大西沟菱铁矿焙烧后的磁选分析.docx

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大西沟菱铁矿焙烧后的磁选分析

摘要

采用悬浮态焙烧技术控制合适的焙烧温度场和气氛场焙烧菱铁矿（品位TFe26.03%）5min,焙烧矿排入水中淬冷。

经不同磁场强度的磁选管选别不同粒度的焙烧矿。

结果表明：

焙烧矿粒度是磁选的主要影响因素。

随着粒度的减小，精矿铁品位先增大后减小，在45m粒度时达到最大（最大TFe=66.21%）。

尾矿铁品位几乎不变化（TFe18%～20%）。

粒度对回收率的影响较复杂，在25m粒度时，回收率最大，为72.07%。

磁场强度是影响磁选的次要因素，同一粒度下，磁场强度在1200Oe～1600Oe之间，精矿铁品位变化范围小于3%，尾矿铁品位也基本不变。

回收率随磁场强度增大而增大，但并不明显。

在1600Oe、45m时得到理想指标：

精矿铁品位66.21%，回收率61.33%。

经二道选矿得到精矿铁品位42%、尾矿铁品位26%以及回收率59%的指标。

因此菱铁焙烧矿不适合二道选矿。

关键字：

菱铁矿，磁化焙烧，磁选

Abstract

Pilot-planttestofmagnetizationroastingofDaxigousideriteore（grade26.03%TFe）wascarriedoutwiththegassuspensioncalciner.Aappropriateroastingtemperatureandatmospherewascontrolled.Theroastedorewasquenchedtocoolbywater.Thedifferentparticlesizesofroastedorewasseparatedbymagnetictubewithdifferentmagneticfieldintensity.Theresultindicatesthattheparticlesizesofroastedoreistheprimaryfactorinfluencingthemagneticseparation.Withtheparticlesizedecrease,theconcentrateirongradegoeshigherthenlower.Whentheparticlesizeis45m,itsgradeishighest（TFe66.21%）.Thetailingsirongradeishardlychanged（TFe18%-20%）.Theinfluenceofparticlesizeonrecoveriscomplicated.Whentheparticlesizeis25m,therecoveryisthehighest（72.07%）.

Magneticfieldintensityissecondaryfactorinfluencingthemagneticseparation.Atthesamegranularity,whentherangeofmagneticfieldintensityfrom1200Oeto1600Oe,thedifferenceoftheconcentrateirongradedon’tbeyond3%,andthetailingsirongradeishardlychanged.Therateofrecoverygoeshigherwiththestrengthofthemagneticfieldintensity,butit’sobvious.Idealindexessuchasconcentrateirongradeof66.21%andrecoveryof61.33%wereobtainedatthemagneticfieldintensityof1600Oeandtheparticlesizeof45m.

Afterthesecondmagneticseparation,theindexesofconcentrategradeof42%,tailingsgradeof26%andrecoveryof59%.Sotheroastedofsideriteisn’tsuitableforthesecondmagneticseparation.

KeyWords:

sideriteore,magneticroasting,magneticseparation

目录

1绪论1

1.1我国钢铁行业现状1

1.2我国铁矿资源现状2

1.3菱铁矿及其利用现状2

1.3.1我国菱铁矿资源特点2

1.3.2我国菱铁矿选矿技术研究现状3

1.3.3国外菱铁矿选矿技术4

1.4本论文研究的内容、目的及意义5

2试验原料、方案、仪器6

2.1试验原料6

2.2试验方案8

2.3试验仪器及试验方法9

2.3.1主要试验仪器9

2.3.2铁品位及其分析方法13

3试验结果及分析15

3.1焙烧矿分析15

3.2磁选结果及分析16

3.2.1一道选结果与分析16

3.2.2二道选结果与分析23

3.2.3精矿与尾矿物相分析24

4结论26

参考文献27

致谢29

1绪论

1.1我国钢铁行业现状

自改革开放以来我国经济快速发展，GDP多年来维持在近8％的增长速度，作为国民支柱产业的钢铁行业也得到快速的发展[1]。

目前，我国已成为世界钢铁大国，在世界钢铁行业中处于产量第一、消费第一、出口第一的重要地位，自1996年以来已连续17年钢产量位居世界第一位（图1.1是我国近几年的粗钢产量）。

