菱褐铁矿回转窑磁化焙烧技术研究现状.pdf

第3 2 卷 2 0 1 2 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 I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 A u g u s t2 0 1 2 菱褐铁矿回转窑磁化焙烧技术研究现状① 薛生晖，张志华，郭永楠，刘 昌 长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘要介绍了回转窑磁化焙烧工艺技术的实验室试验、半工业试验、工业试验研究过程以及取得的成果。长沙矿冶研究院开发 的大型回转窑磁化焙烧技术与成套装备在处理中低品位菱、褐铁矿的工业试验中取得了圆满成功，同时在此过程中应用了多项先 进技术，生产顺畅，产品品质高，获得了较好的经济效益和社会效益，为综合回收处理中低品位菱、褐铁矿提供了良好的途径。 关键词菱褐铁矿；磁化焙烧；回转窑 中图分类号T F l l l文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 8 0 0 4 2 0 4 我国铁矿石资源储量虽大但不富，其中多组分共 伴生矿所占比例大‘1J 。在已探明的铁矿石储量中，贫 矿达到9 8 ％，平均含铁量仅为3 3 ％1 2o 。其中菱、褐铁 矿较多，中低品位的菱、褐铁矿已探明储量分别为 1 8 ．3 4 亿吨和1 2 ．3 亿吨H 。4J ，主要分布在陕西、新疆、 云南、江西、福建等地。利用传统的选矿方法很难将其 有效分选，经过近些年科研工作者1 3o 不断的努力，开 发出磁化焙烧．磁选这种新型选冶结合工艺。 相对传统选矿工艺，焙烧矿结构疏松，可磨性好， 极易用湿式弱磁选工艺分离口J 。除此之外，在焙烧过 程中脱除了矿物中的气体和结晶水，同时也排除有害 元素，例如硫化砷在焙烧时硫和砷变成气体从矿石中 排除。6J 。因此目前磁化焙烧技术是处理中低品位菱、 褐铁矿最典型有效的方法之一。 1 工艺基本原理及特点 1 ．1 工艺基本原理 菱、褐铁矿磁化焙烧是将矿石加热到一定温度后， 并在相应的气氛中进行物理化学反应的过程。焙烧过 程中的一定程度烧失，提高了焙烧矿品位，同时菱铁 矿、褐铁矿经磁化焙烧而转变为人工磁铁矿，脉石矿物 磁性变化不大，再经弱磁选等手段，可以进一步提高矿 石品位。7 I 。在磁化焙烧中低品位的菱、褐铁矿主要发 生以下反应 菱铁矿 F e C O ， 磁化焙烧反应 3 F e C 0 3 } F e 3 0 4 2 C 0 2T C OT 1 4 F e C 0 3 O ， 2 F e 2 0 1 4 C 0 2T 2 3 F e 2 0 3 C O 一2 F e 3 0 4 C 0 2 T 3 反应式 1 发生于4 0 0 ℃左右，在有少量氧气存 在的情况下，发生反应式 2 。当维持弱还原气氛则 发生反应式 3 。 褐铁矿 2 F e O ，3 H O 磁化焙烧反应 2 F e 2 0 3 3 H 2 0 一2 F e 2 0 3 3 H 2 0 4 3 F e 2 0 3 C 一2 F e 3 0 4 C O T 5 3 F e 2 0 3 C O 一2 F e 3 0 4 C 0 2 T 6 当焙烧温度升至3 0 0 4 0 0 ℃时，褐铁矿的结晶水 开始脱除，至6 0 0o C 脱除完毕，生成赤铁矿，反应如式 4 。赤铁矿在5 7 0 ℃时还原成磁铁矿，反应见式 5 ～ 6 。 