鏡鐵礦磁化焙燒試驗及其焙燒產品磁性研究

崔進兵 陳鐵軍 胡佩偉

（1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北武漢430081；2.冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點試驗室，湖北武漢430081）

酒鋼鏡鐵礦共伴生成分較多，脈石礦物主要為碧玉、石英等硅酸鹽類礦物，且與鐵礦物嵌布緊密，屬于復雜難選紅鐵礦石［1］。磁化焙燒工藝是處理這類礦石的有效方法之一［2-3］。目前酒鋼采用豎爐磁化焙燒—弱磁選工藝處理鏡鐵礦，可以獲得鐵品位約54%、鐵回收率約84%的鐵精礦，相比其他鋼鐵廠，其選礦指標相對較低，不理想［4］。鏡鐵礦經磁化焙燒得到的焙燒產品的磁性與天然磁鐵礦有一定的差異，表現在焙燒產品的磁性較弱，而矯頑力和剩磁較高。磁性強弱直接影響磁選效果，而矯頑力和剩磁的存在會使磁性礦物在磁選過程中夾雜一定的非磁性脈石礦物［5］，影響磁選指標。袁致濤［6］指出矯頑力較高的焙燒產品難以脫磁，會對后續的磨礦選別工藝造成影響。本文以礦石的磁性為表征，研究磁化焙燒條件對焙燒產品磁性的影響，并以天然磁鐵礦為參照，對焙燒產品進行了磁性研究，分析兩者的磁性差異及其原因。

1 試驗原料

試驗原料為酒鋼鏡鐵礦，呈土褐色，粒狀，粒度0～1 mm，其化學成分和鐵物相分析結果分別如表1和表2所示。

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由表1、表2可知：原礦中鐵主要以高價鐵的形式賦存在赤褐鐵礦中，部分以亞鐵形式存在于菱酸鐵中，鐵在赤褐鐵礦和菱酸鐵中分布率分別為74.12%和21.11%；鐵在磁鐵礦中分布率僅1.50%；赤褐鐵礦和菱酸鐵經過磁化焙燒后可以轉化為磁鐵礦，進而通過弱磁選回收；原礦有害雜質磷、硫的含量均很低；需要通過選礦排除的組分主要是SiO2和Al2O3，其次為MgO、CaO和MnO，特別是SiO2，其含量高達27.85%。

試驗用還原劑為蘭炭，粒度為-1 mm，其工業分析結果如表3所示，蘭炭固定碳含量高，灰分和硫含量較低，可以作為試驗用還原劑。

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2 試驗方法

磁化焙燒：將鏡鐵礦石與蘭炭按一定質量比混勻后倒入φ50 mm×120 mm的鐵罐中，整理平整，蓋上鐵蓋，待馬弗爐溫度升至預定值后，將鐵罐置于馬弗爐中焙燒一定時間，待達到預定時間后，將焙燒產品取出直接水冷，過濾、干燥后得到焙燒產品。

磁性分析：礦石的磁化強度、質量磁化率等磁性能，由JADW-2000D振動樣品磁強計（VSM）測定。

3 試驗結果與討論

3.1 磁化焙燒試驗

以焙燒產品的質量磁化率為指標來反映焙燒產品的焙燒效果。對鏡鐵礦焙燒前后鐵物相的變化進行對比，分析焙燒效果。主要考察焙燒溫度、焙燒時間、還原劑用量這3個因素對焙燒產品的質量磁化率的影響。

3.1.1 焙燒溫度試驗

焙燒溫度試驗的焙燒時間為60 min、還原劑蘭炭用量為2%（以蘭炭質量占鏡鐵礦質量的百分比表示），焙燒產品的質量磁化率隨焙燒溫度的變化如圖1所示。

由圖1可知：隨著焙燒溫度從600℃升高至800℃，焙燒產品最大質量磁化率從5.01×10-4m3/kg增加至7.13×10-4m3/kg，表明焙燒產品中赤褐鐵礦被還原為磁鐵礦，從而使其磁性增強；當焙燒溫度繼續升高至900℃時，焙燒產品的最大質量磁化率減小至4.44×10-4m3/kg，表明焙燒產品中磁鐵礦含量在減少。一方面，溫度過高使礦石發生過還原生成弱磁性的浮士體（FeO）；另一方面，石英在高溫條件下易與鐵氧化物反應生成弱磁性的硅酸鐵，從而使其磁性減弱［7］。因此確定磁化焙燒的焙燒溫度為800℃。

