（矿物加工工程专业论文）鲕状赤铁矿分选行为及磁化焙烧的基础研究.pdf

分类号u d c 硕士学位论文 密级 l i i i ill u iii ii i ilu l y 1719 2 4 2 鲕状赤铁矿分选行为及磁化焙烧的基础研究 t h eb e n e f i c i a t i o nb e h a c i o r sa n dm a g n e t i cr o a s t i n g r e a s e r c ho fo o l i t i ch e m a t i t eo r e s 作者姓名：杨林 学科专业：矿物加工工程 学院( 系、所) ：资源加工与生物工程学院 指导教师： 副指导教师： 姜涛教授 郭宇峰副教授 论文答辩日期冱 ! ：! 兰厶答辩委员会主席苞! 盟 中南大学 二。一。年五月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：l 塑查企日期：2 4 年上月4 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：蜷导师签名趣日期：业年三月阜日 摘要 我国鲕状赤铁矿资源丰富，约占全国铁矿资源总量的1 9 ，由于 鲕状赤铁矿嵌布粒度极细，矿物组成和矿石结构及构造复杂，是国内 外公认的最难选的铁矿石类型之一，因此，这部分铁矿资源目前基本 没有得到开发利用。随着国内高品位富矿及易选矿资源的日趋枯竭， 国内钢铁行业正面临着巨大的原料供应压力，研究鲕状赤铁矿资源的 选矿技术，对于我国钢铁行业的持续发展具有重要的战略意义和经济 价值。 本文以我国贵州某地鲕状赤铁矿资源为对象，在系统研究重选、 强磁分选及强磁一浮选等物理选矿方法选别鲕状赤铁矿的效果及其制 约因素的基础上，重点研究了磁化焙烧一磁选流程对鲕状赤铁矿选别 指标和铁精矿脱磷的影响因素及适宜工艺制度，并应用热力学及动力 学理论和x 射线衍射分析、显微镜矿相分析等测试技术研究了影响磁 化焙烧一磁选选别指标的机制，通过研究得出以下结论： ( 1 ) 采用摇床分选、高梯度强磁分选及强磁一浮选流程等物理选 矿方法对鲕状赤铁矿进行的分选研究发现，摇床分选指标相对较好， 但所获得的铁精矿铁品位仅为5 4 2 2 ，回收率为3 3 7 4 。矿石磨矿 过程中易于泥化及含铁矿物嵌布粒度极细是制约鲕状赤铁矿物理选 矿分选效果的主要因素。 ( 2 ) 磁化焙烧一磁选的研究结果表明，鲕状赤铁矿采取球团方式 进行磁化焙烧一磁选与采取粉矿方式相比，获得的铁精矿铁品位可由 5 2 3 1 提高到5 4 2 0 ，但回收率基本相当，在8 0 左右。磁化焙烧过 程中配加添加剂能提高铁精矿铁的回收率，但对铁品位基本没有影 响。 ( 3 ) 对铁精矿进行的酸浸脱磷研究结果表明，酸浸能显著降低 铁精矿的磷含量，并可提高铁品位，在适宜的酸浸制度下，铁精矿的 磷含量由0 2 5 8 降低到0 0 5 5 ，铁品位由5 4 左右提高到5 7 左右。 ( 4 ) 磁化焙烧一磁选机制研究表明，磁化焙烧过程中，赤铁矿还 原成磁铁矿的反应在热力学上极为容易发生，在动力学上反应速率较 快，不会成为赤铁矿还原成磁铁矿反应的制约性因素，但是磁化焙烧 过程仅能改变铁的物相而不能改变含铁矿物的粒度及嵌布关系，磁化 焙烧矿中含铁矿物的粒度及嵌布关系对原矿具有继承性，这是制约鲕 状赤铁矿磁化焙烧一磁选分选效果的内在原因。磁化焙烧过程中配加 添加剂对赤铁矿还原成磁铁矿反应速率的影响不大，仅略能改变含铁 矿物的粒度及嵌布关系，但作用极为有限，因而对磁化焙烧一磁选分 选效果改善不大。鲕状赤铁矿磁化焙烧一磁选分选效果取决于原矿中 含铁矿物的粒度及嵌布关系。 本文在鲕状赤铁矿磁化焙烧一磁选研究过程中，提出了磁化焙烧 过程仅能改变铁的物相而不能改变矿石中铁矿物的粒度及嵌布关系， 即磁化焙烧矿中含铁矿物的粒度及嵌布关系对原矿具有继承性的观 点，揭示了制约鲕状赤铁矿磁化焙烧一磁选分选效果的内在原因。此 外，还首次研究了添加剂对鲕状赤铁矿磁化焙烧一磁选分选效果的影 响极其机理，上述研究工作，丰富了磁化焙烧一磁选理论，为鲕状赤 铁矿磁化焙烧一磁选的工业应用提供理论指导。 关键词：鲕状赤铁矿，物理选矿，磁化焙烧一磁选 a b s t r a c t t h eo o l i t i ch e m a t i t ei sa b u n d a n ti no u rc o u n t r y , a c c o u n t i n gf o rl 9 0 f t h et o t a li r o no r er e s o u r c e s h o w e v e r , t h i st y p ei r o nr e s o u r c eh a sn o tb e e n w i d e l ye x p l o i t ef o ri t sf i n ep a r t i c l ed