選工藝優化試驗。磁選工藝優化主要進行了多次精選、改變磁選場強以及加入超聲波預處理的技術方法。具體工藝流程如圖3所示，試驗結果如表8所示。

圖3 主要磁選工藝流程

表8 不同磁選流程試驗結果

從流程①和流程②對比，可以看出，增加了兩次精選后，鐵精礦品位由53.92%提高到55.72%，提高幅度不大，同時，鐵回收率有所降低；對比流程②和流程③，可以看出，降低了磁選場強以后，鐵精礦品位有一定的提高，但回收率由80.84%降低到67.50%，降低幅度較大。

研究表明，磁鐵礦作為一種亞鐵磁性的礦物，具有較大的矯頑力及剩磁，在現有磁選設備中，較強的磁場造成磁鐵礦強烈磁團聚，致使分選精度下降，惡化選別指標[13]。而超聲波具有機械振動和空化作用，在一定程度上能夠減輕磁選過程的磁包裹，磁選精礦品位有一定程度的提高[14～15]。在本研究中，引進了超聲波技術對磁選后的粗精礦進行超聲波預處理，以減輕磁鐵礦顆粒的團聚，工藝如流程④。對比流程②和流程④，可以看出，將原料以及粗精礦進行超聲波環境下攪拌處理后，鐵精礦品位從55.72%提高到56.35%，有一定的提高，但提高幅度不大，同時鐵回收率則降低了約7個百分點。

不同磁選流程下得到的鐵精礦中錳品位均比較高，含量在7%左右，這說明，通過磁化焙燒-磁選工藝處理該礦，無法實現鐵和錳的有效分離。鐵精礦中錳品位偏高，是精礦中鐵品位無法進一步提高的一個重要原因。

總之，采用降低磁選場強、提高精選次數和強力攪拌分散等技術手段，均無法從該磁化焙燒產品中磁選出鐵品位>60%的合格鐵精礦。

綜合考慮，確定159kA/m磁選場強條件下，三次精選流程為最佳工藝流程，得到的鐵精礦品位為55.72%，回收率80.84%。

3 分析討論

通過條件試驗和磁選工藝優化試驗，均無法得到TFe>60%鐵精礦產品，因此，對磁化焙燒產品進行了X射線衍射分析(圖4)和顯微形貌分析(圖5)，試圖找出鐵精礦品位無法進一步提高的原因。

從圖5焙燒產品X射線衍射圖可以看出，焙燒產品中主要礦物為磁鐵礦，其他礦物可能以非晶態的形式存在，未能在X射線衍射圖上顯示。

圖4 磁化焙燒產品X射線衍射圖

圖5 磁化焙燒產品顯微結構

在顯微鏡下觀察焙燒產品，大部分的磁鐵礦、錳礦物和脈石礦物以集合體的形式存在，粘結到一起，如圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)所示，只有少部分磁鐵礦能結晶較好，以大顆粒的形式存在，見圖5(d)。

由于磁化焙燒產品中存在少量如圖5(d)所示的結晶較好的磁鐵礦顆粒，在磨礦過程中，能夠從脈石中解離出來，經過磨礦-磁選后，鐵精礦品位由原料的50.04%提高到54.88%。

從圖5(a)看出，在磁鐵礦和錳礦物以集合體形式存在，磨礦過程難以將其有效解離，磁選過程中，也進入精礦，導致精礦中錳含量較高，平均在7%左右，影響了鐵精礦中鐵品位的提高。

圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)中主體部分均為磁鐵礦和脈石集合體，不同之處在于其磁鐵礦和脈石含量不同，在圖5(a)中，磁鐵礦在集合體中含量較高，在光片中顏色比較亮；而圖5(b)中，脈石含量較高，光片中該集合體顏色偏暗，總之，磁化焙燒產品中大部分磁鐵礦和脈石結合緊密，呈結合體的形式存在，但磁鐵礦在集合體中所占比例不同。在磁選過程中，磁選場強降低后，鐵含量較低的集合體顆粒未能入選到精礦中，磁鐵礦顆粒和鐵含量較高的集合體進入到鐵精礦中，導致磁選回收率降低，同時精礦品位也有一定的提高。

