, 李艳军, 高鹏东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2017-11-03
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51734005，51674064)；中国博士后科学基金资助项目(2018M631812)；东北大学博士后基金资助项目(20180316)。
作者简介：余建文(1988-), 男, 江西余干人, 东北大学博士后研究人员;
韩跃新(1961-), 男, 内蒙古赤峰人, 东北大学教授，博士生导师。
摘要：针对东鞍山贫铁矿石(Fe质量分数34.60%)中含有赤铁矿、磁铁矿和少量的菱铁矿, 提出了一种弱磁粗选-高梯度扫选的预富集工艺, 并借助XRD、铁的化学物相分析及扫描电镜(SEM)考察了磁场强度和原料磨矿细度对东鞍山铁矿石预富集行为的影响.结果表明, 在磨矿细度-0.074 mm占70%(质量分数)、弱磁粗选磁场强度120 mT、高梯度扫选Ⅰ磁场强度300 mT及高梯度扫选Ⅱ磁场强度800 mT的条件下, 可获得Fe质量分数42.67%、回收率95.45%的预富集精矿; 磁铁矿富集于弱磁粗选作业中, 赤铁矿和菱铁矿在高梯度扫选作业中得到有效富集, 尾矿中丢失的铁矿物主要为微细粒赤铁矿(＜10 μm), 由于受到的磁性捕获力弱而无法得到回收.
关键词：贫铁矿石赤铁矿磁铁矿磁选预富集行为磁性捕获力
Pre-enrichment Behaviors of Low-Grade Donganshan Iron Ore Using Magnetic Separation
YU Jian-wen, HAN Yue-xin
, LI Yan-jun, GAO PengSchool of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: HAN Yue-xin, E-mail: dongdafulong@mail.neu.edu.cn
Abstract: A pre-enrichment process of low-intensity magnetic roughing followed by high-gradient magnetic scavenging was proposed, and the effects of magnetic field intensity and grinding fineness on pre-enrichment behaviors of low-grade(w(TFe)=34.60%) Donganshan iron ore simultaneously containing hematite, magnetite and a bit of siderite were studied by XRD, chemical phase analysis of iron, and scanning electron microscope(SEM). The results showed that the optimized grinding fineness of raw ore was 70% passing 0.074 mm, the magnetic field intensity for roughing, scavenging Ⅰ and Ⅱ were 120 mT, 300 mT and 800 mT, respectively. Under the optimized conditions, a magnetic pre-concentrate assaying 42.67% iron (mass fraction) with an iron recovery of 95.45% was achieved. The analyses revealed that ferromagnetic magnetite was enriched in low-intensity magnetic concentrate, and weakly magnetic hematite and siderite were recovered successfully by high-gradient magnetic separation. However, some ultra-fine hematite particles(< 10 μm) were lost in tailing due to their weak magnetic trapping force.
Key words: low-grade iron orehematitemagnetitemagnetic separationpre-enrichment behaviorsmagnetic trapping force
预富集通常是指矿石进入磨矿作业之后, 用适宜的选矿方法预先分离出部分尾矿以提高入料矿石品位的选别作业[1-3].为了提高入料矿石品位和后续分选效率, 近年国内外研究学者广泛采用预富集工艺, 并开展了相关应用基础研究[4-6].基于复杂难选铁矿“预富集—悬浮磁化焙烧—磁选”新技术, 本文提出采用磁选方法对东鞍山贫铁矿石进行预富集行为研究.对低品位东鞍山铁矿石进行预富集, 一方面可以有效脱除矿泥和部分脉石, 降低脉石矿物和矿泥对后续悬浮磁化焙烧作业的影响[6-8]; 同时获得粒度适宜(-0.5 mm)、质量均匀的预富集精矿, 改善物料在悬浮焙烧炉内的流动特性, 提高炉内物料的旋风分离效果; 另一方面可以提高入炉物料的铁品位, 大幅度降低后续悬浮磁化焙烧-磁选作业的处理量, 提高生产效率[9-10].
1 实验材料和实验方法实验原料为东鞍山贫铁矿石, 其化学成分(质量分数, %)为TFe 34.60, FeO 6.40, SiO2 43.34, Al2O3 0.73, CaO 0.55, MgO 0.72, 主要有害元素P，S分别为0.04和0.06.矿石的矿物组成(质量分数, %)如表 1所示.矿石中主要回收矿物为赤铁矿和磁铁矿, 其质量分数分别为28.06%和12.68%.
