某菱-赤褐混合型鐵礦石回轉窯磁化焙燒—弱磁選試驗*

陳澤宗 張 茂 王 東 毛擁軍

(長沙礦冶研究院有限責任公司)

我國是鋼鐵大國，鐵礦石產量遠不能滿足實際生產需求，對外依存度大，缺少國際定價話語權[1]。因此有必要開展有效處理低品位、難處理鐵礦石的研究工作，以實現該類礦石的開發和利用，對保障鐵礦資源安全和鋼鐵工業的穩定發展具有重要作用。目前，菱、褐鐵礦等“紅礦”資源作為典型的低品位、難選鐵礦石，因其貧、細、雜等特點而較難選冶，利用率極低，沒有實現有效利用。通過磁化焙燒技術將菱、褐鐵礦礦物轉化為人工磁鐵礦后進行簡單磁選，從而促使“紅礦”中的鐵礦物得到較好的回收和綜合利用，對解決一直困擾鐵礦山的“紅礦”綜合回收利用率低的難題，實現我國貧鐵礦高效開發具有重要的現實意義。

1 菱-赤褐鐵礦石性質

我國鐵礦資源主要特點是貧礦和紅礦多，伴生元素復雜，其中低品位鐵礦資源儲量較大，預測未探明資源量在1 000億t以上。我國鐵礦總體平均品位30%～35%，各種弱磁性鐵礦石占總儲量的65%左右，并多伴生錳、釩、銅、鈷等有用金屬及其他放射性元素，這類復合礦石占總儲量的2/3左右[2-4]。

自然界中鐵主要以化合物的形式分布在地殼中。鐵的主要礦物有磁鐵礦(含鐵量60%以上)、赤鐵礦(含鐵量50%～60%)，其次為褐鐵礦、黃鐵礦和菱鐵礦，其中赤鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦礦石物理化學性質見表1。

表1 赤鐵礦、菱鐵礦礦石物理化學性質

赤鐵礦(α-Fe2O3)是三角晶系，化學成分與磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)相同，但兩者晶體結構和磁性特點均不同。當升溫至400～800 ℃時，γ-Fe2O3將不可逆轉地轉變為α-Fe2O3。菱鐵礦是鐵的碳酸鹽礦物，屬三方晶系，粒狀構造，菱面體解理發育，理論鐵品位僅48.20%，同時鈣、鎂、錳常以類質同象形式替換鐵。褐鐵礦多為無定形的鐵氧化物和氫氧化物，多呈土狀、膠狀、非晶質或隱晶質，常發育于赤鐵礦-針鐵礦裂隙和晶洞中，礦石構造復雜，嵌布粒度極細。

2 菱-赤褐混合型鐵礦磁化焙燒原理

焙燒磁選法是目前處理常規選礦方法難以分選提純的低品位氧化鐵礦石的有效方法之一。礦石在焙燒爐中加熱時，赤鐵礦、水赤鐵礦、褐鐵礦及菱鐵礦等弱磁性鐵礦物在適宜的氣氛中轉變為強磁性鐵礦物，比磁化系數增加上千倍。在大多數情況下，脈石礦物磁性變化不大，比磁化系數基本不變。

褐鐵礦加熱到300～400 ℃便開始脫水，600 ℃時，脫水完成轉變為赤鐵礦。在還原氣氛中，赤鐵礦加熱到400 ℃開始進行還原反應，磁性顯著增強。磁化焙燒基本原理是將弱磁性的赤、褐鐵礦物加熱到一定溫度后與還原劑反應，轉變為強磁性的磁鐵礦：

3Fe2O3+R=2Fe3O4+RO ，

(1)

式中，R為還原劑；RO為還原時的氣態產品。

菱鐵礦在中性氣氛中發生磁化焙燒，首先分解產生FeO，該中間相極易轉化為Fe3O4：

FeCO3=2FeO+CO2，

(2)

3FeO+CO2=Fe3O4+CO ，

(3)

對于菱、赤褐混合型鐵礦，菱鐵礦分解產生的CO氣體可作為赤褐鐵礦磁化焙燒的還原劑使用，總反應：

Fe2O3+FeCO3=Fe3O4+CO2，

(4)

還原焙燒程度一般用還原度表示:

R=FeO/TFe ，

(5)

當Fe2O3全部還原成Fe3O4時，焙燒礦中FeO含量與全鐵含量比值為0.428，此時磁化焙燒還原程度最佳，鐵礦物磁性最強。

3 回轉窯磁化焙燒實踐

目前工業上用于處理赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦等弱磁性氧化鐵礦石的工藝有豎爐和回轉窯兩種磁化焙燒工藝。豎爐工藝受透氣性限制，適合粒度較大塊礦的磁化焙燒，回轉窯適用于粒度-25 mm鐵礦石的磁化焙燒。近年來，得益于國內菱鐵礦、褐鐵礦磁化還原焙燒核心技術和大型磁化焙燒回轉窯成套裝置裝備技術集成創新，菱褐鐵礦等難選“紅礦”資源的高效、低成本開發得以實現，經濟和社會效益巨大，已在國內新疆、云南、陜西等地獲得工業化應用。目前新疆某鐵礦選礦廠、云南某鐵礦選礦廠回轉窯磁化焙燒—磁選工藝工業生產實踐指標見表2。

表2 回轉窯磁化焙燒—磁選工業生產指標

近年來開發的回轉窯還原磁化焙燒選礦工藝技術為菱-赤褐鐵礦等難選鐵礦資源的低成本開發利用提供了重要保證，是其較為成熟的綜合回收工藝。該工藝無需對原料進行深加工，能合理利用自然資源，減少“紅礦”堆存造成的環境風險，因而具有較好的工業化應用前景。

