CN114438311A - 一种基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧方法，属于矿物加工技术领域。一种基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧方法，所述方法包括预氧化阶段和还原焙烧阶段，其中，还原焙烧阶段：使经预处理的物料由反应器顶部进入还原反应器，并使物料在反应器中的路径按U型流动，在流动同时将其加热至470～600℃，在还原性气体作用下使弱磁性或无磁性微细粒铁矿被还原为磁铁矿；在进行还原反应的同时对微细粒铁矿石施加声波作用。与常规焙烧‑磁选方法相比，本发明所涉及的方法能够提高从微细粒难选贫杂铁矿中回收铁的效率，实现了对难选铁矿的高效还原；本方法工艺流程简单，反应条件易控制，有十分光明的产业化前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧方法，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，我国已将铁矿石列为战略矿产，作为国内探采选主攻矿种。2020年全球铁矿石储量1800亿吨，其中中国铁矿石储量200亿吨，占全球总储量的11.1％。我国铁矿石资源储量大，但品位比较低，主要为贫矿，中国铁矿石平均品位近34.5％，远低于全球平均铁矿石品位46.6％。我国铁矿石矿物结晶粒度细，复杂难选；多组分伴生矿多，综合利用难度大。为取得理想的解离度，常需要将矿石磨至粒径小于0.043mm，常规的选矿技术难以获得较好的选别指标。国内诸多科研院所针对微细粒难选铁矿资源的综合高效开发利用开展了许多研究。结果表明，流态化磁化焙烧-磁选技术为最有效、最合理的技术之一。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。但是在生产实践中能够发现，现行的流态化磁化焙烧技术虽然能大幅度提高磁选精矿的铁品位和回收率，但无法减少或消除焙烧过程中微细粒物料的团聚现象，造成还原产品质量不均匀、不充分等问题。因此，采用新的流态化焙烧方法，对提升难处理铁矿反应效率、增强磁化焙烧-磁选工艺分选效果具有重大意义。
发明内容
本发明目的是提供一种能够提高微细粒铁矿石磁化焙烧效率的流态化焙烧方法。在各阶段反应器周围加入稳定声场，通过声波将还原后带有磁性且相互吸引聚团的颗粒打散，减少反应过程中微细粒团聚现象的发生，合理控制反应中磁性颗粒的流动行为，使气体与铁矿石反应充分，提高焙烧效率。
一种基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧方法，所述方法包括预氧化阶段和还原焙烧阶段，其中，
预氧化阶段：预氧化焙烧反应器内，在氧化性气体气流作用下使微细粒铁矿沿垂直地面的方向由下向上运动，在运动的同时将其加热至500～800℃进行脱水反应，反应后物料由反应器顶部排出，在进行预氧化的过程中对微细粒铁矿石施加声波作用；
还原焙烧阶段：使经预处理的物料由反应器顶部进入还原反应器，并使物料在反应器中的路径按U型流动，在流动同时将其加热至470～600℃，在还原性气体作用下使弱磁性或无磁性微细粒铁矿被还原为磁铁矿；在进行还原反应的同时对微细粒铁矿石施加声波作用。
本发明所述基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧方法优选地，所述声波作用由声波发生器提供，声波发生器的声波频率为30～60Hz，声压级为80～120dB。
本发明所述基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧方法优选地，所述微细粒铁矿在预氧化反应器中的铁矿物颗粒的停留时间为1～2min；给料的速度为30～120kg/h。
