新疆菱铁矿煤基磁化焙烧-磁选工艺研究.pdf
第3 4 卷 2 0 1 4 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N Dh 唧A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 .3 4 A u g u s t2 0 1 4 新疆菱铁矿煤基磁化焙烧- 磁选工艺研究① 杜永强1 ,朱德庆2 ,罗艳红2 ,潘建2 1 .新疆昌平矿业公司,新疆乌鲁木齐8 3 0 0 1 9 ;2 .中南大学资源加工与生物工程学院,湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要菱铁矿是一种重要的铁矿资源,但难以采用常规重选、浮选或磁选等分选方法进行分选。以新疆某菱铁矿为原料,采用磁 化焙烧一磁选工艺进行了详细研究。结果表明,1 0 1 6m i l l 的菱铁矿在焙烧温度8 0 0o C 、焙烧时间1 5m i n ,不配煤的条件下,焙烧产 品磨至一0 .0 7 4m m 粒级占9 8 %后经一次弱磁选 磁场强度为O .1 9T ,可获得铁品位6 3 .5 5 %的铁精矿,铁回收率为9 5 .7 6 %。产品 S E M 分析表明,由于钙、镁、锰与铁呈类质同象,其氧化物以固溶体形式微细粒嵌布在铁氧化物中,通过进一步球磨磁选来提高铁 品位的难度较大。 关键词菱铁矿;磁化焙烧;磁选 中图分类号T D 9 2 5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 5 文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 4 0 8 - 0 2 3 8 - 0 6 近年来随着我国钢铁工业的快速发展,国产铁矿 资源满足不了要求,对进口铁矿的依存度高达6 0 %一 7 0 %,导致矿价飞涨,严重压缩我国钢企利润空间,近 三年来我国钢铁工业处于微利时代。如何解决铁矿资 源供应,减少矿价对钢铁工业冲击具有重要意义。 我国菱铁矿资源较为丰富,已探明储量为1 8 .3 4 亿吨,占铁矿石探明储量的3 .4 %,另有保有储量1 8 .2 1 亿吨‘2J 。菱铁矿大多数以碎屑颗粒或胶结物的形式 广泛的分布于不同环境的沉积岩中,特别是在湖泊和 海相沉积物中十分常见旧J 。菱铁矿常见于变质沉积 岩中,伟晶岩中也可能出现菱铁矿。由于菱铁矿的理 论铁品位较低,采用常规选矿方法 重选、磁选、浮 选 ,铁精矿品位很难达到4 5 %以上,但经过焙烧后由 于碳酸盐的分解,烧损较大而可大幅度提高铁品位。 磁化焙烧一弱磁选是最可靠的菱铁矿选矿工艺,虽然 要经过焙烧工序,加工成本相对较高,但随着铁矿石资 源的短缺和价格的升高,该技术的研究应用E t 趋升温。 多家单位对此进行了研究。1 1 I ,例如长沙矿冶研究院 开发成功的低品位菱褐铁矿磁化焙烧新工艺对新疆某 菱褐铁矿进行了工业磁化焙烧试验和试生产,试验装 置采用该院设计和提供的回转窑磁化焙烧成套装置。 在焙烧温度为7 0 0 ~7 5 0o C ,回转窑转速为0 .5 5r /m i n , 焙烧时间为5 0m i n ,处理量5 5t /h 的条件下,焙烧矿经 磁选选别得到铁精矿产率6 5 %,铁品位为6 3 %,回收 率为9 0 %的良好指标。