焙烧温度及时间对白云鄂博铁矿选铁尾矿悬浮磁化焙烧的影响_单彦.pdf

焙烧温度及时间对白云鄂博铁矿选铁尾矿悬浮磁 化焙烧的影响 单彦 1， 2 韩跃新 1， 2 李文博 1， 2 （1. 东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819； 2. 难采选铁矿资源高效开发利用技术国家地方联合工程研究中心， 辽宁 沈阳 110819） 摘要为了回收白云鄂博铁矿选铁尾矿中的铁矿物， 采用强磁预富集悬浮磁化焙烧磁选工艺进行铁矿 物再选试验。结果表明 TFe品位为14.10的白云鄂博铁矿选铁尾矿经磁选预富集所得精矿在总气量600 mL/min、 CO浓度15、 焙烧温度800 ℃、 焙烧时间5 min条件下焙烧后， 焙烧产品磨细至d9039.29 μm， 在磁选管磁场强度为 10.56 kA/m时， 可获得TFe品位为63.88、 对原矿回收率为57.25的磁选精矿。对试验各阶段产品分析表明， 焙烧 温度过高、 焙烧时间过长会导致过还原， 同时焙烧过程使得预富集精矿中表面光滑无裂纹的赤铁矿变为表面伴有 微裂纹的磁铁矿。研究结果为多金属共 （伴） 生铁矿资源的高效利用提供了理论基础。 关键词白云鄂博铁矿尾矿悬浮焙烧过还原 中图分类号TD925.7文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -02-044-06 DOI10.19614/ki.jsks.201902008 Effect of Calcination Temperature and Time on Suspension Magnetization Roasting of Iron Tailings in Bayan Obo Iron Ore Shan Yan1， 2Han Yuexin1， 2Li Wenbo1， 22 （1. School of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China； 2. National-Local Joint Engineering Research Center of Refractory Iron Ore Resources Efficient Utilization Technology， Shenyang 110819， China） AbstractIn order to recover iron ore from the tailings of Baiyun Obo Iron Mine， the high intensity magnetic separation preconcentration-suspension roasting-magnetic separation process was used to carry out the iron ore re-concentration test. The results show that the preconcentrated concentrate from tailings of Baiyun Obo Iron Mine with TFe grade of 14.10， via the to⁃ tal gas volume of preconcentrated concentrate is 600 mL/min，in which the CO concentration is 15，the roasting tempera⁃ ture is 800 ℃， and the roasting time is 5 min. After roasting， the particle size of the roasted product is d9039.29 μm， and the magnetic field strength of the magnetic tube is 13.2 mT， the magnetic separation concentrate with TFe grade of 63.88 and to⁃ tal iron recovery of 57.25 can be