表 1(Table 1)
 表 1 矿石中矿物组成及含量(质量分数)Table 1 Mineral compositions and contents of the ore(mass fraction)
| 表 1 矿石中矿物组成及含量(质量分数) Table 1 Mineral compositions and contents of the ore(mass fraction) | |||||||||||||||||||||||||||
针对东鞍山铁矿石中含有铁磁性矿物磁铁矿、弱磁性矿物赤铁矿及其浸染粒度粗细不均等特点, 本文提出的具体预富集工艺流程为弱磁粗选—高梯度中磁扫选Ⅰ—高梯度强磁扫选Ⅱ.其中, 弱磁粗选作业主要是为了回收铁磁性的磁铁矿, 以消除或减弱其对后续高梯度磁选作业的影响, 如磁性夹杂、磁介质堵塞等; 高梯度中磁扫选Ⅰ及强磁扫选Ⅱ作业主要是为了回收粗粒及细粒弱磁性赤铁矿和菱铁矿等.具体工艺流程如图 1所示.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 磁选预富集工艺原则流程图Fig.1 Principle process flowsheet of magnetic pre-enrichment |
实验过程中所使用的弱磁选机为RK/CGS-?400×300, 滚筒转速为25 r/min, 磁场强度为120 mT; 立环脉动高梯度磁选机为SLon-500, 磁介质为?2 mm棒介质, 脉动冲程为25 mm, 脉动冲次为150次/min, 立环转速为0.5 r/min.
2 结果与讨论2.1 高梯度扫选Ⅰ磁场强度对矿石预富集的影响在确定弱磁粗选磁场强度120 mT、磨矿细度-0.074 mm占60%(质量分数)的条件下, 考察了中磁扫选Ⅰ磁场强度200, 250, 300, 350及400 mT对矿石磁选分离效果的影响, 实验结果如图 2所示.当扫选Ⅰ磁场强度在200~250 mT之间时, 随着磁场强度的增加, 预富集精矿铁品位及回收率均升高; 继续增加扫选Ⅰ磁场强度, 预富集精矿铁回收率逐渐升高, 但品位开始下降.这可能是由于磁场强度的提高促进了弱磁性粗粒赤铁矿的回收, 铁品位及回收率均有所提升；但当磁场强度进一步升高时, 一些粗粒赤铁矿-石英贫连生体也能得到有效回收, 相应地降低了精矿铁品位.综合考虑, 选择适宜的高梯度扫选Ⅰ磁场强度为300 mT.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 高梯度扫选Ⅰ磁场强度对矿石预富集效果的影响Fig.2 Effect of magnetic field intensity for high-gradient magnetic scavenging Ⅰ on pre-enrichment of ore |
2.2 高梯度扫选Ⅱ磁场强度对矿石预富集的影响在确定高梯度扫选Ⅰ磁场强度为300 mT的条件下, 考察了高梯度扫选Ⅱ磁场强度500, 600, 700, 800及900 mT对矿石磁选分离效果的影响, 实验结果如图 3所示.随着高梯度扫选Ⅱ磁场强度的增加, 预富集精矿的铁品位呈线性降低, 回收率则呈线性增加.这可能是由于随着扫选Ⅱ磁场强度的增加, 强化了微细粒赤铁矿、菱铁矿等弱磁性铁矿物的回收, 但磁性矿物颗粒之间的磁性夹杂现象明显, 石英等非磁性脉石矿物进入精矿的含量增多, 故铁回收率逐渐增加而品位逐渐降低.预富集的目的是在保证铁回收率的条件下, 应尽可能地提高后续入炉物料的铁品位.因此, 确定适宜的高梯度扫选Ⅱ磁场强度为800 mT.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 高梯度扫选Ⅱ磁场强度对矿石预富集效果的影响Fig.3 Effect of magnetic field intensity for high-gradient magnetic scavenging Ⅱ on pre-enrichment of ore |
