含硼磁铁精矿煤基直接还原-磁选初探.pdf

第3 4 卷 2 0 1 4 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G D 咂m R 矾G V 0 1 ．3 4 A u g u s t2 0 1 4 含硼磁铁精矿煤基直接还原一磁选初探① 余建文，韩跃新，高鹏，孙永升 东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳1 1 0 8 1 9 摘要针对现有含硼磁铁精矿的硼铁分离与利用工艺所存在的缺陷，提出采用煤基直接还原．磁选工艺处理含硼磁铁精矿，并通 过实验室试验进行了考察验证。结果表明对于辽宁首钢硼铁有限公司T F e 和B 2 0 ，含量分别为5 5 ．5 5 ％和4 ．2 2 ％含硼磁铁精矿，以 无烟煤为还原剂，在l1 2 5o C 还原1 5 0m i n 、磨矿细度- 0 ．0 7 4m i l l 粒级占6 5 ％及磁场强度为8 0k A ／m 的分选条件下，可获得T F e 品位 9 2 ．7 1 ％、回收率为9 5 ．1 1 ％的铁粉及含B O ，1 4 ．2 7 ％、回收率为8 8 ．6 9 ％的富硼渣。其中高品位铁粉经压块后可替代废钢作为电弧炼 钢的良好原料，优质富硼渣可作为“碳碱法”生产硼砂的优良原料。 关键词含硼磁铁精矿；直接还原；磁选；铁粉；富硼渣 中图分类号T D 9 8 1文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 8 ．0 6 4 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 4 0 8 0 2 3 5 0 3 硼铁矿是我国重要的硼资源，约占全国硼储量的 5 8 ％。但由于硼铁矿矿物组成复杂，共生关系密切，结 晶粒度细而不均等原因，常规选别方法仅能初步分离硼 和铁，获得含硼磁铁精矿、硼精矿及尾矿⋯。其中含硼 磁铁精矿中含B O ，4 ％～6 ％，占硼铁矿原矿硼总量的 3 0 ％，若这部分硼不能回收为硼工业可以利用的原料， 硼回收率将低于7 0 ％，造成硼资源的巨大浪费；同时，含 硼磁铁精矿中T F e 含量仅为5 2 ％～5 5 ％ 6 0 ％ ，不能 满足铁精矿质量标准，无法直接作为炼铁原料。因此， 探索含硼磁铁精矿中硼、铁高效分离回收利用技术对 于提高硼资源利用率，具有重要的理论与实际意义。 目前，针对含硼磁铁精矿中硼、铁二次分离，许多 研究单位及相关专家学者提出了多种解决方案，如高 炉法、直接还原一电炉熔分、转底炉珠铁工艺等旧“J 。 三种方法的基本原理都是首先通过选择性还原将含硼 磁铁精矿中的铁氧化物还原成金属铁，难以还原的硼 氧化物则残留在渣中，金属铁及脉石在高温条件下发 生熔化，利用铁水和熔渣在密度、表面张力等方面的差 异，实现铁与富硼渣的分离。但高炉法存在能耗高、富 硼渣中B ，O ，品位低 1 2 ％ 且炉衬侵蚀严重的缺点； 直接还原一电炉熔分则由于还原工艺选择等问题而仍 停留在实验室阶段，需进一步优化；转底炉珠铁则由于 工艺的限制，煤灰会进人还原物料中，最终会降低富硼 渣中B ，O ，的品位。 本研究针对含硼磁铁精矿的特点，在选择性还原 的基础上o7 | ，提出采用煤基直接还原一磁选工艺进行 硼、铁二次分离，并通过实验室试验进行了验证。 1 试验原料和研究方法 1 ．1 试验原料 试验所用含硼磁铁精矿采自辽宁首钢硼铁有限责 任公司，其主要化学成分见表1 ，粒度分析结果见表2 。 表1含硼磁铁精矿主要化学成分 质量分数 ／％ T F eF e O B 2 0 3S i 0 2A 1 2 0 3 C a O M g O PS 5 5 ．5 52 5 ．6 74 ．2 23 ．6 00 ．3 30 ．1 01 0 ．1 00 ．0 0 71 ．4 4 由表1 可知，该含硼磁铁精矿中主要有价元素为 铁、硼，T F e 含量为5 5 ．5 5 ％，B 0 3 含量为4 ．2 2 ％，主要 杂质成分为硅、镁、硫等。其中铁主要以磁铁矿形式存 在，硼主要以硼镁石形式存在，部分以硼镁铁矿相存 在，主要脉石矿物为蛇纹石。 表2 含硼磁铁精矿粒度分析结果 据表2 可知，该含硼铁精矿- 0 ．