云南惠民铁矿微波磁化焙烧工艺

王晓辉^{1, 2, 3}，彭金辉^{1, 2, 3}，夏洪应^{1, 2, 3}，朱红波^{1, 2, 3}，张利波^{1, 2, 3}，刘秉国^{1, 2, 3}

(1. 云南省复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室(培育基地)，云南 昆明，650093；

2. 非常规冶金省部共建教育部重点实验室，云南 昆明，650093；

3. 云南省微波能应用及装备技术工程实验室，云南 昆明，650093)

摘要：基于云南惠民铁矿主要为细粒浸染结构、氧化矿的主要铁矿物为褐铁矿，以氧化矿为研究对象，采用微波磁化焙烧-弱磁选工艺分选铁矿石，考查微波焙烧温度、还原剂用量、磁选磁场强度对分选指标的影响。研究结果表明：在焙烧温度为800 ℃，还原剂用量为12%，还原时间为12 min，磁选磁场强度为119.37 kA/cm 的条件下，获得铁精矿品位为59.31%，回收率为81.92%，证实微波磁化焙烧铁矿石的方法可行，为难选铁矿石的分选提供了一种新的思路。

关键词：微波；磁化焙烧；磁选；云南惠民铁矿

中图分类号：TD951          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)06-2043-05

Microwave magnetization roasting for iron ore of Huimin in Yunnan Province

WANG Xiao-hui^{1, 2, 3}, PENG Jin-hui^{1, 2, 3}, XIA Hong-ying^{1, 2, 3}, ZHU Hong-bo^{1, 2, 3},

ZHANG Li-bo^{1, 2, 3}, LIU Bing-guo^{1, 2, 3}

(1. State Key Laboratory Breeding Base of Complex Nonferrous Metal Resources Cleaning Utilization in

Yunnan Province, Kunming 650093, China;

2. Key Laboratory of Unconventional Metallurgy, Ministry of Education, Kunming 650093, China;

3. Engineering Laboratory of Microwave Energy Application and Equipment Technology,

Yunnan Province, Kunming 650093, China)

Abstract: Based on the fact that the iron ore in Yunnan Huimin is mainly fine-grained impregnation structure whose major iron ore of oxide ore is limonite, the oxide ore was studied, and the iron ore was sorted with the craft of magnetization roasting-low intensity magnetic separation. The effects of the microwave roasting temperature, and the amount of reducing agent, magnetic field strength on the index of separation were investigated. The results show that the preparation concentrate grade is 59.31% and recovery is 81.92% under the condition of roasting temperature of 800 ℃, amount of reducing agent of 12%, reduction time of 12 min and magnetic field strength of 119.37 kA/cm. It confirms that the method of microwave magnetizing roast of iron ore is feasible, which provides a new way for the difficult separation of iron ore.

Key words: microwave magnetization roasting; magnetic separation; iron ore in Huimin, Yunnan Province

由于褐铁矿富含结晶水，矿石的结构复杂，铁矿物的比磁化系数低，在分选过程中易泥化等诸多因素，使得在应用物理选矿的方法时难以获得较高的选别指标^[1]。磁化焙烧技术是处理这部分难选铁矿的典型方法^[2]。磁化焙烧分为还原焙烧、中性焙烧、氧化焙烧等。通常采用还原焙烧法处理褐铁矿石，矿石和还原剂在一定温度下发生还原反应，褐铁矿还原成强磁性的磁铁矿。常用的磁化焙烧法有竖炉磁化焙烧、回转窑磁化焙烧、沸腾炉磁化焙烧等^[3]，但是，这些方法存在着还原时间长、还原不均匀、焙烧成本高等问   题^[4]。在微波场中焙烧铁矿石，铁矿石在微波场中升温迅速，极大地缩短了磁化焙烧时间。微波具有选择性加热物料的特点^[5]，由于矿物之间的吸波特性不同，构成脉石的硅酸盐矿物几乎不吸波，铁矿物吸收大量微波而被加热，因此，在铁矿物与脉石之间存在一个较大的温度梯度，并使矿石中产生内应力，从而产生裂隙^[6]，增加了矿石的孔隙度，促进碳热还原反应的进行，而且经过微波加热后的铁矿石磁性显著增强^[7]。本文研究的云南惠民铁矿为海相火山-沉积型矿床，已探明铁储量为21.89亿t^[8]，平均铁品位为30%左右，氧化矿石为16%，氧化矿的主要铁矿物为褐铁矿，矿石嵌布粒度小，且铁矿物的磁性低，是典型的难选铁矿石。因此，研究微波磁化焙烧铁矿石，对于难选铁矿石的开发具有重要意义。

