（材料学专业论文）菱铁矿流态化磁化焙烧技术的开发与研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 菱铁矿流态化磁化焙烧技术的开发与研究 研究生：庞永莉 专3 k ：材料学 指导教师：徐德龙院士 肖国先教授 摘 针对现有菱铁矿热处理工艺中效率低、 态化技术应用于菱铁矿的磁化焙烧。 要 能耗高、单机生产能力小等问题，将流 论文以陕西省柞水县大西沟菱铁矿为原料，旨在开发“干式粉磨流态化磁 化焙烧弱磁选”的新型菱铁矿利用技术与工艺。大西沟菱铁矿储量达到3 0 2 亿吨，主要铁物相为菱铁矿。本文进行了原矿的粉磨特性及热分解动力学的研究， 着重研究了菱铁矿粉在堆积态和流态化下的磁化焙烧特性，为进一步开发悬浮态焙 烧工艺提供技术参数，并探讨冷却方式和磁选强度对焙烧矿选矿指标的影响。获得 了以下主要结论： 1 菱铁矿属易磨物料，粉磨功指数为5 9 5 k w b ，t 。预期可采用立式辊压设备粉磨 菱铁矿。 2 热分解动力学研究表明：菱铁矿属易分解物料，分解温度范围为4 1 0 c 6 1 0 。c ， 活化能为3 5 5 9 5 k j m o l 。 3 在7 5 0 ，将堆积状态下的菱铁矿焙烧1 5 m i n ，得到的焙烧矿经磁选后，可获 得品位为5 9 1 2 、回收率为8 9 8 7 的精矿。 4 采用流态化技术可高效快速地磁化焙烧菱铁矿，7 0 0 。c 下焙烧3 m i n 的焙烧矿经 磁选后，可获得精矿品位5 7 2 0 、回收率9 4 3 6 的良好指标。 5 菱铁矿焙烧矿采用水冷是最佳的冷却方式，采用空气快速冷却也能防止焙烧矿 的氧化。新型悬浮态空气冷却焙烧矿在技术上是可行的。 本研究采用流态化技术实现了菱铁矿的快速磁化焙烧，为进一步建立新型悬浮 态焙烧工艺提供了基础数据，对工业化开发利用菱铁矿资源有一定的推动作用。 关键词：菱铁矿 流态化磁化焙烧冷却方式 西安建筑科技大学硕士论文 t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h et e c h n i q u e sf o rs i d e r i t ep o w d e r r o 酆t e da n dm a g n e t i z e di nt h es t a t eo f f l u i d i z a t i o n s p e c i a l t y ：s c i e n c eo f m a t e r i a l n a m e ：p a n gy o n g l i i n s t r u c t o r ：x ud e l o n g x i a og u o x i a n a b s t r a c r f o rt h ep r o b l e m so fe x i s t i n gs i d e r i t ep r o c e s sa sl o we f f i c i e n c ya n dh i g he n e r g y c o n s u m p t i o n , t h et e c h n i q u eo ff l u i d i z a t i o nw a si n t r o d u c e di n t ot h em a g n e t i z e dm a s t i n g o f s i d e r i t e s i d e r i t ei sak i n do f i r o no r e w i d e l ye x i s t i n gi nn a t u r ew h i l el e s st h a n1 0p e rc e n th a s b e e ne x p l o i t e d a st h ee a s y t o - c o n c e n t r a t ei r o no r er e s o u r c ei sg r a d u a l l ye x h a u s t e d n o w a d a y s ，t h en e wi n d u s t r i a lb e n e f i c i a t i o nt e c h n o l o g i e so fr o a s t i n ga n dm a g n e t i c s e p a r a t i o ns h o u l db ei n t r o d u c e di n t os i d e r i t ep r o c e s s i n g t h sr e s e a r c hi sa i m i n ga td e v e l o p i n gan e wt e c h n o l o g ya n dt e c h n i q u e sf o rs i d e r i t e a s d r yg r i n d i n g f l u i d i z i n gm a g n e t i z e dr o a s t i n g l o w - i n t e n s i t ym a g n e t i cs e p a