4 回轉窯磁化焙燒技術應用

為驗證回轉窯磁化焙燒技術對甘肅某選礦廠堆存的菱-赤褐鐵礦綜合利用的可行性，對該菱-赤褐鐵礦進行回轉窯磁化焙燒—磁選試驗。

4.1 礦石性質

甘肅某選礦廠菱-赤褐鐵礦石主要鐵礦物為赤褐鐵礦和菱鐵礦，脈石以三水鋁石和高嶺石居多，次為石英。礦石化學多元素分析和鐵物相分析結果分別見表3、表4。

表3 礦石化學多元素分析結果 %

表4 礦石鐵物相分析結果%

表3、表4表明，礦石鐵品位33.83%，S、P含量較高，影響鐵精礦質量；鐵主要以赤褐鐵的形式存在，占總鐵的59.15%，其次為碳酸鐵，占24.89%，赤褐鐵礦和菱鐵礦中的鐵占總鐵的84.04%。

4.2 試驗結果與討論

4.2.1 焙燒時間試驗

焙燒溫度和焙燒時間存在互補關系。溫度高時，焙燒時間可適當縮短，溫度低時需延長焙燒時間。結合項目需求，借鑒當前大型磁化還原焙燒回轉窯的經驗，使用大型回轉窯作為還原焙燒裝置，在焙燒溫度800 ℃、還原劑(還原煤)用量為5%的條件下進行磁化焙燒—磁選工藝焙燒時間試驗。焙燒礦直接水冷、倒水后濕磨至-0.037 mm 77.87%，進行1次弱磁選(磁場強度96 kA /m)，以最終鐵精礦品位和回收率指標評判磁化焙燒效果的好壞。試驗結果見圖1。

圖1 焙燒時間對磁化焙燒—磁選效果的影響

圖1表明，隨著焙燒時間從30 min延長到60 min，鐵精礦鐵品位從55.94%下降到51.59%，回收率從67.61%急劇下降至16.96%，還原度從0.84上升至1.05，磁化焙燒和選別指標較差，綜合考慮，確定焙燒時間為30 min。

在整個焙燒時間范圍內，弱磁精礦還原度指標均遠大于理論值，說明焙燒礦FeO含量偏高可能是造成弱磁精礦品位及回收率偏低的主要原因。FeO的產生，主要是由于還原劑過量、焙燒溫度過高或者焙燒時間過長等因素導致焙燒過程發生過還原現象，從而使得部分人工磁鐵礦轉化為富士體，降低礦石磁性，從而影響弱磁精礦品位及回收率。

4.2.2 還原劑用量試驗

為優化磁化焙燒—磁選效果，固定其他條件不變，在焙燒時間為30 min的條件下，進行還原劑用量磁化焙燒—磁選工藝試驗，結果見圖2。

圖2 還原劑用量對磁化焙燒—磁選效果的影響

由圖2可知，當不添加還原劑直接進行焙燒時，最終可獲得鐵品位55.4%、回收率92.1%的弱磁精礦。隨著還原劑用量的增加，鐵精礦品位稍有增加，回收率持續降低。說明對于該菱-赤褐混合型鐵礦石而言，菱鐵礦焙燒分解產生的CO為赤褐鐵礦轉化成磁鐵礦提供了還原性氣氛，在焙燒過程中可不添加或少添加還原劑便可使赤褐鐵礦轉變為磁鐵礦。綜合考慮鐵精礦品位和回收率，選擇最佳還原劑用量為2%。

4.2.3 磁場強度試驗

固定其他條件不變，在焙燒時間30 min、還原劑用量2%的條件下，磁化焙燒—磁選工藝弱磁選磁場強度試驗，結果見圖3。

圖3表明，隨著磁場強度的增加，弱磁精礦品位逐漸降低，回收率逐漸升高；當磁場強度達到96 kA/m時，弱磁精礦品位55.83%、回收率91.92%，指標良好。

4.2.4 全流程試驗

在焙燒溫度800 ℃、焙燒時間30 min、焙燒礦磨礦細度-0.037 mm 77.87%、弱磁選粗、精選磁場強度分別為96，64 kA/m的條件下，對比焙燒時不使用還原劑和還原劑用量2%條件下的磁化焙燒—1粗1精弱磁選全流程試驗，結果見表5。

從表5可以看出，相比不添加還原劑，還原劑用量2%時鐵精礦品位稍高、回收率稍低，最終產率58.12%、品位58.76%、回收率87.31%。

圖3 弱磁選磁場強度對磁化焙燒—磁選效果的影響

5 結 論

(1)磁化焙燒—磁選法是目前處理低品位氧化鐵礦石的有效方法之一,回轉窯磁化焙燒技術與成套裝備可規?；幚砹?赤褐鐵礦等混合型低品位難選紅礦資源，較好地實現其開發利用。

(2)甘肅某菱-赤褐混合型鐵礦石進行磁化焙燒時，菱鐵礦可分解產生還原性氣體CO，從而使該礦石在磁化焙燒過程中不添加或少添加還原劑便可使菱鐵礦和赤褐鐵礦轉變為磁鐵礦。

(3)采用回轉窯磁化焙燒—1粗1精弱磁選技術處理甘肅某菱-赤褐混合型鐵礦石，在還原煤用量2%的條件下，可獲得產率58.12%、品位58.76%、回收率87.31%的鐵精礦。回轉窯磁化焙燒—磁選技術可實現低品位菱-赤褐混合型鐵礦石的有效回收利用，解決紅礦難選別的問題，應用前景廣闊。