高鐵鋁土礦懸浮磁化焙燒鐵鋁分離技術研究

王若楓 袁 帥 高 鵬，3 李艷軍 孫永升1

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.難采選鐵礦資源高效開發利用技術國家地方聯合工程研究中心，遼寧 沈陽 110819；3.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110819）

鋁是重要的輕金屬，是地殼中含量最多的金屬元素，具有良好的延展性、導電導熱性，易于加工，耐腐蝕，廣泛應用于建筑、機械、交通運輸、軍工等行業，是現代高新技術產業發展的支撐性材料［1］。鋁土礦是生產鋁的最重要來源，其產量的90%都用做制鋁原料［2］，除此之外，鋁土礦也廣泛應用于磨料、水泥、化學品、支撐劑和耐火材料的生產。

從全球范圍來看，鋁土礦儲量豐富，美國地質聯邦調查局的數據顯示，鋁土礦資源總量估計為550億～750億t，但分布卻極不均勻。2020年全球鋁土礦資源儲量分布和產量分布分別如圖1和圖2所示。中國是全球鋁土礦第七大資源國，同時也是全球原鋁產能主要國家。我國氧化鋁產量世界第一，是拉動全球鋁生產與消費的主要引擎［3］。但我國鋁土礦石以一水硬鋁石為主，礦石共伴生組分較多，選冶難度大，工藝流程復雜，投資、能耗高，且分選產品質量也與優級進口礦石有一定差距［4］，因此我國鋁土礦可利用資源量極少。但近些年來中國鋁消費量高度增長，造成我國氧化鋁產能由內地向沿海和海外轉移［5］，但是國內鋁土礦產能擴張能力有限，所以國產鋁土礦不斷向進口鋁土礦轉變，對外依存度逐步攀升。

印尼鋁土礦主要的礦床類型為紅土型鋁土礦，礦床規模大，覆土層薄，礦石質量好，儲量較為集中，屬于紅土型超大型鋁土礦田。從礦產資源分布特征和礦業投資與開發情況方面來看，印尼未來在礦產資源開發及后端冶煉加工領域都與我國有很大的合作上升空間［6-7］，對我國積極參與全球鋁土礦資源優化配置具有重要意義。

高鐵鋁土礦是世界公認的難處理鋁土礦資源，由于礦石中鋁鐵礦物的類質同象現象存在及微細粒嵌布特征導致鋁鐵分離極為困難。研究表明，鋁土礦中鐵的含量過高會降低設備的生產能力，增加生產能耗，并導致赤泥沉降困難，影響成品氧化鋁質量［8］。高鐵鋁土礦按照目前鐵鋁分離工藝的基本原理，可以分為生物法［9-10］、物理法［11-12］和化學法［13-15］。生物法可用來處理復合型礦石，但微生物的培養對環境有嚴格的要求，處理礦石的過程中也存在一定的局限性。物理選礦的方法成本低，工藝流程簡單，但鐵的回收率較低，且只適用于結晶粒度粗、易于單體解離的高鐵鋁土礦。化學法能較好地實現高鐵鋁土礦中鋁和鐵的分離，但不同性質的礦石需要選用與之相適應的工藝方案。

因此，亟需尋找一種新的方法用于處理高鐵鋁土礦，以實現鐵鋁元素高效分離。本文提出懸浮磁化焙燒—磁選技術處理高鐵鋁土礦，開展了系統性條件試驗，探明了還原溫度、還原時間、給料粒度、CO濃度及總氣體流量等條件對焙燒效果的影響，并通過磁選實現了除鐵提鋁技術目標。

1 試驗原料

試驗所用原料為印度尼西亞某高鐵鋁土礦，原礦化學成分分析結果如表1所示。

從表1可以看出，原礦TFe品位為14.06%，Al2O3含量為44.55%，二氧化硅含量8.05%，鋁硅比為5.53，燒失量為25.48%。因此，該鋁土礦屬于高鐵高硅、中低品位鋁土礦。原礦中雜質鈣、鎂、鈉含量不高，有害元素硫、磷含量很低。