r a t i o n w i t ht h es i d e r i t ei nd a x i g o u , z h a s h mc o u n t y , s h a a n x ip r o v i n c e n 他d e p o s i to ft h eo r e b o d yu m o u n t st oa b o u t3 0 2h u n d r e dm i l l i o nt o n sa n dt h em a i nf e r r i cc o m p o n e n ti s s i d e r i t e t h eg r i n d i n gp r o p e r t ya n dt h et h e r m a lk i n e t i c sr e s e a r c hw e r ec o n d u c t e d t h e p r o c e s so fs i d e r i t em a g n e t i z e dr o a s t i n gw a si n v e s t i g a t e db o t i li np i l e ds t a t ea n di nt h e s t a t eo ff l u i d i z a t i o n t h ee s s e n t i a lp a r a m e t e r sr e s u l t e do r es u g g e s t e df o rt h et e c h n i c so f s u s p e n d i n gm a s t i n g t h ei n f l u e n c e so fc o o l i n gm o d ea n dt h ei n t e n s i t yo fm a g n e t i c s e p a r a t i o no nt h er e s u l to fb e n e f i c i a t i o nw e r ea l s od i s c m s e d t h ec o n c l u s i o nc o u l db e d r a w na sf o l l o w ： 1 s i d e r i t ei sak i n do f e a s yg r i n d i n gm a t e r i a lw i t ht h eg r i n d i n gw o r kr e q m r e m e mb e i n g 5 9 5 k w m i ti se x p e c t e dt h a tr o l l e rm i l lc o u l db eu s e df o rt h eg r i n d m go f s i d e r i t e 2 t h ek i n e t i cs t u d yo ft h e r m a ld e c o m p o s i t i o ns h o w st h a ts i d e r i t ei sak i n do fm a t e r i a l w h i c hd e c o m p o s e se a s i l y 1 1 1 et e m p e r a t u r eo f t h ed e c o m p o s i t i o nr a n g e sf r o m4 1 0 。c t o6 1 0 ca n dt h ea c t i v a t i o ne n e r g yi s3 5 5 9 5 k jm o l 3 n l ei r o ng r a d ea n di r o nr e c o v e r yo fc o n c e n t r a t eo b t a i n e df r o mr o a s t e do r eb y r o a s t i n gf o r1 5 m i n u t e su n d e r7 5 0 i np i l e ds t a t er e a c h e s5 9 1 2 a n d8 9 8 7 s e p a r a t e l y 4 n es i d e r i t ep o w d e ri nt h es t a t eo ff l u i d i z a t i o nc a nb er o a s t e da n dm a g n e t i z e d 西安建筑科技大学硕士论文 e f f i c i e n t l ya n dr a p i d l y t h ec o n c e n t r a t eo fr o a s t e do r eo b t a i n e db y3 m i nr o a s t i n g u n d e r7 0 0 cr e s u l t si nf a v o r a b l ei n d e x e s ，w i t hi r o ng r a d eb e i n g5 7 2 0 a n di r o n r e c o v e r yb e i n g9 4 3 6 5 