高鐵鋁土礦懸浮磁化焙燒鐵鋁分離技術(shù)研究

王若楓 袁 帥 高 鵬，3 李艷軍 孫永升1

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.難采選鐵礦資源高效開發(fā)利用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

鋁是重要的輕金屬，是地殼中含量最多的金屬元素，具有良好的延展性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性，易于加工，耐腐蝕，廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、交通運(yùn)輸、軍工等行業(yè)，是現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支撐性材料［1］。鋁土礦是生產(chǎn)鋁的最重要來源，其產(chǎn)量的90%都用做制鋁原料［2］，除此之外，鋁土礦也廣泛應(yīng)用于磨料、水泥、化學(xué)品、支撐劑和耐火材料的生產(chǎn)。

從全球范圍來看，鋁土礦儲(chǔ)量豐富，美國(guó)地質(zhì)聯(lián)邦調(diào)查局的數(shù)據(jù)顯示，鋁土礦資源總量估計(jì)為550億～750億t，但分布卻極不均勻。2020年全球鋁土礦資源儲(chǔ)量分布和產(chǎn)量分布分別如圖1和圖2所示。中國(guó)是全球鋁土礦第七大資源國(guó)，同時(shí)也是全球原鋁產(chǎn)能主要國(guó)家。我國(guó)氧化鋁產(chǎn)量世界第一，是拉動(dòng)全球鋁生產(chǎn)與消費(fèi)的主要引擎［3］。但我國(guó)鋁土礦石以一水硬鋁石為主，礦石共伴生組分較多，選冶難度大，工藝流程復(fù)雜，投資、能耗高，且分選產(chǎn)品質(zhì)量也與優(yōu)級(jí)進(jìn)口礦石有一定差距［4］，因此我國(guó)鋁土礦可利用資源量極少。但近些年來中國(guó)鋁消費(fèi)量高度增長(zhǎng)，造成我國(guó)氧化鋁產(chǎn)能由內(nèi)地向沿海和海外轉(zhuǎn)移［5］，但是國(guó)內(nèi)鋁土礦產(chǎn)能擴(kuò)張能力有限，所以國(guó)產(chǎn)鋁土礦不斷向進(jìn)口鋁土礦轉(zhuǎn)變，對(duì)外依存度逐步攀升。

印尼鋁土礦主要的礦床類型為紅土型鋁土礦，礦床規(guī)模大，覆土層薄，礦石質(zhì)量好，儲(chǔ)量較為集中，屬于紅土型超大型鋁土礦田。從礦產(chǎn)資源分布特征和礦業(yè)投資與開發(fā)情況方面來看，印尼未來在礦產(chǎn)資源開發(fā)及后端冶煉加工領(lǐng)域都與我國(guó)有很大的合作上升空間［6-7］，對(duì)我國(guó)積極參與全球鋁土礦資源優(yōu)化配置具有重要意義。

高鐵鋁土礦是世界公認(rèn)的難處理鋁土礦資源，由于礦石中鋁鐵礦物的類質(zhì)同象現(xiàn)象存在及微細(xì)粒嵌布特征導(dǎo)致鋁鐵分離極為困難。研究表明，鋁土礦中鐵的含量過高會(huì)降低設(shè)備的生產(chǎn)能力，增加生產(chǎn)能耗，并導(dǎo)致赤泥沉降困難，影響成品氧化鋁質(zhì)量［8］。高鐵鋁土礦按照目前鐵鋁分離工藝的基本原理，可以分為生物法［9-10］、物理法［11-12］和化學(xué)法［13-15］。生物法可用來處理復(fù)合型礦石，但微生物的培養(yǎng)對(duì)環(huán)境有嚴(yán)格的要求，處理礦石的過程中也存在一定的局限性。物理選礦的方法成本低，工藝流程簡(jiǎn)單，但鐵的回收率較低，且只適用于結(jié)晶粒度粗、易于單體解離的高鐵鋁土礦?；瘜W(xué)法能較好地實(shí)現(xiàn)高鐵鋁土礦中鋁和鐵的分離，但不同性質(zhì)的礦石需要選用與之相適應(yīng)的工藝方案。