采用X射線衍射技術（XRD）對高鐵鋁土礦樣品礦物組成進行分析，結果如圖3所示。

由圖3可知，高鐵鋁土礦原礦中所含的主要礦物為三水鋁石、赤鐵礦、石英以及高嶺石。

原礦鐵化學物相分析結果如表2所示。

表2表明：原礦中的鐵主要是以赤（褐）鐵礦形式存在，赤（褐）鐵礦中的鐵占全鐵的77.71%；磁鐵礦中的鐵占全鐵的18.21%，此外還含有少量的硅酸鐵。

2 試驗結果與討論

2.1 試驗方法

通過自制懸浮磁化焙燒爐開展焙燒條件試驗研究，裝置原理如圖4所示。

試驗首先將高鐵鋁土礦原礦從石英管出氣管口倒入石英管中，使其盡可能均勻地散布于多孔石英板上，通入N2進行空氣置換排凈管內空氣，待爐溫升至預定溫度后將石英管放入焙燒爐中，再待爐溫穩定后，通入一定比例的CO和N2混合氣體展開焙燒試驗。待還原焙燒結束后，關閉CO通道，繼續使用N2進行空氣置換同時使物料冷卻至室溫后取出，然后在磁場強度為133.6 kA/m的條件下進行弱磁選試驗，最后把得到的精礦、尾礦產品分開烘干稱重化驗分析。

2.2 焙燒條件對分選指標的影響

2.2.1 給料粒度對分選指標的影響

原礦在焙燒溫度550℃、總氣體流量為600 mL/min、CO濃度為30%、焙燒時間30 min條件下開展給料粒度試驗，考察了給料粒度分別為-0.074 mm占50%、60%、70%、80%、90%對鋁精礦指標的影響，結果如圖5所示。

由圖5可知：給料粒度在-0.074 mm占50%～90%范圍內，隨著給料粒度的減小，鋁精礦中氧化鋁含量變化不大，維持在66%左右；當給料粒度由-0.074 mm占50%提升至80%時，鋁回收率由74.58%增加到86.47%，但鐵去除率由62.51%下降至52.75%。當給料粒度由-0.074 mm占80%提高到90%時，鐵去除率由52.75%增長到64.20%，鋁回收率由86.47%降至77.01%。綜合考慮，確定給料粒度為-0.074 mm占50%。

2.2.2 焙燒溫度對分選指標的影響

在給料粒度為-0.074 mm占50%，焙燒時間30 min，總氣體流量為600 mL/min，CO濃度為30%，焙燒溫度分別為500、550、600、650、700 ℃條件下，考察了焙燒溫度對鋁精礦指標的影響，結果如圖6所示。

由圖6可知：當焙燒溫度從500℃增加到550℃時，鐵去除率由67.99%提高到69.33%，氧化鋁含量由65.75%提高到66.97%，鋁回收率也由77.41%降至74.41%；隨著焙燒溫度繼續增加至600℃，鐵去除率由69.33%降至68.26%，氧化鋁含量由66.97%提高到68.17%，鋁回收率也由74.41%增加到74.78%；在焙燒溫度達到650℃時，氧化鋁含量增至68.92%，鋁回收率提高到77.65%，但鐵去除率下降至66.07%。焙燒溫度過低時，還原反應速度慢，部分赤鐵礦物不能充分還原成磁鐵礦［16］。綜上考慮，確定合適的焙燒溫度為600℃。

2.2.3 焙燒時間對分選指標的影響

在焙燒溫度600℃，給料粒度為-0.074 mm占50%，CO濃度為30%，總氣體流量為600 mL/min，焙燒時間分別為10、20、30、40、50 min條件下，考察了焙燒時間對鋁精礦指標的影響，結果如圖7所示。

由圖7可知：隨著焙燒時間的增加，氧化鋁含量整體變化幅度較小；當焙燒時間從10 min增加到20 min時，鋁回收率由78.44%降低至73.26%，鐵去除率由62.10%提高到66.14%；焙燒時間增加至30 min，鋁回收率提高到76.29%，鐵去除率降低至60.76%；焙燒時間繼續增加到50 min，鋁回收率從76.28%下降至71.08%。鐵去除率在焙燒時間20 min時達到最大值，焙燒時間太短會導致部分赤鐵礦不能完全轉化為磁鐵礦［17］。綜合考慮，適宜的焙燒時間確定為20 min。

2.2.4 CO濃度對分選指標的影響

在給料粒度為-0.074 mm占50%，焙燒時間20 min，總氣體流量為600 mL/min，焙燒溫度600℃，CO濃度分別為10%、20%、30%、40%、50%條件下，考察了CO濃度對鋁精礦指標的影響，結果如圖8所示。