i s t r i b u t i o n ，c o m p l e xs t r u c t u r ea n d c o m p o s t i o n w i t ht h eh i g hc o m s u m p t i o no fh i g hg r a d eo r ef o re a s y s e p a r a t i o nc o n t i n u a l l y , s t e e li n d u s t r yi sf a c i n gt r e m e n d o u sp r e s s u r ef r o m r a wm a t e r i a ls u p p l y t h ejo bo fe x p l o r i n ga n dp r o c e s s i n gt h eg r a d ea n d r e f r a c t o r yh e m a t i t eo r ei sq u i e t l yu r g e n t i nt h i sp a p e r , t h es a m p l e ss a m p l e sw e r eh i g hp h o s p h o r u so o l i t i t e f r o mg u i z h o u f i r s t l y , c o n v e n t i o n a lp h y s i c a lb e n e f i c a t i o nm e t h o d sw h i c h i n c l u d es h a k i n gt a b l e ，h i g h i n t e n s i t ym a g n e t i cs e p a r a t i o na n df l o a t i o n w e r eu s e dt o s e p a r a t e t h i so o l i t i t e h e m a t i t e ，m a i n l y t o s t u d y t h e c o n s t r a i n t so fc o n v e n t i o n a l s e p a r a t i o n s e c o n d l y ,m a g n e t i c r o a s t i n g - m a g n e t i cs e p a r a t i o np r o c e s sw a su s e d t o s e p a r a t e o o l i t i t e h e m a t i t ea n dd e p h o s p h o r i z a t i o n ，t of i n do u tt h ea f f e c t i n gf a c t o r sa n d a p p r o p r i a t et e c h n o l o g ys y s t e m so ft h i sp r o c e s s t h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i s ， k i n e t i ca n a l y s i s ，x r a yd i f f r a c t i o na n dm i c r o s t r u c t u r ea n n l y s i sw e r ea l s o u s e dt os t u d yt h em e c h a n i s mo fm a g n e t i cr o a s t i n g m a g n e t i cs e p a r a t i o n t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w e d ： ( 1 ) t h er e s u l t so fp h y s i c a ls e p a r a t i o nm e t h o d si n d i c a t et h a ts h a k i n g t a b l es e p a r a t i o nc a no b t a i na r e l a t i v e l yg o o di n d e x ，w i t hac o n c e n t r a t eo f 5 4 2 2 f eg r a d ea n d3 3 7 4 f er e c o v e r y s l i m i n gi ng r i n d i n gp r o c e s s a n df i n e p a r t i c l ee m b e d m e n tw e r et h em a i nr e a s o n st or e s t r i c to o l i t i t e