1  矿石性质

原矿的X线衍射谱见图1。从图1可以看出：铁矿物的主要物相为针铁矿，是构成褐铁矿的主要矿物成分之一。构成脉石的主要矿物是石英。惠民铁矿石主要化学成分如表1所示。从表1可见：矿石中石英含量达18.01%。惠民铁矿石铁物相分析结果见表2。从表2可见：铁的主要物相为褐铁矿，并含有少量磁铁矿。

图1  原矿的X线衍射谱

Fig.1  XRD pattern of iron ore

表1  惠民铁矿石主要化学成分(质量分数)

Table 1  Chemical composition of Huimin iron ore %

表2  惠民铁矿石铁物相分析结果(质量分数)

Table 2  Analysis of Huimin iron ore phases  %

矿样的微观结构分析见图2。从图2(a)可见：构成脉石的灰黑色硅酸盐矿物，单体粒径大部分集中在20~30 μm之间，铁矿物和脉石多为他形晶，结合面十分不平整，相互浸染。从图2(b)可以观察到：铁矿物由细小针状的结晶聚合而成，粒径约为5 μm的片状硅酸盐脉石嵌布其中。矿石的嵌布粒度小，结构复杂。

通过研究矿石性质的可以判断，该矿属于典型的难选铁矿石。处理该类矿石的难点主要有：矿石中黏土含量高，分选过程中矿浆易泥化，使矿浆的机械阻力增加；铁矿物的比磁化系数低^[9]，很难用磁选的方法回收铁矿物；矿石的嵌布粒度小，通过磨矿很难使矿物单体解离完全^[10]。

图2  矿样的微观结构分析

Fig.2  Microstructure analysis of ore samples

2  试验研究方法

试验的主要方法是以无烟煤为还原剂，把经过破碎的原矿和还原剂混合均匀，使用微波加热到一定温度，发生还原反应，所得焙砂经锥形球磨机研磨至一定粒度后，通过CXG型磁选管磁选，得到铁精矿。试验工艺流程如图3所示。

图3  微波磁化焙烧工艺流程

Fig.3  Flow chart of microwave magnetization roasting

采用日本理学公司的D/max-2200 Y型X线粉末衍射仪进行X线衍射分析，管电压为36 kV，管电流为30 mA。使用由非常规冶金省部共建教育部重点实验室研制的箱式微波反应器对铁矿石进行磁化焙烧。

3  试验结果与讨论

3.1  微波焙烧温度试验

每组试验的原矿质量为100 g，试验以无烟煤为还原剂，用量为原矿质量的12%，微波功率为800 W，物料平均升温速率250 ℃/min，在还原时间为6 min、物料粒度小于2 mm的条件下进行微波磁化焙烧。

所得焙砂经球磨机磨至小于75 μm的质量分数占90%，然后，在79.58 kA/cm的磁场强度下磁选，得到不同的焙烧温度对产品指标的影响如图4所示。

由图4可以看出：随着还原温度的升高，铁精矿中的铁品位总体呈上升的趋势，在1 000 ℃时铁品位达到最大值64.84%；铁的回收率随着还原温度的升高，先增高后降低，在800 ℃时达到最大值73.76%。矿石从室温升高至1 000 ℃，用时不到4 min；在900 ℃和1 000 ℃的还原温度下，矿石存在软化现象，使矿物之间产生黏连^[11]。铁矿石的碳热还原过程为多相反应，矿石的烧结将导致其孔隙度减小，气体通过固体颗粒的有效扩散系数显著降低，使反应速率变    慢^[12]。结合铁矿物焙烧图分析，当温度超过800 ℃时，反应会生成FeO，此时形成Fe₃O₄-FeO固溶体即富氏体，使焙烧矿的比磁化系数降低^[13]，因此，在900 ℃和1 000 ℃的焙烧温度下，铁的回收率有所降低。结合试验结果，经综合考虑，选择微波磁化焙烧温度为800 ℃。

图4  微波焙烧温度对产品指标的影响

Fig.4  Effect of microwave roasting temperature on product indexes

3.2  常规焙烧对比试验

采用电阻炉磁化焙烧铁矿石，与微波焙烧温度试验进行对比。每组试验的原矿质量为100 g，还原剂用量为原矿质量的12%，在还原时间为1 h、物料粒度小于2 mm的条件下进行磁化焙烧。所得焙砂经球磨机磨至小于75 μm的质量分数占90%，然后，在磁场强度79.58 kA/cm下磁选，得到不同焙烧温度下的产品指标如图5所示。