因此，亟需尋找一種新的方法用于處理高鐵鋁土礦，以實(shí)現(xiàn)鐵鋁元素高效分離。本文提出懸浮磁化焙燒—磁選技術(shù)處理高鐵鋁土礦，開展了系統(tǒng)性條件試驗(yàn)，探明了還原溫度、還原時(shí)間、給料粒度、CO濃度及總氣體流量等條件對(duì)焙燒效果的影響，并通過磁選實(shí)現(xiàn)了除鐵提鋁技術(shù)目標(biāo)。

1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用原料為印度尼西亞某高鐵鋁土礦，原礦化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，原礦TFe品位為14.06%，Al2O3含量為44.55%，二氧化硅含量8.05%，鋁硅比為5.53，燒失量為25.48%。因此，該鋁土礦屬于高鐵高硅、中低品位鋁土礦。原礦中雜質(zhì)鈣、鎂、鈉含量不高，有害元素硫、磷含量很低。

采用X射線衍射技術(shù)（XRD）對(duì)高鐵鋁土礦樣品礦物組成進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，高鐵鋁土礦原礦中所含的主要礦物為三水鋁石、赤鐵礦、石英以及高嶺石。

原礦鐵化學(xué)物相分析結(jié)果如表2所示。

表2表明：原礦中的鐵主要是以赤（褐）鐵礦形式存在，赤（褐）鐵礦中的鐵占全鐵的77.71%；磁鐵礦中的鐵占全鐵的18.21%，此外還含有少量的硅酸鐵。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)方法

通過自制懸浮磁化焙燒爐開展焙燒條件試驗(yàn)研究，裝置原理如圖4所示。

試驗(yàn)首先將高鐵鋁土礦原礦從石英管出氣管口倒入石英管中，使其盡可能均勻地散布于多孔石英板上，通入N2進(jìn)行空氣置換排凈管內(nèi)空氣，待爐溫升至預(yù)定溫度后將石英管放入焙燒爐中，再待爐溫穩(wěn)定后，通入一定比例的CO和N2混合氣體展開焙燒試驗(yàn)。待還原焙燒結(jié)束后，關(guān)閉CO通道，繼續(xù)使用N2進(jìn)行空氣置換同時(shí)使物料冷卻至室溫后取出，然后在磁場(chǎng)強(qiáng)度為133.6 kA/m的條件下進(jìn)行弱磁選試驗(yàn)，最后把得到的精礦、尾礦產(chǎn)品分開烘干稱重化驗(yàn)分析。

2.2 焙燒條件對(duì)分選指標(biāo)的影響

2.2.1 給料粒度對(duì)分選指標(biāo)的影響

原礦在焙燒溫度550℃、總氣體流量為600 mL/min、CO濃度為30%、焙燒時(shí)間30 min條件下開展給料粒度試驗(yàn)，考察了給料粒度分別為-0.074 mm占50%、60%、70%、80%、90%對(duì)鋁精礦指標(biāo)的影響，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：給料粒度在-0.074 mm占50%～90%范圍內(nèi)，隨著給料粒度的減小，鋁精礦中氧化鋁含量變化不大，維持在66%左右；當(dāng)給料粒度由-0.074 mm占50%提升至80%時(shí)，鋁回收率由74.58%增加到86.47%，但鐵去除率由62.51%下降至52.75%。當(dāng)給料粒度由-0.074 mm占80%提高到90%時(shí)，鐵去除率由52.75%增長(zhǎng)到64.20%，鋁回收率由86.47%降至77.01%。綜合考慮，確定給料粒度為-0.074 mm占50%。

