冷却方式对磁铁矿冷却产物的磁性影响研究_祝昕冉.pdf

冷却方式对磁铁矿冷却产物的磁性影响研究 祝昕冉 1， 2 孙永升 1， 2 韩跃新 1， 2 李艳军 1， 2 路则利 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） 摘要磁化焙烧工艺已成为处理难选铁矿资源的主要手段， 焙烧产品冷却方式是影响磁化焙烧产品选别指 标的重要因素。以海南某赤铁矿纯矿物为研究对象， 考察了其磁化焙烧后惰性气氛、 水淬冷却和空气气氛冷却方 式对焙烧产品磁铁矿氧化程度的影响。结果表明 惰性气氛可以有效防止磁铁矿发生氧化反应， 产品单位质量磁 矩最大， 为74.2 A∙m2/kg； 水淬冷却过程中发生轻微的氧化反应， 产品单位质量磁矩为72.5 A∙m2/kg； 而空气冷却方 式下， 磁铁矿冷却过程中部分氧化为赤铁矿， 焙烧产物的单位质量磁矩仅为37.6 A∙m2/kg。空气气氛冷却受冷却初 始温度影响较大， 随着冷却初始温度的降低， 冷却产物FeO含量逐渐增加， 单位质量磁矩逐渐增加， 比磁化系数逐 渐增加。试验结果可以为难选铁矿石磁化焙烧过程优化提供参考。 关键词磁化焙烧磁铁矿冷却方式氧化 中图分类号TF046.2文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -02-066-05 DOI10.19614/ki.jsks.201902012 Effect of Cooling Mode on Magnetic Properties of Cooling Product Zhu Xinran1， 2Sun Yongsheng1， 2Han Yuexin1， 2Li Yanjun1， 2Lu Zeli1， 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） AbstractMagnetization roasting technology has become the main mean for efficient development and utilization of re⁃ fractory iron ore. Cooling mode are important factors affecting the separation results of roasted products. The effect of inert at⁃ mosphere cooling，water cooling and air atmosphere cooling mode on the oxidation degree of roasted products magnetite was investigated. The results showed that the inert atmosphere cooling can effectively avoid magnetite being oxidized， and the satu⁃ ration magnetization is maxmum， it’ s 74.2 A∙m2/kg. The cooling product in water cooling occurred slight oxidation reaction， and the saturation magnetization can reach to 72.5 A∙m2/kg. In air atmosphere，part of magnetite was oxidized into hematite and the saturation magnetization of cooled product is only 37.6 A∙m2/kg. In air atmosphere cooling process，the results were greatly influenced by the initial cooling temperature. With the decrease of initial cooling temperature，the FeO content of cooled products gradually increased， the saturation magnetization