1 ，2 工艺流程 图1 是菱褐铁矿回转窑磁化焙烧工艺流程图旧J ， 将中低品位原矿和还原煤按一定比例进行混合配料 后，从窑尾给料与热气流呈逆向运动进行磁化焙烧，产 出焙烧矿直接水淬冷却后经螺旋分级机穴运输皮带至 磁选工段进行选别。 铁矿石烟煤 焙烧矿烟气 章 苫- - r - - [ 鉴尘] 厂] 丝j 盟 返料仓排空 图1菱褐铁矿磁化焙烧工艺流程 ①收稿日期2 0 1 2 _ 0 5 - 2 8 作者简介薛生晖 1 9 6 2 一 ，男，甘肃兰州人，硕士，教授级高级工程师，主要从事矿冶工程技术研究与开发工作。 万方数据 2 0 1 2 年0 8 月薛生晖等菱褐铁矿回转窑磁化焙烧技术研究现状4 3 2 实验室研究结果 3 半工业试验结果 2 ．1 热力学与动力学过程 张汉泉等人[ 9o 对大冶铁矿磁化焙烧热力学进行 相应的研究，由C O 还原铁氧化物的平衡图 图2 可 知，只要F e C O ，分解，则在F e ，O 。稳定存在的温度下， 由F e C O ，分解的F e O 和原矿中的F e O ，都将向F e ，O 。 转化。 丁，K 图2C O 还原铁氧化物的平衡气相组成与温度的关系 庞永莉等人叫对大西沟菱铁矿分解动力学进行 了相应研究，得知大西沟菱铁矿在4 0 0 ℃左右开始发 生反应，在5 1 0o C 左右反应速率达到最大值，属易分解 物料，采用积分和微分法分别对实验数据进行处理，结 果表明分解反应符合F ．模型，即随机核化机理，其活 化能为E 3 5 5 ．3 9k J ／t o o l ，指前因子A 1 0 2 1 9 5 ，因而 得到菱铁矿热分解的动力学方程为 掣 1 0 2 1 ’9 5 e 。5 5 3 9 m ”／盯． 1 一d d Z 2 ．2 有关工艺参数 谢建宏等人对新疆某次生氧化型贫褐铁矿进 行磁化焙烧工艺研究，在焙烧温度8 0 0 ℃、焙烧时间 3 0r a i n 、煤粉添加量6 ％的工艺条件下，可获得品位 5 8 。2 5 ％、回收率6 6 ．0 0 ％的铁精矿。刘先军等人引对 新疆鄯善菱铁矿进行了相应的工艺试验研究，在中性 焙烧最佳温度6 5 0c C 、最佳焙烧时间8 0r a i n 条件下， 焙烧试验产品磁选管选别后得到精矿品位6 5 ．2 0 ％、 铁回收率9 1 ．3 1 ％的良好指标。张茂等人3 。针对云南 某铁品位3 7 ．5 4 ％的难选贫褐铁矿进行相应的磁化焙 烧工艺研究，在矿样加褐煤5 ％，焙烧温度9 0 0 ℃、焙 烧时间4 0r a i n 条件下取得焙烧矿样，采用连续磨矿， 磨至一0 ．0 7 4m m 粒级占6 0 ％左右，经弱磁一次粗选 和两次精选简单流程选别，取得精矿产率5 2 ．5 6 ％ 对 原矿 、精矿T F e 品位6 2 ．1 9 ％、回收率8 6 ．9 9 ％的 指标。 王秋林等人u 4o 对大西沟菱铁矿回转窑磁化焙烧 工艺参数进行正交试验研究，试验在①1 ．3mX2 4m 的回转窑上进行，结果表明，焙烧温度是影响菱铁矿焙 烧矿质量的第一因素，风煤比和给矿量对焙烧指标也 有重要影响，而焙烧时间对焙烧指标的影响不显著。 后来罗良飞等人纠在此基础上对大西沟菱铁矿 T F e 品位2 6 ．8 2 ％ 进行了相应的半工业试验，在焙烧温度 为7 5 0o C ，回转窑转速为0 ．7 6 ～1 ．0 3r ／m i n 、矿石经过 回转窑的时间为8 4 ～6 2m i n 、处理量为2 ．8 ～3 ．4t ／h 时，控制一定的气氛场将得到的焙烧矿直接排入水中 淬冷；水冷焙烧矿磨矿至一0 ．0 4 5i n l I l 粒级占9 5 ．6 0 ％， 经磁场强度1 1 9k A ／m 的磁选管选别，得到精矿的产 率为4 4 ．