悬浮磁化焙烧技术工业应用简介

王星亮

(中冶北方(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116600)

0 引言

中国作为世界上最大的铁矿石需求国，自身的铁矿石储量虽然不算少，但相比国外铁矿石，选矿难度非常大，“贫、杂、细”是我国铁矿石显著特点。低品位贫矿多，贫矿资源储量占总量的80%；矿石组成复杂，多元素共生的复合矿多，矿石嵌布粒度很细，磨矿难度较大，生产成本高。我国铁矿石原料有磁铁矿、赤铁矿、黄铁矿、菱铁矿等，除了具有强磁性的铁矿石以外，如磁铁矿采用单一磁选流程基本上可以得到合格的精矿产品。其它弱磁性铁矿石较磁性铁矿石难选，生产指标较低。弱磁性难选铁矿分选技术一直是选矿行业技术难题，目前多数选矿厂采用强磁-浮选联合工艺处理难选弱磁性铁矿石，总回收率较低，资源不能得到充分利用，流失于尾矿中。同时磁铁矿石中的赤铁矿、菱铁矿等弱磁性铁矿石也没有有效选别方法，流失于尾矿中，资源大量浪费。鉴于强磁-浮选指标不好，为充分利用资源，在现有的技术条件下，磁化焙烧工艺是处理难以用常规方法选别的低品位弱磁性铁矿石最有效方法之一。

1 悬浮磁化焙烧技术

磁化焙烧是铁矿石加热到一定温度后在相应的气氛中进行物理化学反应的过程，经磁化焙烧后弱磁性铁矿物变为强磁性铁矿物，采用单一磁选方法就能得到高品位、高回收率的精矿，选矿指标显著提高。磁化焙烧工艺在工业化应用过程采用过鞍山式竖炉、回转窑、沸腾炉等装置，上述几种装置在生产中均存在一定问题。竖炉焙烧只能处理大块矿石100～15mm，还原过程慢、还原不均匀、能耗大、成本高、指标低，目前仅酒钢集团仍采用竖炉处理大块铁矿石。回转窑可实现全粒级(0～25mm)矿石焙烧，对于各种类型的铁矿石都能较好地进行磁化焙烧，其磁化焙烧矿质量及分选技术指标较竖炉好，但回转窑焙烧粉状矿石的生产实践表明，由于回转窑焙烧需60分钟以上，矿石还原不均匀，焙烧成本高，设备投资大，热量利用率低，容易结窑结圈，导致工业生产难以顺行，一直未在工业成功应用。而沸腾炉在铁矿行业一直仅是处于试验理论研究阶段，一直没有工业化生产。为解决上述传统焙烧装置存在的问题，国内外的专家学者一直研究难选铁矿石流态化焙烧工艺，20世纪80年代国外科研机构研究出气态悬浮焙烧装置。该装置作为高效的流态化焙烧设备，从根本上解决了传统焙烧炉生产指标不理想，炉内易结圈等问题。悬浮焙烧技术的出现为我国难选铁矿石选矿技术提供了新的技术手段。该工艺具有热耗低、投资少、设备简单、使用寿命长、维修费用低、自动化程度高、有利于环境保护等特点，目前已是国内大部分氧化铝厂焙烧氧化铝设备的首选，基本取代了回转窑焙烧。鉴于悬浮焙烧工艺的诸多优点和在铝行业的广泛应用，东北大学针对铁矿石磁化焙烧创造性地提出了“预热—蓄热还原—再氧化”悬浮磁化焙烧新技术。经过多年的基础研究与技术攻关，形成了非均质矿石颗粒悬浮态流动控制、蓄热式高效低温还原、铁物相精准调控与余热同步回收等一系列关键技术，建成了500kg/h复杂难选铁矿石悬浮磁化焙烧—高效分选半工业试验平台[1]。

2 悬浮磁化焙烧铁矿行业应用

2.1 悬浮磁化焙烧工业应用背景

甘肃省酒钢集团铁矿石是我国典型的复杂、氧化、难选贫铁矿石典型，因其独特的矿石性质在国内铁矿床中自成一类，称为“镜铁山式铁矿床”。该矿石在选矿生产上具有难选别、难脱磁、难过滤，易泥化、环水易结垢等特点，酒钢选矿厂经过几十年的选矿技术攻关和生产实践，形成了块矿(+15mm)竖炉焙烧—弱磁—反浮选，粉矿(0～15mm)强磁选的生产工艺流程，但粉矿强磁选工艺指标远远低于块矿竖炉焙烧工艺。见酒钢选矿工序指标表1。

表1 选矿工序2015年技术指标(%)