3.1.2 焙燒時間試驗

固定焙燒溫度為800℃、還原劑蘭炭用量為2%，焙燒產品的質量磁化率隨焙燒時間的變化如圖2所示。

由圖2可知：隨著焙燒時間的延長，焙燒產品的最大質量磁化率先增加后減??；焙燒時間為60 min時，最大質量磁化率最大，為7.13×10-4m3/kg。焙燒時間過短，礦石中弱磁性鐵礦石未被完全還原為磁鐵礦，其磁性較弱；焙燒時間過長，焙燒產品中新生成的磁鐵礦與還原劑發生過還原反應生成浮士體，使其磁性減弱。因此確定焙燒時間為60 min。

3.1.3 還原劑用量試驗

固定焙燒溫度為800℃、焙燒時間為60 min，焙燒產品的質量磁化率隨還原劑用量的變化如圖3所示。

由圖3可知，隨著還原劑用量從1%增加至2%，焙燒產品最大質量磁化率從5.89×10-4m3/kg增大至7.13×10-4m3/kg，隨著還原劑用量的繼續增加，焙燒產品最大質量磁化率降低。還原劑用量過少時，不足以支持礦石中的赤褐鐵礦全部還原為磁鐵礦，焙燒不完全，其磁性較弱；還原劑用量過剩，易使礦石發生過還原反應生成浮士體，使其磁性減弱。因此確定還原劑用量為2%。

3.1.4 焙燒產品的表征

對最佳焙燒條件（焙燒溫度800℃、焙燒時間60 min、還原劑用量2%）獲得的焙燒產品進行鐵物相分析，結果如表4所示。

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由表4可知，焙燒產品中鐵主要存在于磁鐵礦中，表明經過磁化焙燒，礦石中赤褐鐵礦被還原為強磁性的磁鐵礦，磁性增強，焙燒效果較好。

為考察磁化焙燒對礦石物相組成的影響，對焙燒產品進行XRD分析，并與原礦的XRD圖譜進行比較，如圖4所示。

由圖4可知，焙燒產品赤褐鐵礦和菱鐵礦的衍射峰減弱，但出現了磁鐵礦的衍射峰，且在焙燒產品中沒有發現FeO的衍射峰，表明焙燒產品中赤褐鐵礦被還原為磁鐵礦，且沒有浮士體的產生，磁化焙燒效果很好。

3.2 焙燒產品磁性研究

為了比較鏡鐵礦焙燒產品與天然磁鐵礦磁選行為的區別，以天然磁鐵礦為參照，對焙燒產品進行了磁性研究，分析影響焙燒產品磁性的條件以及其磁性與天然磁鐵礦磁性的差別。天然磁鐵礦取自湖北省大冶鐵礦山，將天然磁鐵礦破碎至與焙燒產品相同粒度（0～1 mm）備用。篩取-0.074 mm粒級進行試驗（0.074～1 mm粒級由于粒度較粗，其矯頑力和飽和磁化強度隨外磁場強度變化不明顯），分析礦石粒度對其性能的影響，結果如表5所示。

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由表5可知，粒度相同時，焙燒產品中的磁鐵礦含量與天然磁鐵礦中的磁鐵礦含量大致相同，焙燒產品的密度比天然磁鐵礦稍小一些。

3.2.1 粒度對焙燒產品磁性的影響

焙燒產品的磁化曲線和磁滯回線如圖5所示。

由圖5可知：焙燒產品的磁化強度隨著磁場強度的增大而增大，在磁場強度為150 kA/m時，磁化強度基本達到飽和；其質量磁化率隨著磁場強度增大先增加后減小，在磁場強度為38 kA/m左右時，質量磁化率達到最大；焙燒產品的磁滯回線是窄S型閉合曲線。