obtained. The product analysis of each stage in the test shows that too high roasting temper⁃ ature and too long roasting time will lead to excessive reduction. Meanwhile， the roasting process makes the hematite without cracks in the surface of preconcentrated concentrate change into magnetite with micro-cracks on the surface. The study can provide technical basis for the development and utilization of polymetallic co-associated iron ore resources. KeywordsBayan Obo iron tailings， Suspension roasting， Excessive reduction 收稿日期2018-11-20 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51604064） ， 中央高校基本业务科研费项目 （编号 150103003） ， 辽宁省博士启动基金项目 （编号 201601027） ， 稀有金属分离与综合利用国家重点实验室开放基金项目 （编号 GK-201804） 。 作者简介单彦 （1992） ， 男， 硕士研究生。通讯作者韩跃新 （1961） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 512 期 2019 年第 2 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 512 February 2019 白云鄂博铁矿作为我国最大的铁稀土铌多 金属共 （伴） 生矿， 也是世界上罕见的最大的稀土矿 山， 除稀土、 铁、 铌外， 还伴生有钍、 萤石、 磷灰石、 重 晶石等有用矿物 ［1-2］。目前， 白云鄂博铁矿选厂采用 弱磁强磁浮选工艺回收铁和稀土， 生产中强磁 选作业的弱磁性铁矿物及稀土矿物回收率低 ［1-9］， 使 得大量未被回收的有用矿物以尾矿形式堆存于尾矿 库中。 国内学者针对白云鄂博铁矿原矿、 粗精矿和尾矿 进行了大量的磁化焙烧试验， 以期提高白云鄂博铁矿 44 ChaoXing 石的综合利用率， 而大多数磁化焙烧为煤基磁化焙 烧、 气基磁化焙烧以及微波磁化焙烧。本文采用传热 传质效率更高的悬浮焙烧技术对白云鄂博铁矿选铁 尾矿进行处理， 通过预富集悬浮磁化焙烧磁选工 艺流程条件试验探明焙烧过程主要影响因素对焙烧 效果的影响， 并对焙烧前后产品进行物相分析， 揭示 白云鄂博铁矿选铁尾矿的预富集精矿在悬浮焙烧过 程中物相演变过程及微观结构变化规律， 为我国多金 属共 （伴） 生铁尾矿资源的高效回收利用奠定理论基 础。 1试验原料和试验装置 1. 1试验原料 试验来料为包头钢铁集团下属宝山矿业有限公 司的白云鄂博铁矿选铁尾矿， 即白云鄂博铁矿经磁 选浮选联合选铁流程得到的磁选尾矿和浮选尾 矿。现场取样为矿浆产品， 沉淀后运至实验室， 经晾 晒去除矿样中的水分。根据现场生产产出的2种尾 矿的产率， 将磁选尾矿和浮选尾矿按照质量比3 ∶ 1混 合均匀得到试验矿样。对试样分别进行化学成分分 析和铁化学物相分析， 结果如表1和表2所示。 由表1可以看出 试样主要有价元素为铁、 稀土、 铌， 铁品位为14.10， FeO的含量为7.10， 稀土氧化 物总量为9.84， 铌含量为0.12， 此外， 还含有锰、 钛、 钡等有价金属元素； 主要杂质成分为硅、 钙、 氟 等， 并且有害杂质硫、 磷含量较高， 属于典型的多金 属共 （伴） 生的铁矿石选铁尾矿。试样铁品位相对较 高， 具有回收价值， 稀土矿物和铌矿物具有较高的回 收利用价值， 可以考虑综合回收。 