但我国由于钢铁产品缺乏知名品牌，缺乏技术优势，缺少高端技术产品，使得我国最多算是钢铁大国，而非钢铁强国[2]。

钢铁行业面临严峻形势，特别是受制于产业链上游的铁矿石供应状况，铁矿石的供应很大程度上决定了钢铁行业的发展[3]。

近年来，在钢铁需求量急剧增加的同时，作为源头的铁矿石供应也飞速增长，然而我国是一个铁矿资源比较缺乏的大国，并且我国的铁矿资源多呈现出复杂难选的状态，因此为满足钢铁行业的发展要求，我国每年需要大量从国外进口铁矿石。

其中，从澳大利、巴西以及印度三国各约占进口总量的42％、23％和17%。

在2013年国内产量增加的情况下，矿石进口量仍在不断增长[4-5]。

然而，矿石价格的谈判权却倾斜于垄断了全球近80％铁矿石海运贸易量的3大矿商必和必拓、力拓、淡水河谷[5]，中国钢铁行业显得束手无策，一旦供应市场发生变化，势必会对我国钢铁行业特别是主要依靠进口铁矿石来维持生产的上海宝钢、武钢等大型钢企带来巨大影响，甚至影响国家和社会的稳定[4]。

因此在适当利用国外优良矿石的同时也应该加大力度开发利用国内的资源，减少对进口矿石的依赖度，提高谈判筹码，以保证我国钢铁行业的稳健发展。

图1.1我国历年粗钢产量

1.2我国铁矿资源现状

我国的铁矿资源储量比较丰富，截止2005年底我国保有铁矿石资源储量593.8×108t，近期又有大型铁矿床被发现，按我国近几年消耗矿石平均量来计算，我国已查明资源储量的铁矿石的静态保障程度也在80年以上[6]。

但我国是个人口众多的国家，人均资源量则远远低于世界平均水平。

并且我国地质多样化，导致矿石成矿条件杂、类型多，使得我国铁矿资源又独具其特点。

分析表明我国铁矿资源的特点主要有：

（1）成矿类型多，成矿条件复杂；

（2）中小型矿床多，超大型矿床少；（3）富矿少，贫矿多；（4）伴生组分多，综合利用难度大[7]。

我国铁矿资源的上述特点决定了我国虽然是铁矿资源大国，但却很难成为钢铁强国。

矿石类型的多样性决定了分选工艺的复杂性及较差的广泛适用性，对于不同矿区的矿石一般需要开发研究新的选别工艺、方法，很难照搬别处矿区成熟的工艺流程，选别工艺复杂多样，且有价组分的综合回收率仍有很大的进步空间。

我国菱铁矿资源较为丰富，特别是陕西省柞水县大西沟菱铁矿储量超过3亿吨[8],但其铁品位低，矿物组成复杂且菱铁矿磁性弱，因此大西沟菱铁矿不仅不能直接利用，而且也不利于有效地选矿。

如果能有效解决菱铁矿选矿问题，不仅可以获得巨大的经济效益，而且可以一定程度上缓解我国钢铁行业的压力。

1.3菱铁矿及其利用现状

1.3.1我国菱铁矿资源特点

我国菱铁矿资源储量大，已探明储量为18.34亿吨，占铁矿石探明储量的3.4％,另有保有储量18.2l亿吨[9]。

我国菱铁矿主要分布在陕西、新疆、湖北、四川、云南、贵州、甘肃、青海、山西、广西、山东、吉林等省（区），特别是在贵州、陕西、山西、甘肃和青海等西部省（区），菱铁矿资源一般占全省铁矿资源总储量的一半以上，国内最大菱铁矿为陕西省大西沟菱铁矿，矿床储量超过3亿吨[10-11]。