本文以新疆某菱铁矿为原料, 以褐煤为还原剂,进行磁化焙烧.磁选工艺研究,为合 理开发该资源提供依据。 1 原料性能与研究方法 1 .1 原料性能 试验所用矿样的多元素化学成分分析结果如表1 所示。该矿石铁品位为3 5 .4 3 %,需要排除的脉石组分 有S i O 和A 1 O ,,S 含量稍微有点高,P 含量低,烧损 大,经过焙烧后,品位即可得到提高,通过磁化焙烧的 方法富集后,将是一种优质的冶金炉料。 表1 铁矿石的多元素化学成分 质量分数 /% T F eF e O F e 2 0 3S i 0 2 A 1 2 0 3 C a O M g O 2 .3 60 .6 6O .1 20 .0 3 3 0 .2 42 8 .8 9 矿样的x 射线衍射分析 见图1 表明,该矿石中 主要成分为菱铁矿,其次是石英和方解石。矿物组成 表2 为菱铁矿、赤铁矿、方解石、石英、白云石、氧化 ①收稿日期2 0 1 4 0 6 - 2 8 作者简介杜永强 1 9 6 2 一 ,甘肃人,高级工程师,主要从事矿山技术开发与管理工作。 2 0 / 。 图1 铁矿石X R D 分析图 万方数据 杜永强等新疆菱铁矿煤基磁化焙烧一磁选工艺研究 铝和含锰铁矿。铁的化学物相分析 见表3 表明菱铁 矿中的铁占该铁矿中的全铁的8 3 .1 2 %,其次是赤 褐 铁矿中的铁占11 .3 2 %,其他形式存在的铁含量少。 表2 铁矿石矿物组成 质量分数 /% 铁相 含量/%分布率/% 试验所用的还原剂为某褐煤,表4 7 分别为煤的 工业分析、煤的热稳定性、煤的软融特性和煤灰分的化 学成分分析。该煤的固定碳含量较高为5 2 .9 9 %,挥发 分含量也较高,属于变质程度较低的煤,且空气干燥基 全硫含量小于1 %,结焦指数较小,软融温度较高,大 于11 8 0 ℃,可满足磁化焙烧的要求。 表4 煤的工业分析 注F C a d 为空气干燥基固定碳;M a d 为空气干燥基水分;A d 为干燥基灰 分;V d a f 为干燥基挥发分。 表5 煤的热稳定性 表7 煤灰分的化学成分 质量分数 /% S i 0 2F e 2 0 3A 1 2 0 3T i 0 2 C a O M g OS 0 3P 2 0 5 K 2 0N a 2 0 在磁化焙烧过程中,为了使菱铁矿分解氧化后的 F e ,O 。不被继续氧化成弱磁性的仅一F e O ,,需要一定的 弱还原气氛,还原煤的反应主要是通过布多尔反应形 成C O ,从而提供还原气氛,因此,必须了解还原煤的反 应性。从图2 可见,还原煤在10 5 0o C ,大部分C O 将 通过布多尔反应生成C O ,当磁化焙烧温度维持在8 0 0 ℃左右时,C O / C O C O 的比值维持在2 0 %左右,能 满足磁化焙烧的弱还原气氛的要求。 温度/℃ 图2 煤对C O 化学反应性 1 .2 研究方法 试验流程图如图3 所示。原矿经过破碎筛分后, 进行磁化焙烧,得到焙烧矿,焙烧矿再经球磨磁选得到 磁选铁精矿。 精矿尾矿 图3 试验流程 矿石经采样后用颚式破碎机破碎并筛分成1 0 ~5 m I n 、1 6 1 0m m 和2 5 1 6m m 三个粒级;将煤粉破碎 至- 5m m 备用。将筛分后的矿石在1 0 5 ℃的恒温烘 箱中烘4h ,每次称取2 0 0g ,根据配比计算的煤量与所 称的菱铁矿混匀后铺在0 2 0 0m m 1 8 0m m 3 0m m 的耐火材料盒中,待马弗炉炉温达到设定温度后,将盒 子置人马弗炉中按预定时间进行焙烧后取出,并迅速 将矿石倒入水中冷却。