h e m a t i t es e p a r a t i o n ( 2 ) t h er e s u l t so fm a g n e t i cr o a s t i n g - s e p a r a t i o ns h o wt h a tp e l l e t m a g n e t i cr o a s tc a no b t a i nah i g h e rg r a d eo fi r o nc o n c e n t r a t et h a nt h a to f p o w d e rm a g n e t i cr o a s t i n gw i t ht f e5 2 31 g r o w i n gt o5 4 2 0 ，b u tt h e r e c o v e r i e sw e r ea l m o s tt h e s a m e ，k e e p i n ga ta b o u t8 0 a d d i t i v ec a n i m p r o v et h ei r o nr e c o v e r yo fc o n c e n t r a t e ，b u th a sn om o r ee f f e c to ni r o n g r a d e ( 3 ) t h er e s u l t so fd e p h o s p h o r i z a t i o ni n d i c a t et h a ti r o nc o n c e n t r a t e l e a c h e db ya c i dc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ep h o s p h o r u sc o n t e n ta n d i l l i n c r e a s et h ei r o ng r a d e u n d e rt h ea p p r o p r i a t ea c i dl e a c h i n gp r o c e s s ，t h ep c o n t e n to fi r o nc o n c e n t r a t ec a nb er e d u 【c e df r o m0 2 58 t o0 0 6 5 a n d t h ef eg r a d ei n c r e a s e df r o m5 4 t o5 7 ( 4 ) t h e m e c h a n i s mr e s e a r c ho fm a g n e t i c r o a s t i n g - m a g n e t i c s e p a r a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h er e d u c t i o no fh e m a t i t et om a g n e t i t ew a s e x t r e m e l ye a s yt oh a p p e na n dt h ek i n e t i c sr a t eo fm a g n e t i cr o a s t i n g p r o c e s sw a sf a s t s ot h ek i n e t i cw a s n o tt h er e s t r i c t i v ef a c t o ro fm a g n e t i c r o a s t h o w e v e r , m a g n e t i cr o a s tc a no n l yc h a n g et h ep h a s eo fi r o nr a t h e r t h a nt h em i c r o s t r u c t u r eo fo r e ，w h i c hm e a n st h a tt h em a g n e t i cr o a s to r e h a st h es a m em i c r o s t r u c t u r et ot h er a wo r e t h i si st h ei n t e r n a lr e a s o nt o r e s t r i c tm a g n e t i cr o a s t i n g - m a g n e t i cs e p a r a t i o n a d d i t i v ec a nn o tc h a n g e t h ec o n t r o lu n i to ft h er e a c t i o n ，h a v el i t t l ee f f e c to nt h er e a c t i o nr a t eo f h e m a t i t er e d