w a t e rq u e n c h i n gi st h eb e s tw a yt oc o o lt h er o a s t e do r e o nt h eo t h e rh a n d , t h e o x i d a t i o no ft h ep r o d u c t sc o u l da l s ob ep r e v e n t e db yc o o l i n gr a p i d l yi nt h ea i r t h i s s u g g e s t st h a ti ti sf e a s i b l et oc o o lt h er o a s t e do r eb ya i rs t r e a l ni ns u s p e n s i o ns t a t e i ns u m m a r y , ar a p i dm a g n e t i z e dr o a s t i n go f s i d e r i t ew a sa c h i e v e dv i aa d a p t i n gt h e t e c h n o l o g yo f m a s t i n gi nf l u i d i z a t i o na n dt h ee s s e n t i a lp a r a m e t e r sa r eo f f e r e df o r r e f e r e n c et ot h ee s t a b l i s h m e n to f an e w a p p r o a c hs c h e m eo f s u s p e n d i n gr o a s t i n g i ti s e x p e c t e dt h a tt h i sw i l lp r o m o t et h ei n d u s t r i a lu t i l i z a t i o no f s i d e r i t eg r e a t l y k e yw o r d s ：s i d e r i t ef l u i d i z a t i o nm a g n e t i z e dm a s t i n gc o o l i n gm o d e 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个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，也不包含本人或其他人在其它单位 己申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：露串茅1 b 期：加彩。多1 0 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：霭弃莉 导师签名：侧日期：翻印莎，心 注：请将此页附在论文酋页。 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 引言 1 绪论 菱铁矿是一种重要的铁矿石资源，我国的菱铁矿资源十分丰富，总储量大约有 1 8 亿吨。但由于菱铁矿铁品位低、选矿困难，目前用于钢铁冶炼的还不足总储量的 1 0 【l j 。近年来，钢铁工业的迅速发展造成国内铁矿石资源严重短缺，矿石进口量 大幅度增长，使得钢铁企业生产成本增加，这对我国钢铁工业的发展造成巨大的冲 击。开发新技术解决菱铁矿资源的利用难题，对于提高我国铁矿石自给率，促进钢 铁工业的发展有非常重要的意义。 菱铁矿的主要成分是弱磁性的碳酸铁( f e c 0 3 ) ，经一定温度与气氛条件下焙烧 后，分解出二氧化碳( c 0 2 ) ，生成强磁性的磁铁矿( f e 3 0 4 ) ，焙烧矿经弱磁选富集 后可获得满足冶炼要求的高品位铁精矿。菱铁矿选矿工艺的核心是焙烧工艺的选 择。现有的菱铁矿焙烧工艺是采用竖炉或回转窑进行堆积态焙烧，存在热效率低、 能耗高、焙烧矿质量差等问题，大规模工业化应用前景有限。 1 2 我国铁矿石资源现状 铁矿石是钢铁工业的主要原料，我国铁矿石资源多而不富，多数是中小矿床， 铁矿成因多，造成矿石类型复杂、多组分共伴生矿所占比例大【2 】。截至2 0 0 2 年底， 我国铁矿基础储量2 1 3 5 7 亿吨，资源量3 6 5 1 5 亿吨，居世界第3 位：但我国铁矿 石资源以贫矿为主，在已探明的铁矿石储量中，贫矿达到9 8 ，平均含铁量仅3 3 3 1 。 铁矿石本身价值低廉，造成了开采利用的难度很大。 作为世界第一大铁矿石生产国，我国的铁矿石产量约占世界铁矿石总产量的2 0 。近年来，钢铁发展迅速，产量不断攀升，铁矿石产量虽然在逐渐增长，但增长 速率低于钢铁产量的增长速率，并且表现出缓慢下降的发展态势，铁矿石进口量逐 年增加( 图1 1 ) 1 4 j ，我国对进口铁矿石的需求实际已接近总需求量的一半【5 】。目前， 国内矿石自给率较低的主要原因是我国9 0 以上的铁矿石为贫矿杂矿，开采建设投 入量大，生产成本很高，而原有矿山逐渐老化，继续提高产量已经十分困难。