含鐵銅尾礦選冶聯合分選提鐵研究①

2022-09-09 05:17:26肖軍輝高德強鐘楠嵐

礦冶工程 2022年4期

陳濤，肖軍輝，3，4，鄒凱，高德強，鐘楠嵐

（1.西南科技大學環境與資源學院，四川綿陽 621010；2.西南科技大學四川省非金屬礦粉體改性與高質化利用工程實驗室，四川綿陽 621010；3.中國地質科學院礦產綜合利用研究所，四川成都 610041；4.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643001）

尾礦是金屬或非金屬經過選別后暫時留存的固體廢渣，截止2020年，我國尾礦累計堆存量超600億噸。在黑色金屬及有色金屬選礦中，銅尾礦是僅次于鐵尾礦的第二大有回收利用價值的尾礦資源［1?3］。有色金屬尾礦排放量占其礦石總產量的90%以上，其中銅尾礦年產量約2億噸，綜合利用率低且呈逐年增長的趨勢［4?6］。由于資源緊缺和選礦水平不斷提高，銅尾礦的回收利用成為可能且回收價值日益凸顯。我國西南地區某選廠通過浮選流程選出銅精礦和硫精礦，留下的尾礦仍然含有部分鐵。本文對該選銅尾礦中鐵礦物特性進行了研究，并采用強磁選預選富集?焙燒?弱磁選工藝回收該銅尾礦中鐵。

1 原料性質及試驗方法

1.1 原料性質

某含鐵銅尾礦化學成分分析結果見表1，鐵物相分析結果見表2，粒度分析結果見表3。尾礦中能進一步回收的有價元素為鐵，含量為31.77%，硫、磷含量較低，鐵主要賦存于菱鐵礦中，少量以硅酸鐵和赤褐鐵礦形式存在。X射線、鏡下鑒定及能譜分析結果表明，脈石礦物以石英為主，尚見綠泥石、鎂橄欖石和水鈣沸石，偶見絹云母、白云石分布，部分錳與鐵緊密共生。

表1 含鐵銅尾礦化學成分分析結果（質量分數） %

表2 含鐵銅尾礦鐵物相分析結果

表3 含鐵銅尾礦粒度分析結果

1.2 試驗方法

為避免直接焙燒處理時礦石量大、選礦能耗高、經濟成本高的問題，先進行強磁選預選富集，再進行焙燒?弱磁選。強磁選時首先預先分出部分合格物料，不合格物料再磨至一定細度，兩者混勻后進行一段磁選；焙燒?弱磁選時將30 g強磁選精礦烘干加入100 mL陶瓷坩堝中，蓋好坩堝蓋并將坩堝置于已達到預定溫度的焙燒爐爐膛內，經預定時間焙燒后取出水冷，水冷后的焙燒礦經磨礦、磁選管磁選、過濾、干燥獲得鐵精礦和尾礦。試驗原則流程見圖1。

圖1 試驗原則流程

2 結果與討論

2.1 強磁選工藝條件對鐵預富集的影響

2.1.1 磨礦細度對鐵預富集效果的影響

磁場強度0.6 T，研究了磨礦細度對強磁選預富集鐵效果的影響，結果見表4。由表4可知，隨著磨礦細度增加，鐵品位逐漸升高但回收率下降，當磨礦細度達到－0.06 mm粒級占90%后，繼續增大磨礦細度，品位上升幅度不大。綜合考慮，選擇磨礦細度－0.06 mm粒級占90%以上為宜，此時鐵品位和回收率分別為36.54%及88.06%。

表4 磨礦細度對強磁選鐵預富集效果的影響

2.1.2 磁場強度對鐵預富集效果的影響

磨礦細度－0.06 mm粒級占90%，進行了強磁選磁場強度條件試驗，結果見圖2。隨著磁場強度提高，鐵回收率逐漸增加，但磁場強度超過0.8 T時，鐵回收率增加得很緩慢，鐵品位下降幅度變大。綜合考慮，確定強磁選磁場強度0.8 T為宜，此時鐵品位和回收率分別為36.32%及90.95%。

