（钢铁冶金专业论文）强化褐铁矿磁化焙烧的新工艺及机理研究.pdf

，名f 硕士学位论文 强化褐铁矿磁化焙烧的新工艺及机理研究 s t u d yo fn e wt e c h n i q u ea n dm e c h a n i s mo f s t r e n g t h e n i n gl i m o n i t e sm a g n e t i z i n gr o a s t i n g 作者姓名：赵强 学科专业：钢铁冶金 学院：资源加工与生物工程学院 指导教师：朱德庆教授 潘建副教授 论文答辩日期丝让：氐 中南大学 2 0 1 0 年6 月 还原氧化焙烧 各种铁矿石经磁化焙烧生成的磁铁矿，在无氧气氛中冷却到4 0 0 。c 以下时， 再与空气接触，可氧化成强磁性的磁赤铁矿( 丫f e 2 0 3 ) 。其化学反应如下： 4 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 5 硕士学位论文第一章文献综述 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问的范围，保证获得最佳的焙烧效果。 ( 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 f e 3 0 4 在高温下接触空气会被氧化成f e 2 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 1 4 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，焙烧磁选 法是处理常规选矿方法难以分选提纯的低品位氧化铁矿石的最有效方法之一 1 2 - 1 s 。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竖炉、回转窑、沸腾炉等几种类型【i 6 】： ( 1 ) 竖炉磁化焙烧的研究及实践 竖炉主要是处理块矿( 入炉粒度7 5 1 5 m m ) 的一种炉型。鞍山钢铁公司【l 7 1 、 鞍山黑色冶金矿山设计研究酣1 8 1 和酒泉钢铁公司【1 蛇0 1 等单位，在多年研究、设 计和生产实践中，对炉体结构和辅助设备，曾不断进行改进。在竖炉磁化焙烧工 艺方面也获得了诸多宝贵经验： 闭路焙烧，使磁选回收率提高3 左右； 采用2 2 焦炉煤气和7 8 高炉煤气( 热值1 5 0 0 - - 一2 0 0 0 k j m 3 ) 配比的混合煤 气，使焙烧热耗有所降低； 煤气预热( 由2 5 预热到7 8 ) ，可降低焙烧热耗、防止冬季管路冻结： 某厂的竖炉磁化焙烧磁选工艺的技术指标见表1 1 1 2 。 表1 1 竖炉焙烧磁选技术指标 t a b l e l - 1t e c h n o - e c o n o m i ci n d i c t o r so f m a g e n e t i es e p a r a t i o nf o rm a g n e t i z i n g r o a s t i n gi ns h a f tf u r n a c e 6 硕士学位论文 第一章文献综述 续上表 尾矿品位1 1 0 7l o 2 0 2 2 7 8 铁回收率脯7 8 417 8 6 07 2 3 2 煤气性质混合煤气混合煤气高炉煤气 耗热量g j a 1 0 5 0 1 0 8 71 3 2 8 煤气热m j m7 3 7 57 3 - 7 53 a 3 5 ( 2 ) 回转窑磁化焙烧的研究及实践 回转窑主要用于处理入炉粒度为2 5 m m 以下矿石的一种炉型。对于各种类型 的铁矿石都能较好地进行磁化焙烧。 表1 - 2 回转窑磁化焙烧一磁选工业试验指标 t a b l el - 2r e s u l to fm a g n e t i z i n gr o a s t i n g m a g n e t i cs e p a r a t i o ni n d u s t r i a lt e s ti nk i l n ( 3 ) 沸腾炉磁化焙烧的研究及实践 沸腾炉主要用于处理粒度为3 - - o m m 矿石的一种炉型。2 0 世纪6 0 年代开始我 国也进行了沸腾磁化焙烧的研究，试验规模达1 0 0 t d ，处理矿石为鞍山钢铁公司 【2 2 】和酒泉钢铁公司等的贫赤铁矿石，以及广西八一锰矿的堆积贫氧化锰矿石【2 3 】。 某厂赤铁矿沸腾炉焙烧磁选结果见表1 3 。 表1 3 齐大山赤铁矿沸腾炉磁化焙烧半工业试验磁选结果脯 t a b l e l 一3r e s u l to f m a g n e t i cs e p a r a t i o nf o rq i d a s h a nh e m a t i t em a g n e t i z i n gm a s t i n gp i l o tt e s t i nb o i l i n gf u r n a c e 到目前为止，铁矿石的磁化焙烧技术在国内已经是一项非常成熟的工艺，已 7 硕士学位论文第一章文献综述 经展开了多方面的研究。