因此 各大钢铁企业都在设法提高铁矿资源的利用率，降低生产成本。开发新的选矿技术 与工艺，提高铁矿资源的综合利用价值，解决低品位铁矿石资源的利用难题，降低 钢铁企业的生产成本，已经成为一项迫在眉睫的任务。 西安建筑科技大学硕士论文 i 口 莹 叠 墨 崩 坤 翱 l 生产或鼙弱每程 ，年 图1 1 近年来全国粗钢、铁矿石产量及进口量 f 嘻1 1 t h e o u t p u t o f c r u d es t e e l , i r o n o r e a n d i m p o r t o f i r o n o r e o f o l l r c o u n t r y 1 3 菱铁矿资源的主要特征和性质 菱铁矿是一种广泛存在于自然界的低品位铁矿石。我国菱铁矿资源丰富，储量 居世界前列【6 】。现已探明总储量达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 l 亿吨r ”。到目前为止，我国大多数省( 区) 都发现了众多的菱铁矿矿 床，其中大、中、小矿床或矿点均有，特别是贵州、陕西、甘肃和青海等省，其菱 铁矿的储量一般占全省铁矿石总储量的5 0 以上【8 】。我国最大的菱铁矿床是位于陕 西省柞水县的大西沟菱铁矿，储量达到3 0 2 亿吨。 菱铁矿的主要矿物成分为f e c 0 3 ，属于三方晶系，晶形为菱面体。由于f e ”、 m 9 2 + 、m n 2 + 离子半径相近，容易相互置换形成类质同象【9 j 。相对于以磁铁矿、赤铁 矿为主的高品位铁矿石而言，菱铁矿矿石的含铁品位较低，纯f e c 0 3 的理论含铁量 仅有4 8 ，2 ，属于贫矿。但菱铁矿矿石具有自身的特点，即自熔性和烧损性，矿石 经6 0 0 7 0 0 。c 左右的高温焙烧后挥发出c 0 2 气体，铁的品位一般可增高1 0 2 0 蝌1 0 l ：且焙烧后的矿石具有强磁性，经弱磁选即可富集，铁品位大幅度提高，得到 满足钢铁冶炼要求的铁精矿。因此采用磁化焙烧技术处理菱铁矿，将焙烧矿进行磁 选后所获得的精矿，能够作为炼铁原料，从而实现菱铁矿资源的工业化利用。 1 a 磁化焙烧技术与应用现状 磁化焙烧的目的是在一定条件下将弱磁性铁矿物转变成强磁性铁矿物( 如磁铁 矿或，赤铁矿) 。弱磁性铁矿石可以用浮选、重选或强磁选的方法进行处理。实践 证明采用预先磁化焙烧，使弱磁性矿物转变为强磁性矿物，用弱磁选处理的方法选 分流程简单、选分效果好，是行之有效的选矿方法，在工业上应用比较广泛。 磁化焙烧除增加矿物磁性外，还具有如下作用： ( 1 ) 脱除矿物中的气体和结晶水。含水的铁矿石经过焙烧后失去水，菱铁矿在焙 2 西安建筑科技大学硕士论文 烧后分解出二氧化碳，相应地提高了矿石品位，增加了矿石的气孔率。不但有利于 磁选，对于高炉炼铁也是有利的。 ( 2 ) 改善矿石结构，使矿石结构疏松，有利于降低磨矿功耗，提高磨矿效率。 ( 3 ) 从矿石中排除有害元素。例如硫化砷在焙烧时硫和砷变成气体从矿石中排 除。 1 4 1 磁化焙烧原理 铁矿石的磁化焙烧按焙烧气氛可分为还原焙烧、中性焙烧、氧化焙烧三类【l l l ， 根据矿物性质的不同需采用不同的焙烧方法进行处理。 n ) 还原焙烧 还原焙烧是在还原气氛条件下，通过添加还原剂使矿石中的金属氧化物转变为 相应的低价金属氧化物或金属的过程。常用的还原剂主要有固体碳、一氧化碳、氢 气或煤气类混合气体。还原焙烧主要适用于赤铁矿( f e ，o s ) 和褐铁矿石，在高温 下与适量还原剂( c 、c o 、h 2 ) 发生反应，被还原成磁铁矿石，反应如下： 3 f e 2 d 3 + c 二二! ! 马2 如d 4 + c o 3 f 0 3 + 二= ! 马2 如d 4 + c d 2 3 f e 2 0 3 + 也= ! ! 马2 f e 3 0 4 + h 2 0 褐铁矿( f e ：o s 2 日：0 ) 在加热过程中先脱除化合水形成无水赤铁矿，然后经 高温焙烧还原成磁铁矿。 ( 2 ) 中性焙烧 中性焙烧是指在不通空气或通入少量空气的情况下进行焙烧，适用于菱铁矿石 0 2 1 。在加热到一定温度( 3 0 0 4 0 0 c ) 时，菱铁矿会发生分解反应，放出二氧化碳 气体，生成磁铁矿，其化学反应如下： 3 f e c o s 一凡3 0 4 + 2 c q + c o( 不通空气时) f e c 0 3 寸f e o + c 0 2 ( 通入少量空气时) 3 f e o + c 0 2 - - 9 , 心d 4 + c o 在通入少量空气时，还伴随着如下的一些反应发生： 1 2 f e c o s + d 2j 凡2 q + 2 c d 2 二 3 f e o + c 0 2 一f e 3 0 4 + c o 3 f e 2 0 3 + c o j2 凡3 d 4 + c d 2 6 f e o + 0 2 寸2 f e 3 0 4 ( 3 ) 氧化焙烧 氧化焙烧是在氧化气氛中进行的，通过焙烧使矿石中的某些成分发生氧化反 西安建筑科技大学硕士论文 应，生成新的氧化物。