2.2.2 焙燒溫度對(duì)分選指標(biāo)的影響

在給料粒度為-0.074 mm占50%，焙燒時(shí)間30 min，總氣體流量為600 mL/min，CO濃度為30%，焙燒溫度分別為500、550、600、650、700 ℃條件下，考察了焙燒溫度對(duì)鋁精礦指標(biāo)的影響，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：當(dāng)焙燒溫度從500℃增加到550℃時(shí)，鐵去除率由67.99%提高到69.33%，氧化鋁含量由65.75%提高到66.97%，鋁回收率也由77.41%降至74.41%；隨著焙燒溫度繼續(xù)增加至600℃，鐵去除率由69.33%降至68.26%，氧化鋁含量由66.97%提高到68.17%，鋁回收率也由74.41%增加到74.78%；在焙燒溫度達(dá)到650℃時(shí)，氧化鋁含量增至68.92%，鋁回收率提高到77.65%，但鐵去除率下降至66.07%。焙燒溫度過低時(shí)，還原反應(yīng)速度慢，部分赤鐵礦物不能充分還原成磁鐵礦［16］。綜上考慮，確定合適的焙燒溫度為600℃。

2.2.3 焙燒時(shí)間對(duì)分選指標(biāo)的影響

在焙燒溫度600℃，給料粒度為-0.074 mm占50%，CO濃度為30%，總氣體流量為600 mL/min，焙燒時(shí)間分別為10、20、30、40、50 min條件下，考察了焙燒時(shí)間對(duì)鋁精礦指標(biāo)的影響，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：隨著焙燒時(shí)間的增加，氧化鋁含量整體變化幅度較?。划?dāng)焙燒時(shí)間從10 min增加到20 min時(shí)，鋁回收率由78.44%降低至73.26%，鐵去除率由62.10%提高到66.14%；焙燒時(shí)間增加至30 min，鋁回收率提高到76.29%，鐵去除率降低至60.76%；焙燒時(shí)間繼續(xù)增加到50 min，鋁回收率從76.28%下降至71.08%。鐵去除率在焙燒時(shí)間20 min時(shí)達(dá)到最大值，焙燒時(shí)間太短會(huì)導(dǎo)致部分赤鐵礦不能完全轉(zhuǎn)化為磁鐵礦［17］。綜合考慮，適宜的焙燒時(shí)間確定為20 min。

2.2.4 CO濃度對(duì)分選指標(biāo)的影響

在給料粒度為-0.074 mm占50%，焙燒時(shí)間20 min，總氣體流量為600 mL/min，焙燒溫度600℃，CO濃度分別為10%、20%、30%、40%、50%條件下，考察了CO濃度對(duì)鋁精礦指標(biāo)的影響，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：當(dāng)CO濃度從10%增加到20%時(shí)，氧化鋁含量由66.92%提高到67.51%，鐵去除率由63.95%提高到64.59%；CO濃度由20%增加到30%時(shí)，氧化鋁含量由67.51%提高到68.14%，但鐵去除率由64.59%下降至62.06%；當(dāng)CO濃度由30%增加至50%時(shí)，鐵去除率增至63.59%，但氧化鋁含量降至67.38%，鋁回收率由77.11%下降至75.48%。當(dāng)CO濃度較小時(shí)，還原效果不明顯，赤鐵礦不能完全轉(zhuǎn)化為磁鐵礦，若CO濃度過高時(shí)，可能發(fā)生過還原，導(dǎo)致分選效果下降［18］。綜合分選效果及經(jīng)濟(jì)成本考慮，確定合適的CO濃度為20%。

2.2.5 總氣體流量對(duì)分選指標(biāo)的影響

在給料粒度為-0.074 mm占50%，焙燒時(shí)間20 min，CO濃度為20%，焙燒溫度600℃，總氣體流量分別為300、400、500、600、700 mL/min條件下，考察了總氣體流量對(duì)鋁精礦指標(biāo)的影響，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知：當(dāng)總氣體流量由300 mL/min增加到500 mL/min時(shí)，鋁精礦的氧化鋁含量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，由65.99%上升到68.55%，同時(shí)，鐵去除率由61.66%增加到65.63%，鋁回收率則由76.29%降至74.44%；當(dāng)總氣體流量由500 mL/min增長(zhǎng)到700 mL/min時(shí)，氧化鋁含量和鐵去除率均呈下降趨勢(shì)，氧化鋁含量降至67.52%，鐵去除率下降到65.29%。因此，確定適宜的總氣體流量為500 mL/min。