0 7 4m m 粒级含量 为8 9 ．1 5 ％，粒度较细，是造团的良好原料。 试验中所使用的还原剂为烟煤，取样破碎至粒度 一2m m 以备用。其工业分析及化学成分分析结果如 表3 所示。由表3 可知，试验用煤粉固定碳和挥发分 含量高，煤灰分少，有害元素S 、P 含量低，是良好的还 原剂。 ①收稿日期2 0 1 4 0 5 0 5 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 2 0 4 0 3 3 ；教育部新教师专项科研基金资助项目 2 0 1 2 0 0 4 2 1 2 0 0 5 1 作者简介余建文 1 9 8 9 一 ，男，江西上饶人，硕士研究生，从事矿产资源综合利用研究。 通讯作者韩跃新 1 9 6 1 一 ，男，内蒙古赤峰人，教授，博士研究生导师，从事微细贫杂矿产资源高效开发和高性能矿物材料制备研究。 万方数据 矿冶工程 第3 4 卷 表3 煤工业分析及化学成分 质量分数 ／％ 固定碳挥发分灰分水分P SS i 0 2A 1 2 0 3C a OM g o 吼 6 7 ．8 31 8 ．4 51 21 瑚o ．0 0 40 ．0 魑4 ．93 ．7 0 ．7 60 ．1 4o - 8 3 1 ．2 研究方法 试验工艺程包括造团、柱团干燥、预热、还原、磨 矿、磁选，如图1 所示。 图1含硼磁铁精矿煤基直接还原- 磁选工艺流程 将一定量含硼磁铁精矿矿样与适量的水充分混 匀，在5M P a 的压力条件下制成中1 5m i n x 2 0m m 柱状 体团块，团块经鼓风干燥箱干燥后备用。团块预热和 还原在程控高温箱式电阻炉中进行，试验时，将准备好 的团块外配过量还原煤装入坩埚中 1 0g 含硼磁铁精矿 外配6 0g 煤粉，如图2 所示 ，待炉温升至6 0 0 ℃时，将 装有试样的坩埚置入炉内；炉膛以5 2 5 ℃／m i n 速率升 温，当炉膛温度达到预定的温度时开始计时并还原一定 时间后取出，水淬冷却至室温，得到还原熟料。 图2 装料还原示意 试验采用金属化率 A 作为衡量还原效果的指 标，其理论计算式为 A 器- o o ％ ㈩ A2 而1 叫％ 1 ， 式中∞ M F e 为还原熟料中金属铁的质量分数，％； ∞ r i t e 为还原熟料中全铁的质量分数，％。 通过研究不同还原条件试验对还原熟料金属化率 的影响，确定最佳的还原工艺参数条件。最后通过磨 矿、磁选，实现硼、铁分离与富集。 2 结果与讨论 2 ．1 还原温度对还原效果的影响 固定升温速率5 。C ／r a i n ，还原时间4h ，考察了还 原温度对还原效果的影响，结果见图3 。 温度／℃ 图3 温度对还原效果的影响 由图3 可知，温度对还原效果有重要影响。随着 温度升高，还原物料的金属化率先升高后下降并趋于 平稳。当温度由10 5 0o C 升高至l1 2 5 ℃时，还原物料 金属化率由6 3 ．6 7 ％增大到8 8 ．7 2 ％；继续升高温度至1 2 0 0 ℃时，金属化率又迅速下降至7 9 ．4 0 ％。这主要是 由于固体碳还原铁氧化物是强吸热反应，因此升高温 度可以有效地促进铁氧化物的还原反应，提高还原物 料金属化率；同时升高温度亦有助于提高碳的反应活 性，促进了碳的气化，从而改善还原过程，提高金属化 率。但反应温度过高，超过l1 5 0 ℃后，由于B O ，是 低熔点物质，熔点仅为4 5 0o C ，有助熔作用，在11 5 0 12 0 0 ℃高温条件下易形成液相或发生软化，包围未反 应的铁氧化物，使暴露在孔隙周围易还原的铁氧化物减 少J 。同时，液相的形成阻碍了还原中间气体C O 向铁 氧化物的扩散，导致还原阻力增大，恶化还原效果，金属 化率下降。因此，适宜的还原温度为l1 2 5o C 。 2 ．2 还原时间对还原效果的影响 固定升温速率5 ℃／m i n ，还原温度11 2 5 ℃，考察 还原时间对还原效果的影响，结果如图4 所示。由图 4 可知，随着还原时间延长，还原物料的金属化率先急 剧升高后趋于平衡。当还原时间由1 ．5h 延长到2 ．5h 时，金属化率由8 1 ．5 5 ％迅速升高至8 8 ．9 2 ％；继续延长 还原时间，金属化率达到平衡，维持不变。这主要是由 于还原时间的延长，有助于铁氧化物的金属化过程，使 得磁铁矿还原充分，金属化率迅速提高；当还原时间延 长到2 ．