2018, Vol. 39
我国菱铁矿资源较为丰富, 其特点为分布广泛、类型多样、组成复杂、含铁品位低, 还尚未得到大规模的有效开发利用[1-5].陕西大西沟铁矿是我国最大的菱铁矿基地, 该矿石集低品位、微细粒嵌布、矿种复杂难选等特征于一身.为有效开发利用该铁矿石, 国内许多专家学者做了大量研究.罗立群等[6]采用中性气氛焙烧—干式自然冷却—异地磁选技术对陕西大西沟菱铁矿石进行了选别试验研究, 获得了铁精矿品位59.37 % ~59.56 %、铁回收率72.03 % ~73.72 %的较好指标; 罗良飞等[7]采用煤基回转窑磁化焙烧—阶段磨矿—弱磁选—阳离子反浮选流程对大西沟铁矿石进行了半工业试验, 最终取得铁精矿品位61.48 %、铁回收率83.83 %的优良指标; 刘小银等[8]针对大西沟菱铁矿-1 mm粉矿采用闪速磁化焙烧—弱磁选流程, 也获得TFe品位56 %、回收率80 %的良好指标.在一些研究中发现, 针对复杂难选铁矿石, 强磁预选工艺具有很好的应用前景, 既可以预先脱除矿石中的部分脉石矿物和矿泥, 大幅降低后续作业处理量, 还能提高后续作业给料铁品位.针对大西沟菱铁矿石, 本文采用强磁预选—磁化焙烧—磁选工艺进行提铁研究, 以便得到处理该难选铁矿石的最佳工艺条件及磁化焙烧过程中铁矿物物相转变、磁性变化的基本规律, 为该矿石的高效开发利用开辟新的途径.
1 试验原料 1.1 菱铁矿石矿样取自陕西大西沟矿山公司, 菱铁矿石主要成分(质量分数, %)为:TFe 26.08, FeO 24.30, SiO2 33.08, Al2O3 9.38, CaO 0.30, MgO 1.95, MnO 1.48, P 0.04, S 0.40, K 2.12, 烧失16.77.由此可知, 该矿石中主要有用元素为铁, 主要杂质成分硅、铝、镁、锰和钾含量较高, 有害元素S含量较高、P含量较低.
菱铁矿石铁物相分析结果表明, 矿石中铁主要以菱铁矿和褐铁矿形式存在, 所占比例分别为总铁的68.88 %和22.32 %, 4.41 %的铁以磁铁矿形式存在, 另有少部分铁赋存于硫化铁和硅酸铁中, 所占比例分别为1.27 %和3.39 %, 此部分铁较难回收.
菱铁矿石X射线衍射结果如图 1所示:矿石中主要有用矿物为菱铁矿和针铁矿(褐铁矿), 脉石矿物为石英和白云母.
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图 1 矿石的XRD图谱 Fig.1 XRD pattern of ore |
试验采用的还原剂为吉林某地的烟煤, 其工业及成分分析表明, 还原煤粉固定碳质量分数高达75.66 %, 挥发分质量分数为11.43 %, 灰分质量分数和有害元素S质量分数较低, 分别为12.95 %和0.37 %, 属优质的还原剂.
2 试验结果与讨论 2.1 强磁预选试验根据原矿矿石性质, 拟采用一段磨矿—两段强磁选选别流程预处理该菱铁矿石.磨矿作业采用XMQ-240×90型锥形球磨机, 磨矿浓度为66.7 %; 两段强磁选作业均采用SLon 500立环脉动高梯度磁选机, 磁介质为φ2 mm棒介质, 脉动冲程为25 mm, 冲次为150 r/min.
2.1.1 磨矿细度条件试验在强磁粗选磁场强度318 kA/m, 强磁扫选磁场强度740 kA/m的选别条件下, 磨矿细度对分选指标的影响结果如图 2所示.