u c i n gt om a g n e t i t e ，h a v el i t t l ee f f e c to nt h ec h a n g eo ft h e m i c r o s t r u c t u r eo fo r ea n dp r o m o t i o no ft h e g r a i ng r o w t h a n d c t y s t a l l i z a t i o no fm a g n e t i t e s o i th a sl i t t l ee f f e c tt o i m p r o v e t h e m a g n e t i cr o a s t i n g m a g n e t i cs e p a r a t i o n 1 1 1 e r e s u l t so f m a g n e t i c r o a s t i n g m a g n e t i cs e p a r a t i o nd e p e n d o nt h ed i s s e m i n a t i o ns i z ea n d e m b e d m e n t r e l a t i o n s h i po fi r o nm i n e r a l i nt h eo r e t h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fm a g n e t i cr o a s t i n g - m a g n e t i cs e p a r a t i o n s t u d y , p r e s e n t e dt h ev i e wt h a tm a g n e t i cr o a s tc a no n l yc h a n g et h ep h a s e o fi r o nr a t h e rt h a nt h em i c r o s t r u c t u r e ，e s p e c i a l l yt h ed i s s e m i n a t i o ns i z e a n dd i s t r i b u t i o no ft h eo r e ，w h i c hr e v e a l e dt h eu n d e r l y i n gr e a s o n st ol i m i t t h em a g n e t i cr o a s t i n g - m a g n e t i cs e p a r a t i o n i na d d i t i o n ，a d d i t i v ee f f e c to n t h es e p a r a t i o na n dt h em e c h a n i s mo fo o l i t i t eh e m a t i t em a g n e t i cr o a s tw a s s t u d i e df o rt h ef r i s tt i m e t h i sr e a s e a c hp r o j e c te n r i c h e dt h em a g n e t i c r o a s t i n g m a g n e t i cs e p a r a t i o nt h e o r ya n dh a s ag o o dg u i d a n c ef o rt h e i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s o fo o l i t i t e h e m a t i t ew i t ht h e m a g n e t i c r o a s t i n g m a g n e t i cs e p a r a t i o n k e yw o r do o l i t i t eh e m a t i t e ，c o n v e n t i o n a lp h y s i c a ls e p a r a t i o n ， m a g n e t i cr o a s t i n g m a g n e t i cs e p a r a t i o n i v 1 4 研究目的及主要研究内容1 8 第二章原料性质及研究方法1 9 2 1 原料性质1 9 2 1 1 矿石1 9 2 1 2 还原煤1 9 2 2 研究方法及设备2 0 2 2 1 矿样制各2 0 2 2 2 物理选矿研究方法2 0 2 2 3 磁化焙烧一磁选研究方法2 1 2 2 4 动力学研究方法2 1 2 2 5 主要设备及试剂2 2 第三章鲕状赤铁矿物理分选行为研究2 4 3 1 磨矿动力学特性曲线2 4 3 2 摇床分选2 5 3 3 高梯度强磁选2 7 