馬鋼姑山鐵礦石磁化焙燒—弱磁選試驗研究

張劍廷 楊 峰 李志明 房舜堯

(1.遼寧東大礦冶工程技術有限公司,遼寧 朝陽 122000;2.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819;3.英國倫敦大學工程科學學院,英國 倫敦 WC1E6BT)

姑山鐵礦是馬鋼三大原料基地之一,鐵礦物主要有赤鐵礦,少量假象赤鐵礦、褐鐵礦以及微量菱鐵礦[1]。姑山鐵礦石硬度大,嵌布粒度粗細不均,為典型的難磨難選紅礦[2]。姑山選廠進行了多次的工藝流程改造以實現良好的技術經濟指標[3-4],但現行的破碎—洗礦—粗粒干式強磁選—階段磨礦—SLon脈動高梯度磁選流程,僅可獲得精礦鐵品位57%、鐵回收率75%的生產指標,且生產中存在產品指標隨礦石性質變化波動大、輔助作業成本高、尾礦金屬流失嚴重等問題,亟須尋求高效選別新技術來促進該礦石的開發利用。

磁化焙燒預處理—磁選技術是實現難選鐵礦資源高效利用的重要手段[5-8],其中基于“預富集—蓄熱還原—再氧化”核心技術的懸浮磁化焙燒技術經大量的研究、實踐表明技術可行,前景可觀[9-12]。該技術先后針對寶武集團、鞍鋼集團、酒鋼集團、遼寧三和、海南礦業、塞拉利昂Tonkolili、阿爾及利亞Gara等地20余種鐵礦石進行了半工業試驗,均取得了良好的技術指標[13-16],同時該技術具有節能高效、清潔環保的特點,經濟社會效益顯著[17-20]。

本研究針對馬鋼姑山鐵礦石開展系統的實驗室磁化焙燒試驗研究,以期為馬鋼姑山鐵礦的高效開發利用提供一定的指導。

1 試樣性質

試驗所用礦樣取自馬鋼姑山鐵礦,試樣主要化學成分、礦物組成及鐵物相分析結果分別見表1、圖1及表2。

圖1 試樣XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of the sample

表2 試樣鐵物相分析結果Table 2 Results of the iron phases analysis of the sample %

從表1可以看出:試樣中主要有價元素為鐵,TFe含量為37.68%;主要雜質成分為SiO2和Al2O3,含量分別為31.44%、5.00%;有害元素P含量較高,為0.72%。

由圖1及表2分析可知:試樣中主要鐵礦物為赤鐵礦,主要脈石礦物為石英;鐵主要以赤(褐)鐵礦的形式存在,含量為36.35%,鐵分布率達到96.48%。

2 磁化焙燒試驗

在實驗室采用管式爐進行磁化焙燒試驗,系統研究焙燒給礦粒度、焙燒溫度、CO濃度、焙燒時間等關鍵參數對產品分選指標的影響,具體試驗方法如下:待管式爐內溫度達到設定值后,通入N2排凈爐內空氣,迅速將磨礦至一定細度的30 g礦樣放置于管式爐內,采用H2與CO混合氣作為還原氣體,按預先設定的體積比例(H2與CO體積比為3∶1)通入N2、CO和H2對樣品進行還原焙燒,經過一定的還原焙燒時間后,關閉加熱系統并停止通入還原氣體,繼續通入N2使焙燒物料冷卻至室溫。將焙燒產品研磨至一定細度,采用磁選管(磁場強度為85.15 kA/m)對焙燒樣品進行弱磁選,確定適宜的焙燒條件。

2.1 焙燒給礦粒度的影響

給礦粒度影響焙燒過程中物料的傳質和傳熱效率。為探究焙燒給礦粒度對磁化焙燒效果的影響,在焙燒溫度560℃、還原氣濃度30%、焙燒時間30min、氣體流量500 mL/min,焙燒產品磨礦細度-0.023 mm占90%和磁場強度85.15 kA/m的條件下,對-0.074 mm含量分別為 40%、50%、60%、70%、80%的物料開展了焙燒試驗。焙燒產品磁選試驗結果如圖2所示。

