鞠会霞 孙体昌 赵贵军

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083;2.山东钢铁集团鲁南矿业有限公司，山东 临沂276421)

随着钢铁工业的迅猛发展，对铁矿资源的开发规模也不断加大，与此同时产生了大量尾矿堆存于尾矿坝中，尾矿的输送与处置，不仅消耗电力等能源，而且占用了大量的土地，还存在发生尾矿坝溃坝事故，造成人员伤亡及村镇被毁等后果的潜在风险［1-5］。鲁南矿业有限公司选厂尾矿中铁主要以含铁硅酸盐及赤褐铁矿形式存在，用常规的选矿方法很难达到理想的指标。本研究采用还原焙烧—磁选工艺对该公司尾矿进行了再选试验。

1 试验原料

1.1 试验矿样

试验用铁尾矿粒度为－0.15 mm，其中－0.076 mm 粒级含量为60.30%。对试验矿样进行化学多元素分析和铁物相分析，结果分别见表1、表2。

表1 试样化学多元素分析结果Table 1 Chemical composition analysis results of the sample %

表2 试样铁物相分析结果Table 2 Iron phase analysis results of the sample %

从表1 可以看出:试样全铁含量为19.19%，甚至超过某些矿山实际采出矿石的原矿品位;主要杂质成分为SiO2，有害元素硫、磷含量较低。

从表2 可以看出:铁主要以硅酸铁和赤褐铁矿形式存在，分布率分别为47.36%、33.10%，采用常规选矿方法难以回收。

1.2 还原剂

试验所用还原剂为煤粉，产自山东济宁，煤粉经混匀、干燥后破碎至－1 mm，其工业分析结果如表3所示。

表3 还原煤粉工业分析结果Table 3 Industry index analysis results of reductant coal %

由表3 可知，还原煤粉中灰分较低，仅为7.39%，挥发分较高，满足试验需要。

1.3 还原助剂

还原助剂CaO 为市售化学药剂，分析纯。

2 试验方法

取试验矿样100 g 与还原剂及还原助剂按照一定的比例混匀，然后装入容积为100 cm3的石墨坩埚中，将其置于炉内已升至指定温度的JNL －14MA 型马弗炉中进行焙烧，焙烧一定时间后将石墨坩埚取出并冷却至室温，采用武汉洛克粉磨设备有限公司的RK/BM 三辊四筒智能棒磨机磨矿，磨机滚筒容机为0.5 L，最大装球量为100 g，磨矿介质为16 根12 mm×95 mm 钢棒，磨矿浓度为50%，磨矿产品经磁选管磁选，得到还原铁精矿。试验流程见图1。

图1 试验流程Fig.1 Flowsheet of experiments

3 试验结果及分析

3.1 还原剂用量对精矿指标的影响

还原剂用量直接影响还原过程CO 气体的产生量，从而影响到试验矿样的焙烧效果［6-7］。还原剂用量试验固定还原助剂用量为15 g、还原温度为1 000℃、还原时间为40 min、磨矿时间为20 min、磁场强度为110 kA/m，试验结果见图2。

图2 还原剂用量对精矿指标的影响Fig.2 Effect of reduction reagent dosage on concentrate indexes

从图2可以看出:随着还原剂用量的增加，精矿铁品位和回收率均先升高后降低;还原剂用量为20 g时，铁回收率达到最大值，为61.61%;此后随着还原剂用量的增加，精矿铁品位和回收率急剧降低。在一定范围内增加还原剂用量，可以促进还原反应的进行，铁品位和回收率提高，但过量的还原剂会降低铁精矿品质。在还原焙烧过程中，一般认为随着还原剂用量的不断增加，还原气氛增强，还原速率加快。但还原剂用量过大时，不仅是对资源和能源的浪费，同时，还原剂用量的增加导致CO 的浓度过高［6-7］，其向试验矿样内部的扩散动力也会随之增强，虽然可以提高反应速率，但同时增大了SiO2在高温下与FeO 发生反应生成2FeO·SiO2等较稳定复杂化合物的可能性，这些化合物夹杂在还原焙烧产物中，会降低精矿铁品位。综合考虑，确定还原剂用量为20 g。

3.2 还原温度对精矿指标的影响

焙烧温度对焙烧过程及焙烧矿质量都极为重要，虽然试验矿样在还原过程中发生的主要是吸热反应，焙烧温度的提高能够大幅度提高还原反应速率，但温度过高也会导致过还原现象的发生，使己经生成的还原焙烧产物被二次氧化，影响还原效果。还原温度影响试验固定还原剂用量为20 g、还原助剂用量为15 g、焙烧时间为40 min、磨矿时间为20 min、磁场强度为110 kA/m，试验结果如图3 所示。