表2表明 试样主要铁矿物为磁铁矿和赤/褐铁 矿， 分布率分别为40.17和37.09； 还含有一定量的 碳酸铁 （主要为菱铁矿和铁白云石） ， 少量的硫化铁， 铁在碳酸铁和硫化铁中分布率分别为 12.62和 3.55； 少量铁以硅酸铁形式存在， 分布率为6.03， 这部分铁易在磁选预富集过程中损失于尾矿中， 并 且在还原焙烧弱磁选时易损失于弱磁选尾矿中， 从而影响铁的回收率。 1. 2试验方法与装置 1. 2. 1试验方法 试样先经过弱磁选获得弱磁精矿 （主要为磁铁 矿等强磁性矿物） ， 然后将弱磁选尾矿给入强磁选作 业， 将弱磁选精矿和强磁选精矿混匀得到混磁精矿 （即预富集精矿） 。通过预富集条件优化试验， 在最 佳条件下可以获得铁品位21.39、 铁回收率86.60 的预富集精矿。 将炉腔温度升到试验所需温度， 通入N2以排出 空气， 加入12 g预富集精矿， 在总气量为600 mL/min， CO浓度为15条件下进行悬浮焙烧试验。焙烧完成 后， 停止通入CO， 持续通入N2直至炉温降至室温， 将 石英管内物料倒出， 即为焙烧产品。 焙烧产品磨细至d9039.29 μm， 在磁选管磁场强 度为10.56 kA/m条件下弱磁选， 获得磁选精矿和磁选 尾矿， 化验TFe和FeO含量， 计算铁回收率。 1. 2. 2磁化焙烧试验装置 图1为实验室悬浮磁化焙烧磨矿磁选试验流 程示意。实验室悬浮磁化焙烧试验炉管为高纯石英 管， 炉管内部嵌有一孔径为10～15 μm的多孔石英板， 气体通过炉管下端通入， 通过多孔石英板使矿样颗粒 悬浮在加热区域， 从而进行悬浮磁化焙烧试验。 2悬浮磁化焙烧试验 以预富集精矿为悬浮磁化焙烧试验给料， 以焙 烧产品磁选精矿的品位和回收率为评价指标， 探究 焙烧温度、 焙烧时间对悬浮磁化焙烧效果的影响。 2. 1焙烧温度试验 焙烧温度是影响物料磁化焙烧效果的重要因 素。为了考察焙烧温度对悬浮磁化焙烧效果的影 响， 在焙烧时间为5 min条件下， 考察焙烧温度对物 料焙烧效果的影响， 结果如图2所示。 由图2可知 在500～800 ℃温度范围内， 随着焙 烧温度的升高， 磁选精矿的铁品位逐渐增加， 由 49.88 （500 ℃） 升高至58.37 （800 ℃） ， 当温度继续 增加时， 精矿铁品位开始下降； 在500～700 ℃范围内， 随着焙烧温度升高， 磁选精矿铁回收率迅速升高， 由 53.69 （500 ℃） 升高至73.99 （700 ℃） ， 当温度超过 700 ℃时， 回收率开始下降。这主要是因为当焙烧温 度较低时， 只有部分弱磁性铁矿物被还原成强磁性的 磁铁矿， 弱磁性铁矿物未被完全还原， 因而磁性较弱， 2019年第2期单彦等 焙烧温度及时间对白云鄂博铁矿选铁尾矿悬浮磁化焙烧的影响 45 ChaoXing 导致磁选精矿铁品位及回收率较低。随着焙烧温度 的升高， 弱磁性铁矿物向磁铁矿转化的反应速率增 加， 大部分弱磁性铁矿物转化为磁铁矿， 从而提高了 磁选精矿的铁品位和回收率。而温度过高时， 焙烧产 物中的磁铁矿会发生过还原， 生成弱磁性的氧化亚 铁， 在弱磁选过程中容易流失进入尾矿， 从而造成回 收率下降。因此， 选择焙烧温度为800 ℃。 2. 2焙烧时间试验 焙烧时间影响着还原反应的进程。在焙烧温度 为800 ℃条件下， 考察焙烧时间对物料焙烧效果的影 响， 结果如图3所示。 由图3可知 随着焙烧时间的延长， 精矿铁品位 先提高后迅速降低， 同时， 铁回收率逐渐降低； 在焙烧 时间小于5 min时， 铁品位随焙烧时间延长缓慢增加， 而回收降低也较少； 当焙烧时间为5～14 min时， 精矿 铁品位随焙烧时间延长迅速升高， 同时铁回收率迅速 下降。结合不同焙烧时间的磁选精矿XRD分析结果 （图4） 可知， 当焙烧时间超过5 min时， 弱磁性铁矿物 的还原产物Fe3O4被进一步还原生成浮士体 （FeO） ， 由 于氧化亚铁的铁品位较高， 导致精矿铁品位增加， 但 氧化亚铁的磁性较弱， 难以通过磁选管进行选别， 部 分氧化亚铁进入尾矿中， 从而造成铁流失在尾矿中。 随着焙烧时间的增加， 磁铁矿越来越多地被还原产生 浮氏体， 因此在悬浮磁化焙烧过程中应注意控制焙烧 时间， 以免发生过还原， 进而降低精矿铁回收率。 