从图5可以看出：常规焙烧所得铁精矿品位和回收率随着焙烧温度的升高而增大，在1 000 ℃时得到最大精矿品位为67.63%，回收率为68.82%。从图4可知：当微波焙烧的最佳温度为800 ℃时，可得精矿品位60.47%，回收率为73.76%。从图4和图5可以看出：微波磁化焙烧铁矿石的回收率整体上要高于常规焙烧时的回收率，微波焙烧在800 ℃时铁回收率达到最大值，常规焙烧在1 000 ℃时铁回收率达到最大值，微波焙烧的最佳温度比常规焙烧低200 ℃，微波焙烧的最大回收率比常规焙烧高4.94%。

图5  电阻炉焙烧温度对产品指标的影响

Fig.5  Effect of resistance furnace roasting temperature on product indexes

3.3  微波焙烧还原剂用量试验

根据微波焙烧温度试验的结果，设定反应温度为800 ℃，以无烟煤为还原剂，微波功率为800 W，还原时间为6 min，物料粒度小于2 mm的条件下进行微波磁化焙烧，所得焙砂经球磨机磨至小于75 μm的质量分数占90%，然后，在磁场强度79.58 kA/cm下磁选。还原剂用量对产品指标的影响如图6所示。

从图6可以看出：当还原剂用量为3%时，铁的回收率仅为22.58%；随着还原剂用量的增加，铁的回收率先增加，在还原剂用量为12%，回收率达到最大值73.76%；随着还原剂用量继续增加，回收率又会下降， 可见过多的还原剂对铁的回收不利。微波加热与用常规加热物料的升温方式明显不同，常规加热是通过热辐射由表及里加热，而微波加热是由于物料在微波场中的介质损耗而被整体加热，所以，在相同功率下，物体在微波场中的升温速率与物体本身的性质有关^[14]。

图6  还原剂用量对产品指标的影响

Fig.6  Effect of reductant content on product indexes

在试验中，随着配碳量的增加，物料的升温速率明显增大。由于还原剂碳是强吸波物质，随着还原剂加入量的提高，一方面起到还原铁矿石的作用，另一方面促进了物料的升温^[15]。由于碳升温迅速，碳粒周围形成一个较高的温度区域，使得周围的铁矿石优先被还原^[16]，铁矿石吸波能力比还原剂的吸波能力要弱，经微波加热一段时间后，会出现温度急剧上升，温度上升过快导致热失控。若还原剂过量，则使得物料内局部温度过高、物料内出现局部烧结的现象，矿石发生过还原。因此，要寻找适当的还原剂用量，在合理的用量下使矿石还原。当试样配碳量为18%时，矿石局部烧结，并伴有金属铁生成，导致其铁的品位升高而回收率下降。为了避免矿石过还原，并得到较高的铁回收率，经综合考虑，选择还原剂用量为12%。

3.4  磁选磁场强度试验

根据微波焙烧的试验结果，可以确定微波焙烧过程中的较优条件如下：还原温度为800 ℃，还原剂用量为原矿质量的12%，还原时间12 min。在此条件下，将焙砂用球磨机球磨至小于75 μm的质量分数约占85%时，对焙砂的磁选条件进行研究。

磁场强度对产品指标的影响如图7所示。从图7可见：随着磁场强度的增大铁的回收率提高，铁品位下降；在磁选磁场强度为119.37 kA/cm时，可以得到铁品位为59.31%，回收率为81.92%的铁精矿。磁场强度越大，磁性颗粒在磁场中受到的力越大，分选的过程较快，因此，精矿中容易夹杂脉石颗粒，导致铁品位降低；当磁场强度为159.15~198.94 kA/cm时，铁精矿品位下降幅度较大，因此，取磁选磁场强度为119.37 kA/cm比较适宜。

图7  磁场强度对产品指标的影响

Fig.7  Effect of magnetic field intensity on product indexes

4  结论

(1) 云南惠民铁矿的氧化矿，主要由褐铁矿构成，脉石矿物主要为石英，矿物之间的嵌布粒度小，铁矿物的磁性低，且分选过程中矿浆易泥化，属于难选铁矿石。

(2) 微波焙烧与电阻炉焙烧相比，缩短了焙烧时间，降低了焙烧温度。

(3) 当焙烧温度为800 ℃，还原剂用量为12%，还原时间为12 min时，在磁场强度119.37 kA/cm下磁选，可以得到品位为59.31%，回收率为81.92%的铁精矿。

(4) 微波磁化焙烧铁矿石的方法可行，为难选铁矿石的分选提供了一个新的思路。

参考文献：

[1] 谢兴中, 王毓华. 褐铁矿选矿研究现状与思考[J]. 金属矿山, 2010, 39(1): 6-10.
XIE Xing-zhong, WANG Yu-hua. Current situation and thinking of mineral processing technique on limonite ore[J]. Metal Mine, 2010, 39(1): 6-10.

