低溫熱處理對鮞狀赤鐵礦助磨效果的試驗研究

牛福生，張曉亮，張晉霞，李卓林，鄒　玄

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省安全技術及開采重點實驗室，河北 唐山 063009)

低溫熱處理對鮞狀赤鐵礦助磨效果的試驗研究

牛福生1，2，張曉亮1，張晉霞1，2，李卓林1，鄒玄1

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省安全技術及開采重點實驗室，河北 唐山 063009)

摘要：采用SRJX4-13型箱式電阻爐對鮞狀赤鐵礦進行低溫熱處理，從磨礦細度，平均粒度，孔隙率以及磨礦能耗幾個方面，考察了低溫熱處理對鮞狀赤鐵礦的助磨效果。研究結果表明，礦石在400℃的溫度下熱處理90min，水淬冷卻，孔隙率由3.6901%提高到4.0816%，磨礦產品-0.038mm含量由50.25%增大到60.88%；平均粒徑由68.72μm減小為36.57μm；達到相同的磨礦細度，經熱處理后的礦石所需要的磨礦時間更短。由此可知，低溫熱處理改善了鮞狀赤鐵礦的細磨效果，一定程度上降低了磨礦的能耗，對礦石的細磨起到了一定的輔助作用。

關鍵詞：鮞狀赤鐵礦；低溫；熱處理；磨礦細度；孔隙率

宣龍式鮞狀赤鐵礦是重要的復雜難選鐵礦類型之一，主要分布于河北宣化、龍關一帶，總儲量高達1.41億t[1]。鮞狀赤鐵礦結構復雜，礦物嵌布粒度細，主要脈石礦物為石英、綠泥石以及少量含磷礦物，三種主要礦物呈相互包裹的環狀結構[2-3]，造成有用礦物單體解離困難，磨礦和分選成本高。研究表明，鮞狀赤鐵礦在細磨至38μm左右時，礦石單體解離度可達80%左右[4]。為降低鮞狀赤鐵礦的磨礦能耗，提高磨礦單體解離度，國內外學者對其進行了大量的研究，并取得了一定的成果。這些研究主要為添加助磨劑、高壓脈沖破碎、焙燒氧化法、常溫氧化法以及微波助磨等[5-10]，其中微波助磨效果最為理想。付新澤和P.Kumara等[11-13]對鐵礦進行了微波輔助磨礦的實驗研究，發現微波處理可以提高鐵礦石的磨礦能力，經微波處理后礦物的可磨性有所提高，細粒級物料明顯增多，礦物的孔隙率升高，鐵礦石的磨礦能力，經微波處理后礦物的可磨性有所提高，細粒級物料明顯增多，礦物的孔隙率升高，取得了理想的實驗結果，但此方法要應用于實際生產仍需克服一些技術難題。高溫煅燒同樣有利于礦石的細磨，但熱處理溫過高，對設備要求苛刻，同樣會造成大量能耗，增加經濟成本。本文在較低溫度下對鮞狀赤鐵礦進行了預熱處理，研究了低溫熱處理對礦石磨礦性能的影響，旨在探索一種有效的輔助細粒嵌布復雜鐵礦石細磨的方法，進一步提高礦物的單體解離度。

1工藝礦物學研究

1.1礦物成分分析

試樣為取自河北宣化的鮞狀赤鐵礦，取代表性礦樣進行主要化學成分分析結果見表1。

由表1可知，原礦全鐵品位為34.88%，主要脈石礦物為石英。此外，鐵物相分析表明有用鐵礦物主要是赤褐鐵，占有率91.17%。

1.2礦物嵌布特征

由鏡下觀察可知，赤鐵礦嵌布粒度很細，呈條帶狀結構與脈石礦物夾雜共生，兩者層層包裹呈同心環狀結構，見圖1。研究結果表明，該礦石嵌布粒度細、結構復雜，為使礦物單體解離需要對其進行細磨。

表1　礦石的主要化學成分分析/%

圖1礦物的嵌布特征圖

1.3原礦單體解離度分析

采用Axioskop 40 A pol(德國蔡司偏反兩用光學顯微鏡)對挑選出的代表性礦石光薄片進行系統的觀測。對原礦進行礦物工藝粒度分析，結果見圖2。

由圖2可知，赤鐵礦粒度分布曲線屬于細粒不均勻分布曲線，這種分布的礦物以細粒為主，而且隨著磨礦細度的減小礦物的單體解離度呈升高趨勢，當細磨至38μm時赤鐵礦的單體解離度為80%左右。

