赤鐵礦與褐鐵礦磁化焙燒試驗研究

張 強 孫永升 ，3 韓躍新 ，3 李艷軍 高 鵬 ，31

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.難采選鐵礦資源高效開發利用技術國家地方聯合工程研究中心，遼寧 沈陽 110819；3.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110819）

我國每年需要進口大量的鐵礦石以滿足國內鋼鐵行業生產需求，因此提高國內復雜難選鐵礦石的開發利用率至關重要［1］。研究表明，磁化焙燒技術是處理復雜難選鐵礦石的有效工藝之一，在磁化焙燒過程中，鐵礦石中的弱磁性鐵礦物被選擇性地轉化為強磁性鐵礦物，鐵礦物與脈石礦物之間的磁性差異被人為提高，繼而可以通過磁選對其進行選別分離［2-5］。赤鐵礦與褐鐵礦是復雜難選鐵礦石中的主要鐵礦物，在進行磁化焙燒時，赤鐵礦和褐鐵礦的反應行為及物相轉化過程在很大程度上影響著磁化焙燒的工藝指標，為此科研人員圍繞赤鐵礦與褐鐵礦的磁化焙燒開展了大量試驗研究。

磁化焙燒熱力學可以預測反應的方向和限度［6］，陳超等［7］對赤鐵礦與褐鐵礦的磁化焙燒熱力學進行了研究，發現赤鐵礦極易被還原為磁鐵礦，在對赤鐵礦進行磁化焙燒時，要控制還原溫度及還原氣體濃度從而使赤鐵礦向磁鐵礦充分轉化，而褐鐵礦的磁化焙燒熱力學過程與赤鐵礦類似，研究結果為確定赤鐵礦及褐鐵礦的磁化焙燒條件提供了理論基礎。赤鐵礦與褐鐵礦的磁化焙燒動力學研究可以探究影響反應速率和轉化率的條件，實現高效磁化焙燒［8-10］。目前赤鐵礦的磁化焙燒動力學機理主要為隨機成核與生長模型，此外還有相界面反應模型和擴散模型［11］，褐鐵礦的受熱脫水過程及其動力學已被廣泛研究［12-14］。

然而目前赤鐵礦與褐鐵礦磁化焙燒過程尚未進行深入對比研究，難以實現鐵礦物物相轉化過程的精準控制。本研究以天然赤鐵礦和褐鐵礦純礦物為研究對象，對赤鐵礦單一體系、赤鐵礦-褐鐵礦混合體系和褐鐵礦單一體系進行了磁化焙燒試驗，探究焙燒溫度、焙燒時間和CO濃度對磁化焙燒過程的影響，采用BET分析研究了赤鐵礦與褐鐵礦磁化焙燒過程的差異。

1 試驗原料與方法

1.1 試驗原料

本研究使用的試驗原料為天然赤鐵礦與褐鐵礦純礦物，采用MPG-φ400 mm×250 mm型對輥破碎機，通過一段閉路破碎將樣品破碎至粒度小于2 mm，然后采用XMQ-240 mm×90 mm型球磨機將樣品粒度磨細至-74 μm占75%，制備出試驗所需樣品。樣品的化學多元素分析結果、鐵物相分析結果和X射線衍射分析結果如表1、表2和圖1所示。

由表1可知，赤鐵礦樣品的TFe品位為67.47%，FeO、SiO2和Al2O3含量分別為0.90%、0.79%和0.42%，其余雜質含量較少。褐鐵礦樣品的TFe品位為54.76%，主要雜質為SiO2和Al2O3，含量分別為3.29%和1.36%。鐵物相分析結果表明，赤鐵礦樣品和褐鐵礦樣品中鐵礦物均主要以赤褐鐵礦的形式存在，其鐵分布率分別為98.03%和99.03%。結合樣品的X射線衍射分析結果可知，赤鐵礦樣品中鐵礦物主要為赤鐵礦，褐鐵礦樣品中鐵礦物主要為針鐵礦。上述分析表明，赤鐵礦樣品和褐鐵礦樣品的純度可以滿足試驗要求。

1.2 試驗方法

本試驗系統如圖2所示，采用OTF-1200型懸浮焙燒爐進行磁化焙燒試驗。分別對赤鐵礦單一體系、赤鐵礦-褐鐵礦混合體系（質量比為1∶1）和褐鐵礦單一體系3種樣品進行磁化焙燒試驗。進行磁化焙燒試驗時，首先將焙燒爐升溫至預設溫度，稱取15 g樣品放入石英管內多孔石英板上，通入N2以排出系統內的空氣，然后將石英管放入焙燒爐中，通入試驗所需的還原氣體CO，將樣品焙燒指定的時間，然后停止通入CO，在N2保護下將焙燒產物冷卻至室溫。對焙燒產物進行化學成分分析以確定其TFe品位和FeO含量，進而計算磁性率來確定最佳磁化焙燒條件，在此基礎上采用BET分析研究了不同焙燒產物的表面性質。