菱铁矿是一种分布比较广泛的矿物，菱铁矿属于方解石族的矿物，它的成分是碳酸亚铁，当菱铁矿中的杂质不多时可以作为铁矿石来提炼铁。

菱铁矿一般呈薄薄一层与页岩、粘土或煤在一起。

菱铁矿一般为晶体粒状或不显出晶体的致密块状、球状、凝胶状。

颜色一般为灰白或黄白，风化后可变成褐色或褐黑色等。

菱铁矿在氧化水解的情况下还可变成褐铁矿。

菱铁矿大多数以碎屑颗粒或胶结物的形式广泛的分布于不同环境的沉积岩中，特别是在湖泊和海相沉积物中十分常见[12]。

菱铁矿的成因主要有两种：

一种是外生成因，产自沉积岩中：

这些层状的碎屑沉积岩大多带有来自生物体的有机组份；二是形成于中温至低温的热液矿脉内。

菱铁矿常见于变质沉积岩中，伟晶岩中也可能出现菱铁矿。

常见的与菱铁矿伴生或共生的矿物有：

石英、白云石、重晶石、方解石、方铅矿、冰晶石、针铁矿、闪锌矿、黄铜矿、褐铁矿、黄铁矿、萤石等[13]。

菱铁矿理论含铁品位为48.2％，但由于经常与锰、镁、钙等形成锰菱铁矿、镁菱铁矿和钙菱铁矿等类质同象物，因此其纯矿物含铁品位经常低于理论含铁品位[14]。

菱铁矿磁性虽弱，但相比于其他的弱磁性的铁矿石，其磁性比褐铁矿的强。

菱铁矿的密度为（3.7～3.9）×103kg／m3,较小；莫氏硬度为3.5～4.5，易于泥化；菱铁矿在中性或弱还原性气氛下焙烧，可分解成磁铁矿[15]。

1.3.2我国菱铁矿选矿技术研究现状

目前我国研究利用菱铁矿的技术主要有磁化焙烧-弱磁选、强磁选、直接还原-弱磁选以及联合分选等。

1）磁化焙烧-弱磁选

磁化焙烧是将物料或矿石加热到一定的温度后在相应的气氛中进行物理化学反应的过程。

由于菱铁矿的理论铁品位较低，采用常规选矿方法（重选、磁选、浮选），铁精矿品位很难达到45％以上，但经过焙烧后由于碳酸盐的分解，烧损较大而可大幅度提高铁品位。

磁化焙烧-弱磁选是最原始可靠的菱铁矿选矿工艺，虽然要经过焙烧工序，加工成本相对较高，但随着铁矿石资源的短缺和价格的升高，该技术的研究应用日趋升温。

西安建筑科技大学[16-18]和长沙矿冶研究院[19]在菱铁矿的磁化焙烧方面研究的较多，例如：

西安建筑科技大学粉体工程研究所研究开发的低品位菱铁矿悬浮态磁化焙烧-弱磁选工艺，该工艺对粒度为40～60μm的大西沟菱铁矿粉在氧含量为1.05％的弱氧化气氛中于800℃或850℃下悬浮磁化焙烧lmin，可获得磁选精矿铁品位不低于58.21％、铁回收率不小于79.39％的焙烧产品。

舒西刚等人[20]发明了铁矿石焙烧工艺的方法，该方法通过调整铁矿石中菱铁矿与赤铁矿的重量比大于等于0.725，在720℃～900℃中性气氛下焙烧，可实现两种混合矿的磁化焙烧。

胡玖林等人[21]研究了低品位菱铁矿石的富集方法，在混合矿中加入工业盐、苛性钠或生石灰中的一种或几种混合物进行磁化焙烧后，铁品位可达60％～70％，铁回收率可达75%～85％。

2）强磁选[22]

菱铁矿具有弱磁性，随着强磁选装备水平的提高，用强磁选技术分选弱磁性矿物取得了成功。

20世纪80年代，富含菱铁矿的酒钢上千万吨的粉矿就是应用Shp系列湿式强磁选机进行选别并成功的典范。

20世纪90年代，长沙矿冶研究院对大西沟菱铁矿进行了扩大试验，也表明了Shp强磁选机对弱磁性菱铁矿的选别能力，它可将原矿铁品位从23.17％提高到28.77％。

此外，用超导磁系强磁选机分选弱磁性矿物也显示了较强的分选能力。

近年来，熊大河成功研发的SLon高梯度强磁选机使强磁选技术翻开了新的一页，该磁选机由于对矿浆具有脉动作用，因此解决了以往的强磁选机容易堵塞等影响生产效率的问题，从而为强磁选分选弱磁性矿物走向大规模生产提供了装备基础。