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图 2 磨矿细度对分选指标的影响 Fig.2 Effect of grinding size on the separation indices |
由图 2可知, 随着磨矿细度的增加, 铁矿物与脉石解离程度更完全, 使得精矿TFe品位和铁回收率均增加; 但随着磨矿细度的进一步提高, 连生体中的铁矿物含量降低, 带有少量铁矿物颗粒的连生体受到的磁力作用减小, 连生体进入尾矿, 又导致精矿铁回收率降低.最终确定最佳磨矿细度为-74 μm矿石比例占55 %, 此时精矿TFe品位为28.03 %、回收率为98.50 %.
2.1.2 强磁粗选磁场强度条件试验在磨矿细度为-74 μm矿石比例占55 %, 强磁扫选磁场强度为740 kA/m的条件下, 强磁粗选磁场强度对分选指标的影响如图 3所示.
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图 3 强磁粗选磁场强度对分选指标的影响 Fig.3 Effect of magnetic field in high intensity magnetic roughing on the separation indices |
由图 3可知, 磁场强度由199 kA/m升高到318 kA/m, 精矿TFe品位由26.80 %增加到28.03 %, 继续增加磁场强度, 精矿TFe品位开始减小; 而铁回收率一直呈增加趋势, 由82.59 %增加到98.12 %.此试验以“重品位次回收率”为原则, 确定最佳的强磁粗选磁场强度为318 kA/m, 此时精矿TFe品位为28.03 %、铁的回收率为98.50 %.随着磁场强度的提高, 作用在单位质量铁矿物颗粒上的磁力增加, 尚未充分解离的含铁矿物的连生体颗粒进入磁选精矿的可能性增大, 铁的回收率提高, 同时由于连生体夹杂的脉石矿物进入磁选精矿, 又使其铁品位降低.
2.1.3 强磁扫选磁场强度条件试验为进一步减少有用矿物的损失, 提高铁精矿的回收率, 针对强磁粗选尾矿进行强磁扫选试验.在磨矿细度为-74 μm矿石比例占55 %、强磁粗选磁场强度为318 kA/m的条件下, 强磁扫选磁场强度对分选指标的影响如图 4所示.
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图 4 强磁扫选磁场强度对分选指标的影响 Fig.4 Effect of magnetic field in high intensity magnetic scavenging on the separation indices |
图 4表明, 随着强磁扫选磁场强度的增加, 精矿TFe品位先增加后降低, 而铁的回收率则一直增加.磁场强度由478 kA/m增加至637 kA/m, 精矿TFe品位由28.04 %增加至28.92 %, 继续增加磁场强度, 精矿TFe品位开始降低, 此试验以“重回收率次品位”为原则, 确定最佳的强磁扫选磁场强度为717 kA/m, 此时精矿TFe品位为28.47 %、回收率为96.78 %.
通过以上试验确定的强磁预选流程见图 5.采用图 5流程进行强磁精矿(即磁化焙烧给矿)制备试验, 结果见表 1.由表 1可知, 该菱铁矿石经一段磨矿—两段强磁选试验, 可获得TFe品位28.47 %、回收率96.78 %的强磁精矿.对强磁精矿和尾矿分别进行化学成分分析, 结果见表 2.
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图 5 强磁精矿制备试验流程 Fig.5 Test process of high intensity magnetic concentrate preparation |
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表 1 强磁精矿制备试验结果 Table 1 Test results of high intensity magnetic concentrate preparation |
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表 2 强磁精矿及尾矿化学成分(质量分数) Table 2 Chemical composition of high intensity magnetic concentrate and tailings(mass fraction) |
由表 2可知, 该菱铁矿石经过强磁预选, 有用铁矿物得到了预先富集, TFe品位由26.08 %提高至28.47 %, 提高2.39个百分点.与原矿相比, 强磁精矿中有害组分SiO2和Al2O3含量明显较少, 而尾矿中SiO2和Al2O3的含量较高, 表明有害组分SiO2和Al2O3在强磁预选过程中作为尾矿被抛出, 有害元素S和P也同样富集在尾矿中; MgO和MnO则主要集中在强磁精矿中.强磁预选试验不仅提高了后续磁化焙烧入料铁品位, 还预先抛出矿石中部分有害成分, 减少后续作业处理量, 对后续选别指标的提高有重要意义.
