CN108588404B - 一种处理铁矿石的流态化焙烧工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种处理铁矿石的流态化焙烧工艺，属于矿物加工技术领域。一种处理铁矿石的流态化焙烧工艺，其特征在于：将铁矿石颗粒由还原反应器下部连续通入还原反应器中，利用由还原反应器底部进入的还原性混合气气流携带铁矿石颗粒向上运动并于500℃～600℃进行焙烧，焙烧后获得的固体物料经由反应器上部物料出口连续排出反应器，与此同时对还原反应器施加磁场，磁场强度40～60kA/m，磁场方向垂直向上。本发明通过在还原反应器周围加入稳定磁场，合理控制反应器内部磁性颗粒的流动行为，使其内部气固两相流动更加稳定，气体与铁矿石反应充分，提高焙烧效率。

Description

一种处理铁矿石的流态化焙烧工艺

技术领域

本发明涉及一种处理铁矿石的流态化焙烧工艺，属于矿物加工技术领域。

背景技术

铁矿石是我国钢铁工业的保障性资源，属国家的重大战略需求。我国铁矿资源禀赋差、难利用、采选成本高，国产铁矿石长期处于严重的短缺状态，2016年我国进口铁矿石10.24亿t，对外依存度超过86％，创历史新高。2017年2月铁矿石进口价涨至90美元/吨，直接导致我国铁矿石进口成本的大幅增加，这不仅对我国钢铁产业造成严重影响，对国民经济的安全运行也构成了巨大威胁。在我国复杂难选铁矿资源中，微细粒矿、菱铁矿、褐铁矿、鲕状赤铁矿属典型难利用铁矿资源，总储量达200亿吨以上，广泛分布于辽宁、河北、山西、陕西、湖北、新疆等地。由于该类铁矿石矿物组成复杂、结晶粒度微细，采用常规选矿技术难以获得较好的技术经济指标，部分资源尚未获得大规模工业化开发利用，部分资源虽得以开发，但利用效率极低。因而，研发自主创新技术，实现我国铁矿资源的高效开发利用，提高铁矿石自给率，具有重要的战略意义。

近年来，国内许多研究单位围绕微细粒矿、菱铁矿、褐铁矿、鲕状赤铁矿等复杂难选铁矿资源的高效开发与利用，开展了大量的基础研究和技术开发工作，基本达成了采用选冶联合工艺才能实现复杂难选铁矿资源高效利用的共识。其中磁化焙烧-磁选是处理复杂难选铁矿最为有效的技术，研制出生产效率高、运行稳定、能耗低的磁化焙烧装备成为矿业科学界和产业界的共同理想。磁化焙烧-磁选是指将物料或矿石在相应的气氛中加热进行化学反应，使其中的赤铁矿(Fe₂O₃)、菱铁矿(FeCO₃)、褐铁矿(Fe₂O₃·nH₂O)等弱磁性铁矿物转变为强磁性的磁铁矿(Fe₃O₄)或磁赤铁矿(γ-Fe₂O₃)，再利用矿物之间的磁性差异进行磁选。

磁化焙烧方式有竖炉焙烧、回转窑焙烧、流态化焙烧等。竖炉磁化焙烧工艺主要适合处理粒度25-75mm的块矿，且该工艺存在着单机处理能力低、能耗高、焙烧时间长、产品质量不均匀等问题。目前国内仅有酒钢选矿厂采用44座100m3竖炉焙烧含碳酸盐铁矿石。回转窑磁化焙烧工艺适合处理粒度25mm以下矿石，磁化焙烧质量及分选指标较竖炉好。大西沟选矿厂采用煤基回转窑磁化焙烧-弱磁选-反浮选工艺处理菱铁矿，获得了铁精矿TFe品位60.63％，铁回收率75.42％的良好工业生产指标。但回转窑工艺仍存在着磁化率低、易结圈、生产不稳定、作业率低和能耗高等问题。