3）直接还原-弱磁选

由于高炉炼铁的具有很大弊端，国内外掀起了非高炉炼铁、炼钢的热潮[23]。

为了满足电炉炼钢的增长以及非高炉炼铁的发展，以FeCO3形式存在的菱铁矿不能适应钢铁工业的发展需要。

所以人们开始探索以菱铁矿为原料，用普通煤、石油或天然气等作为热源和还原剂，利用直接还原技术生产海绵铁（DRI）。

这方面重庆大学进行了较多的研究工作，重庆大学朱子宗[24]等人研究了温度、时间和菱铁矿的粒度对还原焙烧矿的全铁、金属铁及金属化率的影响，认为最佳的还原焙烧条件为还原温度1050℃、还原时间4h、菱铁矿的粒度为10～8mm。

并在实验室大型焙烧炉内用固定床罐式法煤基还原铁品位为36.44％的菱铁矿，得到了高金属化率的还原焙烧矿。

该矿经球磨,磁选后得到铁品位大于80％，硅含量小于6％的海绵铁。

4）联合分选工艺

从菱铁矿的成因来看，因单独的菱铁矿资源很少，大多与其他含铁矿物伴生在一起，或者是菱铁矿的矿物表面由于风化作用，易氧化成褐铁矿或赤铁矿。

工业上应用弱磁性铁矿物的浮选分离大多指包含菱铁矿在内的赤铁矿、褐铁矿、镜铁矿等含铁矿物的选矿。

对菱铁矿等弱磁性矿物的浮选，主要有正浮选富集铁和反浮选脱硅等两大浮选工艺。

长沙矿冶研究院采用絮凝脱泥-浮选工艺，在工业生产中取得了铁精矿品位63.02％，铁回收率68.59％的优良指标。

对于陕西大西沟铁矿的菱褐铁矿共生矿，采用磁化焙烧-磁选-反浮选工艺流程，在工业生产中取得了精矿铁品位60.63％，全铁回收率75.42％的技术指标。

马鞍山矿山研究院[25]针对以铁镁碳酸盐类质同象系列矿物为主的太钢峨口铁矿尾矿中碳酸铁矿物的回收利用，采用了筛分-强磁选-浮选联合工艺流程，最终得到铁精矿品位大于35％（焙烧后铁品位51％以上），SiO2含量降至4％以下。

张明等人[26]对东鞍山烧结厂含碳酸盐难选铁矿石的工艺矿物学及浮选分离特性进行了研究，提出了分步浮选工艺。

第一步在中性条件下采用正浮选分选菱铁矿；第二步在高pH值下采用反浮选分选赤铁矿。

获得了铁品位66.34％，回收率71.60％的铁精矿。

1.3.3国外菱铁矿选矿技术

由于国外铁矿资源较中国丰富，且富矿储量已经能够满足其本国需求，因此在贫铁矿方面特别是菱铁矿的选矿技术研究较少。

微波辅助焙烧技术是国外用于处理贫铁矿的最新研究[27]。

21世纪随着微波技术的发展，出现了微波焙烧处理的新技术。

由于微波焙烧具有能提高加热速率、选择性加热、从物料的内部先加热、安全与自动化水平高等优点，被用来辅助焙烧[28]。

斯洛伐克Znamenácková[29]用微波焙烧法详细研究了菱铁矿的磁性能变化特征，试样取自斯洛伐克Niznáslaná矿山，含铁25.10％、石英9.60％，试验粒度为0.5～1.0mm。

通过比磁化率的测定、化学分析和X射线衍射方法证实，在微波焙烧处理10min后，菱铁矿的磁性能发生了本质变化；处理15min后，比磁化率迅速增加而且菱铁矿剧烈分解，此时样品易于分选，最大磁场为0.17T时，铁回收率高达97.60％；而当微波处理40min后，由于物料熔化形成粉体烧结物，EDX分析表明，物料中包含金属铁及其铁的复杂氧化物而显示氧化相的特性，其中全铁45.40％、金属铁7.10％，SiO2则升至15.50％。