3 4 强磁一浮选流程2 9 3 4 1 强磁分选2 9 3 4 2 强磁精矿浮选3 1 i i i 1 l 2 5 6 7 8 2 5 6 7 7 1 1 l l 1 1 i 3 5 讨论3 4 3 6 小结3 5 第四章鲕状赤铁矿磁化焙烧一磁选技术研究3 7 4 1 粉矿磁化焙烧一磁选研究3 7 4 1 1 焙烧温度的影响3 7 4 1 2 焙烧时间的影响3 8 4 1 3 焙烧煤粉配比的影响3 9 4 2 球团磁化焙烧一磁选研究4 0 4 2 1 焙烧温度的影响4 0 4 2 2 焙烧时间的影响4 0 4 3 选别流程及添加剂的影响4 1 4 3 1 选别流程的影响4 1 4 3 1 添加剂对磁化焙烧一磁选的影响4 3 4 4 磁化焙烧一磁选精矿脱磷研究4 3 4 4 1 浸出剂种类的影响4 4 4 4 2 浸出剂用量的影响4 4 4 4 3 浸出时间的影响4 5 4 3 4 搅拌速度的影响4 5 4 3 5 液固比的影响4 6 4 5 全流程试验4 6 4 6 小结4 7 第五章鲕状赤铁矿磁化焙烧动力学及机理研究4 9 5 1 磁化焙烧热力学研究4 9 5 2 磁化焙烧动力学研究5 3 5 2 1 原矿磁化焙烧动力学研究5 3 5 2 2 添加剂对磁化焙烧动力学的影响5 7 5 3 焙烧矿物相及显微结构分析5 9 。5 4 小结6 2 第六章结论6 4 参考文献6 6 致谢7 0 攻读硕士学位期间主要成绩7 1 硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 鲕状赤铁矿的资源概况 第一章文献综述 世界铁矿资源丰富，据美国地质调查局报告，截止2 0 0 5 年底，世界铁矿石储 量为l6 0 0 亿t ，储量基础为37 0 0 亿t ，铁金属储量为8 0 0 亿t ，储量基础为18 0 0 亿t 。世界铁矿资源分布的特点是南半球国家富铁矿床多，如巴西、澳大利亚、南 非等国家；北半球国家贫铁矿床多，如前苏联地区、美国、加拿大、中国等【卜 q o 国外鲕状赤铁矿资源储量丰富【_ 7 1 ，成矿年代主要为侏罗纪及白垩纪。主要有 埃及巴哈里绿洲g h o r a b i 山铁矿床，是一种不规则的红铁矿矿床，已探明储量 6 4 5 0 万吨，远景储量1 0 1 7 0 万吨：加拿大艾伯塔西北部c l e a r 丘陵地区皮斯河铁 矿床，其储量先前报道为2 亿吨，后介绍为1 0 亿吨以上：以色列马纳拉r a m i m 鲕状赤铁矿，是以色列目前已知最大的低品位沉积铁矿床，矿石储量为4 0 0 0 万 吨；美国阿巴拉契亚地区红铁矿，其储量为5 3 亿吨，矿床为志留纪德沉积红铁 矿，通称“克令顿”矿石；沙特阿拉伯w a d if a t i m a 鲕状赤铁矿，是沙特大型铁 矿床之一，已探明的矿石储量为7 0 0 0 万吨；法国洛林鲕状赤铁矿，铁矿石储量 约9 0 亿吨，占法国铁矿石总储量的9 0 左右；前西德北部s a l z g i t t e r 地区鲕状赤 铁矿，矿石储量约3 0 亿吨；前苏联萨科夫地区鲕状赤铁矿，此矿床表内外矿石 总储量共计4 7 8 7 亿吨。 我国的鲕状赤铁矿储量也极为丰富，占我国铁矿资源总量的1 9 t 8 9 1 ，主要 分布在湖北，云南，贵州，广西，江西、河北及安徽等省；虽然有各种不同的类 型，但是成矿原理基本一致，只是成矿年代有所不同。其中主要有北方的宣龙式 鲕状赤铁矿和南方的宁乡式鲕状赤铁矿。宣龙式鲕状赤铁矿成矿年代为震旦纪， 而宁乡式鲕状赤铁矿的成矿年代为侏罗纪。国内外鲕状赤铁矿主要化学成分见表 1 - 1 目前，该类型的铁矿石资源基本没有得到大规模开发利用，但其储量又极为 丰富，随着我国钢铁工业的高速发展，富铁矿和易选的贫铁矿储量日趋枯竭，国 内钢铁行业过多依赖于进口矿，同时进口矿的价格不断上涨，为了缓解国内钢铁 行业的压力，开展鲕状赤铁矿资源开发利用的研究具有很重要的战略及经济意 义。 硕士学位论文第一章文献综述 表1 - 1 国内外鲕状赤铁矿主要化学成分 t a b l e1 - 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f0 0 l r i t eh e m a t i t ea r o u n dt h ew o r l d 1 2 鲕状赤铁矿的矿物学特征 国外鲕状赤铁矿资源储量丰富，主要分布在加拿大，法国，美国，埃及，以 色列，沙特阿拉伯，德国及前苏联等国家【刀。都属于沉积型矿床。 加拿大艾伯塔西北部c l e a r 丘陵地区皮斯河铁矿床的矿石为鲕状针铁矿矿 石。原矿铁品位为3 2 - - 3 6 ，有价铁矿物主要是针铁矿，其次是少量的菱铁矿。 矿物学特征为：主要杂质是含铁蛋白石和绿脱石的硅石，少量石英在鲕状灰岩或 土状基质中呈单体颗粒。矿石中含磷较高。鲕粒的形状由球形到椭圆形，直径 5 0 - 1 0 0 0 微米。