菱鐵礦微波磁化焙燒試驗研究

周廷波 嚴倩倩 陳睿哲 魏曉彤 張淑敏 孫永升

（東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819）

我國鐵礦資源十分豐富，已探明儲量848億t，位居世界第四位，占世界總儲量的12%。但我國鐵礦石資源以貧礦為主，富礦僅占1.18%。貧礦又以菱鐵礦為代表，菱鐵礦礦石礦物組成復雜，常與鈣、錳、鎂等呈類質同象共生，導致鐵品位低，難以進行大規模的開發利用［1-2］。隨著我國鋼鐵產業的快速發展，對鐵礦石的需求量越發巨大，而我國又是世界鐵礦石第一進口大國，對外依存度極大，這種情況極大地削弱了中國鋼鐵工業的國際話語權和競爭力，也對國民經濟的安全運行構成了巨大威脅。因此，研發自主創新技術，實現我國難選鐵礦資源高效開發利用，降低選礦過程中的能耗，提高鐵礦石自給率，具有重要的戰略意義。

磁化焙燒技術可以實現菱鐵礦的有效利用，然而傳統的磁化焙燒常采用電加熱或燃氣的加熱方式，存在處理時間長、物料受熱不均勻、能耗大等缺點，容易造成環境污染且其鐵精礦的回收率也較低［3-5］。與傳統加熱方式相比，微波焙燒是以微波為加熱方式，焙燒處理時間短、處理效果顯著、可以對有用礦物進行選擇性加熱且加熱均勻，同時對環境的污染小、能耗低［6-8］。而且利用微波來處理菱鐵礦可以減少焙燒成本，提高菱鐵礦的利用率，這對菱鐵礦資源的開發與利用具有重要的意義［9-11］。本試驗將磁化焙燒技術與微波處理相結合，對菱鐵礦石進行了微波磁化焙燒試驗，對焙燒時間與焙燒氣氛進行了探究，取得了較好的效果。

1 礦石性質

試驗所用菱鐵礦石取自陜西省柞水縣，將所取礦樣破碎至-0.45 mm。試驗樣品的化學成分分析結果如表1所示，礦石中鐵化學物相分析結果如表2所示。

表1表明：礦石為貧礦；全鐵含量為22.38%，FeO高達20.86%；主要雜質為SiO2和Al2O3，含量分別為36.84%和9.99%，MgO含量為1.83%；有害元素S含量較高，為0.36%，P含量較低，為0.04%。

由表2可以看出，礦石中的鐵主要賦存在碳酸鐵（菱鐵礦）和赤/褐鐵中，其中碳酸鐵中鐵的分布率為46.16%，赤/褐鐵礦中鐵的分布率為40.35%；礦石中還含有一定量的磁性鐵和硅酸鐵，鐵的分布率分別為8.00%和4.11%。

2 試驗方法

焙燒試驗在自行研制的微波焙燒系統中進行，微波磁化焙燒試驗裝置如圖1所示。試驗過程為：稱取30 g樣品放入焙燒管中，待微波磁化焙燒爐升溫到指定溫度后，通入指定氣體，氣體流量設定為400 mL/min；經過預定時間的焙燒后，關閉微波焙燒爐，取出焙燒管，在空氣氣氛下冷卻至室溫。稱取15 g冷卻后的礦樣，并加入5 mL水，使用XMB型三輥四筒棒磨機進行棒磨，磨礦細度為-0.043 mm占95%。對磨礦后的物料采用XCGS型磁選管進行濕式弱磁選，磁選磁場場強為85.12 kA/m。試驗流程如圖2所示。

3 試驗結果與討論

3.1 N2氣氛微波焙燒試驗

3.1.1 焙燒溫度試驗

焙燒溫度是鐵礦石磁化焙燒的重要影響因素之一，確定最佳的焙燒溫度對磁化焙燒過程至關重要。向焙燒管內通入N2，在焙燒溫度分別為500、550、600、650、700、750、800 ℃，焙燒時間15 min的條件下進行磁化焙燒溫度條件試驗。焙燒溫度對磁化焙燒產品磨礦—磁選指標的影響如圖3所示。

由圖3可知：焙燒溫度對選別指標影響較大；焙燒溫度從500℃升高到650℃時，鐵精礦的鐵回收率呈持續增加的趨勢，鐵品位呈現出先增加后波動的趨勢；焙燒溫度為650℃時，精鐵礦品位為63.10%、回收率為78.43%；繼續升高焙燒溫度到800℃，鐵精礦的鐵品位與鐵回收率變化較小。綜合考慮，確定焙燒溫度為650℃。

3.1.2 焙燒時間試驗

焙燒時間是磁化焙燒的一個重要影響因素，焙燒時間過短會導致礦石中菱鐵礦分解不完全，時間過長不僅增加能耗，還會影響選別指標，為了取得最佳的選別指標，必須準確控制焙燒時間。向焙燒管內通入N2，在焙燒溫度為650℃，焙燒時間分別為5、10、15、20、25、30 min的條件下，進行磁化焙燒時間條件試驗。焙燒時間對磁化焙燒產品磨礦—磁選指標的影響如圖4所示。

由圖4可知：隨著焙燒時間的增加，精礦品位先小幅度上升后變化不明顯，精礦回收率大幅度上升后變化不明顯；焙燒時間從5 min增加至15 min時，鐵精礦的鐵品位由62.51%升高到63.93%，鐵回收率從14.70%升高至74.33%，繼續增加焙燒時間，鐵精礦品位和回收率均無明顯提高。因此，確定焙燒時間為15 min。

3.2 CO2氣氛微波焙燒試驗

3.2.1 焙燒溫度試驗

向焙燒管內通入CO2，在焙燒溫度分別為550、600、650、700、750、800 ℃，焙燒時間15 min的條件下進行磁化焙燒溫度條件試驗。焙燒溫度對磁化焙燒產品磨礦—磁選指標的影響如圖5所示。