2試驗內容及方法

采用SRJX4-13型箱式電阻爐對鮞狀赤鐵礦進行低溫熱處理；磨礦設備為XMB160mm×200mm型智能棒磨機，試驗工藝流程見圖3。在參考相關資料的基礎之上，確定熱處理溫度、熱處理時間和冷卻方式為主要影響因素，進行了條件試驗研究。工藝礦物學研究表明，赤鐵礦的單體解離度隨磨礦細度的減小而增大，當礦石被細磨至38μm左右時，礦石單體解離度可達80%左右。因此，以磨礦細度來表征磨礦的效果，對熱處理前后的物料進行細磨篩分，考察了熱處理前后三個不同粒級含量的變化，同時對熱處理前后物料的孔隙率和磨礦能耗進行了對比分析，研究低溫熱處理對鮞狀赤鐵礦的助磨效果。

圖2原礦赤鐵礦和石英粒度分布曲線

圖3溫熱處理鮞狀赤鐵礦工藝流程圖

3試驗結果及討論

3.1熱處理時間對磨礦細度的影響

熱處理時間是影響礦石磨礦性能的重要因素之一，時間越長，礦物內部結構的變化越顯著。將溫度控制在500℃，采用水淬方式冷卻，通過改變礦石的熱處理時間，在相同磨礦條件下，考察了熱處理時間對磨礦細度的影響，結果見圖4。

由圖4可知，隨著熱處理時間的增加三個粒級的含量呈上升趨勢，當時間達到90min時，-0.038mm含量可由50.25%增大到61.91%，繼續增加熱處時間，變化緩慢。原礦中-0.105mm和-0.074mm兩個粒級的含量已經高達88%以上，故熱處理對該部分礦物的影響不明顯，因此確定熱處理的最佳時間為90min。

3.2熱處理溫度對磨礦細度的影響

熱處理溫度同樣是影響礦石磨礦性能的重要因素，在熱處理時間為90min，采用水淬方式冷卻的條件下，在相同磨礦條件下，考察了熱處理溫度對磨礦細度的影響，結果見圖5。

圖4熱處理時間對磨礦細度影響

圖5熱處理溫度對磨礦細度的影響

由圖5可知，隨著熱處理溫度的升高三個粒級的含量均呈上升趨勢，當溫度達到400℃時，-0.038mm含量可由50.25%增大到60.88%，繼續升高熱處理溫度，含量升高緩慢。熱處理時間對-0.105mm和-0.074mm兩個粒級的含量的影響仍然不明顯，因此確定熱處理的最佳溫度為400℃。

3.3熱處理冷卻方式對磨礦細度的影響

熱處理后的冷卻方式可以影響鮞狀赤鐵礦的磨礦性能[14-15]，為此考察了冷卻方式對助磨效果的影響，在400℃的溫度下處理90min，對熱處理后的礦石采用兩種不同的冷卻方式進行處理，所得磨礦產品的細度見表2。

由表2可知，不同冷卻方式的磨礦產品中-0.105mm和-0.074mm的含量無明顯變化，僅-0.038mm的含量發生了變化，水淬冷卻礦細粒級含量比自然冷卻礦細粒級含量高出2.86%，故采用水淬方式對熱處理后礦石進行冷卻的效果相對較好。

同時采用沉降天平分別對原礦、水淬冷卻和自然冷卻所得礦物的平均粒徑進行測定，測定結果見表3。

由表3可知，經過熱處理水淬冷卻后礦物顆粒的平均粒徑由未處理的68.72μm減小為36.57μm，而水淬冷卻礦和自然冷卻礦的平均粒徑分別為36.57μm和34.43μm，兩者相差不大。

綜合上述試驗可知，宣龍式鮞狀赤鐵礦經400℃低溫熱處理90min后，采用水淬方式冷卻，礦石的磨礦性能得到一定程度的改善，磨礦產品中細粒級礦物，尤其是-0.038mm礦物的含量增加，平均粒徑減小，故低溫熱處理對鮞狀赤鐵礦的細磨起到了一定的輔助作用。

3.4礦物孔隙率及磨礦產品粒度分布

礦物的視密度依據冶標YB-373-75測定，礦物的真密度采用比重瓶法測定[12]，礦石的孔隙率計算見下式。

ε=(1-ρc/ρo)×100%

三種產品的視密度和真密度的測定結果見表4。

表2　不同冷卻方式對產品細度的影響

表3　熱處理前后產品粒度組成

表4　視密度和真密度的測定結果/(g/cm3)