鲕粒核心为石英，其外环绕有菱铁矿、绿脱石和非晶形磷酸盐 同心层。鲕粒的平均组分为：菱铁矿占4 5 ，绿脱石占4 5 ，石英占5 ，非晶 形磷酸盐5 。折算成含f e 4 3 ，s i 0 22 0 ( 包含石英鲕核) ；无石英核的鲕粒含 f e 4 6 ，s i 0 215 。 法国洛林地区鲕状铁矿是法国重要的铁矿床资源，其矿物学特征为：矿石中 主要铁矿物为褐铁矿、菱铁矿及少量针铁矿；脉石矿物为石英、石灰石和粘土。 根据该矿石中c a o 和s i 0 2 含量不同，可分为钙质和硅质两大类鲕状铁矿，其总 储量各占一半。原矿含铁般为3 0 左右。鲕粒粒度范围为4 0 3 1 5 微米。 美国阿巴拉契亚地区红铁矿资源的主要部分集中在阿拉巴马州的伯明翰地 2 硕士学位论文第一章文献综述 区，矿床为侏罗纪的沉积红铁矿，通称“克令顿型矿石。该矿石有两种结构类 型：1 ) 鲕状矿石，由细微的石英核与同心的氧化铁、碳酸钙、粘土层聚集而成； 2 ) 化石类矿石，由氧化铁和其它物质部分或全部取代海百合和苔鲜的碎屑而成。 矿石平均含铁2 3 一- 3 9 ( ) 、磷o 3 o 4 ( ) 、不溶物1 7 - 一5 6 ( ) 。经解离和分选研 究表明，该矿石的硬度低和有价铁矿物的嵌布粒度细，所以易泥化，并且即使磨 至5 0 微米( 3 0 0 目) ，解离的鲕粒一般不超过5 6 。此外，硅石、磷酸盐和方解 石呈胶状晶粒被封闭于鲕状赤铁矿或微晶体内，所以难于除去这些杂质。 埃及巴哈里亚绿洲g h o r a b i 山铁矿床，矿石类型大致分为四种，其中一种为 鲕状赤铁矿，该矿石硬度低，称为软矿石，主要有价铁矿物为针铁矿，赤铁矿及 少量的菱铁矿和磁铁矿；最普遍的脉石为石英，其次为少量的石膏、方解石、白 云石、石盐、重晶石和粘土。 以色列r a m i m 鲕状赤铁矿是以色列目前已知最大的低品位沉积铁矿床，矿 石平均品位为3 9 f e 2 0 3 ，主要矿物为针铁矿、方解石、白云石、石英及高岭石； 矿石含磷低，有价矿物主要以1 2 微米颗粒均匀富集于鲕粒及针铁矿化石内， 在脉石基质中叶赋存有一定量高分散的针铁矿，有时也存在少量的赤铁矿；鲕粒 的粒度为0 0 6 - 1 0 毫米，平均粒度为o 3 毫米。 沙特阿拉伯w a d if a t i m a 鲕状赤铁矿石是该国的大型铁矿床，为始新纪沉积 铁矿床，有价矿物为鲕状赤铁矿及针铁矿，其颗粒粒度范围为0 5 - 2 毫米。 前西德【lo 】鲕状赤铁矿，其南部属侏罗纪海相沉积型，北部为下白恶纪海相 沉积型。主要类型为鲕状及结核状褐铁矿，前者鲕粒大小一般为0 4 - - - 0 9 毫米， 平均0 7 毫米，由8 0 褐铁矿、3 鲕绿泥石、1 2 胶磷矿及1 2 5 高岭石组成， 平均成分为：7 0 f e 2 0 3 ，6 4 s 1 0 2 ，0 1 c a o 。后者鲕粒一般为0 3 一- - 1 0 毫米， 平均2 毫米，有褐铁矿7 2 、鲕绿泥石5 6 、胶磷矿1 2 3 、粘土6 和石英 2 组成，平均为：6 4 f e 2 0 3 ，7 s i 2 0 ，6 3 c a o 。脉石矿物主要为粘土、石英 等，粘土的粒度为l 2 毫米，其中有7 6 伊利石、1 6 高岭石、8 鲕绿泥石和 云母等，还发现5 0 微米左右的石英单体，网状黄铁矿、胶磷矿和石灰石。 苏联【l l j 研究报导比较多的是利萨科夫采选公司处理利萨科夫的鲕状褐铁矿 石。此矿床表内外矿石的平均铁含量分别为3 5 2 和2 5 4 。矿石分为鲕状砂矿和 枯石化鲕状矿。主要金属矿物为褐铁矿和少量的氢氧化铁。脉石以石英、硅质粘 土为主，另有少量的长石和方解石。鲕粒的核心是由氢氧化铁的土色变种矿石和 石英构成，褐铁矿或含铁砂质粘土围绕核心呈层状结构。其粒度大部分为o 2 0 6 毫米。矿石比重3 4 - - 一3 5 t m 3 ，比磁化系数3 0 - - , 3 5x1 0 由c m 3 g 。 国内鲕状赤铁矿资源储量极为丰富，分布地区广泛，但主要分为两大类，即 北方的宣龙式鲕状赤铁矿和南方的宁乡式鲕状赤铁矿，此两种矿石在化学成分及 3 硕士学位论文第一章文献综述 结构构造上存在差异。 宣龙式鲕状赤铁矿为一海相沉积矿床，是典型的鲕状赤铁矿。在矿区的西部， 局部受火成岩的热力变质作用，变为磁铁矿。矿床分为三层，第一层为鲕状赤铁 矿，第二层为鲕状肾状赤铁矿，第三层为肾状鲕状赤铁矿。含铁矿物主要为赤铁 矿，其次是菱铁矿，褐铁矿等。菱铁矿的赋存状态，一是以菱铁矿富集呈单独矿 物成在，一是在矿石结构中以胶结物形式与赤铁矿共生。脉石矿主要是石英，绿 泥石，玉髓，绢云母等。矿石结构主要是鲕状，少量是豆状、肾状。 鲕粒有以下四种情况：1 、赤铁矿鲕粒；呈圆形或扁圆形，此种结构大部分 为完整体，鲕粒的核心为石英，其包裹体为赤铁矿。鲕粒间的胶结物为菱铁矿。 