5 2 ％，T F e 品位为5 9 ．8 4 ％，回收率为8 6 ．4 1 ％ 的理想指标。 4 工业试验结果 薛生晖等人钊针对新疆某菱褐铁矿进行了大型 回转窑磁化焙烧工艺技术研究，该工业试验在叫．n l 6 0m 回转窑中进行，实验用矿石为新疆某菱、褐铁共 生矿，且大部分菱铁矿已氧化成褐铁矿，原矿中铁品位 4 0 ．6 9 ％，以烟煤为还原剂，天然气作为辅助热源，在处 理量为5 5t ／h 、还原煤用量为6 ％、焙烧温度为7 0 0 ～ 7 5 0 ℃时，焙烧矿经弱磁选可得到T F e 品位6 2 ％左右、 铁回收率9 0 ％左右的铁精矿。 同时长沙矿冶研究院在本次工业试验屯使用了一 些专有技术””o 。 1 防氧化技术。为保证窑内的还原气氛，防止焙 烧矿在高温下接触空气而再次氧化，在窑头和窑尾分 别使用了锁气装置，以减少空气的混入量。焙烧矿由 窑头出料后直接采用水淬急冷方式冷却降温，可以将 7 0 0 ～8 0 0 ℃左右的焙烧矿急速降温至7 0c | C 左右，消 除了焙烧矿被再次氧化的可能，而且，这种水淬急冷方 式可以使焙烧矿产生大量裂纹，使后续的磨矿更易进 行，从而大大降低磨矿成本。 2 预防及控制结圈技术。回转窑在工业生产中 很容易产生结圈现象，尤其是在中低温处理全粒级物 料时结圈现象更为严重。根据磁化焙烧原料以及结圈 产物的成分，分析结圈形成原因以及模拟结圈形成过 程，经过多次试验探索，通过调节燃料火焰长短、控制 二次空气风量的大小来抑制初始结圈物的形成，同时 调节工艺及设备运行参数，使形成的结圈可以自动、周 期性脱落，解决了网结圈导致生产不顺的问题，目前已 万方数据 矿冶工程 实现了回转窑的长时间连续生产。 5 工业应用 继工业试验成功之后，菱褐铁矿回转窑磁化焙烧 技术分别在新疆和云南等地应用于工业化生产7 。 新疆某选厂采用此工艺新建5 条似m 6 0m 回转窑 生产线，年处理原矿2 0 0 万吨。处理的原矿为氧化较 为强烈的菱铁矿石，矿石中铁主要以高价氧化铁形式 赋存在赤 褐 铁矿中，保留着菱铁矿特有的菱形解 理，呈半自形～自形晶粒状花岗岩变晶结构。其化学 成分见表1 ，物相组成见表2 。 表1 新疆矿石的化学成分 质量分数 ／％ 碳酸铁 赤褐铁 磁铁矿 硫化铁 硅酸铁 全铁 1 ．3 8 3 8 ．1 5 O ．1 0 0 ．1 4 O ．9 2 4 0 ．6 9 3 ．3 9 9 3 ．7 6 O ．2 5 0 ．3 4 2 ．2 6 1 0 0 ．0 0 在焙烧温度为7 0 0 8 0 0 ℃，回转窑转速为0 ．5 r ／m i n ，给矿量为5 5t ／h 的条件下进行磁化焙烧。得到 的焙烧矿每两小时取一次样，焙烧矿经破碎、磨矿至 一0 ．0 7 4m m 粒级占7 0 ％左右，用磁场强度为0 ．1 8T 的磁选管进行磁选，不同焙烧温度下得到的磁选结果 均值见表3 。 表3 不同条件下的磁选结果 第3 2 卷 可见处理该矿石的最佳焙烧温度在7 0 0 ～7 5 0o C ， 此时磁选管磁选所得铁精矿品位为6 3 ％左右，铁回收 率为9 5 ％左右。 实际生产中，经磁选流程处理后精矿品位平均达 到了6 1 ％～6 2 ％，铁回收率达到了9 0 ％左右。 云南某选厂新建一条似m 6 0m 回转窑生产 线，年处理4 0 万吨原矿，主要处理褐铁矿矿石，其化学 成分见表4 ，物相组成见表5 。 表4 云南矿石的化学成分{ 质量分数 ／％ 碳酸铁 赤褐铁 磁铁矿 硫化铁 硅酸铁 全铁 O ．1 4 3 5 ．7 3 O ．9 0 0 ．1 l 0 ．