由孔隙率的計算可得，原礦、自然冷卻和水淬冷卻得到的礦石的孔隙率分別為3.6901%、3.9570%和4.0816%，三者孔隙率變化見圖6。

由圖6可知，試驗測得經低溫熱處理水淬冷卻后，礦石的孔隙率可由未處理前的3.6901%增大到4.0816%，升高率為10.61%，說明經過低溫熱處理后礦石內部孔隙增多，強度有所降低，有利于細磨行為的進行。

采用沉降天平對原礦和低溫熱處理后的礦石進行了粒度分析，得到了各自的頻度分布圖，見圖7。

圖6熱處理前后礦石孔隙率的變化

圖7熱處理前后磨礦產品頻度分布圖

由圖7可知，低溫熱處理使得礦樣磨細后的產品粒度分布發生了變化。未經過低溫熱處理的礦樣，其粒度分布曲線的峰值較高，曲線的斜率也較大，礦樣的粒度分布范圍較窄；經過低溫熱處理后，粒度分布曲線的峰值降低了，粒度分布范圍也變寬了，而且曲線整體向左移動，說明礦樣的粒度分布更加均勻，且礦樣細粒級物料含量增大。而且水淬冷卻所得礦石要比自然冷卻所得礦石粒度分布更加均勻，但細粒級物料含量差別不大。

4熱處理對礦石可磨度的影響

以熱處理前的礦石作為標準礦石與熱處理后的礦石進行磨礦對比試驗，采用XMB160mm×200mm型智能棒磨機進行磨礦。磨礦時間為3min、5min、 8min、10min和15min，然后測定磨礦產品的-0.038mm的含量，結果見圖8。

圖8可磨度對比曲線圖

由圖8可看出，在磨礦時間相同時，熱處理后的礦石的磨礦產品中-38μm的含量更高，產品細度更小；達到相同磨礦細度時，經熱處理后的礦石所需要的磨礦時間更短，故低溫熱處理一定程度上降低了磨礦的能耗。

5結論

研究表明，低溫熱處理可以改善鮞狀赤鐵礦礦石的磨礦性能，對礦石細磨起到了一定的輔助作用。礦石熱處理溫度較低，利用選廠及周邊工廠的工業余熱即可實現預熱處理，達到對現有能源的充分利用，綜合試驗結果得到以下結論。

1)鮞狀赤鐵礦礦石經400℃熱處理90min，水淬冷卻后磨礦性能得到改善，磨礦產品中細粒級物料含量增加，在相同的磨礦條件下，-0.038mm含量由50.25%增大到60.88%。

2)礦石經低溫熱處理后，采用水淬方式冷卻效果相對自然冷卻的效果略好，但兩者差別不顯著。磨礦產品的平均粒度由熱處理前的68.72μm降低為36.57μm，而且熱處理后的磨礦產品粒度分布更加均勻。

3)礦石經熱處理后孔隙率由3.6901%增大到4.0816%，升高率為10.61%，礦物內部孔隙增多，強度有所降低，有利于磨礦行為的進行。

4)試驗表明，達到相同的磨礦細度，經熱處理后的礦石所需要的磨礦時間更短，故低溫預熱處理有助于降低礦石細磨的能耗，提高磨機的生產能力。

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Study on aid grinding effects of low temperature preheat treatment on oolitic hematite

NIU Fu-sheng1，2，ZHANG Xiao-liang1，ZHANG Jin-xia1，2，LI Zhuo-lin1，ZOU Xuan1

(1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；2.Key Laboratory of Mineral Development and Security Technology of Hebei Province，Tangshan 063009，China)

Abstract:Oolitic hematite is processed by a SRJX4-13 box-type resistance furnace at lower temperature.Investigate the aid grinding effects of low temperature preheat treatment on oolitic hematite from several aspects，such as content of fine particles，the average particle size，porosity rate and grinding energy.The experimental results showed that porosity rate increased from 3.6901% to 4.0816%；-0.038mm content of grinding ore increased from 50.25% to 60.88%；the average particle size of grinding ore is reduced from 68.72μm to 36.57μm when the oolitic hematite was treated 90 min at 400℃.The time was shorter to achieve the same fineness，if the ore was treated in low temperature.Therefore，low temperature preheat treatment can improve the grinding performance of oolitic hematite and play a supporting role in fine grinding of oolitic hematite ore.

Key words：oolitic hematite；low temperature；preheat treatment；grinding fineness；porosity rate

收稿日期：2015-07-17

基金項目：國家自然科學基金項目資助(編號：51474087)；河北省百名優秀創新人才支持計劃項目資助(編號：BR2-214)

作者簡介：牛福生(1974-)，男，教授，博士，主要從事復雜難選礦選礦理論與工藝研究。

中圖分類號：TD951

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)05-0102-04