冷却后的矿石在1 0 5 ℃的恒温 烘箱中烘4h 后破碎至一1m m ,缩分出5 0g 样进行化 验分析,另缩分出2 0g 进行磨矿一磁选试验 磨矿矿浆 浓度为5 0 %,磁选时间为1 0m i n 考察磁化焙烧条件 对磁选精矿铁品位和回收率的影响。并将最佳焙烧条 件下所得的焙烧矿进行磨矿细度、磁场强度和阶段磨 万方数据 矿冶工程 第3 4 卷 矿条件试验,考察磨矿细度和磁场强度对磁选精矿铁 品位和回收率的影响。焙烧设备为S X 4 0 0 x 2 0 0 2 8 0 型马弗炉;磨矿设备为X M Q 2 4 0 x 9 0 型锥形球磨机;磁 选设备为X C G S - 7 3 型磁选管,直径为5 0m m ,磁场强 度可调。 焙烧矿通过磨矿.磁选得到铁精矿,主要评价指标 为磁选精矿的铁品位和回收率。 2 结果与分析 2 .1 磁化焙烧工艺优化 2 .1 .1 焙烧温度 菱铁矿1 0 5m m ,无还原剂,焙烧时间1 5m i n ,磨 矿细度为- 0 .0 7 4m m 粒级占1 0 0 %,- 0 .0 4 3m m 粒级占 8 9 %,磁场强度为0 .1 9T ,焙烧温度对焙烧矿磁选指标 的影响结果如图4 所示。随着焙烧温度的升高,磁选精 矿铁品位呈上升趋势,但整体来看变化不大,从7 5 0 ℃ 的6 2 .1 8 %到9 0 0 ℃的6 3 .4 3 %,相差不到1 .5 个品位;铁 回收率的变化较明显,随着温度的升高先上升后下降, 并在8 0 0 ℃时达到最大值。这主要是因为当焙烧温度 太低,菱铁矿分解速度慢,导致分解不完全,或是只生成 了浮士体未氧化成磁铁矿,导致回收率低;温度太高,铁 氧化物易与S i O 生成弱磁性的铁橄榄石,从而使回收 率降低。因此,适宜的焙烧温度为8 0 0 ~8 5 0 ℃。 温度/℃ 图4 焙烧温度对磁选指标的影响 2 .1 .2 焙烧时间 菱铁矿1 0 ~5m m ,不加还原剂,焙烧温度8 0 0 ℃, 磨矿细度为- 0 .0 7 4m m 粒级占1 0 0 %,- 0 .0 4 3m m 粒级 占8 9 %,磁场强度为0 .1 9T ,焙烧时间对焙烧矿磁选指 标的影响结果如图5 所示。随着焙烧时间从1 0m i n 延长到2 5m i n ,精矿铁品位变化不明显,铁回收率先是 从1 0m i n 时的8 5 .0 6 %上升到1 5m i n 时的9 2 .1 0 %,继 续延长焙烧时间,铁回收率直线下降。这主要是因为, 焙烧时间不够,菱铁矿没有充分分解,从而回收率较低, 但焙烧时间过长,强磁} 生的磁铁矿和磁赤铁矿又容易氧 化成弱磁性的赤铁矿,因此适宜的焙烧时间为1 5m i n 。 逞 嚣 耄 寞 焙烧时间/m i n 图5 焙烧时间对磁选指标的影响 2 .1 .3 配煤量 菱铁矿1 0 ~5m m ,焙烧温度为8 0 0 ℃、焙烧时间 为1 5m ,磨矿细度为一0 .0 7 4m m 粒级占1 0 0 %,一0 .0 4 3 m m 粒级占8 9 %,磁场强度为0 .1 9T ,磁化焙烧进程中 配煤量对磁选指标的影响见图6 。不配煤时精矿铁品 位为6 2 .8 3 %,配煤时的精矿铁品位均大于6 3 %,但是除 了配煤量5 %时精矿铁品位为6 4 .1 2 %9 1 “ ,配煤量为1 0 % 和1 5 %时的精矿铁品位都介于6 3 %到6 4 %之间,总体来 说,精矿铁品位相差不大。