虽然微波焙烧在矿物加工及其预处理中显示出极大的潜力，但目前尚处于研发阶段，仍有诸如微波发射装置的工业化和过程控制装备与工艺等一系列问题需要研究解决[30]。

1.4本论文研究的内容、目的及意义

西安建筑科技大学粉体工程研究所针对传统的堆积态菱铁矿焙烧工艺具有气固接触面积小、能耗大、矿石质量不均匀、容易产生“过烧”和“欠烧”的缺点，开展了悬浮态磁化焙烧细粒菱铁矿的试验[18]。

试验取得了可喜的成果，相对于传统的竖炉磁化焙烧[31]悬浮态磁化焙烧具有还原速度快，还原均匀，能耗大大降低等特点。

相对于回转窑[32]的磁化焙烧，悬浮态磁化焙烧具有设备工作可靠不存在回转窑结圈现象，能耗降低，焙烧充分等优点。

相对于沸腾炉磁化焙烧悬浮态磁化焙烧能耗低，焙烧成本低，还原时间短，产品质量较理想，运行稳定。

现在西安建筑科技大学粉体工程研究所已经拥有成熟的悬浮态磁化焙烧技术和实验设备，但尚未就焙烧后的磁选进行系统研究试验，为了进一步优化悬浮态磁化焙烧-弱磁选工艺，使其早日实现工业化，减轻我国铁矿资源虽丰富但利用困难这一事实对我国钢铁行业带来的压力，本课题拟对悬浮态焙烧大西沟菱铁矿的焙烧矿开展磁选试验，研究粒度、磁场强度、磁选方法对磁选效率的影响，为进一步的工艺优化提供参考。