同时，国外的科学家对这方面的研究也很深入。 埃及y o u s s e f m a 等人用还原焙烧工艺处理a s w a n 高磷高铝鲕状赤铁矿，对 铁品位为4 5 2 的原矿进行利用h 2 或c o 作还原剂进行磁化焙烧磁选实验室试验， 得到了铁品位为5 9 6 、铁回收率9 0 的铁精矿【2 4 1 。奥地幂l j d o p p l e r 实验室的 t h u m h o f e r 等人在实验室研究澳大利亚n e w m a n 赤铁矿时发现，生成磁铁矿则主 要受还原温度、还原气氛组成和反应时间的影响【2 习。 a b d o u n i 等人研究了6 5 0 时赤铁矿在c o c 0 2 还原气氛中向磁铁矿转化结构 的变化，他们发现c 【f e 2 0 3 还原过程中形成的f e 3 0 4 层与天然磁铁矿的物理结构有 一定差异，证明了还原气体在磁铁矿层的扩散系数是不断变化的1 2 6 1 ；a d a m 报道 了赤铁矿还原成磁铁矿温度及c o c 0 2 的变化对还原的影响1 2 7 】。e 1 t a b i r o u 等在较 宽的温度范围内( 4 0 0 - - - 1 0 0 0 ) 和c o 含量2 - - 5 0 的条件下赤铁矿还原成磁铁 矿的行为，结果认为，高温、低c o 条件下薄片状磁铁矿较易形成。低温时，晶 体容易破裂，这是由于赤铁矿塑性差，特别是在c 0 2 含量高的气氛中更明显【2 8 】； n s a r 研究了低温条件下用h 2 还原赤铁矿生成磁铁矿时，温度以及反应时间对磁铁 矿结构的影响【2 9 1 。埃及开罗中央冶金设计研究院的a a e 1 g e a s s y 等) k t 3 0 1 也研究 了高锰铁矿石在c o c 0 2 气氛中，6 0 0 一- 10 0 0 c 条件下铁锰矿磁化焙烧特征及行为 的研究。 综上所述，磁化焙烧低品位弱磁性铁矿石是合理有效的综合回收铁资源的工 艺，由于该工艺无需燃料的制备和原料的深加工，对合理利用自然资源、保护人 类环境有积极的作用。 1 2 褐铁矿一菱铁矿混合型矿石的磁化焙烧研究现状 我国境内存在着相当一部分的矿石为褐铁矿一菱铁矿混合型矿石，这部分矿 石由于赋存状态一般都比较复杂，难以有效利用，但是国内对这类矿石还是进行 了深入有效的研究，并取得了相当好的成果。 1 2 1 大冶混合型铁矿 大冶强磁精矿的显微结构研究表明，赤铁矿和部分磁铁矿都已成单体分离状， 另一部分磁铁矿呈网络状被碳酸盐矿物充填而难于单体分离。菱铁矿大都与脉石 共生，其存在状态十分复杂，有共生的，也有相互替代组成系列的连续固溶体， 其晶粒都是极为微细的集合体【3 。 8 硕士学位论文第一章文献综述 根据热化学反应式计算，试料可依靠f e c 0 3 分离产生的c o 完成自我磁化反 应，球团可减少试料与空气接触被再氧化的表面积。 强磁铁精矿中的菱铁矿和赤铁矿在焙烧过程中将按下式完成磁化反应： f e c o y - - , f e o + c 0 2 f e o + 3 c 0 2 _ f e 3 0 4 + c o 即 3 f e c o y - - , f e 3 0 4 + 2 c 0 2 + c o 3 f e 2 0 3 + c o _ 2 f e 3 0 4 + c 0 2 上式表明，菱铁矿在焙烧过程中存在一个自身磁铁矿化，其热分解产生的 c 0 2 可使f e o 转化为f e 3 0 4 ，而反应生成的c o 又可将试样中的f e 2 0 3 还原成f e 3 0 4 。 当试样中的菱铁矿与赤铁矿比例为1 ：1 时，可在不另加还原剂的情况下，完 成自身的磁化反应。在实验室条件下，控制不同的炉气成分，球团在9 0 0 ( 2 下焙 烧后的选别结果表明，在中性气氛( n 2 ) 或弱氧化( 0 2 1 0 5 ： 燃料：可以提供1 2 8 1 7 0 g j 吨原矿的煤或气； 焙烧温度：5 3 0 - - - 9 5 0 ： 焙烧时间：2 0 - - 1 5 0 m i n ： 焙烧产品出炉时水冷，迅速冷却。 ( 2 ) 磁选阶段 水冷后的产品经磨矿分级后进入磁选，在磨矿分级作业及磁选作业，针对焙 烧料其矫顽力强的特点，对其磁性进行处理。 ( 3 ) 反浮选阶段 搅拌时间：3 5 分钟： 浮选时间：2 4 3 5 分钟； 浮选：阳离子反浮选或阴离子反浮选； 药剂制度：其中阳离子反浮选的药剂制度是：胺类阳离子捕收剂7 0 - 2 0 0 9 t ， 矿浆温度为常温：阴离子反浮选的药剂制度s d6 2 0 - - - 7 0 0g t ，n a o h7 0 0 - 9 6 0g t ， c a o1 6 0 - 2 1 6 9 t ，r a 系列阴离子捕收剂1 0 0 1 2 0 9 t ，矿浆温度为2 8 - 3 2 c 。 