冷卻方式對焙燒礦中氧化亞鐵含量的影響研究

朱霞麗 秦彩霞 葉傳勇

(1.甘肅省難選鐵礦石資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.酒鋼技術(shù)中心；3.酒鋼選燒廠)

我國鐵礦資源豐富，但鐵礦石品位低、嵌布粒度細(xì)、雜質(zhì)多，并且多為復(fù)雜難選的赤鐵礦、褐鐵礦以及多金屬共生礦，97%的鐵礦石需要選礦處理[1-3]。而磁化焙燒技術(shù)是處理難選氧化鐵礦資源最有效的方法之一[4]。

焙燒礦的冷卻方式有水淬冷卻，例如酒鋼選燒廠的鞍山式豎爐焙燒礦冷卻采用該種方式。羅立群[5]等對陜西大西溝菱鐵礦應(yīng)用中性磁化焙燒—干式自然冷卻—異地磁選技術(shù)，將在700 ℃下焙燒70 min的焙燒礦先封閉冷卻至 400～300 ℃，再排入空氣中冷卻至室溫。焙燒礦的磁選流程試驗(yàn)獲得了精礦鐵品位59.56%～59.37%、鐵回收率達(dá)72.03%～73.72%的良好指標(biāo)。氮?dú)獗Ｗo(hù)冷卻，李文博[6]等對東鞍山含碳酸鹽正浮選尾礦鐵品位為43.53%，主要含鐵礦物為赤鐵礦、磁鐵礦和菱鐵礦。在氣體流量為12 m3/h、H2濃度為40%、焙燒溫度為600 ℃、焙燒時間為8 s條件下進(jìn)行懸浮焙燒，焙燒物料通入N2使其冷卻至室溫，得到懸浮焙燒產(chǎn)品，將焙燒產(chǎn)品磨細(xì)至-0.043 mm 95%，在磁場強(qiáng)度為 85.1 kA/m條件下弱磁選，可獲得鐵品位為60.52%、回收率為78.68%的精礦。為此，通過對比試驗(yàn)對以上3種冷卻方式中的氧化亞鐵含量差異進(jìn)行研究。

1 礦樣多元素分析

原礦及焙燒礦采用水冷、氮?dú)獗Ｗo(hù)冷卻下的多元素分析結(jié)果見表1。

表1 礦樣多元素化學(xué)分析 %

元素TFeFeOSiO2CaOMgOAl2O3BaOS含量原礦26.069.6535.983.042.983.533.911.08焙燒礦水冷27.4610.4536.263.163.083.723.831.27焙燒礦氮?dú)獗Ｗo(hù)冷卻27.045.1038.983.253.043.593.941.02元素PTiO2MnOK2ONa2OZnO燒失含量原礦0.0260.2230.911.0600.0680.0687.03焙燒礦水冷0.0270.2300.900.9080.0550.0463.85焙燒礦氮?dú)獗Ｗo(hù)冷卻0.0300.2400.921.1800.0640.0423.57

由表1可知，焙燒礦采用水淬冷卻時氧化亞鐵含量為10.45%，焙燒礦采用氮?dú)獗Ｗo(hù)冷卻，其氧化亞鐵含量是5.10%，比水淬冷卻低1倍。針對這個問題，研究了試驗(yàn)室馬弗爐磁化焙燒不同冷卻方式下，焙燒礦中氧化亞鐵含量的變化影響因素。

2 試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

磁化還原焙燒即在一定的溫度條件下，礦石中添加煤粉作為還原劑，每次給礦50g，焙燒時間為40min，100mL瓷干鍋在馬弗爐中蓋上蓋子密封，在相同的礦樣、焙燒溫度、焙燒時間和還原劑用量下進(jìn)行磁化還原焙燒。試驗(yàn)焙燒爐選用KSW-18-11型箱式電阻爐，溫度 0～1 600 ℃任意可調(diào)。焙燒礦采用排入不銹鋼篩底中鋪開冷卻(空氣中冷卻稱空冷)，排入水中淬冷(水中冷卻稱水冷)和僅將瓷干鍋從馬弗爐中取出使焙燒礦仍保持在干鍋密閉空間中的自然冷卻(自然冷卻稱自冷)3種方式。不同冷卻方式下焙燒礦中氧化亞鐵含量分析結(jié)果見圖1。