论文主要研究内容如下：

（1）菱铁矿的理化性质检测，包括（粒度分析、化学组成、物相组成和形貌）

（2）菱铁矿焙烧矿的理化性质检测，包括（粒度分析、化学组成、物相组成）；

（3）菱铁矿焙烧矿的磁选试验；

（4）粒度、磁场强度、磁选方法对选矿效率的影响；

（5）适宜选矿操作条件参数的确定。

2试验原料、方案、仪器

2.1试验原料

1）物相组成分析

本试验试样-菱铁矿为陕西省柞水县大西沟的菱铁矿。

由原矿的XRD分析图谱（图2.1）得出菱铁矿为主要矿物相，其余矿物相主要有石英和白云母。

图2.1菱铁矿XRD分析图

2）化学元素分析

通过荧光分析仪测得该菱铁矿矿石的元素组成如表2-1所示。

由表可知，该矿石铁品位低为26.03％，需要排除的脉石组分有Al2O3、SiO2、TiO2和MnO等。

CO2含量达到20.52%其烧损大，经过焙烧后，矿物铁品位即可得到一定程度提高。

表2-1大西沟菱铁矿元素组成／%

组分

TFe

Fe2O3

Al2O3

SiO2

TiO2

MnO

K2O

CaO

CO2

含量

26.03

37.22

24.17

6.18

2.60

1.04

0.281

0.188

20.52

通过三次平行的化学滴定测得菱铁矿原矿的铁品位为25.32%,这一数值和荧光分析结果基本吻合。

3）粒度分析

矿石经颚式破碎机破碎至-2mm留做备用，用球磨机将破碎后的矿石粉磨至-100m以下，原矿粒度分析采用水筛法，分别用38.5m、63m、80m方孔筛水筛。

表2-2是本次试验粉末物料的水筛结果。

表2-2大西沟菱铁矿原矿粒度分布/m

＞80

80-63

63-38.5

＜38.5

11.26%

7.73%

16.87%

64.14%

4）形貌分析

用扫描电镜观察了大西沟菱铁矿的显微结构，结果见图2.2和图2.3。

图2.4、图2.5以及图2.6分别是背散图中黑色区域、白色区域以及灰色区域矿物的能谱图。

图2.2菱铁矿原矿背散射图（100倍）图2.3菱铁矿原矿背散射图（800倍）

图2.4A区域能谱图图2.5B区域能谱图

图2.6C区域能谱图

由能谱图以及XRD结果可以看出显微结构图中A区域主要是石英，B区域主要是菱铁矿，C区域是白云母。

由图2.2可以看出铁相在矿物中基本上呈粒状均匀分布。

由图2.3可以看出大部分菱铁矿在矿物中分布呈片状，粒度在40m～80m，边界较清晰，比较容易解离。

另外可以看出脉石中也分布有一定量菱铁矿，粒度很小为几微米甚至纳米量级，难以解离。

2.2试验方案

（1）焙烧方案

本实验焙烧装置采用气吹悬浮炉，模拟物料在悬浮态下焙烧。

西安建筑科技大学粉体工程研究所在2007年～2008年做了大量相关试验。

试验结果表明[16-18]，在700℃～800℃温度下焙烧精矿铁品位可达到50%～60%，铁回收率可达70%～80%，800℃以上会出现物料过烧的情况导致精矿铁品位和铁回收率一定程度下降，而当温度小于700℃时，矿物中FeCO3分解不完全导致精矿铁品位和铁回收率过低，故此次焙烧试验选用750℃为焙烧温度。

焙烧时间4min～7min精矿铁品位可达55%～60%，铁回收率可达到80%以上。

同样焙烧时间过短和过长分别会导致物料反应不完全和过烧现象，故此次焙烧试验选用5min。

菱铁矿的FeCO3相在焙烧时转化为强磁性的Fe3O4和γ-Fe2O3相，但在含氧气的气氛中它们会被氧化成弱磁性的α-Fe2O3相，因此本试验在97%N2和3%CO的弱还原气氛下进行。

在焙烧矿粉时,当原矿粒度大于100m,因为会对传热传质造成困难,会一定程度上导致物料欠烧,同时造成能源浪费；当原矿粒度小于20m,物料在焙烧时容易被上升的气流带走,如果掌握不好焙烧时间则很容易出现物料烧结,因此本试验将矿物磨至80m以下占90%,并每次焙烧加料量设定为30g。

矿物在500℃～400℃时具有强磁性的Fe3O4相容易转变为弱磁性的α-Fe2O3相，导致精矿铁品位和回收率下降，因此本试验采用水冷的方式冷却使焙烧矿快速跳过这一相变剧烈区。

经上所述菱铁矿焙烧方案如下表2-3:

表2-3焙烧方案

焙烧温度

焙烧时间

焙烧气氛

冷却方式

物料粒度

加料量

750℃

5min

3%CO；97%N2

水冷

﹤80m占90%

30g／次

（2）磁选方案

本次磁选试验采用磁选管进行，根据磁选管的工作参数设定每次磁选加料量为20g。

影响磁选效率的主要因素有磁场强度、焙烧矿粒度以及磁选方式。

磁场强度设定有三水平，分别为1600Oe、1400Oe、1200Oe。

矿物粒度设定为五水平，分别为＜80m、＜65m、＜45m、＜38.5m、25m。

磁选方式设定为一道选、二道选、三道选。

首先进行第一道选矿，对磁场强度的三水平和矿物粒度的四水平进行交叉试验，通过对各次试验精矿和尾矿的铁品位进行化学滴定，考察其铁品位和铁回收率。

找出其中铁回收率最大的一组试验，在其基础上进行第二道选矿，在第二道选矿中再对磁场强度和粒度进行交叉试验，通过分析各组滴定的铁品位和铁回收率，若有一组铁品位依然小于40%且铁回收率依然很大就进行第三道选矿，否则停止实验在所做过试验中找到最优选矿参数。

2.3试验仪器及试验方法

2.3.1主要试验仪器

1）X射线衍射仪---型号D/MAX220

（1）用途：

X射线衍射分析仪用于矿物成分定性分析以及半定量检测。

被测物质是粉末样品或固体样品，通过测得衍射波谱与标准波谱的对照来确定物质。

（2）原理：

粉末样品经一束平行的单色X射线垂直照射后，产生一组以入射线为轴的同轴反射圆锥面族，计数管绕样品旋转，依次测量各反射圆锥面2θ角（即衍射角，又称布喇格角）位置的衍射线强度，即可获得表征物相的各种衍射数据，从而进行物相鉴定和晶体结构的研究。

（3）构造：

高稳定度X射线源：

提供测量所需的X射线，改变X射线管阳极靶材质可改变X射线的波长，调节阳极电压可控制X射线源的强度。

样品及样品位置取向的调整机构系统：

样品须是单晶、粉末、多晶或微晶的固体块。

射线检测器：

检测衍射强度或