由于焙烧产品中铁矿物与脉石矿物常以连生体 金属矿山2019年第2期总第512期 46 ChaoXing 形式存在， 对焙烧产品进行磨矿磁选可以获得更 高品质的铁精矿产品。磨矿磁选条件试验结果表 明 焙烧产品磨矿细度为d9039.29 μm， 磁选管磁场 强度为10.56 kA/m时， 可获得TFe品位为63.88， 铁 回收率为 66.11的磁选精矿， 对原矿回收率为 57.25。 3产品检测分析 3. 1XRD分析 焙烧前物料 （预富集精矿） 与焙烧产品的XRD图 谱对比如图5所示。 通过图5可以看出 预富集精矿经过悬浮焙烧 后， 赤铁矿的特征峰基本消失， 而出现新的磁铁矿特 征峰， 说明预富集精矿中的大部分赤铁矿已转变为 磁铁矿； 同时， 预富集精矿中的萤石、 白云石、 镁钠铁 闪石、 独居石特征峰未出现明显变化， 表明这几种矿 物在悬浮焙烧过程中未发生明显相变； 此外， 氟碳铈 矿的衍射峰基本消失， 表明在焙烧过程中氟碳铈矿 发生了分解 ［10-14］。 3. 2铁物相分析 为进一步探明预富集精矿在悬浮磁化焙烧磁 选作业各阶段产品中铁元素的赋存状态， 对悬浮磁 化焙烧磁选作业过程各产品， 即预富集精矿、 焙烧 产品、 磁选精矿、 磁选尾矿进行铁化学物相分析， 结 果如表3所示。 由表3可知 悬浮焙烧产品中铁主要以磁铁矿形 式存在， 与焙烧前相比， 焙烧产品磁铁矿含量明显增 加， 磁性铁分布率由41.77提高到67.83， 而赤/褐铁 矿的含量明显减少， 由8.54降低到3.38， 同时考虑 到焙烧过程中存在烧失， 碳酸铁及硅酸铁含量基本未 发生变化； 磁选精矿中铁主要以磁铁矿形式存在， 其分 布率为98.59， 此外， 还含有少量的硫化铁、 碳酸铁及 硅酸铁， 而磁选尾矿中铁以赤/褐铁矿 （分布率为 51.10） 、 碳酸铁 （分布率为32.09） 、 硅酸铁 （分布率 为14.45） 为主， 还含有少量的磁性铁， 焙烧产品中的 磁性铁通过磁选得到了高效的回收利用， 而预富集精 矿中大部分赤/褐铁矿转化为磁铁矿， 从而通过磁选实 现了铁矿物的富集， 同时， 原料中的含铁碳酸盐及含铁 硅酸盐中的铁无法通过悬浮磁化焙烧工艺回收利用。 3. 3扫描电镜分析 为查明预富集精矿在悬浮焙烧前后的微观形貌 变化特征， 分别对悬浮焙烧前后物料进行扫描电镜 分析， 结果如图6、 图7所示。 2019年第2期单彦等 焙烧温度及时间对白云鄂博铁矿选铁尾矿悬浮磁化焙烧的影响 47 ChaoXing 对比图6、 图7可知 预富集精矿中的赤铁矿主 要呈半自形粒状分布， 表面光滑无裂纹， 而焙烧产品 中的磁铁矿呈疏松土状结构， 表面粗糙并伴有微裂 纹产生。对于赤铁矿经磁化焙烧后自身结构的改变 及裂纹的产生原因， 有研究表明， 三方晶系的Fe2O3 被还原为Fe3O4时体积会有一定的膨胀， Swann认为 这个过程中发生的失氧导致晶格发生改变， 因此产 生了微裂纹， 此外焙烧过程中的热效应也有助于微 裂纹的产生。焙烧过程中形成的疏松结构及微裂纹 不但有利于还原剂的扩散， 还增加了矿物的可磨度， 可降低磨矿成本， 有利于铁矿物在磁选过程中的回 收 ［15-16］。 4结论 （1） 白云鄂博铁矿选铁尾矿的预富集精矿磁 化焙烧磁选条件试验表明 在总气量为 600 mL/ min、 CO浓度为15、 焙烧温度为800 ℃、 焙烧时间 为5 min的条件下进行焙烧， 焙烧产品磨矿细度为 d9039.29 μm， 磁选管磁场强度为 10.56 kA/m 时， 可 获得TFe品位为63.88、 铁回收率为66.11的磁选 精矿， 对原矿回收率为57.25。 （2） 白云鄂博铁矿选铁尾矿的预富集精矿磁化 焙烧过程焙烧温度过高、 焙烧时间过长均会导致过 还原现象， 不利于下一步的磁选选别， 因此需控制好 焙烧温度和时间， 减少过还原现象。 （3） 焙烧过程使得预富集精矿中表面光滑无裂 纹的赤铁矿转变为表面粗糙并伴有微裂纹的磁铁 矿。由于焙烧过程赤铁矿失氧转变为磁铁矿， 导致 铁矿物晶格发生改变。 参 考 文 献 张悦， 林海， 董颖博， 等. 白云鄂博地区尾矿中铁、 铌、 稀土、 萤石综合回收研究 ［J］ . 稀有金属， 2017， 41 （7） 799-809. 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