圖1 冷卻方式、焙燒溫度對焙燒礦中FeO含量的影響

由圖1可見，在相同焙燒溫度、時間條件下，空氣中冷卻的焙燒礦氧化亞鐵含量最低，水中冷卻的焙燒礦氧化亞鐵含量最高，不同冷卻方式下焙燒礦中氧化鐵含量平均值結(jié)果為：水中冷卻11.52%>自然冷卻11.00%>空氣中冷卻5.60%。 焙燒溫度對焙燒礦中氧化亞鐵含量的影響，在相同冷卻方式、焙燒時間條件下，焙燒溫度越低氧化亞鐵含量越低。空氣中冷卻對焙燒礦中的氧化亞鐵含量影響最大，從700 ℃的7.7%降低到500 ℃時的3.6%，降低了約4個百分點(diǎn)，其他兩種冷卻方式自然冷卻降低了約2.3個百分點(diǎn)，水中冷卻降低了3個百分點(diǎn)。

3 原因分析

3.1 焙燒礦的XRD物相分析

鐵礦石磁化焙燒溫度550 ℃、不同冷卻方式的焙燒礦進(jìn)行了XRD物相分析，結(jié)果圖2。

由圖2可見，自然冷卻和在水中冷卻后的焙燒礦中的鐵幾乎全是磁鐵礦，在空氣中冷卻的焙燒礦有部分再次氧化為赤鐵礦；磁鐵礦再次氧化成赤鐵礦使焙燒礦中的氧化亞鐵含量減少。

圖2 XRD物相分析圖

3.2 礦相分析

(1)水中冷卻焙燒礦，焙燒原礦中氧化鐵礦物經(jīng)馬弗爐焙燒幾乎全部相變?yōu)榇盆F礦，礦物顆粒微孔、裂隙發(fā)育，再氧化現(xiàn)象少見。微孔多小于1um，微孔在焙燒前為菱鐵礦的顆粒多見褐鐵礦次之。其顯微狀態(tài)見圖3。

圖3 水中冷卻礦相分析

(2)空氣中冷卻的焙燒礦，焙燒原礦中氧化鐵礦物經(jīng)馬弗爐焙燒幾乎全部相變?yōu)榇盆F礦，相變后的磁鐵礦再氧化現(xiàn)象普遍，部分礦物顆粒可見微孔及裂隙，試樣中可見完全氧化而成的赤鐵礦，幾乎所有的礦物顆粒邊緣有再氧化相。其顯微狀態(tài)見圖4。

圖4 空氣中冷卻礦相分析

(3)自然冷卻焙燒礦，焙燒原礦中氧化鐵礦物經(jīng)馬弗爐焙燒幾乎全部相變?yōu)榇盆F礦，礦物顆粒較光滑整齊，可見少量的微孔、裂隙，部分顆粒邊緣及裂理可見再氧化相。其顯微狀態(tài)見圖5。

圖5 自然冷卻礦相分析

自然冷卻時，礦樣只是離開了馬弗爐的焙燒溫度環(huán)境，但還原氣氛不變，在冷卻的過程中還可以進(jìn)一步還原，只有在焙燒裝置瓷坩堝密封不嚴(yán)實(shí)時發(fā)生微量的磁鐵礦再氧化現(xiàn)象。氮?dú)獗Ｗo(hù)冷卻是將焙燒礦冷卻到一定溫度后與空氣接觸進(jìn)一步繼續(xù)冷卻，該冷卻礦樣在自然冷卻與空氣冷卻之間。