2.3 磨矿细度对矿石预富集的影响在确定高梯度扫选Ⅰ磁场强度300 mT、扫选Ⅱ磁场强度800 mT的条件下, 考察了原料磨矿细度对矿石磁选分离效果的影响, 实验结果如图 4所示.随着磨矿细度-0.074 mm粒级质量分数由50%增加至70%时, 预富集精矿铁品位迅速升高, 回收率则急剧下降; 进一步提高矿石磨矿细度, 精矿铁品位逐渐增加, 回收率缓慢降低.这可能是由于原料粒度越细, 有用铁矿物的单体解离度越高, 预富集精矿铁品位越高; 但原料粒度过细, 一些微细粒赤铁矿、菱铁矿等弱磁性铁矿物受到的磁性捕获力不足，容易损失在尾矿中, 造成铁回收率下降; 此外, 原料粒度过细容易造成磨矿过程能耗的增加.因此, 确定适宜的磨矿细度为-0.074 mm粒级质量分数为70%, 此时尾矿铁品位只有6.94%, 抛尾率达23.94%.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 磨矿细度对矿石预富集效果的影响Fig.4 Effect of grinding fineness on pre-enrichment of ore |
2.4 矿石中铁矿物的预富集行为规律为探明东鞍山铁矿石中赤铁矿、磁铁矿和菱铁矿等有用铁矿物在弱磁粗选-高梯度扫选工艺中的预富集行为规律, 对工艺过程中不同阶段产品如弱磁粗选精矿、高梯度扫选Ⅰ精矿、扫选Ⅱ精矿及尾矿进行了XRD及铁的化学物相分析, 结果如图 5及表 2所示.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 预富集不同阶段产品的X射线衍射图谱Fig.5 XRD pattern of products for pre-enrichment process |
表 2(Table 2)
表 2 预富集不同阶段产品中铁的化学物相分析Table 2 Chemical phases of iron for products of pre-enrichment process
| 表 2 预富集不同阶段产品中铁的化学物相分析 Table 2 Chemical phases of iron for products of pre-enrichment process | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
结合图 5与表 2可知, 弱磁粗选精矿中铁主要赋存于磁铁矿(89.05%)中, 说明在弱磁选作业中得到有效回收的为磁铁矿; 高梯度扫选Ⅰ及扫选Ⅱ精矿中铁主要赋存于赤铁矿中, 其分布率分别为90.49%和90.95%, 其次以菱铁矿的形式存在(分布率分别为6.21%和7.20%), 说明在高梯度扫选过程中得到有效富集的铁矿物为赤铁矿和菱铁矿; 尾矿中的铁主要以赤铁矿(78.39%)的形式存在, 表明尾矿中丢失的铁矿物主要为赤铁矿.
图 6为预富集不同阶段产品的扫描电镜图像.由图 6a可知, 粗粒或细粒磁铁矿由于磁性强均能在弱磁(120 mT)粗选作业中得到有效的富集; 扫选Ⅰ精矿颗粒的平均尺寸明显大于扫选Ⅱ精矿颗粒(见图 6b和图 6c), 说明粗粒赤铁矿主要富集于高梯度中磁(300 mT)扫选Ⅰ作业中, 细粒赤铁矿(平均粒度约20~40 μm)在高梯度强磁(800 mT)扫选Ⅱ作业中能够得到有效的富集; 如图 6d所示, 尾矿中损失的铁矿物主要为微细粒(﹤10 μm)赤铁矿, 这部分赤铁矿由于粒度细、受到的磁性捕收力弱无法被磁极吸引而丢失于尾矿中.此外, 粗选和扫选精矿中均含有一定量的石英, 这可能是由于磁性或机械夹杂现象引起的.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 预富集不同阶段产品的SEM图像Fig.6 SEM images of products for pre-enrichment process (a)—弱磁粗选精矿；(b)—扫选Ⅰ精矿；(c)—扫选Ⅱ精矿；(d)—尾矿. |
3 结论1) 针对东鞍山贫铁矿石中同时含有铁磁性矿物磁铁矿、弱磁性矿物赤铁矿及其浸染粒度粗细不均等特点, 提出了弱磁粗选—高梯度中磁扫选Ⅰ—高梯度强磁扫选Ⅱ预富集工艺流程.在原料磨矿细度-0.074 mm粒级质量分数70%、弱磁粗选磁场强度120 mT、高梯度扫选Ⅰ磁场强度300 mT及高梯度扫选Ⅱ磁场强度800 mT的条件下, 可获得预富集精矿Fe质量分数42.67%，回收率95.45%的优异指标.同时, 尾矿铁品位只有6.94%, 抛尾率达23.94%.
2) 矿石中的磁铁矿富集在弱磁粗选作业中, 粗粒赤铁矿和菱铁矿主要在高梯度中磁扫选Ⅰ中得到回收, 高梯度强磁扫选Ⅱ作业强化了细粒赤铁矿和菱铁矿的回收, 但部分微细粒赤铁矿(﹤10 μm)由于受到的磁性捕获力弱无法被磁极吸引而损失于尾矿中.
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