按上述的条件对菱褐铁矿共生矿进行了一组试验，其主要的循环过程是：取 破碎后的原矿进行还原磁化焙烧；焙烧后的产品经迅速冷却、磨矿分级进入弱磁 粗选，此作业的尾矿为废弃物，其精矿进入下一步的强磁选进行精选；该磁选的 尾矿与上步骤作业的弱磁粗选尾矿混合成总尾矿，强磁精矿进入下步浮选作业进 行反浮选，其精矿为本发明的最终合格精矿，其尾矿再通过一次扫选作业；扫选 精矿返回到前一步的反浮选精矿作业中、扫选尾矿重新返回到最初的弱磁选别作 业中，以利进一步回收利用。 1 2 4 褐铁矿菱铁矿混合型铁矿石 重庆綦( q i ) 江县储藏着一种褐铁矿一菱铁矿混合型铁矿石，矿石中铁的赋 存状态复杂，多种矿物共生，经镜下观察、x 射线衍射分析和扫描电镜分析，矿 石中除菱铁矿外，其次是褐铁矿，另有少量磁铁矿、半假象赤铁矿。嵌布粒度极 为细小，难以单体解离。为了不使宝贵的自然资源闲置，将资源优势转化为经济 优势，重钢发明了一种焙烧处理方法，能有效地对褐铁矿一菱铁矿混合型铁矿石 进行焙烧处理，为钢铁厂提供合格的、优惠的焙烧矿1 3 孓3 8 】。 菱铁矿的吸热分解反应为：3 f e c o a _ f e 3 0 4 + 2 c 0 2 + c o 褐铁矿的还原反应式如下： 3 f e 2 0 3 + c o - - + 2 f e 3 0 4 + c 0 2 二者总反应方程式为：f e c 0 3 + f e 2 0 a - - - * f e 3 0 4 + c 0 2 硕士学位论文第一章文献综述 从理论上分析，菱铁矿与褐铁矿的物质重量的比值大于或等于l ，即重量比 值只要达到0 7 2 5 及以上，该矿石就可实现中性磁化焙烧的顺利进行，而实际矿 石菱铁矿与褐铁矿重量比值为1 2 7 ，大于o 7 2 5 。 在实验室条件下，称取2 m m 矿石1 2 k g ，装入金属容器，待电阻炉温度升 到设定温度时放入焙烧炉膛内，当炉温升到设定温度后，再记录焙烧时间，进行 磁化焙烧，到设定时间后，取出容器并迅速用水封冷却，焙烧矿经冷却后，再按 5 0 的浓度进行磨矿( 细度一0 0 4 3 m m 9 8 5 4 ) ，分样，取2 0 9 小样做磁选管试验， 检验焙烧矿中强磁性铁矿物的含量，以检测焙烧矿的质量。 表l - 4 磁选试验结果 t a b l e1 4r e s u l t o fm a g n e t i cs e p a r a t i o n * , 由表1 - 4 可知，在原矿铁品位为4 0 左右的条件下，菱褐铁矿的共生矿经过 磁化焙烧一磁选后得到的指标较好，能够满足高炉炼铁的要求。 1 3 磁团聚选矿研究现状 1 3 1 磁团聚选矿的定义 磁团聚选矿，是在外加磁场的作用下，强磁性或弱磁性细颗粒矿物有选择性 的自行团聚成链状或团状磁聚体，在水流作用下与不团聚的脉石颗粒相分离。磁 团聚选矿较早用于细粒强磁性矿物，最近一、二十年才推广到细粒弱磁性矿物， 如菱锰矿、菱铁矿等与石英、长石的分离上。近年来磁团聚选矿技术发展迅速， 已达到工业应用阶段。 1 3 2 磁团聚选矿工艺分类 磁团聚选矿工艺分为如下三种： ( 1 ) 单纯的选择性磁团聚选矿 单纯地进行选择性磁团聚选矿，是在矿物分选区内加入一个外加磁场，细粒 1 2 硕士学位论文第一章文献综述 强磁性或弱磁性颗粒，在外加磁场力的作用下，自行团聚成球状或链状磁聚物， 与非磁性细粒脉石分离。外加磁场的场强较低，只有4 - 1 6 千安米。 ( 2 ) 与疏水性絮凝复合的选择性磁团聚选矿 如果在外加磁场条件下进行疏水性絮凝，则磁性矿物既受磁力作用产生团聚， 又受疏水性絮凝作用产生絮凝，颗粒将产生体积较大、结构致密的磁聚体沉降。 此法应用于菱锰矿、菱矿石与石英的分离，获得良好结果。 ( 3 ) 磁种分选 它是利用人工合成的或细磨后的铁磁性颗粒( 微米级或亚微米级) 作为磁种， 与目的矿物的疏水聚集作用，形成约1 0 0 - 2 0 0 微米大小的磁团聚体，再用磁选 机分选。 1 3 3 磁团聚选矿实例 ( 1 ) 大孤山磁铁矿 该矿为鞍山式沉积岩变质型贫磁铁矿矿石。矿石中磁铁矿的浸染粒度大多在 o 1 左右，但有部分呈几微米以包裹体的形式分布于脉石矿物之中，成为贫连生 体。昔日采用弱磁选法，常使脉石和这些贫连生体被磁铁矿包裹而混入精矿，是 妨碍其精矿质量提高的根本原因。今日研究了磁团聚选矿，该工艺能对已形成轻 度磁团聚的分选矿浆施以剪切作用力，打破矿浆的结构化状态，使矿浆进入强烈 的磁性流变状态，得以不断破坏和分散磁团聚颗粒。被分散的磁团聚颗粒又会本 能地迅速形成磁团聚体，致使分选矿浆中的磁铁矿团粒，实际上处于“分散 团 聚”的反复状态。这是清除磁铁矿团粒中的单体脉石和贫连生体，实现磁铁矿石 选择性磁团聚，提高磁铁矿精矿品位的根本原因。 对大孤山矿石用磁团聚工艺进行选矿试验，在原矿品位相等的条件下，用普 通弱磁性选矿工艺获得的精矿品位只有5 5 - 6 5 ，精矿回收率只有5 5 - 8 0 ； 用磁团聚选矿工艺，精矿品位达到7 0 左右，精矿回收率为8 1 - - 8 3 。分选粒 度，用普通弱磁性选矿工艺时为0 0 7 4 m m 占6 4 - - 9 7 ，用磁团聚选矿工艺时 0 0 7 4 m m 为6 4 9 3 ，它们基本相当。