赤泥閃速磁化焙燒工藝技術(shù)研究①

董紅軍，陳 昌

（1.中國(guó)鋁業(yè)廣西分公司，廣西 百色 531400；2.長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

赤泥是氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的含堿廢渣，一般噸氧化鋁產(chǎn)生赤泥0.8～1.5 t，我國(guó)目前每年赤泥排放量約1億噸。赤泥大量堆存帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境壓力［1-2］，影響了氧化鋁工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái)，我國(guó)鋼鐵工業(yè)的鐵礦石原料對(duì)外依存度超過(guò)80%，年進(jìn)口量在10億噸以上，危及國(guó)家資源安全。而我國(guó)約1／3的赤泥TFe品位25%以上，開(kāi)展赤泥中鐵資源回收利用研究，不僅可以減少赤泥排放，也可以緩解鋼鐵原料被西方國(guó)家卡脖子的困境，對(duì)氧化鋁和鋼鐵工業(yè)都具有十分重要的意義［3-4］。赤泥顆粒微細(xì)、礦物組分嵌布緊密，一直無(wú)法得到高效利用［5-6］。閃速磁化焙燒過(guò)程中氣固反應(yīng)物懸浮流態(tài)化的焙燒狀態(tài)對(duì)細(xì)粒級(jí)低品位難選鐵礦資源回收具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文以廣西某典型氧化鋁赤泥預(yù)富集礦為研究對(duì)象，分別采用實(shí)驗(yàn)室馬弗爐以及閃速磁化焙燒裝置對(duì)其進(jìn)行磁化焙燒過(guò)程研究。

1 試驗(yàn)礦樣及方法

1.1 試驗(yàn)礦樣

試驗(yàn)樣品為廣西某氧化鋁廠(chǎng)的赤泥強(qiáng)磁選預(yù)富集粗精礦。預(yù)富集粗精礦X射線(xiàn)衍射分析圖譜見(jiàn)圖1，化學(xué)多元素分析、鐵物相分析結(jié)果分別見(jiàn)表1、表2，粒度篩析結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 試樣化學(xué)多元素分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 試樣鐵物相分析結(jié)果

表3 赤泥預(yù)富集粗精礦粒度篩析結(jié)果

圖1 赤泥X射線(xiàn)衍射分析圖譜

從圖1及表1～2可知，赤泥預(yù)富集粗精礦中可回收的主要有價(jià)組分是鐵元素，TFe品位為37.87%，鐵主要以赤（褐）鐵礦形式存在；脈石礦物主要為CaO、Al2O3和SiO2等，主要以水鋁硅酸鈣、一水硬鋁石、鈣霞石、方解石、氧硅鈦鈉石、三水鋁石和鈦礦物形式存在。從表3可知，赤泥預(yù)富集粗精礦細(xì)粒級(jí)含量高，－0.020 mm顆粒占比超過(guò)了50%，且細(xì)粒級(jí)顆粒鐵品位含量較粗顆粒更低，表明脈石組分在細(xì)顆粒中嵌布關(guān)系更為復(fù)雜。

對(duì)赤泥原礦進(jìn)行了背散射和能譜掃描分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，微細(xì)粒赤褐鐵礦多呈被包覆和浸染狀態(tài)與其他脈石組分結(jié)合。

1.2 試驗(yàn)原理與方法

磁化焙燒是將礦石中弱磁性的鐵礦物轉(zhuǎn)化為強(qiáng)磁性的鐵物相，進(jìn)而顯著擴(kuò)大鐵礦物與其他脈石礦物比磁化系數(shù)差異，通過(guò)磁選實(shí)現(xiàn)鐵分選的方法［7-9］。磁化焙燒常用還原劑有煤、CO、H2等，本研究中馬弗爐磁化焙燒以煤為還原劑，閃速磁化焙燒以控制燃燒室氣氛調(diào)制的CO為還原劑，還原焙燒原理如式（1）～（2）所示，CO還原鐵氧化物的熱力學(xué)平衡相圖如圖3［10］所示。