石英核的大小以0 2 m m , - 、一o 3 m m 最多，其次为0 3 m m - - o 4 2 m m 与0 15i i u l l 0 2 1 m m 。以上三种粒度占7 5 左右。2 、同心圆结构：有两种情况( 1 ) 赤铁矿 与石英互成环状，以赤铁矿为主；( 2 ) 、赤铁矿与菱铁矿互成环状，此种情况较 少。3 、菱铁矿组成的鲕粒。4 、黄铁矿组成的鲕粒。 鲕粒核心的结构：鲕粒核心的成分有各种各样的，其较多的是单颗石英砂粒， 这种砂粒多具脏感或在透射光下较浑暗，推测它是变质岩的石英被风化、磨蚀而 成这种石英核心，有的保持原状，有的局部或边缘部分被赤铁矿和菱铁矿交代， 菱铁矿结晶透明但多被高价铁污染，赤铁矿则为细粒浸染状与残余石英混合在一 起另一种核心是泥晶赤铁矿组成的凝块或凝团。电子探针测出之元素均为铁， 凝块的形状不规则，在泥晶颗粒中可以看到串珠状、细条状菌藻类丝状体。凝团 则呈浑圆、卵圆形，其中有的呈不均匀的泥晶微粒结构，有的混人了大小不等的 菱铁矿碎粒。推测这种凝块和凝团是在滚动中凝集、粘结而形成。第三种鲕粒的 核心由盆内赤铁质沉积物破碎而成。其特点是大小不等、形态不一而且都呈棱角 状。不同的是，有的碎屑中混有石英粒，有的混有次生菱铁矿，反映了它们的不 同组成特点。【1 2 1 6 1 宁乡式铁矿发现于上个世纪3 0 年代中期，以发现地湖南宁乡而命名，可简 单定义为“产于泥盆系地层中的海相沉积铁矿，其矿石以含磷高的鲕状赤铁矿为 特征。宁乡式铁矿是中国重要的铁矿类型之一，分布于湖北、湖南、江西、广西、 云南、贵州、重庆等1 1 个省市区，经地质勘查提交矿产地2 1 2 处，查明铁矿资 源储量为3 7 亿吨，约占全国铁矿资源总量的7 。湖北鄂西地区为宁乡式铁矿最 重要的产区，探明资源储量为1 9 9 2 亿吨，占宁乡式铁矿总量的5 3 5 7 。宁乡式 铁矿矿床规模大、储量多，但矿石较贫，矿物成分复杂，嵌布粒度极细，一般含 铁品位低，含磷品位偏高，选矿难度大，所以，我国目前工业上尚未大规模开发 利用，特别是鄂西地区【l 刀。 宁乡式铁矿的主要结构有：赤铁矿微粒，极微粒针状结构，菱铁矿微粒一细 4 硕士学位论文 第一章文献综述 粒自形、半自形粒状结构，鲕绿泥石微粒一细粒鳞片结构，磁铁矿微粒一细粒半 自形一他形粒状结构。脉石矿物常有的结构有：石英碎屑结构、方解石他形粒状 结构、白云石自形半自形粒状结构、粘土矿物泥质结构、玉髓纤维状结构、胶磷 矿凝胶状结构等。矿石中还见有生物碎屑等结构。 宁乡式铁矿的构造有：鲕状构造、砾状构造、粒状构造、纹层构造、块状构 造，其中以鲕状构造最为典型。鲕状构造的鲕粒是由赤铁矿、鲕绿泥石、玉髓、 方解石、胶磷矿和粘土等矿物组成，这些矿物围绕一个中心，层层环状包裹形成 鲕粒。鲕粒大小0 1 衄1 0m m ，最常见的为0 3m m - o 5n - f i n 。鲕粒形状有球 状、椭球状、枕状、纺缍状、长条状等。鲕粒有时有核心。鲕粒环带数不一，少 则十余环，多则达5 0 多环。各环厚度不一，疏密相问。赤铁矿环带一般较厚， 3 7 岬7 2 “m ，方解石、胶磷矿的环带最薄，一般只有几微米宽。赤铁矿的环带 由核心向鲕粒外层有密集的趋向。鲕粒中的赤铁矿环带本身并非纯净的赤铁矿， 而是由赤铁矿极微细的针状晶体( 一般长l g m , - 一3 9 m ，宽 5 7 0 c 时赤铁矿按以下反应方程式进行： 3 f e 2 0 3 ( j ) + c o = 2 f e 3 0 4 + c 0 2 凡3 q ( j ) + c o = 3 f e o ( s ) + c 0 2 反应( 5 1 ) 反应( 5 2 ) f o ( s ) + c o = f e ( s ) + c 0 2 反应( 5 3 ) 当t 函过 移 寥c p 一磐蜘撇 r 骶f e 5 0 j f d o 周害俸 一一一n 卞二吣 争 f e ，o q 噼 深 _ 一 且 蔷 - m 1 c - t 。n _ w ：孟2 f e i 0 + h 2 q _ l j 一li _ 。 二= 釜i i 一r 。一- _ 一 f e 2 0 j 五3 f e z d 3 十c o = 2 f e , o + c u ： iiti 温赛。c 图5 - 2f e c 一0 及f e - h - o 还原反应平衡图 f i 9 5 2r e d u c t i o nb a l a n c e c h a r to ff e - c oa n df e - h - o 结合反应式1 5 ，利用等温方程厂g ：一r t l n k e 和够( c o ) = l ( 1 + k ) 可计算 出各温度条件下各反应的k 和乒( c o ) 。计算结果见表5 - 1 。 表5 1 赤铁矿还原热力学平衡k 和簪( c o ) 表 t a b l e 5 - 一1 t h e t h e r m o d y n a m i c s e q u i l i b r i u 。