铁回收率随着配煤量的增加 呈下降趋势,从不配煤到配5 %时下降幅度最大,从 9 2 .1 0 %下降到8 7 .8 5 %。这可能是因为不配煤时,焙烧 气氛接近中性气氛,随着配煤量的增加,逐渐从中性气 氛到弱还原性气氛转变,配煤量越大,还原气氛越浓。 按照分解反应式3 F e C O ,一F e ,0 4 C O 2 C 0 2 ,C O 和 C O 浓度越高越不利于反应向右进行,因此不配煤时 菱铁矿分解速度较配煤时的快。在中性气氛下,由于 菱铁矿分解生成的C O 具有氧化作用,可将生成的浮 士体氧化成强磁性的磁铁矿;而在弱还原气氛下,分解 生成的浮士体很难或不能转化成磁铁矿,因此磁选铁 回收率均没有不配煤时的高。综合来看,在密闭的设 备中焙烧时不添加还原剂能达到较好的焙烧效果。 煤含量/% 图6 配煤量对磁选指标的影响 2 .1 .4 菱铁矿粒度 不加还原剂,焙烧温度8 0 0 ℃、焙烧时间为1 5 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月 杜永强等新疆菱铁矿煤基磁化焙烧域选工艺研究 r a i n ,磨矿细度为- 0 .0 7 4l a i n 粒级占1 0 0 %,一0 .0 4 3m m 粒级占8 9 %,磁选磁场强度为0 .1 9T ,菱铁矿粒度对磁 选指标的影响见图7 。由图7 可见,菱铁矿粒度过大或 过小都不利于磁化焙烧,当菱铁矿粒度较小时,由于比 表面积增大,暴露在空气中的菱铁矿的表面积增加,与 空气接触后极易过氧化;当菱铁矿粒度过大时,传热及 氧化性气体向内传质所需的时间长,导致了靠近颗粒中 间的小区域由于氧化气氛不够强而保持着弱磁性的浮 士体状态。图中1 0 5r a i n 和1 6 ~1 0l l i /n 这两个粒级的 磁选指标均较好 1 0 ~5m /n 的精矿铁品位为6 2 .8 3 %,回 收率为9 2 .1 0 %;1 6 - 1 0m /n 的精矿铁品位为6 3 .8 9 %,回 收率为9 2 .3 0 % ,因此最佳的焙烧粒级为1 6 ~1 0r e a l 。 粒度/n u n 图7 菱铁矿粒度对磁选指标的影响 2 .2 焙烧矿磨矿- 磁选工艺优化 2 .2 .1 一段磨矿一磁选 菱铁矿粒度1 6 ~1 0m m ,不加还原剂,焙烧温度 8 0 0 ℃,焙烧时间1 5m i n ,所得焙烧矿进行一段磨矿, 磨矿细度对磁选指标的影响如图8 所示。随着磨矿细 度增加,精矿铁品位和回收率都是先增加后减小。这 9 6 9 5 更9 L l 碍9 3 掣 茸9 2 9 1 9 0 6 4 芝6 3 d 吲 卷6 2 逄 吐 6 1 6 0 霾雾 l l3 17 88 9 4 1 .0 4 3m m 粒锰含量/% 图8 磨矿细度对磁选指标的影响 主要是因为一方面磨矿细度不够,有用矿物与脉石没 有充分解离,这部分未充分单体解离的矿物进入精矿, 则精矿铁品位降低,如果进入尾矿,则回收率下降;磨 矿细度太细,在磁选的时候由于磁团聚的作用又容易 夹杂,从而影响精矿铁品位和回收率。因此最佳的磨 矿细度为一0 .0 7 4t o n i 粒级占9 8 %,一0 .0 4 3l l l l n 粒级占 7 8 %,此时的磁选效果最佳。 