氧化焙烧适用于黄铁矿石，在氧化气氛( 或通入大量空气) 中短时问焙烧时被氧化成磁黄铁矿( f e 7 s 8 ) ： 7 f e s2 + 6 0 2j 屁7 s 8 + 6 s o2 如焙烧时间较长，则磁黄铁矿按下列反应生成磁铁矿。 3 凡7 s8 + 3 8d 2 _ 7 凡3 d4 + 2 4 s o2 1 4 2 影响磁化焙烧过程的主要因素【1 3 】1 1 4 】 磁化焙烧过程中受诸多因素的影响，主要有： 1 ) 矿石性质 矿石性质主要指矿物种类、气孔率、脉石成分及其在矿石中的分布状况等。 由于矿石的结构不同，焙烧性能有很大差别。一般来说，具有层状结构的矿石， 由于在加热过程中矿石和脉石矿物石英受热后的膨胀变化不同而出现裂缝，这有利 于传热和二氧化碳分子的扩散，提高矿石的焙烧速度和焙烧矿的质量。而致密块状 矿石，鲕状矿石和结核状矿石焙烧性质较差。 脉石矿物对焙烧过程也有一定的影响，以石英为主要脉石的铁矿石，在焙烧过 程中，石英的影响体现在以下两方面：石英在5 7 5 时转变为一石英，吸收一 部分热量，并有2 的直线膨胀，在8 7 0 或更高温度下转变为体积很大的鳞石英。 这将有助于矿石在加热过程中的爆裂，可以加快焙烧速度，减小焙烧矿表层和内部 焙烧的不均匀性。石英在9 0 0 时和氧化铁发生反应生成低熔点( 1 2 0 5 ( 2 ) 的硅 酸铁( f e s i o ) ，由于它的磁性很弱，因而会影响磁选时的回收率。 2 ) 矿石的粒度和粒度分布 矿石的粒度影响焙烧过程中的传热和传质速率。粒度越小，颗粒比表面积越大， 气固之间的接触面积较大，传热、传质效率较高，焙烧反应的转化速率越快。在实 际生产中，由于焙烧矿物的粒度过大，经常产生矿块表层和内部焙烧不均匀的现象。 表层的焙烧程度高于内部，出现“夹生”现象，矿石粒度愈大，不均匀现象愈严重。 如果矿石的粒度范围较宽，会出现小颗粒矿石“过烧”而大块矿石“欠烧”的现象， 严重影响焙烧矿的质量。 3 ) 焙烧温度与焙烧时间 弱磁性铁矿石的磁化焙烧是在高温下进行的。温度变化对焙烧过程的进行和焙 烧矿质量的影响极为重要。在同样粒度条件下，达到相同焙烧效果时，温度愈高所 需的焙烧时间愈短，而温度较低时所就应相应地延长焙烧时间。虽然整个矿石在焙 烧过程中主要发生吸热反应，提高焙烧温度可大幅度增加反应速率，但如果温度过 高或者焙烧时间过长，就容易产生过度焙烧的现象，使已经生成的强磁性铁矿石的 性质发生变化，磁性大幅度降低，进而严重影响焙烧效果。因此必须严格控制焙烧 温度与焙烧时间的范围，保证获得最佳的焙烧效果。 4 西安建筑科技大学硕士论文 4 ) 焙烧矿的冷却 采用不同的冷却方式对选矿指标的影响很大。由于焙烧矿中强磁性的磁铁矿 凡，d 4 在高温下接触空气会被氧化成凡：0 3 ，磁性会大大降低，这对铁精矿的品位、 回收率等选矿指标的影响很大。目前，普遍采用的冷却方式是将焙烧矿从炉内排出 后直接进入水封池中淬冷，防止与空气接触。这种冷却方式简单，效果好，但同时 需要消耗大量的水，焙烧矿的热量不能得到有效的利用，造成热量消耗的增加。能 否采用其他冷却方式需要开展进一步的研究工作。 1 4 3 磁化焙烧技术的应用现状 目前对于低品位弱磁性铁矿石的磁化焙烧技术进行了广泛的研究。磁化焙烧法 处理弱磁性铁矿石时，在适宜的气氛中，矿石在焙烧炉内经高温下焙烧，使弱磁性 矿物转变为强磁性矿物。因此焙烧炉是进行磁化焙烧的关键设备，目前工业实践中 常用的焙烧炉有以下几种类型【i 副： 1 1 竖炉1 5 】【1 6 】 竖炉内分为3 个带：预热带、加热带、还原带。预热带的作用是利用上升废气 的热量预热矿石，这一带废气平均温度为1 5 0 2 0 0 。加热带对于炉体寿命、焙烧 矿的质量影响非常大。在矿石粒度相同的情况下，加热带过宽温度较低，特别是在 炉体中心部位的矿石加热温度低，焙烧质量就会降低。还原带使矿石在还原带充分 和还原煤气接触，发生还原反应。还原煤气与自上而下下落的被加热过的矿石形成 对流，矿石被还原。炉子的最下部两侧装有四个排矿辊，用来排出已经还原的矿石。 为了不使空气通过排矿辊处的排矿口进入还原带，采用水槽水封法，排出的矿石落 入水封槽中冷却，避免在较高温度下和空气接触而重新被氧化而失去磁性。 经过多年的发展，竖炉焙烧工艺也取得了一定的进展【l6 j 。在工艺方面，实行闭 路焙烧提高了磁选回收率，改变煤气的组成并采用煤气预热，降低了焙烧矿的热耗； 炉型从5 0 m 3 发展扩大到7 0 m 3 ，并较好的应用到生产中。 2 ) 斜坡式焙烧炉【1 7 】 斜坡式焙烧炉是我国自行设计、制造并进行试生产的一种焙烧炉。主要由给料 装置、燃烧室、加热室、还原床、排料和除尘装置所组成。 焙烧的工艺过程是：粒度为o 1 5 m m 的矿粉，从料仓经圆盘给料机，采用负 压抽吸自动进入炉内，并保持1 0 0 1 5 0 m m 厚的料层。在上升热气流作用下，矿粉 沿篦板向下移动，在移动过程中，矿粉被加热至6 5 0 7 5 0 。加热后的矿粉进入还 原床，和还原煤气接触被还原。焙烧矿在隔绝空气的条件下喷水冷却至l o o 以下， 由圆盘排矿机连续排出，经皮带机送往磨矿选别作业。斜坡式焙烧炉的加热是矿粉 在1 3 0 1 4 0 的倾斜篦板上行走过程中完成的。