由表1可知，酒钢块矿竖炉工艺精矿品位高14.33%，回收率高了13.61%，针对粉矿强磁选工艺指标远远低于块矿焙烧磁选工艺指标的问题，酒钢在选矿投产初期就开展了粉矿磁化焙烧研究工作，其中：回转窑焙烧技术、沸腾炉焙烧技术、闪烁焙烧技术、转底炉焙烧技术等均取得与块矿磁化焙烧接近的指标，但由于设备及工艺存在一定缺陷，如回转窑密封、窑内矿石软化结圈的问题，沸腾炉、转底炉生产效率低、能耗高的问题等，目前还没有较好的工业应用实例。2015年酒钢公司跟踪了悬浮焙烧技术的进展情况，该技术已经成功应用于氧化铝行业，在铁矿行业已经有间歇式焙烧炉和处理能力150kg/h的半工业试验系统，并已先后完成了鄂西、渝东鮞状赤铁矿，鞍钢尾矿等多家难选铁矿磁化焙烧试验，取得了较好的试验指标[2]。2016年酒钢进行了粉矿悬浮焙烧间歇试验和扩大连续试验，并取得了显著效果。酒钢粉矿(0～15 mm)采用强磁选抛尾—悬浮焙烧—磁选—反浮选新工艺处理， 最终获得了 TFe品位60.67%、SiO2含量4.52%的合格铁精矿，铁回收率为76.27%。与原单一强磁选工艺相比，新工艺的精矿铁品位提高了16.11 个百分点，SiO2含量降低了6.83个百分点，铁回收率提高了14.43个百分点，精矿指标有了较大幅度的提高，杂质SiO2含量大幅度降低。悬浮磁化焙烧技术为酒钢粉矿的高效利用提供了新的途径[3]。故为加快悬浮焙烧炉工业化进度，2016年初酒钢委托中冶北方(大连)工程技术有限公司开展酒钢粉矿磁化焙烧选矿项目设计工作。

2.2 粉矿悬浮磁化焙烧选矿厂设计

2016年8月由中冶北方(大连)工程技术有限公司设计的国内铁矿行业首套悬浮磁化焙烧工程正式开工建设。该项目位于甘肃省嘉峪关市酒钢集团宏兴股份有限公司选烧厂区内，由中冶北方负责选矿厂整体设计，总规模为年处理铁粉矿660万t，设计共4条生产线，分两期建设，一期工程建设一年处理165万t的生产线。

——酒钢选厂现状：酒钢拥有一选、二选两座选矿工序，主要处理来自镜铁山矿桦树沟和黑沟两个矿区的矿石，总能力约1 100万t/a。两个选矿工序选矿工艺一致，入选矿工序原矿首先进行原矿筛分，筛出原矿中的块矿(≥15mm)和粉矿(15mm～0)。

块矿(≥15mm)系统工艺为：块矿—竖炉焙烧—干选—三段阶段磨矿—阶段弱磁选—反浮选，最终铁精矿品位59.51%，Si02品位5.3%，铁回收率78.82%；

粉矿(15mm～0)系统工艺为：粉矿—两段磨矿—强磁粗选—粗选尾矿粗细分级—强磁再选，最终铁精矿品位45.46，Si02品位11.66%，铁回收率65.3%。

——矿床与矿石类型：桦树沟和黑沟铁矿床属于火山沉积变质热液迭加成因，是一种沉积变质铁矿，它虽然与鞍山式铁矿同属沉积变质型，但成矿时代晚，物质组成比鞍山式铁矿复杂。

矿石自然类型：根据矿石结构、构造特征及矿物共生组合可将铁矿石划分为碧玉镜铁矿矿石、碧玉菱铁矿矿石、碧玉菱铁镜铁矿矿石、碧玉镜铁菱铁矿四种矿石类型，各类型矿石逐渐过渡，无明显界线。

矿石工业类型：桦树沟矿区矿石类型包括镜铁矿石、镜铁矿菱铁矿混合矿石、镜铁矿褐铁矿混合矿石、菱铁矿石、褐铁矿石、铁质千枚岩。

黑沟矿区矿石划分的工业类型包括：不需选矿矿石，有混合矿石富矿、菱铁矿石富矿；需选矿矿石，有混合矿石贫矿、菱铁矿矿石贫矿、铁白云石矿石、铁质千枚岩矿石。

——设计工艺流程：根据酒钢粉矿悬浮磁化焙烧扩大试验焙烧产品选矿试验报告，强磁预选矿焙烧工艺相比原矿焙烧工艺精矿产率低5～6个百分点，回收率低9～10百分点，选矿指标差距明显，原矿直接焙烧试验指标优于原矿强磁预选后焙烧试验指标。科研单位及悬浮焙烧设备厂建议酒钢粉矿需强磁预选脱泥后给入到悬浮焙烧系统。原因在于酒钢粉矿原矿中细粒级含量很高，一段磨矿产品在-0.074mm占70%时，-0.025mm含量达到51.59%，细泥含量过高对悬浮焙烧设备稳定生产有三点不利影响：1)焙烧矿细粒级含量高，流动性低，不利于焙烧；2)粉料在焙烧系统内循环严重，造成管路堵塞，同时增加系统能耗；3)矿石内有害成分含量高，如氯、钠、钙离子、重晶石等。