菱铁矿粒度1 6 ~1 0m l n ,不加还原剂,焙烧温度 8 0 0o C 、焙烧时间1 5m i n ,磨矿细度为- 0 .0 7 4m m 粒级 占9 8 %,- 0 .0 4 3i n l n 粒级占7 8 %,在不同磁场强度下对 焙烧矿一段磨矿产品进行一次磁选,精矿铁品位及回 收率的变化如图9 所示。磁选精矿的铁品位随着磁场 强度的变化几乎不变;而磁选精矿的回收率随着磁场 强度的提高先上升后下降,在磁场强度为0 .1 9T 时最 高,超过9 5 %。所以磁场强度应以O .1 9T 为宜。 磁场强度/T 图9 磁场强度对磁选指标的影响 2 .2 .2 阶段磨矿一磁选 针对磨矿细度增加但磁选精矿铁品位提高缓慢的 问题,进行了阶段磨矿试验。在阶段磨矿中,一段磨矿 细度 一0 .0 7 4m m 粒级占5 0 %,一O .0 4 3m l n 粒级占 3 1 % ,磁选磁场强度0 .1 9T ,得到的粗精矿的铁品位 为6 1 .7 9 %,回收率为9 3 .7 2 %。用该粗精矿进行第二 段磨矿和第二段磁选,第二段磁选所用的磁场强度 0 .0 9T ,菱铁矿粒度1 6 ~1 0m m ,不加还原剂,焙烧温度 8 0 0 ℃、焙烧时间1 5m i n ,磨矿细度对磁选指标的影响 如图1 0 所示。 结合图8 、图1 0 可知,经过第二段磨矿第二段磁 选后,精矿铁品位较第一段磨矿粗精矿铁品位的 6 1 .7 9 %增加了1 2 个百分点,且第二段磁选的回收 率均在9 8 %以上,但是最终铁精矿的品位仍然不能得 到较大幅度的提高,磨矿细度为一0 .0 4 3m m 粒级占 9 0 %条件下对应的精矿铁品位为6 3 .5 4 %,与最佳条件 的一段磨矿一段磁选得到的精矿铁品位 6 3 .5 5 % 相 当。由于阶段磨矿中第一段磨矿粒度较粗,磁选的回 收率不高 9 3 .7 2 % ,第二段磁选后虽然回收率都比较 高 大于9 8 % ,但二段磨矿二段磁选总的回收率均小 于9 3 %。因此,二段磨矿二段磁选后的铁精矿的品位 黝黝黝弱 万方数据 矿冶工程 第3 4 卷 未能得到很好的提高,反而使得回收率降低,总体效果 没有一段磨矿一段磁选好。 - 0 .0 4 3m m 粒缓含量/% 图l o 第二段磨矿细度对磁选指标的影响 2 .3 磁选产品性能分析 在上述最优条件下制备出品位为6 3 .5 5 %,回收率 为9 5 .7 6 %的铁精矿,该铁精矿的化学全分析如表8 所 示,尾矿的多元素成分分析见表9 。由表8 可以看出, 该铁精矿铁品位为6 3 .5 5 %,硅含量低,有害杂质S 、P 含量少,钙、镁、锰含量较高,使得该精矿的四元碱度较 高 为3 .6 5 ,属于自熔性精矿,与酸性铁精矿混合后 冶炼,能大大改善冶金性能。 表8 铁精矿化学全分析结果 质量分数 /% T F eF e OS i 0 2A 1 2 0 3C a O i g oK 2 0N a 2 0M n OP S 主要成分是铁;硅零星分布在该扫描区域,能看到明显 的颗粒界限,但粒度不足2 0 斗m ;钙的分布状况比较特 殊,既有能看到明显颗粒界限的较大颗粒,又有微细粒 零星分布的颗粒,对其中一个较大的颗粒进行能谱分 析表明,含钙较多其次是铁和镁,并有少量的锰,可以 推测该颗粒为铁方解石或铁白云石分解而成,零星分 布的钙在原矿中主要是以钙菱铁矿的形式存在。镁和 锰均匀且微细粒分布在含铁的区域。