在现有生产条件下，不同粒径的物料 运动状态不同，4 m m 以下的细粒级矿粉在加热床内处于沸腾状态。整个床层在上升 西安建筑科技大学硕士论文 热气流作用下沿斜床面悬浮下行，并得到加热，粗细矿粉在浮动过程中自然分层， 因此，斜坡炉是兼有流态化和固定床优点而又介于两者之间的一种浮动床层。 工业性焙烧试验表明，斜坡炉结构简单、建设快、投资少、设备少、对原料的 粒度适应性强。虽然斜坡炉在技术上是可行的，也比较经济适用，但实际操作比较 困难，现已停止了在工业中的应用。 3 ) 回转窑 回转窑也是磁化焙烧的一种设备。窑内分成三个带：加热带、还原带和冷却带。 矿石从炉子尾端通过圆盘给矿机，沿溜槽进入炉内加热带，随回转窑转动并向前移 动，通过与逆向流动的热气流接触而被加热。然后进入还原带，与进入炉内的煤气 相遇，煤气被预热，焙烧矿被冷却，从排矿端排到窑外。矿石一般在炉内停留3 至 4 小时，炉内充填系数为2 0 3 0 。由于受窑体长度的限制，排出的焙烧矿温度仍 然很高，为了进一步冷却焙烧矿有时在转炉排矿端安装一个冷却筒，在冷却筒中喷 水冷却，排出的焙烧矿温度为5 0 7 0 。 以上几种炉型经过了多年的发展，都有很大的改进，但存在这一些共同的问题： 块状物料在堆积态进行焙烧，气固接触面积小，传热、传质和反应效率低；焙烧矿 石粒度较大，焙烧矿质量不均匀，容易出现“死烧”、“欠烧”的问题。这些问题逐 渐成为现有磁化焙烧技术发展的瓶颈，难以满足大型化生产的要求，亟待进一步进 行研究。所以开发新型焙烧技术，解决菱铁矿大规模利用难题，实现节能降耗、优 质高效的生产，提高焙烧选矿效果势在必行。 1 5 大西沟菱铁矿的开发利用现状 大西沟菱铁矿位于陕西省柞水县境内，是迄今为止我国探明储量最大的菱铁矿 矿床，储量约三亿吨。上个世纪三十年代末，赵亚曾、黄汲清等地质学家在柞水区 附近作过路线地质调查，将大西沟矿区所属命名为“柞水系”；1 9 5 6 年前后地质部 航测大队在柞水地区进行系统的1 5 万航空测量，发现大西沟地区磁异常，并与1 9 6 9 年对柞水县大西沟铁矿床磁异常进行详细评价及验证工作，并新发现了菱铁矿层。 1 9 7 0 1 9 7 4 年陕西省冶金地质勘探公司7 1 4 队先后对大西沟铁矿床进行了初步勘 探和详细勘探工作，并与1 9 7 5 年5 月提交了陕西省柞水县大西沟铁矿床地质勘 探总结报告书。报告表明大西沟铁矿床属于沉积型的菱铁矿床，储量3 0 2 亿吨， 是国内大型的菱铁矿床。 目前，陕西省大西沟矿产资源由陕西龙门钢铁集团有限责任公司负责开采利 用。陕西龙钢是一座年产3 0 0 万吨的钢铁企业，随着公司生产能力的扩大，对铁矿 石原料的需求非常急迫，而公司至今没有一个大型、可靠的铁矿石原料矿山，且目 前国内铁矿石原料紧张、价格较高，龙钢公司为确保稳定生产，做出了引用新技术、 6 西安建筑科技大学硕士论文 开发利用大西沟菱铁矿资源，作为陕西龙钢主要的铁原料基地的重大举措。 从上个世纪的8 0 年代开始长沙矿冶研究院就以大西沟菱铁矿为原料进行了菱 铁矿磁化焙烧的技术研究和工艺开发的工作。在马弗炉内进行了小型试验，通过差 热、热重分析等试验手段了解菱铁矿受热后发生的各项反应。并分别研究焙烧温度、 焙烧时间、焙烧气氛、以及堆积料层厚度对焙烧效果的影响，制定了多种选矿方案。 试验取得了铁精矿品位达到5 9 ，回收率达到8 0 的良好指标。1 9 9 4 年长沙矿冶 研究院再次以陕西大西沟菱铁矿为原料，进行了回转窑焙烧的扩大连续试验，回转 窑的规格为0 0 2 5 4 m ，给矿粒度为5 o m m 。在此基础上主要进行了原矿焙烧、 强磁精球团焙烧与预尾焙烧三种试验方案的研究，测定了各种焙烧方案的操作工艺 参数，以铁精矿的品位、回收率为评价指标，并结合考虑燃料的消耗量以及电耗等 能耗指标评价各种方案的优劣。 2 0 0 4 年陕西龙钢矿冶公司再次委托长沙矿冶研究院进行大西沟菱铁矿的焙烧 选矿工艺的半工业试验研究。本次试验研究采用的回转窑规格为0 1 3 x 2 4 m ，以煤 做燃料，将入炉粒度控制在1 6 o m m ，从回转窑尾部逆热气流方向给入窑中，半工 业试验中，在6 5 0 9 0 0 。c 之间调整温度高低，焙烧时间为8 0 , - , 4 0 m i n ，可达到较好 的焙烧效果；当处理量从2 8 t h 提高到3 4 t h 时，焙烧矿质量相近，煤耗逐渐降低。 同时还研究了冷却方式以及煤种对焙烧效果的影响，并根据焙烧矿性质制定了磨矿 选别阶段的工艺流程。铁精矿的品位及回收率均能满足供铁冶炼的要求。以本次试 验为基础，龙钢拟建设两条能力为9 0 万吨年的生产线，生产线建设工作目前正在 进行中。 1 6 本课题的研究目的和意义 钢铁工业经过几十年的快速发展，国内容易开采的富集铁矿资源已经面临消耗 殆尽的局面。近年来，对菱铁矿利用技术研究逐渐引起广泛的关注。菱铁矿选矿技 术比较困难的原因在于，菱铁矿含铁品位较低，无法直接开采利用。经中性气氛下 磁化焙烧后，菱铁矿的主要成分f e e 0 3 受热分解出c 0 2 ，矿石品位得以提高，并且 矿石的磁性显著增强，大大提高了选别性能。磁化焙烧技术与设备是整个菱铁矿选 矿工艺的核心部分。 