磁团聚选矿工艺可以在原有入选矿石条 件和原有磨矿细度条件下，提高精矿品位5 - - - 1 5 ，提高精矿回收率3 - - 2 6 。 经济效益显著。 ( 2 ) 太和钒钛磁铁矿 该矿石主要矿物为：钛磁铁矿、钛铁矿、辉石和斜长石。其中钛磁铁矿为主 要回收矿物。虽然钛磁铁矿的嵌布粒度较粗，但它与钛铁矿紧密共生，并且在钛 铁矿和辉石中常有钛磁铁矿的片晶包裹体。片晶的粒度为几微米至几十微米。含 1 3 硕士学位论文第一章文献综述 表1 - 6 太和钒钛磁铁矿石磁团聚选矿与弱磁选工艺对比 t a b l e l - 6c o m p a r i s o nb e t w e e mm a g n e t i cc o a g u l a t i o nb e n e f i c i a t i o na n dl o wi n t e n s i t y m a g n e t i cs e p a r a t i o no f t a i h ev a n a d i u mt i t a n o - m a g n e t i t e 钛磁铁矿包裹体的钛铁矿和辉石颗粒，在弱磁选矿工艺中，极易进入铁精矿中， 降低精矿质量。由于钛磁铁矿具有较大的剩磁和较高的矫顽力，可以对钒钛磁铁 矿矿石采用剩磁团聚的磁团聚选矿工艺( 即不加外磁场的工艺) ，就可以获得良 好的分选效果。表1 - 6 是磁团聚选矿工艺与目前试验研究中较为先进的细磨细筛 弱磁选矿工艺试验数据对比。表1 7 是磁团聚选矿工艺与细磨细筛弱磁选矿工艺 按粒度对精矿品位进行对比。 表1 7 太和钒钛磁铁矿石磁团聚选矿与弱磁选工艺精矿品位对比数据 t a b l e l 一7c o m p a r i s o nb e t w e e nt h eo r ec o n c e n t r a t eo f m a g n e t i cc o a g u l a t i o nb e n e f i c i a t i o na n d l o wi n t e n s i t ym a g n e t i cs e p a r m i o no f t a i h ev a n a d i u mt i t a n o m a g n e t i t e 从表1 - 6 、1 - 7 可以看出：在原矿品位、磨矿细度、精矿回收率基本相同条 件下，磁团聚选矿工艺所获得的精矿品位，不论任何粒度，均比目前较为先进的 选矿工艺优越。 ( 3 ) 首钢迁安铁矿 迁安铁矿属鞍山式沉积变质型磁铁石英岩类铁矿。矿石中磁铁矿嵌布粒度粗 细不均，以条带状构造的粗粒嵌布为主，部分磁铁矿以浸染状细粒嵌布产出。当 矿石破碎至0 2 m m 时，大部分磁铁矿得到解离，但细粒嵌布的磁铁矿只有少部 分解离。迁安铁矿石在用弱磁选工艺粗磨粗选时，精矿中混入了大量含磁铁矿的 脉石连生体，造成精矿质量低。选厂为了满足冶炼对铁精矿的质量要求，1 9 7 8 年起采用细磨细筛工艺提高精矿产品质量，在精矿铁品位从6 3 提高到6 8 5 的 同时，选厂系列处理能力从9 0 t h 的设计能力降至6 0 t h 。1 9 8 5 年研究了磁团聚 选矿。由于迁安铁矿矿石剩磁和矫顽力都较差，采用了附加低磁场的磁团聚重选 1 4 硕士学位论文 第一章文献综述 机0 1 5 0 0 、0 18 0 0 和m 2 5 0 0 三种按图卜2 流程进行试验。试验结果列于表1 - 8 和 表1 - 9 。 表l 8 迁安铁矿石磁团聚选矿与弱磁选工艺对比 t a b l el - 8c o m p a r i s o nb e t w e e mm a g n e t i cc o a g u l a t i o nb e n e f i c i a t i o na n dl o wi n t e n s i t y m a g n e t i cs e p a r a t i o no fq i a na ni r o no r e 选矿工艺原管位精管位尾劭位甓率系等量嚣 纂霎蓑 2 6 9 -6 8 5 。 7 5 57 9 6 6 7 2 2。 焉訾2 6 s s 觚6 27 朋8 蝴 訾2 6 剐6 ”。7 印8 0 s 9 原矿 8 1 1 l 2 0 6 6 7 9 4 01 6 6 3 铁精矿 尾矿 图1 2 迁安铁矿磁团聚选矿流程 f i g 1 - 2m a g n e t i cc o a g u l a t i o nm i n e r a l d r e s s i n g f l o wo fq i a n a ni r o no r e 根据表l 一8 和1 - 9 可知，磁团聚选矿工艺显著地提高了铁精矿的各粒级品位， 增大了磨矿粒度，在不增加磨矿机容量，保证相同精矿质量和回收率的前提下， 提高选矿生产能力2 0 6 6 ( 工业试验) 和16 6 3 ( 工业生产) 3 9 1 。 