2.3 各產(chǎn)品物相分析

采用XRD分別對(duì)原礦、最佳焙燒條件下得到的焙燒產(chǎn)品及選別產(chǎn)品進(jìn)行物相分析，結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出：焙燒產(chǎn)品中主要為磁鐵礦和石英結(jié)晶礦物，同時(shí)原礦中的三水鋁石礦相消失，并以非晶態(tài)Al2O3形式存在于焙燒產(chǎn)品中；磁性產(chǎn)品中主要礦相為磁鐵礦，鋁精礦中主要為非晶態(tài)Al2O3和一定量的石英。XRD分析結(jié)果表明鋁礦物和鐵礦物經(jīng)過焙燒—磁選實(shí)現(xiàn)了有效分離，鋁精礦產(chǎn)品中的鐵礦物含量大幅降低。

2.4 各產(chǎn)品磁性分析

采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）分析研究高鐵鋁土礦原礦、焙燒產(chǎn)品、磁性產(chǎn)品及鋁精礦的磁性變化規(guī)律，結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，原礦磁化強(qiáng)度極低故不能直接采用磁選方式使鐵鋁礦物分離，原礦的飽和磁化強(qiáng)度為1.06 A·m2/kg，焙燒樣品的飽和磁化強(qiáng)度為6.48 A·m2/kg，說明懸浮磁化焙燒過程致使焙燒樣品磁性增強(qiáng)，焙燒后原礦中弱磁性赤（褐）鐵礦被還原成了強(qiáng)磁性的磁鐵礦，此時(shí)可以采用弱磁選的方式達(dá)到使有用鐵礦物和脈石礦物分離的目的。磁性產(chǎn)品的飽和磁化強(qiáng)度為19.72 A·m2/kg，就是由于焙燒過后的弱磁選過程使得磁性產(chǎn)品在鐵精礦中進(jìn)一步富集從而使其飽和磁化強(qiáng)度增加。

3 結(jié) 論

（1）印度尼西亞某高鐵鋁土礦中TFe品位為14.06%，Al2O3含量為44.55%。SiO2含量為8.05%，有害元素硫、磷含量很低。原礦中的鐵礦物主要是以赤（褐）鐵礦形式存在，赤（褐）鐵礦中的鐵占全鐵的77.71%；磁鐵礦中的鐵占全鐵的18.21%。

（2）在還原焙燒溫度為600℃、總氣體流量為500 mL/min、焙燒時(shí)間為20 min、CO濃度為20%的條件下進(jìn)行懸浮磁化焙燒試驗(yàn)，并在磁場(chǎng)強(qiáng)度為133.6 kA/min條件下進(jìn)行弱磁選，可以獲得氧化鋁含量為68.55%、鐵去除率為65.63%的鋁精礦。

（3）經(jīng)過磁化焙燒，高鐵鋁土礦中的赤鐵礦、褐鐵礦大部分已轉(zhuǎn)化為磁鐵礦，鐵礦物因與鋁精礦存在磁性差異得以經(jīng)弱磁選分離，最終磁性產(chǎn)品中鐵礦物主要為磁鐵礦，鋁精礦中主要為氧化鋁和石英。

（4）懸浮磁化焙燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高鐵鋁土礦中鋁、鐵礦物的有效分離，為高鐵鋁土礦的高效綜合利用和大宗減量提供了技術(shù)思路，同時(shí)可為其他復(fù)合伴生礦產(chǎn)資源分離利用提供技術(shù)借鑒。