综合以上分析并 结合磁选精矿和磁选尾矿的化学成分,该矿石中绝大 部分的镁、锰以及少量的钙与铁呈类质同象分布。 1 .3o .1 42 .6 12 .6 50 .0 6 2 0 .0 2 84 .0 10 .0 1 4o .1 2 图1 】磁选精矿面扫描图 表9 磁选尾矿多元素成分分析结果 质量分数 /% S i 0 2A 1 2 0 3 C a O M g O M n OPS 7 .0 84 9 .7 56 .5 87 .9 80 .5 81 .0 10 .0 90 .8 4 2 对磁选尾矿的多元素化学成分分析表明通过磁 选后,硅、铝、硫、磷主要富集在尾矿中;钙在尾矿中的 含量较多,但精矿中也含有一定量的钙,说明大部分钙 可以通过磁选后脱除,但有一部分钙可能由于与铁呈 类质同象而不易脱除;镁、锰主要富集在铁精矿中,说 明镁、锰与铁紧密共生,较难分离。 为了明确磁选精矿中钙、镁、锰、硅和铁的分布情 况,对磁选精矿进行了面扫描和能谱打点分析,结果见 图1 1 。铁几乎分布在整个扫描的区域,说明该精矿中 图1 2 含钙区域的能谱图 为了进一步研究钙、镁、锰和硅的嵌布状况,将磁 选精矿中的一个颗粒放大后进行能谱分析,结果如图 1 3 ~1 5 所示。对该颗粒的一个较大区域进行能谱分析 表明主要是铁的氧化物。该颗粒中黑色部分为碳酸盐 分解留下的微小的孔洞,除此之外可见灰色和白色物 质微细粒嵌布其中,粒度大小不足5 斗m 。对其中的灰 色物进行能谱分析表明含钙较多,其次是铁,说明该颗 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月 杜永强等新疆菱铁矿煤基磁化焙烧磁选工艺研究 2 4 3 粒为铁方解石分解而成;对白色物进行能谱分析表明 主要含铁,其中还含有少量的镁和锰。因此可以说明, 由于少量的C a O 、M ’g O 、M n O 杂质微细粒嵌布在铁相 中,通过进一步细磨来提高精矿铁品位难度较大。 图1 3 单个颗粒区域能谱图 图1 4 单个颗粒中灰色物的能谱图 一 图1 5 单个颗粒中自色物的能谱图 3 结论 1 新疆某菱铁矿结构致密,成板状或粒状分布, 钙、镁和锰元素大多呈现类质同象赋存与菱铁矿中,传 统选矿方法不能有效分选该矿石。 2 磁化焙烧一磁选是分选该菱铁矿的有效工艺。 在不配煤、焙烧温度8 0 0 ℃,焙烧时间1 5m i n ,菱铁矿 粒度1 0 ~1 6i n n l ,焙烧矿磨矿细度为- 0 .0 7 4m l T l 粒级 占9 8 .5 6 %,磁场强度0 .1 9T 的条件下经过一次湿式磁 选,得到精矿铁品位6 3 .5 5 %,铁回收率9 5 .7 6 %。 3 对产品分析表明,焙烧矿经过磁选后可以脱除 9 0 %以上的硅、铝、硫、磷,7 5 %左右的钙也可以通过磁 选脱除,但还有小部分的钙富集在铁精矿中,并且 8 0 %以上的镁、锰也主要在精矿中富集。由于其中的 钙、镁、锰与铁呈类质同象,并且焙烧后少量的C a O 、 M g o 、M n O 等杂质微细粒嵌布在铁氧化物中,因此通 过细磨来提高铁品位难度较大。 参考文献 [ 1 ] 孙炳泉.近年我国复杂难选铁矿石选矿技术进展[ J ] .金属矿山, 2 0 0 6 3 1 1 1 3 . 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