硕士学位论文第一章文献综述 表1 - 9 迁安铁矿石磁团聚选矿与弱磁选工艺精矿品位对比数据 t a b l ei - 9c o m p a r i s o nb e t w e e nt h eo r ec o n c e n t r a t eo fm a g n e t i cc o a g u l a t i o nb e n e f i c i a t i o na n d l o wi n t e n s i t ym a g n e t i cs e p a r a t i o no fq i a n a ni r o no r e 1 3 4 微细粒矿物的磁团聚分选研究 现代矿物原料的基本特点是：能经济利用的矿石品质逐日降低，有价成分 的微细程度日益提高。因此，为了最大限度利用一切矿产资源，减缓自然资源的 枯竭速度，微细粒矿物的选矿已成为当今国际选矿界的研究课题和生产领域的头 等重大问题。 微细粒矿物的回收效果很差，相当部分被当作矿泥抛弃，有价矿物损失在 矿泥中。 ( 1 ) 微细粒矿物的一般特性 微细粒矿物的一般特性为：质量小，比表面积大。 质量小，则沉降分层过程慢，重选回收困难。质量小，细粒与气泡碰撞几率 低，比浮选速度小，故浮选回收率及品位均低。就磁选而言，强磁性物料随粒度 减小磁化率急剧降低，矫顽力增大；弱磁性矿物磁化率本身就低，比介质阻力随 粒度降低而剧增，导致回收困难。对任何一种分离方法而言，设备处理能力都低。 比表面积大，表面能和表面活性大，易于相互聚结，故细粒表面行为对分选 有重大影响。小于5 微米的微粒矿物，在矿浆( 微细粒物料的分选几乎都在水介质 中进行) 中受到各种表面力的作用，如范德华分子作用力、双电层静电作用力、 吸附分散剂后细粒表面吸附层引起的作用力等，使微细粒矿物的分散、团聚和絮 凝等行为受到严重影响。表面力不仅对浮选有重要作用，对重选和磁选也有显著 作用，重选矿粒的分层，磁选时矿粒在磁介质上的捕获和解吸，都与含有微粒体 系的分散于团聚有密切关系。 ( 2 ) 微细粒矿物磁选的有效途径 两种有效措施是：增大细粒物料的表观粒度和具有巨大磁场力的新型磁选机 直接分选微细粒物料。增大微细粒颗粒表观粒度的方法就是选择性磁团聚法和磁 种法。选择性磁团聚，就是在一定强度的磁场下，使强磁性或弱磁性颗粒团聚成 1 6 硕士学位论文第一章文献综述 链状或其他现状的团聚体，再对这些团聚体磁选，分选效果和处理能力都增加删。 1 4 本课题的研究意义和研究内容 1 4 1 研究意义 铁矿石是钢铁生产的主要原料，随着我国钢铁产量的不断增加，铁矿石需求 量也逐年增大。但由于我国铁矿资源禀赋不佳，储量增长滞后，生产能力又有限， 自给能力严重不足，其保障能力仅为4 4 ，铁矿生产速度远低于钢铁产量的增长 速度【4 1 1 。 2 0 0 8 年9 月，全球性的金融危机使我国的钢铁行业面临着巨大的压力，再 加上近期三大矿山单方面要求铁矿涨价9 0 ，严峻的国内外形势，使我们更加深 刻地认识到加大对国内复杂难选铁矿资源的开发利用力度具有重要的现实意义。 褐铁矿与菱铁矿均是公认的低品位难选矿种，储量巨大，长期未能得到有效利用， 因此，合理地开发利用褐铁矿与菱铁矿资源迫在眉睫，可以有效地缓解我国钢铁 行业所面临的压力。 我国铁矿石类型多样，主要类型及比例为【4 2 1 ：磁铁矿型5 5 4 0 ，赤铁矿型 1 8 1 0 ，菱铁矿型1 4 4 0 ，钒钛磁铁矿型5 3 0 ，镜铁矿型3 4 0 ，褐铁矿型1 1 0 ， 混合型2 3 0 。对于占总储量1 5 以上的粒度嵌布细、脉石主要为含铁硅酸盐的 低品位褐铁矿、菱铁矿等复杂难选氧化铁矿石的选矿技术仍没有突破性进展，使 该类型铁矿资源不能充分回收利用，有的尾矿铁含最高( 如大冶铁矿f 4 州】、铜绿 山铜铁矿【4 5 1 ) ，导致资源浪费，有的矿山铁精矿质量不高( 如包钢选矿厂【4 “8 1 ) ， 导致得不到高质量的铁精矿，从而影响高炉冶炼效率。低品位的褐铁矿和菱铁矿， 目前不能大规模开发利用。本课题研究传统的磁化焙烧磁选技术处理低品位菱 铁矿石和褐铁矿石，传统磁化焙烧是解决此类矿石分选最有效、最典型的技术方 法1 4 9 - 6 3 。 针对单一褐铁矿以及单一菱铁矿的开发利用，国内外已经开展了较为深入的 研究，但都存在着或多或少的问题。单一褐铁矿磁化焙烧存在着能耗高、焙烧产 品质量不高的缺点；单一菱铁矿的开发利用则由于菱铁矿矿石平均含铁3 0 - - 3 5 ，矿石采、选、冶均较困难，所以利用率不高岬j 。现有的菱铁矿焙烧工艺主 要有竖炉与回转窑两种，但两种工艺均存在矿石的焙烧效率低、能耗较高的问题。 而本论文则人为地将褐铁矿与菱铁矿混合进行磁化焙烧一磁选试验研究，由于菱 铁矿在磁化焙烧过程中存在着自磁化现象，因此该方法比单一褐铁矿磁化焙烧的 还原剂用量有所降低，能耗高的问题得到了一定程度的缓解：同时配入菱铁矿后 1 7 硕士学位论文第一章文献综述 由于菱铁矿的分解是在还原气氛下完成的，有助于磁铁矿的稳定，由此得到的磁 选精矿的铁品位和回收率均比不配菱铁矿时有所提高，有效地解决了单一焙烧时 焙烧矿质量低的缺点。