圖2 給礦粒度對磁選精礦指標的影響Fig.2 Effect of feeding size on indexes of magnetic separation concentrate

由圖2可知:隨著給礦粒度變細,磁選精礦鐵品位呈先保持不變后緩慢降低的變化趨勢,當給礦粒度由-0.074 mm占40%升至60%時,精礦鐵品位在55.43%～55.81%范圍內波動;繼續提高給礦粒度至-0.074 mm占80%,精礦鐵品位降至53.83%;而鐵回收率整體升高,由94.69%升至96.46%。給礦粒度的增加可促進磁聚團的形成,磁聚團有利于減少分選過程中的金屬損失,但磁聚團形成過程中的脈石夾雜會影響產品的質量。綜合考慮,確定物料給礦粒度為-0.074 mm占50%。

2.2 焙燒溫度的影響

焙燒溫度對磁化還原過程具有重要影響。在焙燒給礦粒度為-0.074 mm占50%、還原氣濃度30%、焙燒時間30 min、氣體流量500 mL/min,焙燒產品磨礦細度-0.023 mm占90%和磁場強度85.15 kA/m的條件下,考察焙燒溫度對磁選精礦指標的影響,試驗結果如圖3所示。

圖3 焙燒溫度對磁選精礦指標的影響Fig.3 Effect of roasting temperature on indexes of magnetic separation concentrate

由圖3可知:隨著焙燒溫度的上升,鐵精礦品位在58.00%～58.70%之間波動變化,可認為處于穩定狀態,說明焙燒溫度對磁選精礦鐵品位影響較小;隨著溫度升高,鐵回收率呈現出先升高后基本保持平穩的變化規律。焙燒溫度的升高會促進礦石結構疏松,有利于后續礦物的單體解離,當溫度從420℃升高至500℃時,回收率由85.75%增加到94.33%,繼續升高溫度,回收率基本保持不變。故確定適宜的焙燒溫度為500℃。在該磁化焙燒溫度下,經磁選可獲得鐵精礦品位58.00%、鐵回收率94.33%的技術指標。

2.3 還原氣濃度的影響

為考察還原氣濃度對焙燒效果的影響,在焙燒給礦粒度為-0.074 mm占50%、焙燒溫度500℃、焙燒時間30 min、氣體流量500 mL/min,焙燒產品磨礦細度-0.023 mm占90%和磁場強度85.15 kA/m的條件下,考察還原氣濃度對磁選精礦指標的影響,試驗結果如圖4所示。

圖4 還原氣濃度對磁選精礦指標的影響Fig.4 Effect of reducing gas concentration on indexes of magnetic separation concentrate

由圖4可知:隨著還原氣濃度的增加,磁選精礦鐵品位和回收率變化均不明顯,其中鐵品位在57.32%～58.05%之間波動,鐵回收率在94.69%～94.97%范圍內波動,鐵回收率整體保持在94%以上;為了保證還原效果,確定還原氣體濃度為40%。

2.4 焙燒時間的影響

焙燒時間是影響磁化焙燒效果的重要因素之一,焙燒時間過短會導致鐵礦物還原不完全,而過長又會發生過還原。在焙燒給礦粒度為-0.074 mm占50%、焙燒溫度500℃、還原氣濃度40%、氣體流量500 mL/min,焙燒產品磨礦細度-0.023 mm占90%和磁場強度85.15 kA/m的條件下,考察焙燒時間對磁選精礦指標的影響,試驗結果如圖5所示。

圖5 焙燒時間對磁選精礦指標的影響Fig.5 Effect of roasting time on indexes of magnetic separation concentrate