本发明所述基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧方法优选地，还原性气体为氮气与CO、H2的混合气，还原性气体中CO/H2和氮气的体积流量比为1：1～3；预氧化物料在还原反应器中停留的时间为10～25min；还原气的气速为0.1～2m/s。
本发明所述基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧方法优选地，所述微细粒铁矿石颗粒为粒径小于0.038mm的物料占比50～90％的微细粒铁矿石颗粒，铁品位TFe≥15％。
本发明所述基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧方法优选地，包括磁选的步骤：弱磁选采用湿式磁选机，弱磁选场强为1000～2000Oe。
本发明所述基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧方法优选地，所述还原反应器内部被垂直于地面方向设置的隔板分为两个区域，两个区域在流态化还原反应器底部相通，经预处理的物料由反应器顶部进入还原反应器，在还原器内部结构和由底部通入的还原性气体的共同作用下，使物料先由上至下再由下至上在反应器内按U型流动。
本发明的原理是将微细粒铁矿在预氧化流焙烧反应器内500～800℃的氧化气氛中，脱除物料表面的吸附水、晶格中的结晶水以及其他挥发性组分，声波作用将脱水过程中因颗粒间摩擦、静电力而相互聚集的矿粉团打散，提高预氧化效率，获得高质量预氧化产品；将预氧化产品在流态化还原反应器内470～600℃的还原气氛中，将Fe2O3还原为Fe3O4，此过程中，声波能将聚团的磁性颗粒打散，保证物料在焙烧过程中与还原气充分接触、反应，提高焙烧效率；还原产物以水冷方式进行冷却，防止未冷却的Fe3O4与空气接触重新被氧化被Fe2O3；冷却的还原产物经弱磁选分离出磁性产品，同时保证了铁品位和回收率。
本发明的有益效果为：与常规焙烧-磁选方法相比，本发明所涉及的方法能够提高从微细粒难选贫杂铁矿中回收铁的效率；采用气基方法进行焙烧，使物料在反应器中呈流态化，相较于传统的静态焙烧方法，提高了焙烧系统的传质传热效率，实现了对难选铁矿的高效还原；特别在反应器两侧加装了声波发生装置，能够使用声波将聚团颗粒打散，增大气固两相间的接触面积，使铁矿物与气体充分反应，提高生产效率，提高产品质量；本方法工艺流程简单，反应条件易控制，有十分光明的产业化前景。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中的设备流程图，
附图标记如下:料仓1，螺旋给料机2，矿粉预热器3，信号放大器4，扬声器5，预氧化焙烧炉给料管6，进气管7，气体预热器8，电加热装置9，流态化预氧化反应器10，电加热控制系统11，1#旋风分离器12，2#旋风分离器13，流态化还原反应器14，还原反应器内挡板15，出料管16，水冷接矿槽17。
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。
具体实施方式之一：
一种基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧方法，包括下述工艺步骤：
1、将铁矿石破碎并细磨至粒径小于0.038mm的物料占比50～90％，获得微细粒铁矿粉，其中，所述铁矿石铁品位TFe≥15％；
2、微细粒铁矿粉通过螺旋给料机2进入矿粉预热器3，之后通过给料管5进入流态化预氧化反应器10底部；调节反应器电加热9为550～750℃；空气经气体预热器8加热至500～800℃，从反应器底部的进气管7通入，并与风机负压共同作用将矿粉提升至反应器顶部；铁矿粉在提升过程中被加热，物料中的水(晶格水以及吸附水)和其他挥发性组分被脱除；调整反应器两侧声波发生装置5的频率和声压强度，通过声波将物料脱水过程中形成的矿粉团打散，使气固两相接触充分，反应完全；预氧化产品在气流的作用下进入旋风分离器12；