圖3 CO還原鐵氧化物的熱力學(xué)平衡相圖

由圖3可見(jiàn)，在500～750℃范圍內(nèi)，CO濃度很低的條件下反應(yīng)（2）即可發(fā)生。表明在合適的溫度和還原氣氛條件下，赤鐵礦物相極易向磁鐵礦轉(zhuǎn)化。由此可知，赤泥中的鐵物相轉(zhuǎn)化效率主要由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程決定。通過(guò)研究赤泥預(yù)富集粗精礦在馬弗爐中的焙燒過(guò)程（即堆積態(tài)反應(yīng)過(guò)程）和赤泥預(yù)富集粗精礦在閃速磁化焙燒裝置中的焙燒過(guò)程（即懸浮流態(tài)化反應(yīng)過(guò)程），可進(jìn)一步明晰赤泥焙燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，為赤泥回收利用提供指導(dǎo)。

馬弗爐磁化焙燒還原劑以粉煤形式加入，配入一定比例的還原劑后充分混樣，使還原劑均勻充斥在礦樣中，混樣完畢后，裝入坩堝，放入已經(jīng)升到預(yù)定溫度的馬弗爐中。還原一段時(shí)間后，焙燒礦直接入水冷淬調(diào)漿，進(jìn)行后續(xù)的磁選試驗(yàn)。

閃速磁化焙燒過(guò)程分為3個(gè)環(huán)節(jié)：升溫預(yù)熱、氣氛調(diào)制以及給礦下料。當(dāng)反應(yīng)爐預(yù)熱到設(shè)定溫度后，通過(guò)調(diào)節(jié)燃燒器的空氣和燃?xì)獗壤?，使燃料局部欠燃燒，形成還原氣氛；氣氛穩(wěn)定后，赤泥預(yù)富集粗精礦從最上端加入，經(jīng)過(guò)多級(jí)預(yù)熱，進(jìn)入反應(yīng)爐膛，并快速發(fā)生反應(yīng)；焙燒礦隨反應(yīng)氣體進(jìn)入最后一級(jí)的旋風(fēng)預(yù)熱除塵器，通過(guò)旋風(fēng)收塵后直接冷淬制漿，進(jìn)行后續(xù)的磁選試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 馬弗爐磁化焙燒

還原溫度750℃，向赤泥預(yù)富集粗精礦中配入7.5%的還原煤粉，混勻后以坩堝密封放入馬弗爐中，焙燒礦調(diào)漿后用磁感應(yīng)強(qiáng)度0.2 T的弱磁選機(jī)進(jìn)行初步分選和焙燒評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 焙燒時(shí)間對(duì)馬弗爐焙燒-磁選指標(biāo)的影響

結(jié)果表明，焙燒時(shí)間30 min時(shí)，鐵回收率較低，但鐵品位較高，此時(shí)，赤泥預(yù)富集粗精礦中品質(zhì)較好的一部分鐵物相完成了磁化過(guò)程，但部分呈包覆或浸染態(tài)的鐵礦沒(méi)有完成轉(zhuǎn)化過(guò)程；焙燒時(shí)間達(dá)到45 min時(shí)，礦樣中的鐵相才基本完成轉(zhuǎn)化。

2.2 閃速磁化焙燒

氣固反應(yīng)速度主要取決于3個(gè)過(guò)程：外擴(kuò)散過(guò)程、內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程以及化學(xué)反應(yīng)控制過(guò)程，通過(guò)強(qiáng)化這3個(gè)過(guò)程，可極大地加快磁化還原反應(yīng)過(guò)程。磁化過(guò)程由熱力學(xué)過(guò)程控制，磁化反應(yīng)迅速，所以赤泥磁化焙燒的控速環(huán)節(jié)主要在于內(nèi)擴(kuò)散和外擴(kuò)散過(guò)程。赤泥預(yù)富集粗精礦中－0.020 mm細(xì)顆粒含量超過(guò)50%，小粒徑的反應(yīng)物比表面積大、反應(yīng)擴(kuò)散層薄，可極大削減內(nèi)外擴(kuò)散阻力，同時(shí)閃速磁化焙燒過(guò)程氣固反應(yīng)物呈流態(tài)化狀態(tài)，有利于生成物的排出和反應(yīng)物的補(bǔ)足，進(jìn)一步強(qiáng)化磁物相轉(zhuǎn)化過(guò)程。