此外，混合焙烧还可以有效地利用目前由于品位较低而无 法利用的菱铁矿，对缓解我国目前紧张的资源局势有相当大的促进作用。我国境 内存在着相当一部分的矿石为褐铁矿一菱铁矿一赤铁矿混合型矿石，这部分矿石由 于赋存状态一般都比较复杂，难以有效利用，本方法可以为此类矿石提供理论和 实践依据，提供了一条有效开发利用的新道路。 1 4 2 研究内容 文献综述指出单一褐铁矿与单一菱铁矿在磁化焙烧过程中均存在能耗高、焙 烧矿质量不高的问题，同时微细粒的尾矿在磁选过程中回收效果很差，大量有价 元素流失。所以本课题拟采用安徽铜陵地区的菱铁矿和褐铁矿在实验室条件下进 行磁化焙烧磁选及磁团聚试验研究，因此本课题的研究内容如下： ( i ) 单一褐铁矿磁化焙烧一磁选试验研究 在实验室中对单一褐铁矿进行磁化焙烧一磁选试验研究，考查焙烧温度、时 间及内配煤用量对焙烧效果的影响，磁选试验则考查磨矿细度和磁场强度对磁选 精矿指标的影响，为安徽铜陵地区的褐铁矿资源的有效利用提供一种合理的工艺 ( 2 ) 褐铁矿配加菱铁矿的磁化焙烧一磁选试验研究 在实验室条件下考查配加菱铁矿的比例以及配加菱铁矿后内配煤比例对焙 烧矿指标的影响，同时比较有无配加菱铁矿对焙烧矿物相的影响，探讨褐铁矿配 加菱铁矿的工艺的可行性。 ( 3 ) 单一褐铁矿和混合矿磁化焙烧的热力学及动力学研究 通过计算分析磁化焙烧的热力学基础，并在实验室中研究单一褐铁矿与混合 矿在动力学上各自的反应控制环节。 ( 4 ) 磁团聚试验研究 对褐铁矿与菱铁矿混合矿的焙烧矿进行磁团聚试验研究，研究不同参数对磁 选精矿指标的影响，找出磁团聚试验的最佳工艺参数，进一步提高选矿指标，探 讨在实验室条件下磁团聚试验的可能性。 1 8 硕士学位论文第二章原料性能和研究方法 第二章原料性能和研究方法 2 1 原料性能 本研究所用原料包括一种褐铁矿、一种菱铁矿、一种天然磁铁矿、一种烟煤、 一种焦粉，所有试验均为小型试验。 褐铁矿和菱铁矿主要进行磁化焙烧- 磁选试验研究，用颚式破碎机+ 对辊机破 碎至一l m m ，天然磁铁矿主要进行褐铁矿与菱铁矿混合焙烧矿的磁团聚试验。 2 1 1 铁矿石的物化性能 本研究所用的褐铁矿和菱铁矿由铜陵化学工业集团新桥矿业有限公司提供， 而天然磁铁矿则取自宝钢湛江球团厂。其化学成分见表2 1 。 表2 - 1 铁矿石化学成分， t a b l e2 - ic h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fi r o no r e o , 化学成分t f e f e o f e 2 0 3 s i 0 2a i 2 0 3 c a o m g o m n o 褐铁矿4 0 3 3 o “ 5 6 9 41 6 2 04 o l1 1 5o 4 84 6 2 菱铁矿 3 2 3 22 1 0 6 2 2 8 01 2 00 5 24 3 02 1 83 0 6 天然磁铁矿 6 3 8 4 2 5 4 7 o 5 91 8 60 6 54 5 50 4 7 k 2 0n a 2 0 psc up b z nl 0 1 0 2 30 0 3 40 1 01 4 00 0 7 7o 0 6 21 4 31 2 3 4 0 0 6 70 0 2 80 0 0 6 65 4 00 0 1 7o 0 2 3o 1 0 3 2 9 2 0 0 2 4 0 0 1 70 0 8 9o 4 0 1 6 4 由表2 1 可知，褐铁矿和菱铁矿属低品位矿，烧损值l o i 较高，p 等有害杂质 含量也较低，而s 在焙烧过程中则可以大部分脱除，因此如果能够富集其中的铁， 将是优质的烧结或球团原料。 表2 2 褐铁矿和菱铁矿的粒度分布臃 t a b l e2 - 2s i z ed i s t r i b u t i o no fl i m o n i t ea n ds i d e r i t e 1 9 硕士学位论文第二章原料性能和研究方法 表2 2 为褐铁矿和菱铁矿破碎至1 m m 后的粒度组成，表2 3 为天然磁铁矿的 粒度组成。 表2 3 天然磁铁矿的的粒度分布， t a b l e2 - 3s i z ed i s t r i b u t i o no fn a t u r a lm a g n e t i t e 2 1 2 煤和焦粉的物化性能 本研究所用的烟煤为河南灵宝烟煤，所用焦粉为湘潭焦粉。由表2 - 4 可以看 出，试验用煤固定碳和挥发份含量高，是良好的还原剂。试验用焦粉固定碳含量高， 也是良好的还原剂。 表2 - 4 煤和焦粉的工业分析 t a b l e2 - 4i n d u s t r i a la n a l y s i so fc o a la n dc o k e * 注：f c a d 一空气干燥基固定碳，m a d 一空气干燥基水分，a d 一干燥基灰分， v d a f - 干燥无灰基挥发分 表2 5 焦粉的粒度分布 1 a b l e2 5s i z ed i s t r i b u t i o no f c o k e 2 1 3 褐铁矿和菱铁矿的化学物相分析 表2 7 为褐铁矿和菱铁矿的化学物相分析结果，由表可知，矿石中可供选矿 回收的主要组分是铁。