现有的菱铁矿焙烧工艺主要有竖炉与回转窑两种，但由于这两种工艺中，矿石 只是经简单破碎后就直接进行焙烧，矿石粒度较大，容易出现矿石内外部焙烧程度 不均的现象，导致焙烧矿的质量不均匀，焙烧效果差。并且两种工艺中，矿石在堆 积状态下进行的焙烧效率低，能耗较高。因此引用新技术，提高效率、优化工艺的 空间很大。针对这一现状，西安建筑科技大学徐德龙院士首次提出将将悬浮态焙烧 技术引入菱铁矿的选矿工艺中，开发新的磁化焙烧技术悬浮态焙烧菱铁矿技术 西安建筑科技大学硕士论文 能很好的解决这些问题。悬浮焙烧技术在水泥行业中的应用非常成功，是一种高效 节能的新型焙烧技术。在这一技术中将矿石由块状堆积态焙烧变成粉状悬浮态焙 烧，焙烧矿的质量能显著提高，并且矿粉在粉状悬浮态焙烧，效率大幅度提高，降 低了能耗。这一技术的引入将大大推进菱铁矿的工业化开采利用。本研究通过探索 性的实验室研究工作，以期应用流态化技术实现菱铁矿的磁化焙烧，为进一步开发 悬浮态磁化焙烧菱铁矿技术提供依据。该项技术如果能够达到预期效果，则证明采 用悬浮技术有望实现菱铁矿的磁化焙烧，进一步为解决我国菱铁矿资源大规模工业 化利用的难题提供技术支持。 目前成熟的菱铁矿焙烧工艺中为防止焙烧矿发生氧化，都是水封冷却焙烧矿， 这一方式需要消耗大量的水资源，而矿山一般都处于水资源比较匮乏的山区，这成 为建立选矿工艺、开采利用矿石资源的一大障碍。因此结合悬浮态焙烧技术，开发 快速空气冷却的干式排矿技术，解决好焙烧矿接触空气发生氧化的问题，满足在缺 水地区建立选矿工艺的要求。 本论文的研究内容是创新性、探索性的工作，主要体现在两个方面：其一，提 出用悬浮磁化焙烧技术焙烧菱铁矿，这对选矿行业是一项技术创新；其二，提出用 空气干法冷却焙烧矿，实现整个焙烧工艺中节约水资源的目的。 1 7 课题的研究内容 本文主要为开发“干式粉磨流态化磁化焙烧一弱磁选”的新型菱铁矿利 用技术与工艺提供技术支持。研究菱铁矿原料的矿物性质及粉磨特性，在自行设计 的小型流态化焙烧装置上，进行一系列菱铁矿流态化焙烧试验，着重分析采用流态 化技术磁化焙烧菱铁矿的可行性，探讨焙烧矿冷却方式和磁选强度对选矿指标的影 响。主要研究内容如下： 1 ) 物料性质检测和粉磨特性试验研究 研究主要进行试验所采用的大西沟菱铁矿矿物组成的分析：通过易磨性试验， 以菱铁矿粉磨功指数为指标，评价菱铁矿的粉磨特性。 2 ) 菱铁矿热解动力学研究。 动力学研究主要采用热分析手段，研究菱铁矿的热分解机理与动力学规律，判 定发生分解反应的温度范围，探讨符合菱铁矿热分解反应的动力学模型及动力学方 程。 3 ) 菱铁矿磁化焙烧特性的研究 分别在堆积态和流态化状态下进行菱铁矿磁化焙烧特性的研究。研究菱铁矿粉 料在堆积态焙烧的焙烧参数及其对焙烧效果的影响；通过菱铁矿流态化磁化焙烧试 验，确定合理的工艺参数，探讨流态化焙烧菱铁矿的可行性，为进一步技术研究与 8 西安建筑科技大学硕士论文 工艺开发提供依据。 4 ) 焙烧矿冷却方式的研究 对菱铁矿焙烧矿进行冷却方式的试验研究，分析冷却方式对选矿指标的影响， 并对各种冷却方式进行评价，为进一步工业应用提供参考。 西安建筑科技大学硕士论文 2 原料矿物性质与粉磨特性研究 2 1 大西沟菱铁矿的矿物性质 试验采用大西沟菱铁矿矿样，通过x 一射线衍射分析样品的矿物组成，分析结 果如表2 1 和图2 1 所示。 表2 1 大西沟菱铁矿矿物组成 t a b l e2 1 e n lc o m p o s i t i o no f d ax i - g o us i d e r i t e 一玲；姜汰； l 一i 孔。；骥贬；蚕 图2 1 菱铁矿x 一射线衍射图谱 f i g 2 1x - r a yd i f f r a c t i o np a t t e r no f s i d e r i t e 原矿x 衍射分析结果表明，本次试验用矿样中，菱铁矿为主要铁矿物相，质量 含量为7 8 ，脉石矿物有伊利石、石英、长石等。 经化学分析试验用大西沟菱铁矿原矿铁品位t f e 为2 8 3 8 ，含铁量较低，属 于低品位铁矿石。 2 2 大西沟菱铁矿粉磨特性研究 针对采用悬浮态焙技术开发利用陕西大西沟菱铁矿的工艺要求，采用“先粉磨， 再焙烧”的技术路线进行研究。先将矿石干式粉磨成粉状物料，再进入悬浮状态下 进行焙烧，改变了原有先焙烧再湿法粉磨的工艺过程。这有助于提高焙烧矿的品质、 节约水资源。 在选矿工艺中，矿石的粉磨功耗是一项重要指标。常用粉磨功指数来表征粉磨 功耗及物料粉磨的难易特性，粉磨功指数越高，表示物料越难磨。同时粉磨功指数 1 0 西安建筑科技大学硕士论文 也是选择粉磨工艺和设备的重要依据。本研究通过进行菱铁矿的易磨性实验研究菱 铁矿的粉磨特性，菱铁矿易磨性实验方法参照水泥原料易磨性实验方法g b 9 9 6 4 - - 8 8 进行。 2 2 1 试验原理和设备 物料经规定的磨机研磨至平衡状态( 实验磨机每转产生的成品量误差小于3 ， 循环负荷在2 5 0 a ：5 范围内) 剧1 8 1 ，以磨机每转生成的成品量计算粉磨功指数，参 照物料粉磨特性判断标准，判定菱铁矿粉磨的难易程度。 