考虑到悬浮焙烧技术在铁矿中尚属首次应用，项目不确定因数多，需在生产中摸清铁矿悬浮焙烧系统工艺。本次设计按原矿直接焙烧设计。 粉矿悬浮磁化焙烧系统要求给矿粒度为-0.074mm 40%， F95小于0.3mm。生产中一选、二选一段磨矿产品细度均大于-0.074mm 60%，含细粒级较高，对悬浮焙烧系统有不利影响。设计在原有选厂一段磨矿前增加高压辊磨-预选筛分作业，改造一段磨矿工艺为针对预选筛筛上和筛下产品进行分级磨矿，根据不同给矿粒度调整磨矿参数，减少磨矿产品细粒级含量，利于悬浮焙烧系统顺行。

根据《酒钢粉矿悬浮磁化焙烧扩大试验焙烧产品选矿试验报告》中全流程试验结果，焙烧矿后续选别工艺有磁选—反浮选和单一磁选两个流程方案。两个流程精矿铁品位均达到60%以上，磁-浮流程SiO2品位低于4.5%。单一磁选流程SiO2品位则大于5%。磁浮流程磨矿细度-0.048mm为93.2%，单一磁选流程磨矿细度需达到-0.037mm为93.5%。综合分析，磁-浮工艺虽增加了浮选作业，设备投资、生产运行费都会较单一磁选工艺高，但磁-浮工艺磨矿细度较单一磁选粗，对矿石可选性波动适应性强，精矿硅含量较低，利于后续烧结球团矿生产。磁-浮工艺经过酒钢现场生产多年技术总结，针对酒钢镜铁山式铁矿石焙烧后选别工艺指标优于单一磁选工艺。故酒钢悬浮磁选焙烧改造工程最终推荐工艺流程为“粉矿—高压辊磨—预先筛分—分级磨矿—悬浮焙烧—再磨—磁选—反浮选”。

由于该项目属于悬浮磁化焙烧技术首次应用，技术先进、工艺复杂、设计难度大，在充分结合悬浮磁化焙烧工艺特点、试验指标、设计可行性等问题，设计确定了贴合实际生产的选矿工艺流程。酒钢粉矿悬浮磁化焙烧选矿改造工程分两期建设。第一期建设一条悬浮磁化焙烧生产线，处理二选工序的粉矿。一期工程核心在于摸索悬浮磁选焙烧炉工业生产情况，根据一期生产运行情况，有效调整设计参数，进一步优化、指导二期建设。故一期工程建议不上反浮选工艺，焙烧磁选精矿直接给到过滤车间。故本次初步设计酒钢悬浮磁选焙烧选矿改造一期工艺流程为“粉矿—高压辊磨—预先筛分—分级磨矿—悬浮焙烧—再磨—磁选”。设计指标见表2。

表2 粉矿磁化焙烧选矿工艺指标(一期)

如表2所示，粉矿工艺改造后各项指标良好，在单一磁选的情况下铁精矿品位可以达到55%，回收率高达88%。该项目一期工程于2018年建成并进入试车调试阶段，由于在铁矿行业首次应用悬浮焙烧技术和酒钢镜铁矿石性质复杂，易泥化等原因，该悬浮焙烧装置在原料进料、焙烧后冷却、余热利用等方面出了一些问题，经过一年多的针对性改造和调试，2019年底项目正式投产运行。投产后粉矿工艺系统金属回收率由改造前65%提高到86%，精矿品位由45%提高到55%，基本达到设计指标，提升效果显著，证明悬浮焙烧技术已经得到生产实践的证明。接下来将进一步优化悬浮磁化焙烧工艺生产参数，进一步提高生产指标、降低生产成本，为二期建设做准备。

3 结语

悬浮磁化焙烧技术符合国家钢铁工业发展目标，节能减排、技术改造、淘汰落后、自主创新。我国对于赤铁矿、褐铁矿等难选铁矿利用率很低。发展难选铁矿高效利用技术，可减少对国际铁矿市场的依赖。

悬浮焙烧技术在氧化铝行业大量应用、可靠的理论、试验数据、科学的焙烧工艺条件、合理的工艺设计综合决定了该技术在铁矿行业成功应用。悬浮磁化焙烧技术解决了国内外难选铁矿石的磁化焙烧技术难题，是难选铁矿石选矿技术的一次重大突破。其低能耗、高效率、大处理量的特点决定了该技术竞争力强，应用前景广阔。