4 原理分析

鐵礦物還原焙燒過程及冷卻過程中的Fe-O系平衡圖見圖6[7]。

圖6 鐵礦物還原焙燒過程的Fe-O系平衡圖

由圖6可見，鐵礦石磁化焙燒溫度到570 ℃時(C點(diǎn))，氧化鐵礦基本全部轉(zhuǎn)化為磁鐵礦。在無氧的氣氛中逐漸冷卻到F點(diǎn)(自然冷卻)，此時焙燒礦中的鐵氧化物的存在狀態(tài)是磁鐵礦。在C點(diǎn)采用水淬冷卻是在無氧的氣氛中快速冷卻，其所得焙燒礦與自然冷卻相同。同時，由于采用煤粉作為還原劑，還將發(fā)生水煤氣反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為[8]。

水煤氣反應(yīng)：H2O+C=CO+H2

即水煤氣置換反應(yīng)：CO+H2O=CO2+H2

碳素溶解反應(yīng)：C+CO2=2CO

由以上反應(yīng)方程式可知，焙燒礦進(jìn)入水中冷卻時，還原條件更充分。試驗(yàn)現(xiàn)象為：可見大量的黑色焙燒礦粉與氣體一起溢出水面。隔絕空氣水冷的焙燒礦多孔并進(jìn)一步還原，進(jìn)一步被還原增加了氧化亞鐵含量。焙燒礦在C點(diǎn)時與空氣接觸(空氣中冷卻)，將沿著CH線被氧化成弱磁性的Fe2O3，其反應(yīng)方程式為4FeO·Fe2O3(Fe3O4)+O2=6Fe2O3，磁鐵礦的再次氧化為赤鐵礦降低了焙燒礦中的氧化亞鐵含量。

5 結(jié) 論

(1)氧化鐵礦石試驗(yàn)室馬弗爐磁化還原焙燒礦冷卻方式采用自來水冷卻、自然冷卻及在空氣中冷卻，不同的冷卻方式下焙燒礦中氧化鐵含量平均值為：水中冷卻11.52%>自然冷卻11.00%>空氣中冷卻5.60%，水中冷卻焙燒礦中的氧化亞鐵含量是空氣中冷卻的2.05倍。

(2)在水中冷卻后的焙燒礦中鐵幾乎全是磁鐵礦，在空氣中冷卻的焙燒礦中磁鐵礦再氧化為赤鐵礦現(xiàn)象普遍。磁鐵礦的再次氧化成赤鐵礦使焙燒礦中的氧化亞鐵含量減少。焙燒礦中氧化亞鐵含量與冷卻過程中的氣氛有關(guān)，水中冷卻焙燒礦將發(fā)生水煤氣反應(yīng)，冷卻時還原氣氛更充分，還原氣氛使焙燒礦進(jìn)一步被還原增加氧化亞鐵含量或保持氧化亞鐵含量不變。空氣中冷時，焙燒礦在氧化氣氛中，氧化氣氛使磁鐵礦再一次被氧化為赤鐵礦從而降低焙燒礦中的氧化亞鐵含量。

[1] 余永富．我國鐵礦資源有效利用及選礦發(fā)展的方向[J].金屬礦山，2001(3):9-11．

[2] 方啟學(xué)，盧壽慈．世界弱磁性鐵礦石資源及其特征[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用，1995(4): 44-46．

[3] 張去非，穆曉東．微細(xì)粒弱磁性鐵礦石資源的特征及分選工藝[J].礦冶工程，2003，23(4):23-26．

[4] 高 鵬，韓躍新，李艷軍，等．基于數(shù)字圖像處理的鐵礦石深度還原評價方法[J].東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012(1):133-136．

[5] 羅立群，張涇生，高遠(yuǎn)揚(yáng)，等．菱鐵礦干式冷卻磁化焙燒技術(shù)研究[J].金屬礦山，2004(10)：69-73．

[6] 李文博，唐志東，楊 光，等．東鞍山含碳酸鹽正浮選尾礦懸浮焙燒-弱磁選試驗(yàn)[J].金屬礦山，2016(12)：13-17.

[7] 郝素菊，蔣武鋒，趙麗樹，等.高爐煉鐵500問[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[8] 陳 斌.磁電選礦技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.