焙燒產品的磁性能測試結果如表6所示。

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由表6可知：隨著焙燒產品的粒度逐漸變細，其飽和磁化強度整體趨勢逐漸變小，但在0.025～0.038 mm粒級出現了小幅度增加，0.048～0.074mm粒級的飽和磁化強度最大，為161.88 kA/m，-0.025粒級的飽和磁化強度最小，為154.83 kA/m，兩者相差7.05 kA/m；剩磁隨著焙燒產品的粒度逐漸變細先減小后小幅度增大，在0.038～0.048 mm粒級最小，為19.452 kA/m；矯頑力隨著焙燒產品的粒度逐漸變細小幅增加；最大質量磁化率隨著焙燒產品的粒度逐漸變細從7.11×10-4m3/kg減小至7.05×10-4m3/kg，但變化趨勢不明顯。因此，試驗焙燒產品的磁性隨粒度變小逐漸減弱，但趨勢不明顯。

3.2.2 粒度對天然磁鐵礦磁性的影響

天然磁鐵礦的磁化曲線和磁滯回線如圖6所示。

由圖6可知：天然磁鐵礦的磁化強度隨著磁場強度升高而逐漸增強，在磁場強度為200 kA/m時，磁化強度基本達到飽和；天然磁鐵礦的質量磁化率隨著磁場強度增大先變大后減小，在磁場強度為32 kA/m左右時，質量磁化率達到最大；天然磁鐵礦的磁滯回線是窄S型閉合曲線。

天然磁鐵礦的磁性能測試結果如表7所示。

由表7可知，隨著天然磁鐵礦的粒度逐漸變細，其飽和磁化強度和最大質量磁化率均逐漸降低，剩磁和矯頑力均逐漸提高，變化規律明顯。隨著粒度減小，天然磁鐵礦的磁性逐漸減弱，變化趨勢明顯。

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3.2.3 焙燒產品與天然磁鐵礦磁性比較

焙燒產品在磁場強度為38 kA/m左右時，質量磁化率達到最大，在磁場強度為150 kA/m時，磁化強度基本達到飽和；天然磁鐵礦在磁場強度為32 kA/m左右時，質量磁化率達到最大，在磁場強度為200 kA/m時，磁化強度基本達到飽和。表明天然磁鐵礦的最佳理論磁選強度比焙燒產品的小，這與實際磁選過程中所確定的磁場強度相符；也說明焙燒產品比天然磁鐵礦更易達到磁飽和狀態。

對比分析表6、表7可知，粒度相同時，天然磁鐵礦的飽和磁化強度和最大質量磁化率均比焙燒產品的大，而天然磁鐵礦的矯頑力和剩磁卻比焙燒產品的小。選擇磁性差異較大的0.048～0.074 mm粒級的焙燒產品和天然磁鐵礦進行分析，天然磁鐵礦的飽和磁化強度和最大質量磁化率分別比焙燒產品的大24.84 kA/m和1.53×10-4m3/kg，而焙燒產品的剩磁和矯頑力分別比天然磁鐵礦的大8.877 kA/m和2.711 0 kA/m。表明相同粒度相同磁化條件下，相比焙燒產品，天然磁鐵礦更容易被磁化，磁性更強。而焙燒產品因為矯頑力和剩磁較大，在磁選過程中會發生磁團聚現象，容易夾雜脈石礦物，使磁選指標降低，這是焙燒產品磁選精礦指標較低的原因之一。

圖7所示為不同粒級天然磁鐵礦和焙燒產品的質量磁化率的差值，可以看出隨著粒度變細，天然磁鐵礦和焙燒產品的最大質量磁化率的差值從1.53×10-4m3/kg逐漸減小至0.14×10-4m3/kg，表明2者的磁性差異大小隨著粒度的變細逐漸減小。

粒度對磁性的影響可以用磁疇理論解釋［6，8］：礦石的磁性來自于磁疇壁的移動和磁疇的轉動，但磁疇壁的移動起主要作用。隨著礦石粒度的減小，顆粒中包含的磁疇數目變少，磁化過程中，磁疇壁的移動減少，此時磁疇轉動開始起主要作用。當礦石粒度減少至其中只有一個磁疇時，磁疇壁消失，此時礦石磁性的產生全部來自于磁疇的轉動。而磁疇的轉動所需要的能量比磁疇壁的移動要大很多，所以，隨著礦石粒度變細，磁鐵礦磁性減弱，剩磁和矯頑力增大。但是本研究中焙燒產品磁性隨粒度的變化趨勢與天然磁鐵礦隨粒度的變化趨勢不同。為分析兩者差異原因，進行了SEM形貌分析，如圖8和圖9所示；同時對磁性差異較大的粒級（0.048～0.074 mm）進行了微區能譜分析，如圖10和圖11。

