赤铁矿选矿新工艺试验研究

为提高我国铁矿石的自给率,摆脱国外矿业巨头的束缚,相关科研工作者围绕铁矿资源的高效利用开展了大量的研究工作,在微细粒铁矿选矿、矿石粉碎、焙烧—磁选、深度还原—磁选、尾矿再选、低温捕收剂研发等方面取得了显著的成果。

赤铁矿结晶粒度小于0. 045 mm或磁铁矿结晶粒度小于0. 03 mm的铁矿石通常被称为微细粒铁矿^[12]。山西袁家村铁矿和湖南祁东铁矿是我国较为典型的微细粒嵌布铁矿床,如何实现铁矿物的低能耗单体解离和高效富集是此类矿石开发利用的关键。

太原钢铁集团与国内外科研单位合作,针对袁家村铁矿高效回收组织开展了大量的试验研究,最终选矿指标取得了重大突破。在原矿铁品位31. 18% 、- 0. 045 mm粒级占93. 81% 的条件下,采用半自磨 +两段球磨的磨矿工艺和弱磁—强磁—混合磁精矿再磨—阴离子反浮 选工艺,获得了精 矿铁品位66. 95% 、回收率72. 62% 的良好指标。采用该工艺,袁家村铁矿于2012年底建成年处理量2 200万t的选矿厂^[13]。长沙矿冶研究院针对祁东铁矿铁矿物嵌布粒度微细、性质复杂的矿石特性,提出了选择性絮凝脱泥—反浮选技术,同时研制出有针对性的SA - 2絮凝剂^[14]。目前,祁东铁矿采用该技术建成年处理量280万t的选矿厂,在原矿铁品位28. 36% 、磨矿细度 - 0. 038 mm占98% 的条件下,获得了精矿铁品位62. 5% 、回收率68% 的理想指标^[12,13,14]。王秋林^[15]采用强磁—脱泥—反 浮选工艺 流程分选 铁品位39. 62% 的微细粒 镜铁矿,获得了精 矿铁品位60. 63% 、回收率62. 50% 的指标。胡义明等^[16]对袁家村石英型氧化矿、石英 - 镜铁矿型氧化矿、闪石型氧化矿等不同类型矿石开展了系统的选别试验,结果表明采用弱磁—强磁—再磨—反浮选流程处理石英型及石英 - 镜铁矿型氧化矿,均可获得铁品位大于65% 、回收率大于78% 的精矿,而闪石型氧化矿则难以实现分选。范志坚等^[17]针对祁东铁品位30. 32%的微细粒铁矿提出了阶段磨矿—弱磁—强磁—离心选矿工艺流程,实现了铁矿物的有效富集( 精矿铁品位63. 51% 、回收率69. 24% ) 。杨云等^[18]对铁品位45. 27% 的微细粒铁矿进行了重选、磁选、浮选、选择性絮凝等多种工艺对比试验,最终采用选择性絮凝—阳离子反浮选工艺,获得了精矿铁品位59. 67% 、回收率78. 84% 的指标。曹进成等^[19]采用阶段磨矿—阶段磁选处理内蒙古铁品位13. 85% 的微细粒磁铁矿,最终获得了铁品位67. 81% 、回收率61. 52% 的精矿。张超达等^[20]提出采用1粗1扫磁选抛尾—粗精矿再磨精选、扫选精矿和精选尾矿再磨再选的工艺流程处理四川铁品位39. 93% 的微细嵌布铁矿石,获得了精矿铁品位61. 02% 、回收率82. 86% 的指标。上述生产实践和研究工作表明,阶段磨矿—阶段磁选是处理微细粒磁铁矿的最佳工艺; 对于微细粒磁赤混合铁矿,弱磁—强磁—再磨—反浮选工艺可获得理想指标; 分选微细粒赤铁矿的工艺主要有强磁—脱泥—反浮选、选择性絮凝—反浮选、强磁—离心选矿。