图3 还原温度对精矿指标的影响Fig.3 Effect of reduction temperature on concentrate indexes

从图3 可以看出:随着还原温度由900 ℃升高到1 100 ℃，精矿铁品位和回收率逐渐上升，当还原温度为1 100 ℃时，铁回收率及品位都达到最大值，分别为74.02%和89.60%，此后随着还原温度的升高，铁回收率及品位均急剧下降。因此，确定还原温度为1 100 ℃。

3.3 还原时间对精矿指标的影响

为使还原反应达到理想效果，必须保证适宜的还原时间，以使还原反应充分进行。在还原剂用量为20 g、还原助剂用量为15 g、还原温度为1 100 ℃、磨矿时间为20 min、磁场强度为110 kA/m 条件下，进行还原时间试验，结果如图4 所示。

图4 还原时间对精矿指标的影响Fig.4 Effect of reduction time on concentrate indexes

从图4 可以看出:随着还原时间从20 min 延长到40 min，精矿铁品位和回收率均逐渐上升;还原时间为40 min 时，精矿铁品位和回收率均达到最佳值，分别为90.82%、77.64%;此后随着还原时间的延长，精矿铁品位和回收率都逐渐下降。还原时间较短时，铁矿物未能反应完全，精矿铁品位低;虽然延长还原时间有利于铁颗粒的长大，但过长的还原时间会导致还原气氛减弱，同时还原时间的延长还会使焙烧产物发生熔融，造成磨矿困难［8-10］。因此，确定还原时间为40 min。

3.4 还原助剂CaO 用量对精矿指标的影响

铁尾矿还原时，铁矿物必须先分解成自由的铁氧化物，再被还原剂还原，因此还原过程较难发生，能耗高，为此，研究了还原助剂CaO 的加入对精矿指标的影响。在还原剂用量为20 g、还原时间为40 min、还原温度为1 100℃、磨矿时间为20 min、磁场强度为110 kA/m、还原助剂用量分别为10，15，20，25 g 条件下进行试验，结果如图5 所示。

从图5 可以看出:还原助剂CaO 的用量对精矿指标影响较大;随着CaO 用量的增加，精矿铁品位和回收率均先升高后降低;在CaO 用量为20 g 时，精矿铁品位及回收率均达到最大值，分别为92.27% 和83.60%。因此，确定CaO 用量为20 g。

图5 还原助剂用量对精矿指标的影响Fig.5 Effect of assistant reducing agent dosage on concentrate indexes

3.5 磨矿细度对精矿指标的影响

焙烧产品的磨矿粒度会影响铁矿物的单体解离度，进而影响分选指标。对最佳焙烧条件获得的焙烧产品在磁场强度为110 kA/m、磨矿时间分别为5，10，15，20，25 min 条件下进行磁选，试验结果如图6所示。

图6 磨矿时间对精矿指标的影响Fig.6 Effect of grinding time on concentrate indexes

由图6 可以看出:随着磨矿时间的增加，精矿铁品位逐渐升高，但升高的幅度逐渐降低，铁回收率随磨矿时间增加而降低。综合考虑，确定磨矿时间为15 min，对应的磨矿产品细度为0.043 mm 占65%，此时可以得到铁品位和回收率分别为91.48% 和86.24%的精矿。

3.6 磁场强度对精矿指标的影响

对最佳焙烧条件获得的焙烧产品在磨矿细度为－0.043 mm 占65%条件下进行不同磁场强度磁选试验，结果见图7。

由图7 可知，精矿铁品位随着磁场强度的增加而降低，铁回收率则表现出上升趋势。磁场强度的增强会使铁颗粒团聚形成磁性铁颗粒簇，而这种絮团的形成通常没有选择性，使还原铁粉的品位降低。综合考虑，确定磁场强度为110 kA /m，此时得到的精矿铁品位和回收率分别为91.48%和86.24%。

4 结 论

图7 磁场强度对精矿指标的影响Fig.7 Effect of magnetic field intensity on concentrate indexes

(1)鲁南矿业铁尾矿铁品位为19.19%，铁主要以硅酸铁和赤褐铁矿形式存在，分布率分别为47.36%和33.10%，主要杂质成分为SiO2，有害元素硫、磷含量较低。

(2)在试样用量为100 g、还原助剂CaO 用量为20 g、还原剂用量为20 g、还原温度为1 100℃、还原时间为40 min、还原产品磨矿细度为－0.043 mm 占65%、磁场强度为110 kA /m 条件下磁选，可得到铁品位为91.48%、回收率为86.24%的铁精矿产品，实现了对该铁尾矿的有效回收。

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