3、预氧化产品在旋风分离器中实现固气分离，固体物料经过物料通道进入流态化还原反应器中14；还原气经气体预热器加热至470～600℃，由还原反应器底部的进气口通入，使物料呈流态化并开始还原焙烧；调整反应器两侧声波发生装置的频率和声压强度，通过声波将因为磁性而相互吸引的矿粉团打散，使气固两相接触充分，反应完全；还原产品经过侧部上端的出料口排出，经物料通道16排入水冷接矿槽17；流态化还原反应器内设有隔板，将内部空间分隔为松动反应腔室和流化反应腔室两部分，隔板的顶边和侧边与反应器的顶部和侧部固定相连；隔板的上下高度为反应器总高度的1/2～3/4，在反应器底部留下一条水平通道；松动反应腔室上部设置有进料口，流化反应腔室侧壁上端设置有出料口；反应器底部设置有1#还原气进气管和2#还原气进气管，分别为松动风和流化风入口。进料口处连续给入物料，微细粒物料在松动反应腔室逐渐堆积，直至物料层高于隔板下缘；通过1#还原气进气管给入松动风，通过2#还原气进气管给入流化风，二者共同作用，使物料不断向流化反应室运动；流化反应室内物料不断堆积，最终在气流作用下，物料从出料口排出。
4、对冷却的还原产品进行弱磁选，磁性产物即为铁精矿。
上述的难选贫杂铁矿包括赤(褐)铁矿、菱铁矿、针铁矿等。
上述步骤的破碎机选用颚式破碎机。
上述步骤的磨矿机选用球磨机。
上述步骤2中，给料速度为30～120kg/h。
上述步骤2中，预氧化反应器中的铁矿物颗粒的停留时间为1～2min。
上述步骤2中，空气的气速为0.1～2m/s。
上述步骤2和3中，声波发生装置选用扬声器，同时扬声器与信号放大器相连。
上述步骤2和3中，声波的频率为30～60Hz，声压级为80～120dB。
上述步骤3中，还原气为氮气与CO、H2的混合气，还原气中CO/H2和氮气的体积流量比为1：(1～3)。
上述步骤3中，预氧化产品在还原反应器中停留的时间为10～25min。
上述步骤3中，还原气的气速为0.1～2m/s。
上述步骤4中，弱磁选采用湿式磁选机。
上述步骤4中，弱磁选场强为1000～2000Oe。
上述方法中，铁精矿的铁品位为TFe≥60％。
上述方法中，铁的回收率≥85％。
实施例1
以鞍山东部铁尾矿为原料，进行流态化磁化焙烧-磁选试验。
流程如图1所示；
焙烧装置如图2所示；
该矿石化学成分分析结果见表1，矿石中TFe品位为15.70％，FeO含量为1.03％，SiO2含量为66.17％，该矿主要有价元素为铁，主要杂质成分为硅；
铁化学物相分析见表2，赤(褐)铁矿中的铁为13.06％，铁占有率为83.87％，该矿物中主要回收矿物为赤铁矿；
采用鄂式破碎机将矿石破碎后使用磨矿机将铁矿石细磨，使其颗粒尺寸小于0.038mm物料占比为85％，获得矿粉；
矿粉通过螺旋给料机2以60kg/h的给料速度进入矿粉预热器3，之后通过给料管5进入流态化预氧化反应器10底部；调节反应器电加热9为650℃；调节空气气速为1.2m/s，空气经气体预热器8加热至700℃，从反应器底部的进气管7通入，并与风机负压共同作用将矿粉提升至反应器顶部；铁矿粉在提升过程中被加热，物料中的水(晶格水以及吸附水)和其他挥发性组分被脱除；调整反应器两侧声波发生装置5的频率为50Hz、声压强度为90dB，通过声波将物料脱水过程中形成的矿粉团打散，使气固两相接触充分，反应完全；预氧化产品在气流的作用下进入旋风分离器12；
3、预氧化产品在旋风分离器中实现固气分离，固体物料经过物料通道进入流态化还原反应器中14；调节还原反应器电加热为520℃；调节还原气气速为0.8m/s，H2和N2的体积流量比为1：3，还原气经气体预热器加热至550℃，由还原反应器底部的进气口通入，使物料呈流态化并开始还原焙烧；调整反应器两侧声波发生装置的频率为50Hz、声压强度100dB，通过声波将因为磁性而相互吸引的矿粉团打散，使气固两相接触充分，反应完全；还原产品经过侧部上端的出料口排出，经物料通道16排入水冷接矿槽17。