由天然磁鐵礦和焙燒產品的SEM圖可知：焙燒產品的表面松散多孔，顆粒之間存在許多的空隙；而天然磁鐵礦表面光滑致密，空隙較少；焙燒產品中的磁鐵礦顆粒含有較多的雜質元素，Mg、Si和Mn分別占原子比的6.86%、3.43%和1.25%；天然磁鐵礦中的磁鐵礦顆粒雜質元素較少，Mg和Si分別占原子比的1.15%和1.74%，相對焙燒產品，天然磁鐵礦的雜質元素含量較低。而磁鐵礦中空隙和雜質的存在，會使其中的磁疇結構發生很大的變化。雜質和空隙的存在會使磁鐵礦周圍形成新的局部磁化［9-11］，但是磁化方向與外磁場的方向不同，使總磁矩減小，從而導致磁鐵礦的磁性減弱。同時，空隙會阻礙磁疇壁的移動，磁疇壁移動后不能恢復到原來的位置，因此，磁鐵礦的剩磁和矯頑力隨之變大。由此可知，焙燒產品中空隙和較多雜質元素的存在使得其磁性比天然磁鐵礦弱，而剩磁和矯頑力要大于后者。同時，由于焙燒產品中存在空隙，阻礙了磁疇壁的移動，當礦石粒度減小時，其矯頑力和剩磁的增大幅度較小，其質量磁化率減小幅度較小；而天然磁鐵礦表面結構致密，其磁疇壁移動不受影響，粒度減小時，其矯頑力和剩磁會逐漸變大，質量磁化率逐漸變小。由此焙燒產品和天然磁鐵礦的質量磁化率的差值隨著粒度逐漸減小而變小。

隨著礦石顆粒粒度的減小，焙燒產品與天然磁鐵礦的質量磁化率的差異在減小，即兩者的磁性強度差值在減小。理論上，焙燒產品的磁選指標會隨著粒度的減小更加接近天然磁鐵礦的磁選指標。但在實際生產中，酒鋼鏡鐵礦磁選的磨礦細度一般為-0.074 mm占80%左右，磨礦細度過細，其磁選精礦指標反而會因顆粒重力減小易被水流帶走而降低，造成鐵礦物的損失；而在此磨礦細度下，焙燒產品與天然磁鐵礦的質量磁化率差異較大，磁性相差較大，這可以解釋為什么焙燒產品的磁選精礦指標低于天然磁鐵礦的磁選精礦指標。

4 結論

（1）酒鋼鏡鐵礦在焙燒溫度800℃、焙燒時間60 min、還原劑用量2%條件下，可獲得最大質量磁化率為7.11×10-4m3/kg、鐵品位為38.66%的焙燒產品。磁化焙燒后，產品中赤褐鐵礦含量減少，磁鐵礦含量增加，焙燒效果較好。

（2）對焙燒產品與天然磁鐵礦磁性比較，兩者具有類似的磁性特征，均有飽和磁化強度、窄S型磁滯回線等。但是相同條件下，焙燒產品的質量磁化率比天然磁鐵礦小，磁性更弱，不利于其磁選的進行，是焙燒產品磁選精礦指標較差的重要原因。

（3）隨礦石粒度變細，焙燒產品的磁性變化不大，而天然磁鐵礦的磁性逐漸減弱，同時天然磁鐵礦和焙燒產品的最大質量磁化率的差值從1.53×10-4m3/kg逐漸減小至0.14×10-4m3/kg，兩者的磁性差異大小隨著粒度的變細逐漸減小，理論上兩者的磁選精礦指標也會隨著其粒度減小而更加接近，但實際生產中由于焙燒產品密度小，受重力減小，易被流水帶走而磁選指標差，焙燒產品中存在空隙和雜質是其與天然磁鐵礦存在磁性差異的主要原因。