6 6 3 7 ．5 4 O ．3 7 9 3 ．7 6 2 ．4 0 0 ．2 9 1 ．7 6 1 0 0 ．0 0 因该矿石嵌布粒度很细，经弱磁选及反浮选流程 处理后，精矿品位为5 8 ％～5 9 ％，铁回收率为7 5 ％一 7 7 ％。 根据选厂所在地的资源情况不同。新疆采用天然 气作为燃料，云南使用粉煤作为燃糯愿矿经破碎到 合格粒度和还原煤按一定比例进行混合配料后，从窑 尾给入回转窑，与热气流呈逆向运动，经过预热、烘干、 脱结晶水、磁化焙烧等过程，焙烧矿从窑头排出。窑头 采用专用的抛煤装置或天然气烧嘴将加热用的天然气 或粉煤抛人还原段，通过窑身二次供风系统调节窑内 温度及气氛，从而达到最佳的焙烧条件，将菱、褐铁矿 尽可能转化成磁铁矿。根据目前生产情况，均达到良 好生产指标。 6 结论 1 因菱褐铁矿自身的性质和特点，磁化焙烧技术 是处理中低品位菱、褐铁矿的最有效工艺，为综合利用 该类矿石提供了新的路径。 2 针对菱褐铁矿磁化焙烧工艺，学者们已进行了 相应的基础研究、最佳工艺参数研究、半工业试验、工 业试验，使磁化焙烧技术成功实现了工业化应用。 万方数据 2 0 1 2 年0 8 月 薛生晖等菱褐铁矿回转窑磁化焙烧技术研究现状 4 5 3 长沙矿冶研究院开发的大型回转窑磁化焙烧 技术与成套装备在处理中低品位菱、褐铁矿的工业试 验中实现了完满成功，同时在此过程中应用了多项先 进技术，产品品质高，生产顺行，获得了很好的经济效 益和社会效益。 参考文献 李创新．对利用两种铁矿资源的思考[ J ] ．冶金经济与管理，2 0 0 3 3 1 l 一1 5 ． 司晓悦．我国铁矿石进口的战略与对策[ J ] ．东北大学学报， 2 0 0 3 ，5 5 3 5 5 3 5 7 ． 罗立群，张泾生，高远扬，等．菱铁矿干式冷却磁化焙烧技术研究 [ J ] ，金属矿山，2 0 0 4 1 0 2 8 3 5 ． 谢兴中，王毓华．褐铁矿选矿研究现状与思考[ J ] ．金属矿山， 2 0 1 0 1 6 ～1 0 ． N o g u e i r aRC ，O g a s a w a r aT ．P u r i f i c a c a oD eM i n e f i oD eF e r r oA t r a v e s AS e p a r a c a o M a g n e t i c aN oE s t a d oP a r c i a l m e n t eR e d u z i d o ．L e f t B r a c k e tP u f i f i c a t i o nO fP a r i t i M l yR e d u c e dI n nO r eB yM a g n e t i cS e p a r a t i o n [ C ] ／／R i g h tB r a c k e t ．3 3 耐C o n g r e s s oA B M P r oC o r d “ 。P o r t u ． g u R i od eJ a n e f i o ，1 9 7 8 ． 刘万灵．缺氧磁化焙烧技术应用于处理硫砷金精矿[ J ] ．黄金， 2 0 0 2 ，2 1 1 2 2 6 2 8 ． [ 7 ] nE 奥斯塔平科．铁矿石选矿[ M ] ．北京冶金工业出版社， 1 9 8 1 ． “ [ 8 ] 郑子恩．大型回转窑磁化焙烧菱铁矿的工艺设计[ J ] ．工程设计 与研究，2 0 0 8 6 4 6 ． [ 9 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