m c o n s t a n t k a n d 妒( c o ) o f h e m ；a t i t e r e d u c t i o n 焉面磊磊1 丽歹f 一一一k o # ( c o ) 反鏖立猩塞 一塑壅! 羔 茎： ! 竺翌l 面一。1 2 3 5 9 8 8 2 0 0 0 0 0 0 0 8 3 f e 2 d 3 ( s ) + c d = 2 f e 3 d 4 ( s ) + c o s f e 3 0 4 ( 5 ) + c o = 3 f e o ( s ) + c 0 2 f e o ( s ) + c o = f e ( s ) + c 0 2 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 7 1 7 7 6 2 0 6 3 6 2 3 2 5 0 4 7 8 1 6 1 8 0 3 6 8 6 2 0 5 0 1 2 4 6 1 5 7 9 1 9 5 5 2 3 7 4 2 8 3 2 1 0 5 5 0 9 0 5 0 7 8 9 0 0 0 0 0 1l 0 0 0 0 0 1 6 0 0 0 0 0 21 0 0 0 0 0 2 7 0 4 4 5 0 0 0 0 3 8 8 0 0 0 0 3 3 8 0 0 0 0 2 9 6 0 0 0 0 2 6 1 0 0 0 0 4 8 7 0 0 0 0 5 2 5 0 0 0 0 5 5 9 0 0 0 8 0 0 0 6 9 60 5 9 0 0 0 0 一- - _ _ - _ _ m _ - _ _ _ _ i - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ i _ - _ 一 5 2 硕士学位论文 第五章鲕状赤铁矿磁化焙烧动力学及机理研究 从以上计算的平衡够( c o ) 可以看出，反应( 5 1 ) 在极其微量的c o 平衡分压 条件下就能发生反应，其实际上是个不可逆反应，而反应( 5 2 ) 和( 5 3 ) f 1 0c o 平衡分压在6 5 0 8 5 0 范围内都比较高，所以在实验过程中只要严格控制反 应过程中通入的c o 浓度即可保证在还原过程中赤铁矿不被过还原成f e o 。 磁化焙烧热力学研究表明：赤铁矿还原成磁铁矿的热力学趋势很大。 5 2 磁化焙烧动力学研究 从磁化焙烧热力学研究可知，赤铁矿还原成磁铁矿的过程中，赤铁矿还原成 磁铁矿的热力学趋势很大，所以本节将通过磁化焙烧动力学的研究，查明影响磁 化焙烧的控制性环节。同时研究添加剂的加入对磁化焙烧动力学过程的影响。试 验时，采用球团进行磁化焙烧，试验研究方法见2 3 2 。 5 2 1 原矿磁化焙烧动力学研究 动力学研究方法见2 2 3 节，各温度条件下的还原度曲线见图5 3 。 图5 - 3 不同温度下还原度曲线图 f i g5 - 3r e d u c t i o nd e g r e ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 还原度r 计算公式为： r ：m 0 - j g l m o 公式( 5 6 ) 兰垡兰笙型翌生一一苎至童堑鉴查堡笙丝垡堕堑垫垄堂垄塑里婴窒 - _ _ _ _ _ l _ _ _ - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ - i - 二_ 二- _ 一。一一m 7 - u 式中：i 卜还原度； m o - - 反应前球团矿的重量g ； m 一反应后球团矿的重量g ； 反应按气一固相间反应未反应核模型来计算动力学过程，通过还原反应的失 重，计算出反应度r ，再分别计算出，( 尺) 及f ( r ) ，其公式为： f ( r ) = 1 一( 1 一尺) 3 ，( r ) = 1 一詈尺一( 1 一r ) 2 ，3 用f ( r ) 和f ( r ) 分别对时间t 作图，见图5 4 、5 - 5 。 还原时间s 图5 - 4 还原反应1 一( 卜r ) 1 3 一t 的关系图 f i g5 - 41 - ( 1 一r ) 仍 - tr e l a t i o n s h i po fr e d u c t i o n 公式( 5 7 ) 公式( 5 8 ) 硕士学位论文第五章鲕状赤铁矿磁化焙烧动力学及机理研究 图5 5 还原反应1 2 r 3 一( 1 一固2 仃一t 的关系曲线 f i 9 5 51 2 r 3 一( 1 一尺) 2 7 3 一- - tr e l a t i o n s h i po f r e d u c t i o n 从图5 - 4 、5 5 可以看出，f ( r ) = 1 一么r 一( 1 一尺) 2 仃对t 作图的线性关系较 f ( 尺) = 1 一( 1 一r ) “3 对t 做图的线性关系好，说明用c o 还原鲕状赤铁矿的动力学 过程主要受内