2.2 强磁精矿磁化焙烧—磁选试验磁化焙烧是处理类似菱-褐混合型铁矿石最有效的手段.针对强磁精矿进行了一系列的磁化焙烧—磁选条件试验, 确定的最佳磁化焙烧—磁选试验流程如图 6所示.焙烧试验采用箱式电阻炉, 磁选试验采用XCGS型磁选管.采用图 6流程进行强磁精矿磁化焙烧—磁选试验, 结果如表 3所示.由表 3可知, 强磁精矿经过磁化焙烧—弱磁选工艺, 最终精矿TFe品位为59.29 %、对原矿铁回收率87.50 %、作业回收率90.41 %.最终尾矿TFe品位仅为4.82 %.对最终精矿分别进行化学成分和铁物相分析, 结果如表 4、表 5所示.由表 4可知, 精矿中TFe品位为59.17 %, 有害杂质SiO2含量仍然较高, 质量分数为9.33 %, 为获得高品位铁精矿, 可进行反浮选提铁降硅试验.MgO和MnO含量较高, 质量分数分别为3.05 %和1.54 %, 而原矿中MgO和MnO质量分数分别为1.95 %和1.48 %, 表明MgO和MnO在铁精矿中富集.
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图 6 磁化焙烧—磁选试验流程 Fig.6 Test flowsheet of the magnetic roasting-magnetic separation |
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表 3 磁化焙烧—磁选试验结果 Table 3 Results of the magnetic roasting-magnetic separation |
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表 4 精矿化学成分(质量分数) Table 4 Chemical composition of concentrate(mass fraction) |
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表 5 精矿中铁物相分析 Table 5 Iron mineral phase analysis results of concentrate |
由表 5可知, 精矿中的铁主要以磁性铁形式存在, 占全部铁含量的98.99 %, 表明强磁精矿中的菱铁矿和褐铁矿经焙烧后转变为磁铁矿, 再通过弱磁选将强磁性的磁铁矿进行有效富集, 获得了较好的选别指标.
3 焙烧过程机理分析 3.1 热力学分析强磁精矿中的铁矿物主要为菱铁矿和褐铁矿, 菱铁矿(FeCO3)在中性气氛中焙烧, 反应首先产生FeO, 但是FeO是一个中间过渡相, 并且在短时间内容易继续转化为Fe3O4[9], 发生以下反应:
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(1) |
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(2) |
根据式(1)和式(2), 菱铁矿在中性气氛下焙烧反应为
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(3) |
褐铁矿(Fe2O3·nH2O)在焙烧时, 首先脱出结晶水变为赤铁矿(Fe2O3), 煤粉通常用作还原剂, 将赤铁矿还原成磁铁矿[10], 发生如下反应:
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(4) |
由式(3)和式(4)可知, 菱铁矿在转变为磁铁矿的同时产生了CO, 而赤铁矿还原成磁铁矿恰好需要CO, 且当菱铁矿与褐铁矿的质量分数比值大于1, 即w(FeCO3):w(Fe2O3·nH2O)>1时, 可不添加任何还原剂进行焙烧, 其总反应为
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(5) |
由热力学分析可知, 强磁精矿中的菱铁矿、褐铁矿在中性气氛下焙烧可转变为磁铁矿, 与上述磁化焙烧试验结果相吻合.
3.2 物相转变为研究强磁精矿中铁矿物在磁化焙烧前后的物相转变, 采用XRD和光学显微镜对强磁精矿及其焙烧产品进行分析检测.结果见图 7、图 8.