流态化是指固体物料颗粒在流体介质作用下呈流体状态，流态化过程具有类似液体的特性。近年来，国内许多研究单位针对流态化焙烧技术和装备开展了大量的研究。以余永富院士为首的科研团队，提出了循环流态化闪速磁化焙烧的概念，基于流化床技术及装置，对陕西大西沟菱铁矿、昆明王家滩矿、重钢接龙铁矿等含碳酸盐铁矿进行粉矿流态化磁化焙烧，均获得了精矿铁品位55％～60％以上，铁回收率达70％～75％的良好指标，为我国难选铁矿石开发利用开辟了新的途径。中国科学院过程工程研究所提出了低温流态化磁化焙烧工艺，建成了10万吨/年产业化示范工程，工业试验结果表明TFe品位33％褐铁矿，经磁选后获得了铁精矿TFe品位57％以上、铁回收率93％～95％的良好技术指标。西安建筑科技大学对粒度为40～60μm的大西沟菱铁矿粉进行悬浮磁化焙烧试验，可获得磁选精矿铁品位为58.21％、铁回收率为79.39％的焙烧产品。其中，最为成功的当属东北大学自主研发的预富集悬浮焙烧磁选技术，以湖北五峰状赤铁矿、渝东典型沉积型赤褐铁矿、鞍钢东部尾矿、东鞍山铁矿石及酒钢粉矿等为原料，开展了系统的PSRM实验室及中试试验，均获得良好的焙烧效果和分选指标。

综上所述，尽管现有流态化焙烧技术能使铁品位和回收率都大幅度提高，但在焙烧过程中若操作不当，仍然存在还原反应器内物料返混严重、还原产品质量不均、排料不畅等问题，因此研制新型流态化焙烧反应装置，对反应器内气固流动、化学反应实现有效控制意义重大。

发明内容

本发明目的是提供一种处理铁矿石的流态化焙烧工艺，通过在还原反应器周围加入稳定磁场，合理控制反应器内部磁性颗粒的流动行为，使其内部气固两相流动更加稳定，气体与铁矿石反应充分，提高焙烧效率。

一种处理铁矿石的流态化焙烧工艺，将铁矿石颗粒由还原反应器下部连续通入还原反应器中，利用由还原反应器底部进入的还原性混合气气流携带铁矿石颗粒向上运动并于500℃～600℃进行焙烧，焙烧后获得的固体物料经由反应器上部物料出口连续排出反应器，与此同时对还原反应器施加磁场，磁场强度40～60kA/m，磁场方向垂直向上。

本发明所述“还原性混合气”为还原性气体与惰性气体的混合物，优选其为CO和氮气组成的混合物，进一步地，优选CO的体积浓度为20～40％。

优选地，所述铁矿石颗粒的给料速率为30～80kg/h；还原性混合气流速为0.1m/s～2.0m/s。

上述还原性混合气流速与铁矿石物料的密度、粒度及黏性等因素相关，其流速选择使其可维持向上的运动即可。

优选地，包括磁选的步骤：将由反应器排出的固体物料水冷、烘干，将其细磨至-0.038mm含量占60～80％，在磁场强度为70～100kA/m的条件下进行磁选管磁选，获得铁精矿产品。

优选地，进行反应时，向还原反应器中添加初始铁矿石颗粒，添加高度为整个反应器的25％～50％。

进一步优选地，将铁矿石细磨至-0.074mm占50％～90％细度，反应器内初始加入铁矿石颗粒，高度为整个反应器的25％～50％，设置反应温度为500℃～600℃，铁矿石颗粒给料速率30～80kg/h，通入CO和氮气的混合气，其中CO体积浓度20～40％；施加磁场方向垂直向上的磁场，设定磁场强度为40～60kA/m。

本发明所述处理铁矿石的流态化焙烧工艺优选在流化态焙烧装置中进行。

一种流化态焙烧装置，所述装置包括垂直于地面设置的还原反应器及作用于该还原反应器的磁场发生装置，所述磁场发生装置产生磁场方向垂直向上的均匀磁场。

本发明所述磁场发生装置可为现有技术提供的均匀磁场发生装置，所产生的磁场方向为垂直(或近似垂直)于地面向上。优选地，所述磁场发生装置为设置于还原反应器外部的若干组电磁线圈。所述电磁线圈由其自带电源控制其所产生的磁场强度。

本发明所述还原反应器垂直于地面设置，通入其内的固体物料随气流上升，并在磁场作用下持续上升，防止物料返混。

优选地，所述还原反应器的主体为一柱形腔体容器，容器底部设有气体入口，在腔体中设有边缘固定于容器底部侧壁的气体分布板，气体分布板与气体入口之间的腔体为气体分布室；在气体分布板上方的侧壁上设置物料入口；物料入口连通给料管，所述给料管通过螺旋给料机连通给料仓；还原反应器容器顶端设有气体出口，在上部侧壁上设有物料出口。