由圖8可知：當CO濃度從10%增加到20%時，氧化鋁含量由66.92%提高到67.51%，鐵去除率由63.95%提高到64.59%；CO濃度由20%增加到30%時，氧化鋁含量由67.51%提高到68.14%，但鐵去除率由64.59%下降至62.06%；當CO濃度由30%增加至50%時，鐵去除率增至63.59%，但氧化鋁含量降至67.38%，鋁回收率由77.11%下降至75.48%。當CO濃度較小時，還原效果不明顯，赤鐵礦不能完全轉化為磁鐵礦，若CO濃度過高時，可能發生過還原，導致分選效果下降［18］。綜合分選效果及經濟成本考慮，確定合適的CO濃度為20%。

2.2.5 總氣體流量對分選指標的影響

在給料粒度為-0.074 mm占50%，焙燒時間20 min，CO濃度為20%，焙燒溫度600℃，總氣體流量分別為300、400、500、600、700 mL/min條件下，考察了總氣體流量對鋁精礦指標的影響，結果如圖9所示。

由圖9可知：當總氣體流量由300 mL/min增加到500 mL/min時，鋁精礦的氧化鋁含量總體呈現上升趨勢，由65.99%上升到68.55%，同時，鐵去除率由61.66%增加到65.63%，鋁回收率則由76.29%降至74.44%；當總氣體流量由500 mL/min增長到700 mL/min時，氧化鋁含量和鐵去除率均呈下降趨勢，氧化鋁含量降至67.52%，鐵去除率下降到65.29%。因此，確定適宜的總氣體流量為500 mL/min。

2.3 各產品物相分析

采用XRD分別對原礦、最佳焙燒條件下得到的焙燒產品及選別產品進行物相分析，結果如圖10所示。

從圖10可以看出：焙燒產品中主要為磁鐵礦和石英結晶礦物，同時原礦中的三水鋁石礦相消失，并以非晶態Al2O3形式存在于焙燒產品中；磁性產品中主要礦相為磁鐵礦，鋁精礦中主要為非晶態Al2O3和一定量的石英。XRD分析結果表明鋁礦物和鐵礦物經過焙燒—磁選實現了有效分離，鋁精礦產品中的鐵礦物含量大幅降低。

2.4 各產品磁性分析

采用振動樣品磁強計（VSM）分析研究高鐵鋁土礦原礦、焙燒產品、磁性產品及鋁精礦的磁性變化規律，結果如圖11所示。

由圖11可知，原礦磁化強度極低故不能直接采用磁選方式使鐵鋁礦物分離，原礦的飽和磁化強度為1.06 A·m2/kg，焙燒樣品的飽和磁化強度為6.48 A·m2/kg，說明懸浮磁化焙燒過程致使焙燒樣品磁性增強，焙燒后原礦中弱磁性赤（褐）鐵礦被還原成了強磁性的磁鐵礦，此時可以采用弱磁選的方式達到使有用鐵礦物和脈石礦物分離的目的。磁性產品的飽和磁化強度為19.72 A·m2/kg，就是由于焙燒過后的弱磁選過程使得磁性產品在鐵精礦中進一步富集從而使其飽和磁化強度增加。

3 結 論

（1）印度尼西亞某高鐵鋁土礦中TFe品位為14.06%，Al2O3含量為44.55%。SiO2含量為8.05%，有害元素硫、磷含量很低。原礦中的鐵礦物主要是以赤（褐）鐵礦形式存在，赤（褐）鐵礦中的鐵占全鐵的77.71%；磁鐵礦中的鐵占全鐵的18.21%。

（2）在還原焙燒溫度為600℃、總氣體流量為500 mL/min、焙燒時間為20 min、CO濃度為20%的條件下進行懸浮磁化焙燒試驗，并在磁場強度為133.6 kA/min條件下進行弱磁選，可以獲得氧化鋁含量為68.55%、鐵去除率為65.63%的鋁精礦。

（3）經過磁化焙燒，高鐵鋁土礦中的赤鐵礦、褐鐵礦大部分已轉化為磁鐵礦，鐵礦物因與鋁精礦存在磁性差異得以經弱磁選分離，最終磁性產品中鐵礦物主要為磁鐵礦，鋁精礦中主要為氧化鋁和石英。

（4）懸浮磁化焙燒技術實現了高鐵鋁土礦中鋁、鐵礦物的有效分離，為高鐵鋁土礦的高效綜合利用和大宗減量提供了技術思路，同時可為其他復合伴生礦產資源分離利用提供技術借鑒。