5h 时还原反应充分，到达终点，继续延长还原时 间金属化率无影响。因此，适宜的还原时间为2 ．5h 。 一一一L j L j [ 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月 余建文等含硼磁铁精矿煤基直接还原撒选初探2 3 7 时间／h 图4 时间对还原效果的影响 2 ．3 升温速率 预热时间 对还原效果的影响 固定还原温度11 2 5o C ，还原时间2 ．5h ，考察预热 段升温速率对还原效果的影响，结果见图5 。 升温速率／ ℃m ‘m _ - 图5 升温速率对还原效果的影响 由图5 可知，随着升温速率提高，还原物料的金属 化率先急剧下降后缓慢下降。当升温速率由5o C ／m i n 增加至1 5 ℃／m i n 时，金属化率由8 8 ．9 2 ％急剧下降至 7 1 ．0 1 ％，后继续提高升温速率，金属化率缓慢下降，于 2 5 ℃／r a i n 时降到最小值6 9 ．8 9 ％。这主要是由于升温 速率低，即意味着预热时间长，还原反应较充分，金属 化率高；当升温速率过大时，即预热时间短，还原反应 不充分，金属化率低；其二，可能是由于升温速率过大， 降低了碳的反应活性，从而恶化了铁氧化物的金属化 过程，降低金属化率；也可能是由于升温速率过快，已 还原金属铁颗粒容易发生烧结等行为，降低了还原物 料的孑L 隙率，阻碍了还原中间气体C O 向铁氧化物的 内扩散过程，从而导致金属化率降低。因此，适宜的预 热升温速率为5 ℃／m i n 。 2 ．4 磁选试验 上述还原工艺条件试验可知，适宜的工艺参数为 还原温度11 2 5 ℃，还原时间2 ．5h ，升温速率5 ℃／m i n 。 将在此最优参数条件下制备的还原熟料进行磨矿、磁 选试验，具体磨选工艺为磨矿细度- 0 ．0 7 4m m 粒级占 6 8 ％，磁场强度8 0k A ／m 。试验结果见表4 。 表4 分选试验结果 由表4 可知，采用煤基直接还原一磁选工艺处理含 硼磁铁精矿，硼和铁得到了较好的分离和富集。铁粉 中T F e 含量为9 2 ．7 1 ％，回收率达9 5 ．1 1 ％，经压块后可 替代废钢作为电弧炼钢的良好原料；富硼渣中含B O ， 1 4 ．5 1 ％，回收率为8 8 ．6 9 ％，可作为“碳碱法”生产硼砂 的优良原料。但其中铁粉中B O ，含量依然高达 0 ．9 6 ％，关于铁粉中硼的脱除有待进一步考察研究。 3 结论 1 含硼磁铁精矿中T F e 品位5 5 ．5 5 ％，B O ， 4 ．2 2 ％，其中铁主要以磁铁矿的形式存在，硼主要以硼 镁石的形式存在，部分以硼镁铁矿相存在，主要脉石矿 物为蛇纹石等。通过实验室试验验证，采用煤基直接 还原一磁选工艺处理含硼磁铁精矿，可以有效地实现含 硼磁铁精矿中硼铁的二次分离。试验结果表明，在升 温速率5 。C ／m i n ，还原温度11 2 5 ℃及还原时间2 ．5h 的最优还原工艺条件下，还原物料通过磁选可获得 T F e 品位9 2 ．7 1 ％、回收率为9 5 ．1 1 ％的铁粉及含B O ， 1 4 ．2 7 ％、回收率为8 8 ．6 9 ％的富硼渣。 2 在煤基直接还原焙烧过程中，有一大部分硼富 集于铁粉 含B O ，O ．9 6 ％ 中，关于铁粉中硼的脱除， 进一步提高硼资源回收率有待下一步研究。 参考文献 [ 1 ] 赵庆杰，何长清，王常任，等．硼铁矿磁选分离综合利用新工艺 [ J ] ．东北大学学报，1 9 9 6 ，1 7 6 5 8 8 5 9 2 ． [ 2 ]郎建峰，艾志，张显鹏，等．“高炉法”综合开发硼铁矿工艺中铁 硼分离基本原理及工艺特点[ J ] ．矿产综合利用，1 9 9 6 3 卜3 ． [ 3 ]张显鹏，郎建峰，崔传盂，等．低品位硼铁矿在高炉冶炼过程中的 综合利用[ J ] ．钢铁，1 9 9 5 ，3 0 1 2 9 1 1 ． [ 4 ] 李壮年，储满生，王兆才，等．凤城含硼铁精矿硼铁分离新工艺 [ C ] ／／2 0 0 9 年中国钢铁年会论文集．北京冶金工业出版社， 2 0 0 9 4 3 2 - 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