进一步地，所述还原反应器外侧设有加热装置及用于控制加热装置的温控系统。更进一步地，所述的加热装置为电加热装置，其采用高纯氧化铝作为炉膛材料，用于保证反应器内温度，由温控系统10来控制调节所需温度。

进一步地，所述装置包括水冷卸料斗，用于承接来自物料出口的固体物料。

进一步地，所述的气体分布板为多孔石英板，其上分布若干通气圆孔，孔径小于待处理铁矿石颗粒的直径。

进一步地，所述的还原反应器容器采用相对磁导率小于1的绝缘材料制成，如石英玻璃。

进一步地，所述的气体分布室的作用为气体混匀场所，并同时具有缓冲作用；

进一步地，所述的物料入口处物料为连续给料，物料在物料入口处堆积自成锁气装置，避免气体从物料入口处逸出。

本发明所述装置与物料入口相连的有给料管，物料储存在给料仓中，通过螺旋给料机给入给料管中，并通过螺旋给料机控制给料速率。进一步地，所述给料管的入口高度高于还原反应器高度，以便通过物料高度差提供还原反应器内物料向上流动的动力。

本发明所述的气体出口用于过量的反应气体的排放和收集，防止大气污染及危害人群。

进一步地，所述的气体入口通入还原气体CO、H₂等，并伴有保护气体N₂，同时N₂具有流化作用，具体气体比例依据物料性质及焙烧指标确定。

本发明流化态焙烧装置使用时，在还原反应器容器内部放置一定量的铁矿石颗粒，向反应器内通入还原性气体，铁矿物与气体接触发生还原反应，由弱磁性铁矿物转变为强磁性铁矿物，在气流和磁场的共同作用下，气体与磁性颗粒均匀混合以近似平推流运动，直至由物料出口流出。

本发明的有益效果为：

(1)依靠磁场作用，提高焙烧效果。在流态化焙烧过程中，外加磁场能降低铁矿物反应的活化能，加速化学反应的进行，使得铁矿物更容易被还原，提高了焙烧效率；

(2)对设置在还原反应器四周的螺旋线圈通电，获得外加磁场。在常规流态化焙烧装置中，还原反应器内颗粒浓度和气固速度在轴向分布严重不均匀、气固轴向返混大的缺点普遍存在，容易使得铁矿物还原不均匀，出现过还原或欠还原的现象。而该流态化焙烧装置可有效控制返混，在磁场的作用下，还原产生的强磁性磁铁矿会优先向上流动由排料口排出床内，未反应的弱磁性矿物及非磁性铁矿物流动相对缓慢，气固流动接近平推流，颗粒分布均匀，避免了过(欠)还原；

(3)可通过调节磁场强度大小控制铁矿物在还原反应器内的停留时间来改善焙烧指标。外加磁场强度对还原反应器内磁性颗粒的流动速度有直接影响，若磁场强度大，则磁性颗粒流动速度加快，床内停留时间减少，还原时间也随之减少；反之，则还原时间增加。因此，可通过焙烧产品的指标实时调节磁场强度，控制其还原时间。

附图说明

图1为流化态焙烧装置的结构示意图，

附图标记如下：气体入口1，气体分布室2，气体分布板3，物料入口4，还原反应器5，加热装置6，物料出口7，水冷卸料斗8，磁场发生装置9，温控系统10，气体出口11，给料管12，螺旋给料机13，给料仓14；

图2为图1中A-A处的截面图。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

下述实施例所述处理铁矿石的流态化焙烧工艺在下述流化态焙烧装置中进行。

一种流化态焙烧装置，所述装置包括垂直于地面设置的还原反应器5及作用于该还原反应器的磁场发生装置9，所述磁场发生装置9产生磁场方向垂直向上的均匀磁场，所述磁场发生装置9为设置于还原反应器5外部的若干组电磁线圈，所述电磁线圈由其自带电源控制其所产生的磁场强度。