750℃條件下，控制反應(yīng)器內(nèi)還原氣氛CO濃度1.5%左右，給礦量140 kg／h左右，連續(xù)投料2 h，每20 min取一次樣，焙燒礦冷萃調(diào)漿后，用0.2 T的弱磁選機(jī)進(jìn)行粗選質(zhì)量評(píng)價(jià)，結(jié)果如表4所示。閃速焙燒系統(tǒng)從下料到焙燒礦取出約需90 s。由表4可知，通過(guò)閃速磁化焙燒-磁選工藝，能獲得平均鐵品位54.55%、鐵回收率85.89%的鐵精礦產(chǎn)品，與馬弗爐焙燒45 min以上的指標(biāo)相當(dāng)，表明閃速磁化焙燒工藝能充分利用赤泥顆粒特性，在數(shù)十秒時(shí)間內(nèi)完成堆積態(tài)需要45 min以上才能完成的磁化過(guò)程，凸顯了閃速磁化焙燒工藝在赤泥消納利用上的潛在優(yōu)勢(shì)。

表4 閃速磁化焙燒連續(xù)試驗(yàn)結(jié)果

2.3 工藝指標(biāo)分析

為了對(duì)比馬弗爐焙燒和閃速磁化焙燒的效果，對(duì)馬弗爐焙燒礦和閃速磁化焙燒礦進(jìn)行了磨礦-磁選試驗(yàn)。馬弗爐焙燒礦經(jīng)弱磁粗選（0.2 T）-磨礦（－0.045 mm粒級(jí)占77.14%）-一粗兩精磁選（0.15 T、0.15 T、0.12 T），可獲得對(duì)焙燒礦產(chǎn)率60.25%、TFe品位60.04%、回收率84.83%的鐵精礦產(chǎn)品。閃速焙燒礦經(jīng)弱磁粗選（0.2 T）-磨礦（－0.045 mm粒級(jí)占77.08%）-一粗一精磁選（0.15 T、0.15 T），可獲得對(duì)焙燒礦產(chǎn)率59.35%、TFe品位60.12%、鐵回收率83.08%的鐵精礦產(chǎn)品。

表5為閃速磁化焙燒-磁選所得鐵精礦和尾礦的鐵物相分析結(jié)果。由表5可知，粗精礦中的弱磁性鐵物相基本轉(zhuǎn)化為強(qiáng)磁性的磁鐵礦相。

表5 閃速磁化焙燒-磁選產(chǎn)品物相分析結(jié)果

對(duì)閃速磁化焙燒-磁選尾礦進(jìn)行了掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)尾礦中的鐵物相主要以磁鐵礦形式存在，說(shuō)明赤泥中被包覆的、反應(yīng)緩慢的鐵也大部分轉(zhuǎn)化成磁性四氧化三鐵。尾礦中的磁鐵礦主要以?xún)煞N形式產(chǎn)出：一是呈微細(xì)粒包裹體嵌布在少數(shù)脈石中，粒度普遍在0.01 mm左右或更加細(xì)?。ㄒ?jiàn)圖5）；二是呈粉塵狀黏附在脈石礦物表面，其中部分可聚合成絮團(tuán)狀（見(jiàn)圖6），這種形式的磁鐵礦盡管絕大部分為單體，但粒度極為細(xì)小，除少數(shù)可至2μm左右外，通常小于0.5μm，部分甚至在0.1μm以下。這兩類(lèi)磁鐵礦與脈石組分嵌布緊密，難以分離，是導(dǎo)致精礦鐵品位和鐵回收率低的主要原因。

圖5 尾礦中微細(xì)粒磁鐵礦嵌布于脈石中

3 結(jié) 論

1）赤泥預(yù)富集粗精礦元素和物相分析結(jié)果表明，赤泥原礦中主要可回收礦物為鐵礦物，主要以赤（褐）鐵礦形式存在；主要脈石成分為Al2O3、CaO和SiO2；赤泥中細(xì)顆粒中脈石組分夾雜更嚴(yán)重。

2）閃速磁化焙燒能較為充分地利用赤泥顆粒性質(zhì)，在短短數(shù)十秒時(shí)間內(nèi)達(dá)到馬弗爐焙燒45 min以上才能完成的磁化效果。

3）赤泥強(qiáng)磁選預(yù)富集粗精礦經(jīng)閃速磁化焙燒-階磨階選工藝，能獲得對(duì)焙燒礦產(chǎn)率59.35%、TFe品位60.12%、鐵回收率83.08%的鐵精礦產(chǎn)品，表明閃速磁化焙燒工藝能實(shí)現(xiàn)赤泥中鐵資源的有效利用。