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图 7 强磁精矿焙烧前后的XRD图谱 Fig.7 XRD patterns of the magnetic concentrate before/after roasting |
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图 8 焙烧矿显微照片 Fig.8 Micrograph of roasted products |
由图 7可知, 磁化焙烧前, 强磁精矿中的铁主要以菱铁矿(FeCO3)和针(褐)铁矿(Fe2O3·nH2O)形式存在, 磁化焙烧后转化为以磁铁矿(Fe3O4)为主的新矿相; 而脉石矿物石英和白云母焙烧前后无明显变化, 其原因为焙烧温度较低, 未达到二者与矿石中其他组分反应所需的能量.
图 8中的磁铁矿由菱铁矿和褐铁矿转变而来, 由于菱铁矿在分解过程中产生CO和CO2气体以及褐铁矿受热后结晶水的脱除, 使得致密的矿石结构变得疏松多孔, 有助于焙烧反应的进行, 同时也导致生成的磁铁矿表面产生较多孔隙(图 8a).磁铁矿在焙烧过程中生成, 致使其呈胶状, 并与脉石矿物紧密结合(图 8b), 因此为获得合格的铁精矿, 在磁选之前需要对焙烧矿进行细磨.
3.3 磁性变化在磁化焙烧过程中, 矿石的磁性发生了较为明显的变化, 采用振动样品磁强计探明了强磁精矿焙烧前后的磁化强度和比磁化系数随磁化磁场强度变化的关系, 结果如图 9所示.由图 9可知, 强磁精矿的磁化强度和比磁化系数随磁化磁场强度的升高变化不大, 基本保持一个极低的数值, 属弱磁性物质; 而焙烧矿的磁化强度随磁化磁场强度的升高先呈快速升高, 而后当磁化磁场强度达到200 kA/m时, 磁化强度的增加趋势趋于稳定, 具有了磁饱和现象, 属铁磁质物质.焙烧矿的比磁化系数随磁化磁场强度的升高呈先迅速增加再快速下降而后趋于稳定的趋势, 在磁化磁场强度为42.59 kA/m时达到最大值0.36×10-3 m3/kg, 继续增加磁化磁场强度, 比磁化系数逐渐下降到0.05×10-3 m3/kg左右.磁性分析表明, 强磁精矿中的弱磁性铁矿物(菱铁矿和褐铁矿)经焙烧后转变为强磁性铁矿物(磁铁矿), 其磁化强度和比磁化系数均显著提高, 进而可通过弱磁选工艺进行强磁性铁矿物的有效富集, 真正实现了“难选矿石”到“易选矿石”的转变.
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图 9 焙烧前后物料磁性分析 Fig.9 Magnetic analysis of the material before/after roasting |
1) 大西沟菱铁矿石有用元素铁品位为26.08 %, 铁主要以菱铁矿和褐铁矿形式存在, 矿石中含有1.95 % MgO和1.48 % MnO, 脉石矿物主要为石英和白云母, 属于典型难选菱铁矿石.
2) 该菱铁矿石磨细至-74 μm占55 %后, 在强磁粗选磁场强度为318 kA/m, 强磁扫选磁场强度为717 kA/m的条件下进行强磁预选试验, 可得到TFe品位为28.47 %、回收率为96.78 %的强磁精矿; 强磁精矿在中性气氛下于焙烧温度为700 ℃、焙烧时间为40 min、焙烧矿磨矿细度-43 μm占95 %、弱磁选磁场强度为104 kA/m的综合条件下, 可获得精矿TFe品位为59.29 %、回收率为87.50 %的良好指标.
3) 磁化焙烧后, 矿石中的菱铁矿和褐铁矿全部转变为磁铁矿, 新生成的磁铁矿表面疏松多孔, 常呈胶状, 与脉石矿物紧密共生; 焙烧矿的磁化强度和比磁化系数均显著提高, 实现了矿石中铁矿物由弱磁性矿物到强磁性矿物的转变.
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