所述还原反应器5的主体为一柱形腔体容器，所述的还原反应器5容器采用石英玻璃制成，容器底部设有气体入口1，在腔体中设有边缘固定于容器底部侧壁的气体分布板3，所述的气体分布板3为多孔石英板，其上分布若干通气圆孔，孔径小于待处理铁矿石颗粒的直径；气体分布板3与气体入口1之间的腔体为气体分布室2；在气体分布板3上方的侧壁上设置物料入口4；物料入口4连通给料管12，所述给料管12通过螺旋给料机13连通给料仓14，所述给料管12的入口高度高于还原反应器5高度；还原反应器5容器顶端设有气体出口11，在上部侧壁上设有物料出口7，物料出口的下方设有水冷卸料斗8，用于承接来自物料出口7的固体物料。所述还原反应器5外侧设有加热装置6及用于控制加热装置6的温控系统10，过量的反应从气体出口11处排放并收集，防止大气污染及危害人群。

处理铁矿石的流态化焙烧工艺：

将铁矿石细磨至-0.074mm占50％～90％细度，反应器内初始加入铁矿石颗粒，高度为整个反应器的25％～50％(保证高于给物料入口)，打开电加热，温度设置为500℃～600℃即为反应温度，通入N₂以排净反应器中空气，打开给矿阀门，设置给料速率为30～80kg/h，按一定比例(CO体积浓度20～40％)通入预先加热的N₂和CO，打开螺旋线圈电源，通入直流电获得方向向上的磁场，设定磁场强度为40～60kA/m。向反应器内通入还原性气体，铁矿物与气体接触发生还原反应，由弱磁性铁矿物转变为强磁性铁矿物，在气流和磁场的共同作用下，气体与磁性颗粒均匀混合以近似平推流运动，直至由排料口流出。持续出料一段时间后，关闭给料阀门、CO阀门，关闭电加热开关及电磁线圈电源，继续通入N₂持续5分钟，直至排空反应器内残余CO。焙烧产品经水冷降温后进行烘干、称重、取样，并将其细磨至-0.038mm含量占60～80％，在磁场强度为70～100kA/m的条件下进行磁选管磁选试验，获得TFe品位大于60％的铁精矿产品。

实施例1

采用的铁矿石为鞍山地区某选厂矿石，属赤铁矿-菱铁矿混合矿石。该矿石化学成分分析结果见表1，铁物相分析结果见表2。由表1可知，矿石中TFe品位为34.43％，FeO含量为9.24％，SiO₂含量为49.41％，有害元素磷、硫含量较低，为分别为0.07％、0.05％。表明该中矿主要有价元素为铁，主要杂质成分为硅。由表2可知，赤(褐)铁矿中的铁为26.01％，铁占有率为75.85％；碳酸铁中的铁为4.98％，铁占有率14.52％，因此，该中矿的主要回收对象为：赤铁矿和菱铁矿。

表1 矿石化学成分分析 /％

表2 铁化学物相分析结果 /％

将铁矿石细磨至-0.074mm占80％细度，还原反应器内初始加入铁矿石颗粒，高度为整个反应器的1/4(填料高度高于物料入口)，将电加热装置的电加热温度设置为570℃(即为反应温度)，通入N₂以排净反应器中空气，打开物料入口的给料阀门，设置给料速率为40kg/h，通入预先加热至570℃的N₂和CO的混合气(其中CO体积浓度25％)，气体流速为1.0m/s，打开螺旋电磁线圈的电源，通入直流电获得方向垂直向上的磁场，设定磁场强度为60kA/m，持续出料15min后，关闭物料入口的给料阀门、气体入口阀门，关闭电加热装置的开关及电磁线圈电源，继续通入N₂持续5分钟，直至排空反应器内残余CO。焙烧产品经水冷降温后进行烘干、称重、取样，并将其细磨至-0.038mm含量占70％，在磁场强度为85kA/m的条件下进行磁选管磁选试验。

原矿TFe品位为34.43％的赤铁矿-菱铁矿混合矿石，在外加磁场强度为60kA/m、CO浓度25％、还原温度570℃的条件下进行连续磁化焙烧实验，焙烧后物料TFe品位为35.49％，焙烧熟料经过磁选后可获TFe品位66.53％、回收率90.35％的磁选铁精矿产品。分选结果见表3。