作为一种矿石超细粉碎设备,高压辊磨机具有单位破碎能耗低、处理能力大、破碎产品粒度均匀等特点。与传统破碎设备相比,高压辊磨机粉碎产品颗粒内部微裂纹明显增多、细粒级含量高、矿物解离性好^{[21,22,23,24]}。高压辊磨技术在国外已广泛应用于金属矿石的粉碎,而在国内金属矿山的应用尚处于起步阶段。国内专家和学者对高压辊磨技术在铁矿中的应用开展了大量的研究工作,形成了高压辊磨机粉碎—预选技术,以最大限度地实现“多碎少磨,磨前抛尾”,降低选矿成本。马钢南山铁矿针对该矿区低品位铁矿石进行了高压辊磨超细碎—湿式分级—粗粒磁选预选抛尾技术研究,依托该技术首次将高压辊磨机应用于我国铁矿选厂破碎系统后,选矿厂年处理量提高了270万t,处理单位矿石的电耗和钢耗均下降了30% 左右^[25,26,27]。高压辊磨机在南山铁矿的成功应用拉开了高压辊磨机在国内铁矿山应用的序幕。此后,河北司家营铁矿、攀枝花白马铁矿、安徽大昌铁矿等几十家铁矿选厂相继引进了高压辊磨技术,关于高压辊磨机在铁矿选矿厂应用的研究报道也逐渐增多。袁致涛等^[28,29]研究了贫赤铁矿经高压辊磨机粉碎后的粒度特性、磨矿特性和解离特性,与颚式破碎机相比,高压辊磨机具有破碎比高、产品中细粒级含量高、粒度分布均匀等特点,邦德功指数降低了13. 96% ~28. 23% ,- 0. 5 mm粒级铁矿物单体解离度提高了15. 16个百分点。韩跃新等^[21]对铁品位24. 48% 的贫赤铁矿高压辊磨机粉碎产品进行了系统的强磁预选研究,最终获得了预选精矿铁品位32. 92% 、回收率86. 51% 、抛尾率35. 71% 的指标。孙素霄等^[30]探讨了高压辊磨技术在张家夏楼低品位磁铁矿选矿厂应用的可能性,结果表明,对辊压产品进行预选可以抛掉大量的粗粒尾矿,有效降低磨机处理量。

20世纪50年代,美国人Harlowe Hardinge发明了工业自磨机,并创办了Hardinge Co. Inc专业生产磨矿机械。A. R. Macpherson提出了自磨功指数,对自磨/半自磨技术的推广应用做出了突然贡献,使该技术更加成熟。自磨/半自磨机是一种具有粉碎和磨矿双重功能、一机两用的设备,以矿石本身作磨矿介质的为自磨( AG) ,加入适量钢球作磨矿介质的为半自磨( SAG) 。与常规的三段一闭路破碎流程相比,自磨/半自磨流程具有工艺简单、基建投资低、设备大型高效、粉尘污染低等显著特点。近年来,随着自磨/半自磨设备的不断改进,自磨/半自磨技术在铁矿选厂得到了推广应用。目前,中国有60多个选矿厂使用160多台自磨 / 半自磨机。例如: 昆钢大红山铁矿自2006年以来采用Φ8. 53 m×4. 32 m半自磨 + 球磨 +球磨( SAC) 流程对铁矿石进行碎磨处理,处理能力为400万t / a; 凌钢保国铁矿选用8. 0 m×2. 8 m全自磨 + 顽石破碎 + 球磨( ABC) 的碎磨流程,处理量为300万t / a。

搅拌磨具有能效高、可防止过磨、节省介质、易于操作、安装简便等显著特点。搅拌磨机作为细磨、超细磨装备首先在有色金属矿山获得了成功应用。随着微细粒铁矿的开发利用,搅拌磨技术正逐渐推广至我国铁矿山细磨作业^[25,31,32]。攀枝花白马铁矿于2010年购买了德国爱立许公司3台塔磨机用于钒钛磁铁矿细磨作业; 2013年7月,昆钢大红山铁矿3台塔磨机投入生产; 2013年,鞍钢矿业公司购买了6台美卓公司生产的立式螺旋搅拌磨机用于关宝山铁矿选矿厂; 2013年,马钢霍邱张庄铁矿选矿厂完成了应用立式螺旋搅拌磨进行二段磨矿的论证。李朝晖等^[33]为探索进一步提高山东某大型铁矿阶段磨矿阶段磁选所得精矿铁品位的可能性,采用搅拌磨将铁品位为62. 35% 的精矿磨细至 - 0. 022 mm占90% 后磁选,获得了铁品位大于65% 的指标。肖骁等^[34]对比分析了搅拌磨和球磨对湖南柿竹园磁铁矿中矿产品再磨解离度的影响规律,结果表明,采用搅拌磨时新生成 - 0. 038 mm粒级物料含量比球磨高8. 1个百分点,搅拌磨细磨产品的单体解离度明显高于球磨机,并且搅拌磨产品经磁选后精矿品位比球磨机的高5. 2个百分点。搅拌磨技术在铁矿石选矿的研究和应用表明,采用搅拌磨机进行细磨超细磨不仅能够有效地降低能耗,还能够提高矿物的解离度和后续分选指标,具有广阔的应用前景。