[2] 罗立群, 余永富, 张泾生. 闪速磁化焙烧及铁矿物的微观相变特征[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2009, 40(5): 1172-1177.
LUO Li-qun, YU Yong-fu, ZHANG Jing-sheng. Flash magnetic roasting and microstructure characteristics & phase transformation of iron minerals[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2009, 40(5): 1172-1177.

[3] 丘继存. 选矿学[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1987: 236-237.
QIU Ji-cun. Mineral separation science[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1987: 236-237.

[4] 任亚峰, 余永富. 难选红铁矿磁化焙烧技术现状及发展方向[J]. 金属矿山, 2005(11): 20-23.
REN Ya-feng, YU Yong-fu. Present status and development orientation of magnetization roasting technology for refractory red iron ores[J]. Metal Mine, 2005(11): 20-23.

[5] 金钦汉, 戴树珊, 黄卡玛, 等. 微波化学[M]. 北京: 科学出版社, 1999: 282-288.
JIN Qin-han, Dai Shu-shan, HUANG Ka-ma, et al. microwave chemistry[M]. Beijing: Science Press, 1999: 282-288.

[6] Kingman S W, Vorster W, Rowson N A. The influence of mineralogy on microwave assisted grinding[J]. Minerals Engineering: 2000, 13(3): 313-317.

[7] Barani K. Magnetic properties of an iron ore sample after microwave heating[J]. Separation and Puri?cation Technology, 2011, 76: 331-336.

[8] 许东, 尹光候. 滇西惠民式铁矿找矿模型及预测[J]. 地质与勘探, 2010, 46(5): 765-778.
XU Dong, YIN Guang-hou. A prospecting model and prediction for iron-ore deposits of the Huimin-type in western Yunnan Province[J]. Geology and Exploration, 2010, 46(5): 765-778.

[9] 方启学, 卢寿慈. 微细拉嵌布弱磁性铁矿石分选工艺的进展[J]. 国外金属矿选矿, 1995, 8: 10-15.
FANG Qi-xue, LU Shou-ci. Progress on dressing technology of microfine weakly magnetic iron minerals[J]. Metallic Ore Dressing Abroad, 1995, 8: 10-15.

[10] 柏少军, 文书明, 刘殿文, 等. 云南某高磷铁矿石工艺矿物学研究[J]. 矿冶, 2010, 19(2): 91-96.
BAI Shao-jun, WEN Shu-ming, LIU Dian-wen, et al. Process mineralogy study on some high phosphorous iron ore in yunnan[J]. Mining ＆ Metallurgy, 2010, 19(2): 91-96.

[11] 倪文, 贾岩, 徐承焱, 等. 难选鲕状赤铁矿深度还原-磁选实验研究[J]. 北京科技大学学报, 2010, 32(3): 287-291.
NI Wen, JIA Yan, XU Cheng-yan, et al. Beneficiation of unwieldy oolitic hematite by deep reduction and magnetic separation process[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2010, 32(3): 287-291.

[12] 华一新. 冶金过程动力学导论[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2004: 181-182.
HUA Yi-xin. Introduction of kinetics of process metallurgy[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2004: 181-182.

[13] 《黑色金属矿石选矿试验》编写组. 黑色金属矿石选矿试验[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1978: 188-190.
The Writing group of Experimental Study on ore Dressing of Ferrous Metal Ore. Experimental study on ore dressing of ferrous metal ore[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1978: 188-190.

[14] Haque K E. Microwave energy for mineral treatment processes:A brief review[J]. International Journal of Mineral Processing, 1999, 57(1): 1-24.

[15] 彭金辉, 杨显万. 微波能技术新应用[M]. 昆明: 云南科技出版社, 1997: 271-273.
PENG Jin-hui, YANG Xian-wan. New application of microwave technology[M]. Kunming: Yunnan Science & Technology Press, 1997: 271-273.

[16] Ishizaki K, Nagata K, Hayashi T. Localized heating and reduction of magnetite ore with coal in composite pellets using microwave irradiation[J]. ISIJ International, 2007, 47(6): 817-822.

(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-06-15；修回日期：2011-08-28

基金项目：国家自然科学基金重大资助项目(51090385)

通信作者：彭金辉(1964-)，男，云南昆明人，博士，教授，从事微波冶金及资源综合利用等研究；电话：0871-5191046；E-mail：jhpeng@kmust.edu.cn