褐铁矿中铁的赋存状态较为简单，呈赤( 褐) 铁矿产出的 高价氧化铁占9 3 6 8 ；而菱铁矿中铁的赋存状态则相对复杂一些。 硕士学位论文第二章原料性能和研究方法 2 2 研究方法 2 2 1 试验流程 图2 1 为磁化焙烧的试验流程图。如图所示，铁矿石原矿添加还原剂与水后 混匀，用模具压制成0 1 3 m m x l o m m 的圆柱，压好的团块干燥后在一定的磁化焙 烧温度下还原一定的时间，焙烧结束后直接进行水冷，得到焙烧矿。然后焙烧矿 再进行球磨、磁选作业，所得的磁选精矿制样化验。磁团聚试验流程也如图2 1 所示，褐铁矿和菱铁矿混合矿的焙烧矿经球磨后与天然磁铁矿混匀后经搅拌机搅 拌5 m i n 后直接进行磁选，所得的磁选精矿制样化验t f e 并计算其产率和回收率。 2 2 2 试验方法 2 2 2 1 褐铁矿以及褐铁矿配加菱铁矿的磁化焙烧试验 1 m m 原矿按比例混匀，再配加一定量灵宝烟煤、水混匀一压团一干燥一磁 化焙烧一磨矿一磁选。团块制备采用0 1 3 m m x 5 0 m m 的模具将细碎的原矿在 2 0 0 0 n c m 2 的压力下压制成 1 3 m m x l o m m 的圆柱：压好的团块置于1 0 1 1 型电热 鼓风干燥箱烘干( 1 0 0 ) 两小时，烘干后的团块每个约重2 o g ，然后取十六个干 团块置于2 0 0 m m x1 2 0 m m x 3 0 m m ( 长宽高) 的耐火瓷舟中，外配一定比例的 焦粉( 本试验固定矿与外配焦粉的质量比为1 5 ：1 ，焦粉起保护作用) ，瓷舟放入 s x 1 2 1 6 马弗炉中进行焙烧，按预定的磁化焙烧温度和时间进行磁化焙烧后取出， 置于水中冷却，得到焙烧矿；将焙烧矿过滤脱水后放入1 0 1 1 型电热鼓风干燥箱 烘干( 1 0 0 ) 两小时后碾碎；用x m q 2 4 0 x 9 0 型锥形球磨机进行磨矿试验，给料 量为2 0 9 ，矿浆浓度固定为5 0 ；矿磨好后直接进行磁选，磁选设备为x c g s 7 3 型 磁选管，直径5 0 m m ，磁场强度可调。 2 l 硕士学位论文 第二章原料性能和研究方法 铁矿石还原剂 水 1， 上、r i混匀 l 上 压团 i + l 干 燥 i 1 l i 磁化焙烧 焙矿。h 化帅e 。l j l 啼l 算磁化率i 磁选尾矿磁选精矿 2 2 2 2 磁团聚试验 图2 1 试验流程图 f i g 2 - 1e x p e r i m e n t a lf l o ws h e e t 将褐铁矿配加菱铁矿的混合矿按最佳磁化焙烧条件焙烧后得到的焙烧矿放 入1 0 1 1 型电热鼓风干燥箱烘干( 1 0 0 ) 两小时后碾碎；用x m q 2 4 0 x 9 0 型锥 形球磨机进行磨矿试验，给料量为2 0 9 ，矿浆浓度固定为5 0 ，将焙烧矿磨至一 定的粒级；将磨好的焙烧矿过滤脱水后放入1 0 1 1 型电热鼓风干燥箱烘干( 1 0 0 ) 两小时后再配加一定比例一定粒径的天然磁铁矿以及一定比例的硅酸钠( 本文固 定硅酸钠用量为2 k g t ) ，总量共2 0 9 放入1 0 0 m l 的玻璃杯中，加2 0 m l 水，保证 搅拌时的矿浆浓度为5 0 。搅拌机为无级调速搅拌机，转速5 0 0 r m i n ，在常温下 搅拌5 r a i n 。矿搅拌完后直接进行磁选，磁选设备为x c g s 7 3 型磁选管，直径 硕士学位论文 第二章原料性能和研究方法 5 0 m m ，磁场强度可调。 2 2 2 3 磁化焙烧动力学试验 还原实验在还原竖炉中进行，采用0 3 8 x 5 5 0m m 石英玻璃反应罐，还原混合 气体标态流量为5 l m i n ，保证气流速度大于5 c m 3 s ；试验过程中，按流量浓度 计算，c o 的浓度为3 ，还原过程中采用电子天平称重，电子天平在收集重量 变化数据的同时把绝对失重值显示在读数盘上，并通过c s c 接口把失重量信号 转变为电信号传送到与之相连的计算机上，由计算机自动把数据写入硬盘同时显 示在计算机屏幕上( 读数间隔为每3 0 s 一个数值) ，达到了由计算机自动读数记录 的效果 试验步骤：一l m m 原矿配加一定量还原煤、水混匀_ 压团_ 干燥_ 磁化焙烧 一磨矿_ 磁选。团块制各采用1 3 m m x 5 0 m m 的模具将细碎的原矿在2 0 0 0 n c m 2 的压力下压制成 1 3 m m x l o m m 的圆柱；压好的团块置于1 0 1 1 型电热鼓风干燥箱 烘干( 1 0 0 ( 2 ) 两小时，烘干后的团块每个约重2 0 9 。动力学试验每次取3 0 9 左 右褐铁矿团块加入石英反应罐，通n 2 气保护下放入竖炉中，待温度升到实验所 需还原温度后，通预先配好的c o 和n 2 混合还原气体还原进行等温还原实验， 还原结束后通n 2 保护并气冷却。 