磁化焙燒過程中磁性轉化率對磁選影響規律研究

王 帥 孫永升 韓躍新 李艷軍 高 鵬

(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.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

作為世界鋼鐵生產和消費中心,中國每年消耗大量的鐵礦石。近年來受國際形勢影響,進口鐵礦石價格居高不下,提高國內難選鐵礦石的開發利用水平迫在眉睫[1-4]。研究表明,懸浮磁化焙燒技術是處理難選鐵礦石最有效的技術之一[5-8],該技術通過磁化焙燒將弱磁性鐵礦物轉化為強磁性鐵礦物,再經磁選與雜質礦物分離[9-10]。

實際生產過程中,由于鐵礦石性質復雜、現場技術條件不足,礦石中赤鐵礦的磁化率難以滿足要求,從而導致后續磁選回收率偏低。PARSONAGE[11]指出,赤鐵礦表面覆蓋質量分數為0.01%～0.1%的磁鐵礦,即可通過磁選與石英等脈石礦物分離。呂超等[12]和伍喜慶等[13]均采用空氣氧化法,通過添加Fe2+及氨水實現了磁化赤鐵礦表面的目的,礦物磁選回收率大幅提高。以上研究表明,赤鐵礦的磁性轉化率是影響后續磁選指標優劣的關鍵性因素,而目前懸浮磁化焙燒工藝更多地關注工藝參數優化。為此,本研究以赤鐵礦石為對象,采用磁化焙燒—磁選工藝,從磁化率角度分析焙燒溫度、CO濃度和焙燒時間等條件對磁選指標的影響規律。

1 試驗原料與方法

1.1 試驗原料

試驗原料為天然塊狀赤鐵礦,經破碎、研磨、篩分得到粒度為74～150μm的待試驗樣品。試樣化學成分及鐵物相分析結果分別見表1、表2,XRD分析結果見圖1。

表1 試樣化學成分分析結果Table 1 Analysis result of chemical composition for the sample %

表2 試樣鐵物相分析結果Table 2 Analysis results of the iron phase for the sample %

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

由表1及表2可知:試樣TFe品位為67.34%,鐵主要以赤鐵礦的形式存在,分布率為97.74%,有害元素S、P的含量較少。由圖1可知:試樣中主要礦物為赤鐵礦,圖譜中未見明顯脈石礦物衍射峰。綜上,樣品純度較高,滿足試驗要求。

1.2 試驗方法

本文采用懸浮磁化焙燒系統(圖2)進行焙燒試驗。焙燒試驗開始前,先將焙燒爐加熱至預設溫度。準確稱取15 g赤鐵礦樣品(74～150μm),將礦樣置于石英管內多孔石英板上,連接尾氣處理裝置后通入保護氣(N2),待系統內空氣排盡后,將石英管放入焙燒爐內,通入還原氣(CO)后開始計時,到達預設焙燒時間后停止通入CO,繼續通入N2,待焙燒產物冷卻至室溫后取出。對焙燒產物進行化學成分分析,以焙燒產物中TFe品位、FeO含量和赤鐵礦轉化率α表征焙燒效果。然后取一定質量的焙燒產物,在背景磁感應強度0.1 T、磁選時間5 min的條件下進行磁選試驗(不經過磨礦流程),測定磁選精礦產品中TFe含量并計算磁選回收率。

圖2 懸浮磁化焙燒試驗系統示意Fig.2 Diagram of fluidized magnetization roasting experiment system

赤鐵礦轉化率α的計算公式如下:

采用振動樣品磁強計(VSM)對焙燒產品進行磁性分析,通過飽和磁化強度的大小表征產物的磁性強弱;使用X射線衍射儀對焙燒產品進行物相分析,探究焙燒過程中試樣的物相變化過程;利用偏光顯微鏡對不同焙燒時間產物的拋光截面進行觀察,分析焙燒過程中磁鐵礦的形成及生長過程。

2 試驗結果與分析

2.1 焙燒溫度的影響

焙燒溫度是影響赤鐵礦還原過程的關鍵因素,在總氣體流量500 mL/min、焙燒時間12 min、CO 濃度20%的條件下,考察焙燒溫度對焙燒產物及磁選回收率的影響,結果見圖3。

由圖3可知:隨著焙燒溫度的升高,焙燒產物中FeO含量隨之上升,磁性轉化率及磁選回收率先升高后下降;焙燒產物TFe品位均超過70%,上升趨勢不明顯。當焙燒溫度由500℃升高至550℃時,焙燒產物中FeO含量由28.42%升高至29.05%,磁性轉化率由97.70%升高至99.80%,表明樣品在此過程中未發生過還原反應;磁選回收率小幅升高(由99.24%升高到99.67%)。當溫度達到575℃時,焙燒產物中FeO含量升高至31.17%,磁性轉化率降低至96.58%,且進一步升高焙燒溫度,磁性轉化率降低,表明樣品發生過還原反應。隨著焙燒產物中磁性轉化率降低,焙燒產物的磁選回收率降低,表明樣品發生過還原反應,磁鐵礦進一步還原為FeO,產物磁性降低,從而影響了后續的磁選回收率。綜合考慮,適宜的焙燒溫度為550℃。

圖3 焙燒溫度對焙燒產物及磁選回收率的影響Fig.3 Effect of roasting temperature on roasted products and magnetic separation recovery rate

2.2 CO濃度的影響

在焙燒溫度550℃、總氣體流量500 mL/min、焙燒時間12min的條件下,考察CO濃度對焙燒產物及磁選回收率的影響,結果見圖4。

圖4 CO濃度對焙燒產物及磁選回收率的影響Fig.4 Effect of CO concentration on roasted products and magnetic separation recovery rate