of the cooled products gradually increased， and the specific susceptibility of the cooled products gradually increased. The experiment results can provide theoretical basis for the process optimum of refractory iron ore magnetic roasting. KeywordsMagnetic roasting， Magnetite， Cooling mode， Oxidation 收稿日期2018-11-10 基金项目国家自然科学基金项目编号 51734005， 51874071， 霍英东教育基金会高等院校青年教师基金项目 （编号 161045） ， 中央高校基本 科研业务费项目 （编号 N160104007） 。 作者简介祝昕冉 （1991） ， 男， 博士研究生。通讯作者孙永升 （1986） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 512 期 2019 年第 2 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 512 February 2019 近年来， 随着中国钢铁工业的持续、 快速发展， 我国铁矿石资源需求量亦随之加大， 铁矿资源进口 依赖性逐年增强。因此， 把铁矿石资源供给立足于 国内市场， 降低我国铁矿石生产成本， 对保证自产 铁矿石合适比例， 降低铁矿石对外依存度具有重要 意义 ［1-2］。 我国铁矿资源丰富， 查明资源储量达850.8亿t， 但复杂难选铁矿资源所占比例较高， 仅菱铁矿、 褐铁 矿、 含碳酸盐赤铁矿等典型难利用铁矿资源储量超 过200亿t。为了高效利用我国储量丰富、 复杂难选 66 ChaoXing 铁矿石资源， 磁化焙烧工艺已成为难选铁矿高效开 发利用的典型手段之一 ［3-7］。该工艺是在一定条件下 将弱磁性的赤铁矿、 褐铁矿、 菱铁矿等铁矿物还原为 强磁性的磁铁矿， 弱磁性的铁矿物经磁化焙烧后磁 性由弱变强， 而脉石矿物的磁性则几乎不变， 进而可 以通过弱磁选工艺达到与脉石矿物分离的效果。 焙烧产品冷却方式是影响磁化焙烧选别效果的 重要因素， 目前， 我国已应用的铁矿石磁化焙烧工艺 多为以处理赤铁矿为主的块矿竖炉焙烧及水封水冷 的冷却方式， 其他冷却方式应用不多 ［8-11］。磁化焙烧 产物冷却过程是磁化焙烧工艺的重要组成环节， 不 同冷却条件下焙烧产物的矿物种类、 晶体结构、 磁化 性质等差异很大， 而这些性质对后续磁选工艺的繁 简、 工艺指标有着重要影响。因此， 本文对赤铁矿磁 化焙烧还原为磁铁矿后不同冷却条件对磁选指标的 影响进行试验， 探究磁铁矿冷却过程中磁性转变的 规律。 1试验原料 试验原料取自海南某选矿厂天然赤铁矿， 采用 两段一闭路破碎流程破碎至-2 mm， 采用湿式棒磨机 将破碎产品磨细至-0.074 mm， 经过2段摇床重选， 获 得高品位天然赤铁矿产品， 作为试验用样。其化学 多元素分析、 X射线衍射分析结果分别见表1和图 1。 结合化学多元素分析和X射线衍射分析结果可 知 试样主要矿物为赤铁矿， TFe含量为67.65， FeO 含量仅为0.33； SiO2含量为3.89， 主要脉石矿物为 石英； 其余杂质含量较低。 2试验方法 采用恒温管式炉进行磁化焙烧， 称取5 g赤铁矿 试样置于石英炉管中， 通入氮气以排出石英炉管中 的空气， 将装有试验样品的炉管置于管式炉中， 通入 还原性气体， 在一定条件下进行磁化焙烧试验 （见图 2） 。在一定焙烧条件下赤铁矿还原为磁铁矿， 焙烧 结束后将还原得到的高温磁铁矿经一定冷却条件 （包括水淬冷却、 惰性气氛冷却、 空气气氛冷却） 冷却 至室温。水淬冷却方式是在还原反应结束后， 将还 原产物迅速倒入水中冷却， 水冷后产物在100 ℃以下 烘干制样。惰性气氛冷却方式是在还原反应完成 后， 通入氩气作为保护气， 待焙烧产品冷却至室温。 空气冷却方式是在还原反应完成后， 先通入惰性气 体保护， 等温度降至一定值， 再将还原产物置于空气 中自然冷却。对冷却产品进行分析化验， 采用化学 元素分析、 振动样品磁强计等检测手段分析冷却产 物的元素组成及磁性转变规律。 