由圖5可知:隨著還原時間的延長,磁選精礦鐵品位基本保持不變,整體維持在57.30%～58.01%范圍內波動;而鐵回收率則緩慢升高,當還原時間從10 min增加至20 min時,鐵精礦回收率由92.91%增加到94.53%,繼續延長還原時間至30 min,回收率略微升至94.67%。這是由于還原時間小于20 min時,礦石中鐵礦物沒有完全被還原為磁鐵礦,當還原時間大于20min后還原效果較明顯。同時可以看出,隨著時間的延長,焙燒產品中的金屬鐵含量緩慢增加,但整體來看金屬鐵含量所占比例較小,過還原現象較少。因此,確定適宜的還原時間為20 min,此時磁選精礦可達到鐵品位57.30%、鐵回收率94.53%的指標。

2.5 焙燒產品選別試驗

根據磁化焙燒條件試驗結果,最終確定原礦樣品實驗室小型磁化焙燒適宜的條件為:焙燒給礦粒度-0.074 mm占50%、焙燒溫度500℃、還原氣濃度40%、焙燒時間20 min。在此條件下,制備出磁化焙燒樣品,進行焙燒產品選別流程試驗,考慮到原礦硬度大,礦物嵌布粒度粗細不均,針對馬鋼姑山鐵礦石采用磁化焙燒—階段磨礦—階段磁選工藝,其數質量 流程如圖6所示。

圖6 磁化焙燒—階段磨礦—階段磁選數質量流程圖Fig.6 Quantity-quality flow chart of magnetization roasting-stage grinding-stage magnetic separation

由圖6可知:針對馬鋼姑山鐵礦石采用磁化焙燒—階段磨礦—階段磁選工藝,其適宜的工藝參數為:焙燒產品一段磨礦細度-0.038 mm占95%、一段磁選場強95.49 kA/m,二段磨礦細度-0.023 mm占95%、二段磁選場強 95.49 kA/m,三段磨礦細度-0.016 mm占95%、三段磁選管場強143.24 kA/m,該工藝可獲得精礦鐵品位63.98%、鐵回收率83.32%、P含量0.15%的技術指標,較現有工藝,品位提高了6.98個百分點,回收率提高了8.32個百分點。

3 精礦產品性質分析

對磁選精礦進行化學多元素、XRD物相及鐵物相分析,結果分別見表3、圖7和表4。

表3 磁選精礦化學多元素分析結果Table 3 Results of chemical multi-elements analysis of the magnetic concentrate %

圖7 磁選精礦XRD圖譜Fig.7 XRD pattern of the magnetic concentrate

表4 磁選精礦鐵物相分析結果Table 4 Results of the iron phases analysis for the magnetic concentrate %

由表3可知:三段磁選精礦鐵品位為63.98%,FeO含量為20.53%;主要雜質成分SiO2含量7.05%,Al2O3含量為0.99%;有害元素P含量為0.15%。由圖7可知:磁選精礦中主要鐵礦物為磁鐵礦,脈石礦物為石英。

由表4可知:磁性鐵礦物中鐵的分布率高達98.19%,赤(褐)鐵礦中鐵的分布率較低,為1.13%。與原礦相比,精礦中TFe和FeO含量均有升高,表明經磁化焙燒處理后,礦石中的鐵礦物得到有效回收。

4 結 論

(1)馬鋼姑山鐵礦礦石鐵品位為37.68%,主要有用元素為鐵,鐵主要以赤鐵礦形式存在,分布率為96.48%;脈石礦物主要為SiO2和Al2O3;有害元素P含量較高,為0.72%。

(2)在焙燒給礦粒度為-0.074 mm占50%、焙燒溫度500℃、還原氣體濃度40%、焙燒時間20min、氣體流量500 mL/min的條件下進行磁化焙燒后,焙燒產品采用磨礦—磁選—再磨—磁選—三段磨礦—磁選工藝,可獲得鐵品位63.98%、鐵回收率83.32%、P含量0.15%的鐵精礦。

(3)磁選精礦分析表明,經磁化焙燒處理后,磁性鐵礦物中鐵的分布率高達98.19%,赤鐵礦中鐵的分布率降低至1.13%,表明礦石中絕大部分赤鐵礦轉化為了強磁性鐵礦物,可通過弱磁選進行有效分選。磁化焙燒—弱磁選工藝為馬鋼姑山鐵礦的高效利用提供了新的途徑。