磁化焙烧—磁选是指将铁矿石在一定温度和气氛条件下焙烧,使矿石中弱磁性铁矿物转变为强磁性铁矿物,再利用铁矿物与脉石矿物之间的磁性差异进行磁选获得铁精矿。磁化焙烧—磁选是一种从复杂难选铁矿石中回收铁矿物行之有效的方法。近年来,国内许多研究单位针对磁化焙烧技术和装备开展了大量的研究。余永富院士提出了闪速磁化焙烧技术,对陕西大西沟菱铁矿、昆明王家滩矿、重钢接龙铁矿等含碳酸盐铁矿进行焙烧—磁选,均获得了精矿铁品位大于55% 、回收率大于70% 的指标^[35,36]。2009年,河南灵宝开始建设5万t/a的闪速磁化焙烧示范工程。中国科学院过程工程研究所在复杂难选铁矿石流态化焙烧动力学及循环流化床反应器优化设计等方面开展了工作,并结合研究成果形成了复杂难选铁矿流态化磁化焙烧工艺^[37,38,39],建成年处理量10万t的难选铁矿流态化焙烧示范工程,2012年底进行调试,实现了稳定运行^[2]。东北大学提出了复杂难选铁矿悬浮焙烧技术,并设计出实验室型间歇式悬浮焙烧炉。利用设计的悬浮焙烧炉对鞍钢东鞍山烧结厂正浮选尾矿和鲕状赤铁矿进行了给矿粒度、气流速度、还原气体浓度、焙烧温度、焙烧时间条件试验,在最佳的试验条件下,获得了精矿铁品位56% ~ 61% 、回收率78% ~ 84% 的理想指标^[40,41]。采用电子探针、穆斯堡尔谱、Fluent软件等检测技术对细粒难选铁矿石悬浮焙烧过程中矿物的物相转化、矿石微观结构变化、颗粒的运动状态、悬浮炉内热量的传输等开展研究工作,形成了悬浮焙烧铁矿物物相转化控制、颗粒悬浮态控制、余热回收等核心技术。根据基础研究成果,东北大学与中国地质科学院矿产综合利用研究所和沈阳鑫博工业设计有限公司合作,在峨眉山市设计建成了150 kg /h的复杂难选铁矿悬浮焙烧中试系统。2014年9月,以东鞍山烧结厂正浮选尾矿和眼前山磁滑轮尾矿经强磁选的精矿为原料,进行了扩大连续试验,该系统生产出的磁化焙烧产品经磁选后达到了精矿铁品位63% ~ 65% 、回收率78% ~ 83%的优异指标( 表2) 。试验运行结果表明,悬浮焙烧系统能够连续稳定地获得高质量的焙烧产品,具有广阔的应用前景。