2 試驗結果與討論

2.1 焙燒溫度的影響

在CO濃度為20%、氣體流量為500 mL/min，赤鐵礦單一體系、混合礦體系磁化焙燒時間為10 min，褐鐵礦單一體系的磁化焙燒時間為8 min條件下，進行了磁化焙燒溫度條件試驗，結果如圖3所示。

圖3表明：赤鐵礦單一體系焙燒產物、混合礦體系焙燒產物和褐鐵礦單一體系焙燒產物的TFe品位、FeO含量和磁性率均隨著焙燒溫度的升高而上升；當焙燒溫度為550℃時，焙燒產物磁性率均接近于磁鐵礦磁性率的理論值42.86%，表明此時赤鐵礦與褐鐵礦向磁鐵礦轉化充分，且未發生過還原反應，繼續提高焙燒溫度至600℃，磁性率超過42.86%，說明3種樣品均已經被過度還原，所以焙燒溫度以550℃為宜。

2.2 焙燒時間的影響

為探究焙燒時間對磁化焙燒過程的影響，在焙燒溫度550℃、CO濃度20%和氣體流量500 mL/min的條件下進行了磁化焙燒時間條件試驗，結果見圖4。

根據圖4可知，隨著焙燒時間的延長，3種物料焙燒產物的TFe品位、FeO含量和磁性率均逐漸增長。當焙燒時間從6 min延長至12 min時，赤鐵礦單一體系焙燒產物的磁性率從30.37%升高到42.41%，接近理論值42.86%，說明此時焙燒產物中磁鐵礦含量最高；焙燒時間繼續延長，焙燒產物的磁性率超過42.86%且不斷升高，說明樣品不斷地被過度還原，因此其最佳磁化焙燒時間為12 min。相比之下，混合礦體系和褐鐵礦單一體系的最佳磁化焙燒時間分別為10 min和8 min。

2.3 CO濃度的影響

在焙燒溫度550℃、氣體流量500 mL/min，赤鐵礦單一體系、混合礦體系和褐鐵礦單一體系的焙燒時間分別為12 min、10 min、8 min條件下，進行CO濃度條件試驗，結果見圖5。

由圖5可知：提高CO濃度使得焙燒產物的TFe品位、FeO含量和磁性率不斷增長；當CO濃度不足時，磁性率較低，樣品不能完全轉化為磁鐵礦；當CO濃度為20%，3種焙燒產物的磁性率最接近于理論值42.86%，此時磁化焙燒效果最好，而CO濃度過高時，磁性率過高，樣品出現過還原現象。因此，選擇CO濃度為20%。此時赤鐵礦單一體系焙燒產物、混合礦體系焙燒產物和褐鐵礦單一體系焙燒產物的磁性率分別為43.03%、42.79%和42.60%。

2.4 BET分析

磁化焙燒試驗結果表明，體系中褐鐵礦含量越高，樣品所需的焙燒時間越短，在此基礎上，采用BET分析對赤鐵礦單一體系焙燒產物、混合礦體系焙燒產物和褐鐵礦單一體系焙燒產物的表面性質進行了探究，圖6是3種焙燒產物的N2吸附-脫附等溫曲線（P和P0分別為N2的分壓及飽和蒸氣壓）。根據國際純粹化學與應用化學聯合會（IUPAC）確定的吸附等溫線類型可知焙燒產物的吸附曲線為第Ⅲ類吸附等溫線，同時焙燒產物吸附等溫線的吸附分支與脫附分支明顯分離，形成吸附回滯環，屬于IUPAC所定義的H3型回滯環［15］，說明焙燒產物中的孔結構為具有平行壁的狹縫結構、裂縫與楔形結構。而隨著樣品中褐鐵礦含量的增加，吸附曲線和脫附曲線形成的回滯環面積逐漸增加，N2的飽和吸附量逐漸增加，表明焙燒產物的孔隙率明顯提高，有利于磁化焙燒反應的進行。結合焙燒產物的孔結構參數（表3）可知，隨著褐鐵礦含量的增加，焙燒產物的BET比表面積和總孔容不斷升高，而BJH平均孔徑下降，說明褐鐵礦在磁化焙燒過程中脫水形成了微裂縫和孔隙，有利于促進CO向顆粒內部擴散，使樣品與CO充分接觸，而比表面積的增加為還原反應提供了更多的活性位點，促進了還原反應的進行。

3 結 論

（1）分別對赤鐵礦單一體系、赤鐵礦-褐鐵礦混合礦體系和褐鐵礦單一體系進行了磁化焙燒試驗，確定的最佳磁化焙燒溫度均為550℃，最佳焙燒時間分別為12 min、10 min和8min，最佳CO濃度為20%；在此條件下焙燒產物的磁性率分別為43.03%、42.79%和42.60%。

（2）BET分析結果表明，褐鐵礦在磁化焙燒過程中受熱脫水形成疏松多孔的結構，提高樣品中褐鐵礦的比例可以增加焙燒產品的孔隙率和比表面積，有助于樣品與還原氣體CO充分接觸與反應，促進磁化焙燒反應的進行，因此褐鐵礦含量高的樣品所需的磁化焙燒時間更短。