由圖5可知：焙燒溫度從550℃升高到650℃時，精礦鐵品位從58.70%增加到61.78%，回收率從64.01%增加到81.45%；繼續升高焙燒溫度，鐵精礦品位有小幅度提升，超過750℃時，回收率明顯下降，從81.39%降至78.52%，這可能是因為溫度過高，部分菱鐵礦的熱分解產物在CO2氣氛下氧化生成弱磁性產物，導致精礦回收率下降［12］。綜合考慮，確定焙燒溫度為650℃。

3.2.2 焙燒時間試驗

向焙燒管內通入CO2，在焙燒溫度為650℃，焙燒時間分別為5、10、15、20、25、30 min的條件下，進行磁化焙燒時間條件試驗。焙燒時間對磁化焙燒產品磨礦—磁選指標的影響如圖6所示。

由圖6可知：隨著焙燒時間的增加，精礦品位小幅度上升后變化不明顯，精礦回收率大幅度上升后變化不明顯；焙燒時間從5 min增至10 min時，精礦鐵品位從60.88%增至61.53%，回收率從21.11%增至80.05%；繼續增加焙燒時間，品位和回收率都變化不大，反而會增加耗能、降低焙燒效率。因此，確定最佳焙燒時間為10 min。

通過對比焙燒溫度為650℃、不同氣氛下焙燒產品的磨礦—磁選精礦最佳指標發現，N2中性氣氛精礦品位是63.93%，比CO2還原氣氛精礦品位61.53%高2.40個百分點，而N2中性氣氛精礦回收率是74.33%，比CO2還原氣氛精礦回收率80.05%低5.72個百分點。可見CO2焙燒氣氛可以節省焙燒時間，提高精礦回收率。

4 焙燒氣氛對物料磁性的影響

4.1 N2氣氛下焙燒產物磁性分析

圖7為N2氣氛、不同焙燒溫度下菱鐵礦焙燒產物的磁性分析。

由圖7可知：不同焙燒溫度下焙燒產品單位質量磁矩均隨外加磁化磁場強度的增加，先快速增加而后趨于平緩，最終達到磁飽和；隨著焙燒溫度的升高，焙燒產品的飽和單位質量磁矩增加速度逐漸減少。在650℃下的焙燒產品在磁場強度為483kA/m時存在比磁化系數最大值，為1.489×10-5m3/kg，繼續增加磁化強度，焙燒產品的比磁化率逐漸減少。

圖8為N2氣氛、不同焙燒時間下菱鐵礦焙燒產物的磁性分析。

由圖8可知，不同焙燒時間下焙燒產品單位質量磁矩均隨外加磁化磁場強度的增加，先快速增加而后趨于平緩，最終達到磁飽和；隨著焙燒時間的增加，焙燒產品的飽和單位質量磁矩增加速度逐漸減少。在焙燒時間為15 min下的焙燒產品在磁場強度為488 kA/m時存在比磁化系數最大值，為1.416×10-5m3/kg，繼續增加磁化強度，焙燒產品的比磁化率逐漸減少。

4.2 CO2氣氛下焙燒對物料磁性的影響

圖9為CO2氣氛、不同焙燒溫度下菱鐵礦焙燒產物的磁性分析，圖10為CO2氣氛、不同焙燒時間下菱鐵礦焙燒產物的磁性分析。

由圖9、圖10可知：不同焙燒溫度和焙燒時間下焙燒產品單位質量磁矩均隨外加磁化磁場強度的增加先快速增加而后趨于平緩，最終達到磁飽和；隨著焙燒時間的增加，焙燒產品的飽和單位質量磁矩增加速度逐漸減少。在650℃下的焙燒產品在磁場強度為494 kA/m時存在比磁化系數最大值，為2.172×10-5m3/kg，繼續增加磁化強度，焙燒產品的比磁化率逐漸減少；在焙燒時間為10 min下的焙燒產品在磁場強度為493 kA/m時存在比磁化系數最大值，為2.036×10-5m3/kg，繼續增加磁化強度，焙燒產品的比磁化率逐漸減少。

通過對比不同氣氛下焙燒產品的磁性，發現焙燒產品的磁化曲線均出現了磁飽和現象，且焙燒產品具有較大的比磁化率最大值，表明焙燒產品具有強磁性。且CO2氣氛下的焙燒產品的飽和單位質量磁矩和比磁化率最大值均大于N2氣氛下的焙燒產品，表明菱鐵礦在CO2氣氛下的焙燒產品磁性強于N2氣氛下的焙燒產品，說明CO2氣氛下焙燒效果更好。

5 結論

（1）在N2氣氛下，焙燒溫度為650℃、焙燒時間15 min、焙燒產品磨至-0.043 mm粒級占95%，磁場強度為85.12 kA/m條件下進行濕式弱磁選，可獲得精礦鐵品位為63.93%、回收率為74.33%的指標；在CO2氣氛下，焙燒溫度為650℃、焙燒時間10 min、焙燒產品磨至-0.043 mm粒級占95%，磁場強度為85.12 kA/m條件下進行濕式弱磁選，可獲得精礦鐵品位為61.53%、回收率為80.05%的指標。CO2氣氛焙燒產品與N2氣氛焙燒產品相比，精礦鐵品位低、回收率高。磁性分析表明CO2氣氛焙燒后磁選精礦磁性強于N2氣氛。

（2）菱鐵礦石通過焙燒，單位質量磁矩和比磁化率均顯著增強，微波磁化焙燒使得礦石中的鐵礦物與脈石礦物的磁性差異增大，可以通過弱磁選進行有效分選。