2 3 评价指标 2 3 1 磁化焙烧磁选试验评价指标 采用磁化率t 1 和褐铁矿转变为磁铁矿的转化率 r 两个指标来衡量磁化焙烧的 效果。 磁化率t l = t f e f e o 式中t f e 储烧矿中全铁的含量，； f e o 焙烧矿中f e o 的含量，。 转化率y = ( 还原后焙烧矿中f e 3 0 4 的百分含量一还原前f e 3 0 4 的百分含量) ( 还 原前 i t e 的百分含量一还原前f e 3 0 4 的百分含量) 。 丫的计算以l k g 原矿为基准，若褐铁矿全部转化成磁铁矿时，还原程度最佳， 磁性最强，此时r l - - - 2 3 3 。磁选效果采用精矿铁品位及回收率来衡量。 硕士学位论文第二章原料性能和研究方法 2 3 2 磁团聚试验评价指标 磁团聚试验的好坏则用扣除天然磁铁矿后的磁铁精矿的指标，即铁品位和回 收率来表示，当加入天然磁铁矿进行磁团聚选矿时，图中所示的磁铁精矿指标均 为扣除天然磁铁矿后的磁选精矿指标。计算方法如下：已知焙烧矿与天然磁铁矿 混合磁选后磁选精矿的全铁品位和产率计算时假设天然磁铁矿单独磁选与混合 磁选时选矿指标保持不变，则扣除天然磁铁矿后的磁选精矿铁品位的计算公式为： 五m + 乃m = 毛 式中 五一扣除天然磁铁矿后的磁选精矿铁品位： 儿一天然磁铁矿单独磁选时的磁选精矿铁品位； 毛焙烧矿与天然磁铁矿混合磁选的磁选精矿铁品位； m ，焙烧矿占混合矿的百分含量； n 1 天然磁铁矿占混合矿的百分含量。 扣除天然磁铁矿后的磁选精矿产率的计算公式为： 而必+ 兕鸩= z 2 式中 而一扣除天然磁铁矿后的磁选精矿的回收率； 虼一天然磁铁矿单独磁选时的磁选精矿的回收率； z 焙烧矿与天然磁铁矿混合磁选的磁选精矿的回收率； m 焙烧矿占混合矿的百分含量； n 2 天然磁铁矿占混合矿的百分含量。 硕士学位论文第三章褐铁矿以及配加菱铁矿强化褐铁矿磁化焙烧磁选的试验研究 第三章褐铁矿以及配加菱铁矿强化褐铁矿磁化 焙烧一磁选的试验研究 3 1 研究背景 随着中国钢铁工业规模的不断扩大，国内生产的铁矿石已经难以满足钢铁生 产的需要，必须大量依靠进口。然而，铁矿石供求缺口的增大，导致了国内外铁 矿石价格暴涨，海运费大幅攀升，运输系统处于极度紧张状态。对进口铁矿石依 存度的提高，已成为我国钢铁工业经济安全的重大隐患。 中国的菱铁矿和褐铁矿资源丰富，但利用率极低，大部分没有开采、回收利 用。即使有些菱铁矿和褐铁矿资源被利用，也存在着能耗大、焙烧精矿品位不高 等缺点。基于此，突破低品位菱铁矿和褐铁矿的利用技术难关，使丰富的菱铁矿 和褐铁矿资源得以有效开发利用，对于缓解中国铁矿石供应的危机，保证中国钢 铁工业的可持续发展，具有重大的社会和经济意义。 3 2 理论基础 菱铁矿在焙烧过程中存在一个自身磁铁矿化，其热分解产生的c 0 2 可使f e o 转化为f e 3 0 4 ，而反应生成的c o 又可将试样中的f e 2 0 3 还原成f e 3 0 4 。 根据热化学反应式计算，试料可依靠f e c 0 3 分离产生的c o 完成自我磁化反 应，可减少团块与空气接触被再氧化的表面积。 菱铁矿和褐铁矿在焙烧过程中将按下式完成磁化反应： f e c 0 3 _ f e o + c 0 2 f e o + 3 c 0 2 - - + f e 3 0 4 + c o 即 3 f e c 0 3 - - + f e a 0 4 + 2 c 0 2 + c o 3 f e 2 0 3 + c o _ 2 f e 3 0 4 + c 0 2 此外，配入菱铁矿后由于菱铁矿的分解是在还原气氛下完成的( 混合矿内配 煤外配焦粉) ，还原气氛不仅有助于磁铁矿的稳定，不被氧化且与分解时放出的 c o 气体一起参与褐铁矿的还原反应。因此，此时磁选精矿的铁品位和回收率可 能比不配菱铁矿时好。 硕士学位论文第三章褐铁矿以及配加菱铁矿强化褐铁矿磁化焙烧一磁选的试验研究 3 3 褐铁矿磁化焙烧试验 3 3 1 内配煤比例对磁化率的影响 内配煤比例对焙烧矿磁化率的影响见图3 1 。由此可见：当内配煤比例由0 提高到6 ，焙烧矿磁化率从2 7 8 降到1 5 6 。在内配煤比例为2 时，焙烧矿磁化 率接近最佳值，此时褐铁矿转化为磁铁矿的程度最高。还原剂不足时，一部分弱 磁性矿物不能充分地还原成磁铁矿，从而降低了矿石的磁性。还原剂过剩会使部 分磁铁矿过度还原成非磁性的富氏体，焙烧矿f e o 含量明显增加，磁化率反而下 降，导致矿石的磁性下降，选别过程中铁的损失将会升高。因此，适宜的内配煤 比例为2 左右。 图3 1 内配煤比例对焙烧矿磁化率的影响 f i g 3 - le f f e c to f b l e n d i n gc o a lp r o p o r t i o nt or o a s t e do r e 。sm a g n e t i cs u s c e p i b i l i t y ( 磁化焙烧温度8 5 0 ，还原时间1 5 m i n ) 3 3 2 磁化焙烧温度对磁化率的影响 磁化焙烧