针对常规选矿方法和磁化焙烧技术也难以高效经济开发利用的复杂难选铁矿资源,国内相关科研人员提出了深度还原—磁选技术,即以煤粉为还原剂,在低于矿石熔化温度下将矿石中的铁矿物还原为金属铁,并通过调控促使金属铁聚集长大为一定粒度的铁颗粒,还原物料经磁选获得金属铁粉。深度还原—磁选技术为复杂难选铁矿的开发利用提供了新途径,成为近年来选矿领域研究热点之一。东北大学、北京科技大学、河北联合大学、广西大学等多家单位围绕深度还原—磁选工艺及理论开展了大量的研究工作。鲕状赤铁矿、含碳酸盐赤铁矿、铁尾矿、羚羊铁矿石、赤泥、锌铁矿等含铁原料深度还原提铁试验表明,在最佳的还原温度、还原时间、煤粉用量条件下,可获得铁金属化率大于90% 的还原物料,经磁选后可获得铁品位85% ~ 95% 、回收率大于90% 的深度还原铁粉,该铁粉可以作为炼钢原料^{[42,43,44,45,46,47,48,49,50]}。深度还原温度一般高于1 000℃,还原过程中铁矿物按照Fe₂O₃→Fe₃O₄→Fe O→Fe的顺序逐级还原为金属铁^[51]。还原历程可以分为初始、中间、后期3个阶段,各阶段的反应动力学模型分别为Avrami - Erofeev方程、化学反应模型和三维扩散模型^[52,53]。还原物料中铁颗粒的粒度可以采用光学显微图像分析技术进行检测,还原温度和还原 时间对铁 颗粒的粒 度分布影 响显著^{[54,55,56,57]}。高磷鲕状赤铁矿是我国一种重要的铁矿资源,由于赤铁矿结晶粒度极细( 小于10μm) 、含磷高,导致其采用常规选矿工艺难以有效分选,而深度还原—磁选可以实现高磷鲕状赤铁矿中铁的高效富集。研究发现,深度还原过程中矿石中的磷矿物会被还原为单质磷,并且相当一部分单质磷进入金属铁相,使得还原铁粉中磷含量超标^[58,59],针对这一问题,相关学者提出深度还原脱磷和深度还原富磷2种技术路线。对于磷含量小于0. 8% 的原矿石,通过添加脱磷剂( Na₂CO₃、Ca( OH)2、Na₂SO₄等) ,使绝大多数的磷留在渣相,通过对还原物料的高效分选,得到可以直接用于炼钢的低磷深度还原铁粉( 磷含量≤0. 05% )[60-62]。对于磷含量大于0. 8% 的原矿石,通过控制磷的迁移,使原矿中80% 以上磷进入金属铁相,经高效分选得到高磷深度还原铁粉( 磷含量≥1. 5% ) ,再利用冶炼脱磷技术处理高磷铁粉,在获得合格钢液的同时得到高磷钢渣,该高磷钢渣可以直接作为磷肥或者酸性土壤改良剂^[63]。目前深度还原理论逐渐趋于成熟,然而尚没有适用于深度还原的大型装备,阻碍了其工业化应用的步伐,今后应加强高效还原大型装备的研发。

铁尾矿是指铁矿石经选矿工艺提取铁精矿后排放的固体废弃物^[64]。由于我国铁矿资源品位低,生产1 t铁精矿平均需要排出2. 5 t尾矿。随着我国矿山企业产能的不断增加,铁尾矿排放量迅速增加,已成为排放量最大的工业固体废弃物。尾矿排放不仅占用大量土地,有时因管理不善,还会发生尾矿坝溃坝事故,造成人员伤亡、环境污染、村镇被毁等严重后果^[65]。受选矿技术和水平的制约,铁尾矿中通常含有一定量的金属铁元素,粒度较细,因而与采出原矿石相比磨矿能耗低,因此铁尾矿再选是提高矿石利用率,实现资源化的重要途径之一。

鞍钢矿业公司针对齐大山选矿厂、齐大山铁矿选矿分厂、弓长岭选矿厂的浮选尾矿进行了再选试验研究。结果表明,采用重选、磨矿—磁选( 弱磁、强磁联合流程) 工艺可以实现尾矿中铁矿物的预富集,获得铁品位大于41% 的粗精矿。粗精矿经阶段磨矿—弱磁—强磁—反浮选工艺或1粗1精1扫浮选柱分选工艺选别,达到了精矿铁品位大于64% 、作业回收率大于88% 的良好指标^[66,67]。基于该研究成果,鞍钢矿业公司形成了赤铁矿尾矿铁资源回收再利用新技术,目前该成果已成功应用于齐大山铁矿选矿厂。梅山矿业有限公司在对梅山铁矿选矿厂综合尾矿、强磁选尾矿、降磷尾矿工艺矿物学特性综合分析基础上,分别开展了再选研究: 铁品位18. 49% 的综合尾矿经1粗1扫弱磁选可获得铁品位56. 5% 的精矿,按此工艺每年可选 出铁精矿18 750 t,减少尾矿 排放量1. 5% ; 采用强磁再选—分步浮选技术处理铁品位23. 46% 的强磁选尾矿,最终获得了铁品位42. 75%的精矿,该技术可以使梅山铁矿选矿厂铁回收率提高5个百分点以上; 使用SLon高梯度磁选机对铁品位21. 31% 的脱磷尾矿再选工艺进行优化改造后,强磁精矿铁回收率提高了10. 51个百分点^[68,69,70]。马钢集团姑山矿业公司采用分级—细粒浓缩—高梯度粗选—浓缩—磨矿—高梯度精选工艺对粗选尾矿细粒级铁矿物进行回收,产出铁品位约54% 的精矿,依据该工艺完成了选厂技术改造,每年可多回收铁精矿3. 5万t,有效降低了尾矿品位,提高了资源 利用率^[71]。河北钢铁集团矿业公司对司家营铁矿浮选尾矿、石人沟铁矿尾矿和研山铁矿浮选尾矿进行了再选试验研究,均取得了较好的指标,见表3^[72,73,74]。云南大红山尾矿铁品位14. 52% ,主要以赤铁矿形式富集在 - 0. 01 mm粒级。该尾矿经强磁预选—悬振锥面选矿机精 选工艺处 理,获得的精 矿铁品位 为54. 02% 、回收率为34. 68%^[75]。袁致涛等^[76]采用强磁—细磨—3次弱磁选工艺回收本钢马耳岭选矿厂铁品位为8. 87% 的尾矿中磁铁矿,获得的铁精矿铁品位为51. 39% 、磁性铁回收率达到81. 89% 。王坤胜等^[77]对莱钢鲁南矿业公司铁品位为15. 02% 的尾矿进行了再选研究,最终确定了阶段磨矿—磁选—反浮选的工艺流程,获得了铁品位65. 76% 、回收率24. 08% 的精矿。