实验设备与仪器：p s c 6 0 x 1 0 0 颚式破碎机、x p c ( 2 0 0 - - 7 5 ) 对辊破碎机、f n l 0 1 一a 型鼓风干燥箱、4 ) 2 0 0 型标准筛振筛机、中3 0 0 x 3 0 0 m m 球磨机( 转速为7 2 r p m ) 、 t p l 0 0 0 型电子称、标准套筛、测定升重的标准漏斗和升筒。球磨机研磨体级配见 表2 2 。 表2 2 球磨机钢球级配 t a b l e2 2t h es t e e li m l lg r a d a t i o no f l t l i a eb a l lm i l l 2 2 2 试样制各 1 ) 将大西沟菱铁矿原矿在室外自然晾晒一天后，放入干燥箱内，在1 0 0 1 5 0 。c 下 保温烘干2 小时。 2 ) 烘干后的菱铁矿经颚式破碎机、对辊破碎机两级破碎后，用3 2 m m 方孔筛筛分， 粒径大于3 2 m m 的物料再次进行破碎、筛分，直到全部通过3 2 m m 方孔筛。用缩 分器缩分菱铁矿样品两次，制得试样1 0 埏，充分搅拌均匀后待用。 2 2 3 试样容重测定和粒度分析 1 ) 取制备的菱铁矿试样3 k g 倒入规定高度的漏斗中，打开闸板放料流入标准立升 筒中，拨平升筒中的松散物料，称量立升筒中试样的重量。重复以上实验二次，测 定混合料的平均松散容重为1 8 5 7 5 9 l ，计算得7 0 0 n f l 物料重量为1 3 0 0 3 9 。 2 ) 测定入磨混合样的粒度分布。粒度分布采用两次试验，称取试样重量分别6 9 0 4 9 和7 2 2 5 9 ，然后放入系列标准筛套筛中，将套筛夹在振筛机中振动1 0 分钟。取出 筛子检查各级筛析是否完全，若不完全，用手工继续筛析，最后称量各筛中物料重 量。各级筛孔尺寸和两次筛余物重量及有关计算数据列于表2 3 中，区间粒度百分 率以两次的平均值计算。 3 ) 以l o g ( d ) 为横坐标，l o g ( r ) 为纵坐标，根据表2 3 中的l o g ( d ) 和l o g ( r ) 数据，绘制入磨前试样的粒度分布图，即图2 2 。对照图2 2 可见，入磨试样 8 0 通过的粒径，即r = 2 0 ，l o g ( r ) = 1 3 0 1 ，查图2 2 得：l o g ( r ) = 1 3 0 1 ， 西安建筑科技大学硕士论文 对应的l o g ( d ) = 3 2 9 0 ，计算得d 8 0 ( f 8 0 ) = 1 9 4 9 8 5 a n 。 4 ) 从表2 3 可以看出，两次筛析的计算8 0 p m 筛下物的比例分别为1 9 0 4 7 和 1 8 0 4 8 ，两者平均值为1 8 5 4 7 ，即入磨试样8 0 a n 成品率为1 8 5 4 7 。 表2 3 入磨试样的粒度分布 t a b l e2 3t h ep a r t i c l ed i a m e t e r d i s t r i b u t i o no f s a m p l ee n t e r i n gi n t ot h em i l l 筛孔尺寸平均筛 区间粒度区间粒度平均区间粒 累计粒度 l o gl d j l o g ( r ) 孔尺寸 百分率百分率度百分率百分率r 一、。 3 2 0 0 2 5 0 02 8 5 03 4 5 5 3 3 0 23 4 7 43 3 8 83 3 8 8 2 0 5 3 2 5 0 0 2 0 0 0 2 2 5 0 2 0 0 0 - 1 6 0 01 8 0 0 1 6 0 0 1 2 5 01 4 2 5 1 2 5 0 - 9 0 01 0 7 5 9 0 0 8 0 08 5 0 8 0 0 - 6 3 07 1 5 6 3 0 5 0 05 6 5 5 0 0 - 3 5 5 4 2 7 5 3 5 5 2 2 42 8 9 5 2 2 4 1 8 02 0 2 1 8 0 1 2 51 5 2 5 1 2 5 8 01 0 2 5 3 3 5 2 3 2 5 5 3 1 5 4 3 0 3 l 2 9 2 9 2 8 5 4 2 7 5 2 2 6 3 1 2 4 6 2 2 3 0 5 2 1 8 3 2 0 1 1 8 1 4 1 4 7 7 7 9 6 6 1 2 1 7 5 6 7 8 4 7 9 4 8 0 8 2 3 0 2 7 8 2 7 1 0 0 7 2 2 2 0 2 2 4 7 7 9 5 2 2 1 5 3 4 8 4 1 5 1 2 3 6 0 9 4 8 7 2 7 5 0 2 2 9 0 7 7 1 0 0 2 8 1 9 6 5 2 4 3 6 8 8 3 l 1 5 0 5 8 1 9 1 1 2 _ 2 4 5 8 8 4 4 8 3 3 7 7 9 2 2 9 6 7 7 6 8 5 0 0 5 2 0 8 4 2 4 5 6 1 2 2 2 1 0 8 7 2 7 2 7 41 4 3 6 3 5 4 6 5 1 5 5 4 7 7 0 l1 6 7 9 5 3 5 8 51 7 2 9 5 8 4 1 81 7 6 7 6 6 2 11 8 2 1 6 9 1 7 71 8 4 7 6 8 6 21 8 8 6 7 6 9 1 2