表3 焙烧后物料分选试验结果 ％

实施例2

使用的矿样为云南地区某选厂矿石，属赤铁矿-褐铁矿型复杂难选铁矿石。该矿石化学成分分析结果见表4，铁物相分析结果见表5。由表4可知，矿石中TFe品位为35.25％，FeO含量为9.24％，SiO₂含量为49.41％，有害元素磷含量较低，为0.88％。表明该中矿主要有价元素为铁，主要杂质成分为硅。由表5可知，赤(褐)铁矿中的铁为34.74％，铁占有率为98.85％，因此，该中矿的主要回收对象为：赤铁矿和褐铁矿。

表4 矿石化学成分分析 /％

表5 铁化学物相分析结果 /％

将铁矿石细磨至-0.074mm占60％细度，还原反应器内初始加入铁矿石颗粒，高度为整个反应器的30％(填料高度高于物料入口)，将电加热装置的电加热温度设置为570℃(即为反应温度)，通入N₂以排净反应器中空气，打开物料入口的给料阀门，设置给料速率为50kg/h，通入预先加热至570℃的N₂和CO的混合气(其中CO体积浓度30％)，气体流速为1.2m/s，打开螺旋电磁线圈的电源，通入直流电获得方向向上的磁场，设定磁场强度为55kA/m，持续出料10min后，关闭物料入口的给料阀门、气体入口阀门，关闭电加热装置的开关及电磁线圈电源，继续通入N₂持续5分钟，直至排空反应器内残余CO。焙烧产品经水冷降温后进行烘干、称重、取样，并将其细磨至-0.038mm含量占80％，在磁场强度为85kA/m的条件下进行磁选管磁选试验。

原矿TFe品位为35.25％的赤铁矿-褐铁矿混合矿石，在外加磁场强度为55kA/m、CO浓度30％、还原温度570℃的条件下进行连续流态化焙烧实验，焙烧后物料TFe品位为36.49％，焙烧熟料经过磁选后可获TFe品位65.10％、回收率88.11％的磁选铁精矿产品。分选结果见表6。

表6 焙烧后物料分选试验结果 ％

Claims (9)

1.一种处理铁矿石的流态化焙烧工艺，其特征在于：将铁矿石颗粒由还原反应器下部连续通入还原反应器中，利用由还原反应器底部进入的还原性混合气气流携带铁矿石颗粒向上运动并于500℃～600℃进行焙烧，焙烧后获得的固体物料经由反应器上部物料出口连续排出反应器，与此同时对还原反应器施加磁场，磁场强度40～60kA/m，磁场方向垂直向上；所述铁矿石颗粒的给料速度为30～80kg/h；还原性混合气流速为0.1m/s～2.0m/s。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：包括磁选的步骤：将由反应器排出的固体物料水冷、烘干，将其细磨至-0.038mm含量占60～80％，在磁场强度为70～100kA/m的条件下进行磁选管磁选，获得铁精矿产品。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：进行反应时，向还原反应器中添加初始铁矿石颗粒，添加高度为整个反应器的25％～50％。

4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：将铁矿石细磨至-0.074mm占50％～90％细度，反应器内初始加入铁矿石颗粒，高度为整个反应器的25％～50％，设置反应温度为500℃～600℃，铁矿石颗粒给料速率30～80kg/h，通入CO和氮气的混合气，其中CO体积浓度20～40％；施加磁场方向垂直向上的磁场，设定磁场强度为40～60kA/m。

5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述工艺在流化态焙烧装置中进行，所述装置包括垂直于地面设置的还原反应器(5)及作用于该还原反应器的磁场发生装置(9)，所述磁场发生装置(9)产生磁场方向垂直向上的均匀磁场。

6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于：所述还原反应器(5)的主体为一柱形腔体容器，容器底部设有气体入口(1)，在腔体中设有边缘固定于容器底部侧壁的气体分布板(3)，气体分布板(3)与气体入口(1)之间的腔体为气体分布室(2)；在气体分布板(3)上方的侧壁上设置物料入口(4)，物料入口(4)连通给料管(12)，所述给料管(12)通过螺旋给料机(13)连通给料仓(14)；还原反应器(5)容器顶端设有气体出口(11)，在上部侧壁上设有物料出口(7)。

7.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于：所述磁场发生装置(9)为设置于还原反应器(5)外部的若干组电磁线圈。

8.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于：所述还原反应器(5)外侧设有加热装置(6)及用于控制加热装置(6)的温控系统(10)。

9.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于：所述装置包括水冷卸料斗(8)，用于承接来自物料出口(7)的固体物料。