磁化焙燒產品經過磨礦后，在超聲波環境下的強力攪拌，可能會將一部分的磁鐵礦-脈石集合體分離，特別是如圖5(c)中所示的部分，容易實現磁鐵礦和脈石的分離，有利于提高精礦品位；同時，超聲波環境下攪拌，也會將部分磁鐵礦脈石集合體變為更為細小的顆粒，降低了原料的入選性能，因此，經過強力攪拌預處理后的磁選精礦品位有少量提高，但回收率有所降低。

4 結論與展望

1)通過磁化焙燒-磁選條件試驗，確定了最佳磁化焙燒和磁選工藝條件，分別為原料煤炭加入量4%、焙燒溫度850℃、焙燒時間60min，磁選場強159kA/m。

2)對最佳磁化焙燒條件下的焙燒產品進行了磁選工藝優化，通過多次精選、改變磁選場強以及超聲波環境下強力攪拌等技術手段的對比發現，優化后的磁選工藝能將鐵精礦品位提高，但提高幅度不大，同時鐵回收率降低嚴重。確定了在159kA/m磁選場強條件下，三次精選流程為最佳流程，得到的鐵精礦品位為55.72%，回收率80.84%。

3)對磁化焙燒產品進行了X射線衍射分析和光片分析，結果表明，磁化焙燒產品中主要礦物為磁鐵礦，其他脈石礦物在X射線衍射圖中未明顯體現；焙燒產品中的磁鐵礦和錳礦物嵌布關系緊密，難以通過磨礦方式徹底分離；焙燒產品中少量磁鐵礦顆粒較大，大部分的磁鐵礦和脈石以集合體的形式存在，嵌布關系更為緊密，給磁選帶來困難。

4)該類型含錳細粒褐鐵礦難以通過磁化焙燒-磁選工藝，得到含鐵>60%的鐵精礦產品；原因在于磁鐵礦粒度細小，難以同脈石礦物有效解離，建議嘗試通過提高還原焙燒溫度，采用直接還原工藝將鐵還原為金屬鐵，實現鐵顆粒長大，然后磁選的技術方法處理該類型礦。

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Research into a kind of manganese-containing fine grained limonite ore by magnetizing roast-magnetic separation process

LIU Hong-zhao1,2,3，WANG Wei1,2,3，WANG Shou-jing1,2,CAO Yao-hua1,2,3，GAO Zhao-guo1,2,3

(1.Zhengzhou Institute of Multipurpose Utilization of Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Zhengzhou 450006，China;2.National Research Center of Multipurpose Utilization of Non-metallic Mineral Resources，Zhengzhou 450006，China；3.Comprehensive utilization key laboratory of gold resource in Henan province，Zhengzhou 450006，China)

According to the characteristics that the disseminated extent of iron mineral was fine，the content of manganese was high，the magnetizing roast followed by magnetic separation process was adopted to utilizing the iron for a kind of manganese-containing fine grained limonite ore in Hunan province.Based on XRD analyses and microstructure analysis，the mineral composition and dissemination relationship of roasting product were discussed.By the optimum conditions that the roasting temperature 850℃，the roasting time 60min，the quantity of coal addition 4%，the particle size of grinding -44μm 85%～90%，the magnetic field intensity 159kA/m，and by three-stage cleaning，the iron concentrate，with the grade of iron was 55.72%，the grade of Mn was 7.03% and the recovery of Fe was 80.84%,was gained.In the roasting product the main minerals were magnetite and manganese oxides.Most of the magnetite was fine grained，exited in the aggregates forms with manganese mineral and gangue.The magnetite was very difficult to be liberated because of the special existing form.

manganese-containing limonite ore；fine grained；magnetizing roast；magnetic concentration；ironconcentrate

2014-05-16

國土資源部地質調查項目資助(編號：1212011120299)

劉紅召(1980-)，男，漢族，河南舞鋼人，博士研究生，助理研究員，研究方向為資源綜合利用。E-mail:hongzhao99@126.com。

TD951

A

1004-4051(2015)06-0110-06