由圖4可知:隨著CO濃度的增加,焙燒產物中TFe品位和FeO含量隨之增長,磁性轉化率先升高后下降。CO濃度由10%增加至20%時,焙燒產物中FeO含量由18.86%升高至29.05%,磁性轉化率由65.51%升高到99.80%,表明此時樣品未發生過還原反應。繼續增加CO濃度,焙燒產物磁性轉化率逐漸降低,磁選回收率也略微降低。這可能是因為石英管內熱量堆積導致部分位置溫度過高,加之CO濃度較高,導致過還原現象發生。綜合考慮,適宜的CO濃度為20%。

2.3 焙燒時間的影響

在焙燒溫度550℃、總氣體流量500mL/min、CO濃度20%的條件下,考察焙燒時間對焙燒產物及磁選回收率的影響,結果見圖5。

圖5 焙燒時間對焙燒產物及磁選回收率的影響Fig.5 Effect of roasting time on roasted products and magnetic separation recovery rate

由圖5可知:隨著焙燒時間的增加,焙燒產物的TFe品位和FeO含量逐漸升高,磁性轉化率先升高后降低。當焙燒時間從0min延長至12min時,焙燒產物的FeO含量由0.88%增加至29.05%,磁性轉化率由0升高至99.80%,接近理論轉化率100%,整個過程沒有下降趨勢,表明樣品未發生過還原反應;繼續延長焙燒時間至14min,焙燒產物的磁性轉化率降低至93.12%,這可能是因為焙燒時間過長導致石英管內部分位置熱量堆積使實際焙燒溫度超過550℃,導致樣品出現過還原現象。

由磁性轉化率與磁選回收率關系圖可以看出,焙燒產物中磁性轉化率為32.99%時,磁選回收率達到99.58%,接近100%。繼續增加焙燒時間,磁性轉化率逐漸升高,磁選回收率無明顯變化,表明74～150 μm粒級赤鐵礦向磁鐵礦的轉化率達到32.99%時就可以得到較優的磁選指標,無需將赤鐵礦完全還原為磁鐵礦。綜合考慮,適宜的磁化焙燒時間為4 min。

2.4 焙燒產物磁性及物相分析

在焙燒溫度550℃、總氣體流量500mL/min、CO濃度20%的條件對試樣進行焙燒試驗,采用振動樣品磁強計(VSM)和X射線衍射儀分別對焙燒1、2、3、4和5 min的焙燒產物進行磁性和物相分析,結果分別見圖6、圖7。

圖6 不同焙燒時間下焙燒產物的磁化曲線Fig.6 Magnetization curves of roasted product at different roasted time

圖7 不同焙燒時間下焙燒產物的XRD圖譜Fig.7 XRD patterns for roasted product at different roasted time

由圖6可知:1～3 min焙燒產物的飽和磁化強度較低,故此時焙燒產物的磁選回收率較低;當焙燒時間增加至4 min時,焙燒產物的飽和磁化強度為28.54 Am2/kg;隨著焙燒時間的延長,焙燒產物的飽和磁化強度繼續增加,表明4 min焙燒產物的磁性并未達到最大值。結合前文磁選結果可知,焙燒時間4 min時,焙燒產物的磁選回收率為99.58%,說明赤鐵礦焙燒產物的飽和磁化強度達到28.54 Am2/kg即可使用弱磁選進行回收。

由圖7可知:焙燒產物中主要成分為赤鐵礦和磁鐵礦,隨著焙燒時間的增加,赤鐵礦衍射峰不斷減弱,數量逐漸減少;與此同時磁鐵礦的衍射峰不斷增強,數量也逐漸增加,說明在此過程中赤鐵礦逐漸被還原為磁鐵礦。由磁選結果可知,赤鐵礦在焙燒時間為4 min時,焙燒產物回收率達到較優值,XRD分析結果顯示,此時焙燒產物中同時存在赤鐵礦和磁鐵礦的衍射峰,說明此時赤鐵礦并未完全被還原為磁鐵礦。

2.5 焙燒樣品偏光顯微鏡分析

不同焙燒時間下焙燒產物的拋光截面顯微照片如圖8所示。

圖8 焙燒產物拋光截面的顯微照片Fig.8 Photomicrograph of the polished cross-section of the roasted product

從圖8可以看出:赤鐵礦在磁化焙燒過程中,磁鐵礦首先在赤鐵礦顆粒邊緣及裂隙處生成,后由顆粒表面向內部生長;隨著焙燒時間延長,磁鐵礦厚度逐漸增加,同時整個顆粒的磁性逐漸增強;結合磁選結果可知:焙燒產物赤鐵礦轉化率達到32.99%,焙燒產物的飽和磁化強度達到28.54 Am2/kg,即可獲得較優的磁選效果。

3 結 論

(1)針對本研究試樣,適宜的焙燒條件為:總氣體流量500 mL/min、焙燒溫度550℃、CO濃度20%、焙燒時間4 min。在此條件下,焙燒產物磁性轉化率為32.99%,飽和磁化強度為28.54 Am2/kg,磁選回收率達到99.58%。

(2)磁鐵礦首先在赤鐵礦顆粒邊緣和裂縫處生成,后由顆粒表面向內部生長,隨著焙燒時間的延長,新生磁鐵礦厚度逐漸增加。4 min焙燒產物中赤鐵礦未完全還原為磁鐵礦,磁性也未達到最佳值,磁選過程已取得了優異的磁選指標。因此,在實際生產過程中,可以在保證回收率的前提下,適當減少焙燒時長,以實現節能環保的目的。