尾矿再选生产实践及试验研究表明,不同地区铁尾矿的性质差异较大,铁尾矿再选工艺也不尽相同。对于铁矿物以磁铁矿为主的尾矿,应采用细磨—弱磁选原则流程加以分选; 对于磁铁矿、赤( 褐) 铁矿为主要铁矿物的尾矿,强磁 ( 或重选) 预选—磨矿—磁选—反浮选工艺可以实现铁矿物的有效回收。

国内绝大部分铁矿选矿厂采用阴离子反浮选工艺提铁降硅,使用的捕收剂为脂肪酸类物质。阴离子反浮选工艺具有生产稳定、指标好的优点,缺点是捕收剂配制和所需浮选温度较高( 配制温度通常为50~ 70℃ ,矿浆温度一般为35 ~ 40℃ ) ,导致浮选矿浆需要加温处理,增加了生产成本。常温高效铁矿捕收剂的研制成为相关专家和学者的研究热点。近年来,国内从事常温捕收剂研发工作的单位主要有东北大学、长沙矿冶研究院、武汉理工大学、武汉工程大学等。东北大学以脂肪酸为基体,通过在其α位碳原子引入Cl、Br、胺基等原子或基团的方法,研制出DMP - 1、DMP - 2、DMP - 3、DTX - 1、DL - 1、DZN - 1等一系列常温改性脂肪酸类捕收剂。为验证其捕收性能,用新研制的捕收剂对齐大山选矿厂、东鞍山烧结厂、司家营研山铁矿选矿厂的混合磁选精矿进行了反浮选试验。结果表明,在浮选温度为25 ~ 30℃的条件下,采用该改性捕收剂浮选,获得了精矿铁品位64% ~ 66% 、回收率68% ~ 90% 的良好指标^{[78,79,80,81,82]}。长沙矿冶研究院对2种化工原料进行官能团改性后,按一定比例复配制备出低温捕收剂Fly - 101; 在脂肪酸中引入酰胺基、羧基,研制出CY系列低温捕收剂,并将其用于铁矿反浮选试验。结果表明,Fly - 101在浮选温度15℃和35℃下均达到了现场原使用捕收剂35℃时的浮选指标( 精矿铁品位66. 71% 、回收率84. 06% ) ; CY系列捕收剂对浮选温度变化具有较强的适应能力,在浮选温度15℃下即可实现铁矿石的有效分选^[83,84,85]。武汉理工大学研发了GE系列阳离子捕收剂和MG系列阴离子捕收剂。GE阳离子捕收剂浮选试验表明,该系列捕收剂克服了泡沫黏、难以消泡的缺点,在常温下浮选即可获得较高的铁品位指标^[86,87]。MG阴离子捕收剂耐低温性能强,采用该捕收剂对西部铜业巴彦淖尔铁矿磁选铁精矿进行常温反浮选处理,获得了精矿铁品位68. 55% 、回收率94. 7% 的指标,精矿铁品位提高了6个百分点^[88,89]。罗惠华等^[90]开发出一种新型改性脂肪酸捕收剂,在浮选温度25℃下对司家营铁矿磁选精矿进行浮选试验,产出了铁品位65. 79% 的精矿、金属回收率为83. 01% ,该捕收剂在常温下具有较好的水溶性和捕收能力。针对铁矿常温浮选,国内开发出了一系列具有低温溶解性、捕收性强、选择性优的新型高效捕收剂,实现了在常温下对铁矿石的有效分选。然而,目前这些新型捕收剂尚处于实验室研究或半工业试验阶段,工业应用进程需要加快。