圖2 磁場強度對強磁選鐵預富集效果的影響

2.2 強磁選鐵精礦焙燒?弱磁選工藝條件試驗

對磨礦細度－0.06 mm粒級占90%、磁場強度0.8 T條件下強磁選預富集得到的鐵精礦進行焙燒?弱磁選條件試驗。該鐵精礦TFe品位為36.32%。

2.2.1 焙燒溫度對鐵品位及回收率的影響

焙燒時間20 min、弱磁選磨礦細度－0.06 mm粒級占90%、弱磁選磁場強度0.16 T時，考察了焙燒溫度對鐵精礦品位及回收率的影響，結果如圖3所示。隨著焙燒溫度升高，鐵精礦品位和回收率均逐漸增加，可以認為磁鐵礦相在增加；焙燒溫度高于750℃后，鐵精礦品位開始降低，但降幅不大，回收率仍在增加。綜合考慮，選擇焙燒溫度800℃。

圖3 焙燒溫度對弱磁選鐵精礦鐵品位及回收率的影響

2.2.2 焙燒時間對鐵品位及回收率的影響

焙燒溫度800℃，其他條件不變，考察了磁化焙燒時間對鐵精礦品位及回收率的影響，結果見圖4。鐵精礦品位隨著焙燒時間增加先逐漸增加后下降，在焙燒時間30 min時鐵品位達到最大值54.21%；回收率總體上隨著焙燒時間增加先升高再降低，在焙燒時間20 min時達到最大值91.54%。選擇焙燒時間20 min。

圖4 焙燒時間對弱磁選鐵精礦鐵品位及回收率的影響

2.2.3 弱磁選磨礦細度對鐵品位及回收率的影響

對焙燒溫度800℃、焙燒時間20 min條件下所得焙燒礦進行弱磁選，磁場強度0.12 T，磨礦細度對弱磁選效果的影響見表5。磨礦細度增加，鐵品位變化不明顯，而鐵回收率逐步下降，選擇弱磁選磨礦細度－0.06 mm粒級占90%。

表5 磨礦細度對弱磁選鐵精礦鐵品位及回收率的影響

2.2.4 弱磁選磁場強度對鐵品位及回收率的影響

弱磁選磨礦細度－0.06 mm粒級占90%，其他條件不變，進行了弱磁選磁場強度條件試驗，結果見圖5。由圖5可見，磁場強度超過0.12 T后，鐵回收率逐步上升，但鐵品位下降幅度較大。綜合考慮，選擇弱磁選磁場強度0.12 T。

圖5 磁場強度對弱磁選鐵精礦鐵品位及回收率的影響

2.3 全流程試驗

在條件試驗基礎上進行了強磁選?焙燒?弱磁選全流程試驗，結果見圖6。該含鐵銅尾礦經強磁選預富集?焙燒?弱磁選工藝，在磨礦細度－0.06 mm粒級占90%、磁場強度0.8 T條件下強磁選，焙燒溫度800℃、焙燒時間20 min條件下磁化焙燒，磨礦細度－0.06 mm粒級占90%、磁場強度0.12 T條件下弱磁選，獲得的鐵精礦TFe品位、產率及鐵回收率分別為58.38%、44.14%及81.11%。

圖6 強磁選?焙燒?弱磁選全流程數質量流程

3 焙燒過程鐵的物相轉變機制

3.1 菱鐵礦的分解熱力學分析

FeCO3熱解過程中，FeCO3可以一步反應，直接分解為Fe3O4（式（1）），還可以逐步反應，先分解為FeO、再被CO2氧化為Fe3O4（式（2）～（3））［7?10］：

分解反應在空氣中進行，則分解產物可能會被氧化為Fe2O3。根據菱鐵礦分解反應過程中的吉布斯自由能與溫度的變化規律，300～1 200 K范圍內ΔGθ與T的關系曲線如圖7所示。

圖7 菱鐵礦分解反應式的ΔGθ?T關系曲線

根據標準吉布斯自由能變化與溫度的計算數據，FeCO3的分解無論是一步反應還是逐步反應，其起始溫度均處于400～450 K范圍內。溫度低于843 K時FeO相不穩定，故在高于FeO穩定存在的溫度下，分解生成Fe3O4和FeO都可能發生。

分解反應發生在空氣氣氛中時，ΔGθ負值較大說明生成Fe2O3的反應越容易發生。實際焙燒過程中，應該加蓋密封以使反應處于相對密閉的體系內。

3.2 磁化焙燒過程鐵的物相變化規律

升溫速率10℃／min、氮氣流量20 mL／min條件下，強磁選鐵精礦熱分解的TG?DTG曲線如圖8所示，強磁選鐵精礦在被加熱到434℃前失重較少，質量減少與部分礦物失去吸附水和結晶水有關。434～542℃是菱鐵礦的受熱分解過程，菱鐵礦在434℃時開始分解，在511℃左右熱分解速率達到最大，在542℃時結束。