氧化分数是指还原产物磁铁矿在冷却过程中， 冷却进行到某一时刻t时样品中被氧化的磁铁矿含 量与未进行冷却氧化反应时样品中磁铁矿含量的比 值， 其表征了氧化反应进行的程度。 3试验结果与讨论 试验研究发现， 试样在焙烧温度为600 ℃、 CO浓 度为40， 焙烧时间为5 min条件下进行磁化焙烧， 在 惰性气氛保护下可以获得高纯磁铁矿， 其化学元素 分析结果见表2， X射线衍射分析结果见图3。 2019年第2期祝昕冉等 冷却方式对磁铁矿冷却产物的磁性影响研究 67 ChaoXing 结合化学多元素分析结果和X射线衍射分析结 果可知， 还原产物中主要含铁矿物为磁铁矿， TFe含 量为 69.34； 主要脉石矿物为石英， SiO2含量为 2.76， 其余杂质含量相对较少。 3. 1冷却方式影响 对不同冷却方式下的冷却产物进行分析检测， 结果见图4～图7。 由图4可知 不同冷却方式对冷却产物中FeO含 量和氧化分数影响很大； 在惰性气氛条件下冷却时， 惰性气体可以有效防止磁铁矿发生氧化反应， 可以 认为磁化焙烧过程产生的磁铁矿在冷却过程未被氧 化； 采用水淬冷却方式， 产物FeO含量从惰性气氛冷 却时的29.88降低至28.35， 仅少量发生氧化反应， 氧化分数为 4.83； 而空气冷却方式条件下， 产物 FeO含量仅为13.34， 氧化分数为54.46， 还原产物 冷却过程中明显发生氧化反应。 结合图5、 图6和图7可知 惰性气体冷却方式可 以有效保护焙烧产物， 防止磁铁矿冷却过程中发生氧 化； 惰性气体保护冷却产物具有最高的单位质量磁 矩， 为74.2 A∙m2/kg； 水淬冷却方式过程中磁铁矿会发 生轻微的氧化反应， 其单位质量磁矩为72.5 A∙m2/kg； 而空气冷却方式下， 磁铁矿冷却氧化过程中部分 氧化为赤铁矿， 焙烧产物的单位质量磁矩仅为 37.6 A∙m2/kg。 3. 2空气气氛冷却初始温度影响 在空气气氛冷却过程中， 磁铁矿会被空气中的 氧气氧化为赤铁矿， 进而降低冷却产物的单位质量 磁矩， 影响选别指标。但对于空气气氛冷却， 不同的 冷却初始温度对冷却氧化过程影响较大， 因此探究 空气气氛冷却适宜初始温度具有重要的实际意义。 在还原条件保持不变的条件下， 当还原反应结 束时， 通入惰性气体保护， 当产物冷却到一定温度 时， 迅速将产物置于空气中冷却至室温。考察空气 气氛下冷却初始温度对产物的影响规律。结果见图 8～图11。 由图8可知， 随着冷却初始温度的降低， 冷却产 物中FeO含量逐渐增加， 当冷却初始温度从500 ℃降 金属矿山2019年第2期总第512期 68 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ 低到200 ℃时， FeO含量从14.03增加到28.61， 氧 化分数从52.14减少到3.99。由此可知， 在空气气 氛下， 降低冷却初始温度可以有效防止磁铁矿在冷 却过程中被氧化。 结合图9、 图10和图11可知 随着冷却初始温度 的降低， 冷却产物磁性逐渐增强； 当冷却初始温度从 500 ℃降低到200 ℃时， 冷却产物单位质量磁矩从 43.6 A∙m2/kg增加到73.2 A∙m2/kg； 冷却产物的比磁化 系数也随着冷却初始温度的降低而逐渐增加。 4 结 论 （1） 冷却方式对磁化焙烧产品磁铁矿冷却产物 磁性具有重要影响。惰性气氛冷却可以有效防止磁 铁矿在冷却过程中发生氧化， 冷却产物具有最高的 单位质量磁矩， 为74.2 A∙m2/kg； 水淬冷却过程中， 少 量磁铁矿会被氧化， 冷却产物仍然具有较高的单位 质量磁矩， 为72.5 A∙m2/kg； 空气冷却方式过程中， 磁 铁矿明显发生氧化反应， 冷却产物单位质量磁矩降 低到37.6 A∙m2/kg。 （2） 在空气冷却气氛下， 冷却初始温度对冷却产 物磁性具有较大影响。降低冷却初始温度可以降低 磁铁矿在冷却过程中的氧化程度， 提高冷却产物的 单位质量磁矩。当冷却初始温度从 500 ℃降低到 200 ℃时， 冷却产物单位质量磁矩从43.6 A∙m2/kg增 加到73.2 A∙m2/kg。 参 考 文 献 张艳飞， 陈其慎， 于汶加， 等.2015-2040年全球铁矿石供需趋势 分析 ［J］ .资源科学， 2015 （5） 921-932. 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