4、使用湿式磁选机在1500Oe的场强下对冷却的还原产品进行弱磁选，磁性产物即为铁精矿。
焙烧熟料经过磁选后可获TFe品位61.17％、回收率86.02％的磁选铁精矿产品。
表1矿石化学成分分析 /％
表2铁化学物相分析结果 /％
实施例2
方法通实施例1，不同点在于：本实施例使用的矿样为甘肃地区某选厂矿石，属赤(褐)铁矿型复杂难选铁矿石；该矿石化学成分分析结果见表3，，矿石中TFe品位为51.66％，FeO含量为0.23％，SiO2含量为4.29％，该矿物主要有价元素为铁，主要杂质成分为硅；
铁物相分析结果见表4，赤(褐)铁矿中的铁为50.54％，铁占有率为97.97％，该矿的主要回收对象为赤(褐)铁矿；
采用鄂式破碎机将矿石破碎后使用磨矿机将铁矿石细磨，使其颗粒尺寸小于0.038mm物料占比为75％，获得矿粉；
矿粉通过螺旋给料机2以40kg/h的给料速度进入矿粉预热器3，之后通过给料管5进入流态化预氧化反应器10底部；调节反应器电加热9为700℃；调节空气气速为1.0m/s，空气经气体预热器8加热至750℃，从反应器底部的进气管7通入，并与风机负压共同作用将矿粉提升至反应器顶部；铁矿粉在提升过程中被加热，物料中的水(晶格水以及吸附水)和其他挥发性组分被脱除；调整反应器两侧声波发生装置5的频率为40Hz、声压强度为80dB，通过声波将物料脱水过程中形成的矿粉团打散，使气固两相接触充分，反应完全；预氧化产品在气流的作用下进入旋风分离器12；
5、预氧化产品在旋风分离器中实现固气分离，固体物料经过物料通道进入流态化还原反应器中14；调节还原反应器电加热为550℃；调节还原气气速为0.6m/s，CO和N2的体积流量比为1：2.5，还原气经气体预热器加热至600℃，由还原反应器底部的进气口通入，使物料呈流态化并开始还原焙烧；调整反应器两侧声波发生装置的频率为60Hz、声压强度100dB，通过声波将因为磁性而相互吸引的矿粉团打散，使气固两相接触充分，反应完全；还原产品经过侧部上端的出料口排出，经物料通道16排入水冷接矿槽17。
使用湿式磁选机在1000Oe的场强下对冷却的还原产品进行弱磁选，磁性产物即为铁精矿。
焙烧熟料经过磁选后可获TFe品位63.56％；Fe回收率92.18％的磁选铁精矿产品。
表4矿石化学成分分析 /％
表5铁化学物相分析结果 /％
Claims (7)
1.一种基于声波作用高效处理微细粒铁矿的流态化焙烧方法，其特征在于：所述方法包括预氧化阶段和还原焙烧阶段，其中，
预氧化阶段：预氧化焙烧反应器内，在氧化性气体气流作用下使微细粒铁矿沿垂直地面的方向由下向上运动，在运动的同时将其加热至500～800℃进行脱水反应，反应后物料由反应器顶部排出，在进行预氧化的过程中对微细粒铁矿石施加声波作用；
还原焙烧阶段：使经预处理的物料由反应器顶部进入还原反应器，并使物料在反应器中的路径按U型流动，在流动同时将其加热至470～600℃，在还原性气体作用下使弱磁性或无磁性微细粒铁矿被还原为磁铁矿；在进行还原反应的同时对微细粒铁矿石施加声波作用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述声波作用由声波发生器提供，声波发生器的声波频率为30～60Hz，声压级为80～120dB。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微细粒铁矿在预氧化反应器中的铁矿物颗粒的停留时间为1～2min；给料的速度为30～120kg/h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还原性气体为氮气与CO、H2的混合气，还原性气体中CO/H2和氮气的体积流量比为1：1～3；预氧化物料在还原反应器中停留的时间为10～25min；还原气的气速为0.1～2m/s。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微细粒铁矿石颗粒为粒径小于0.038mm的物料占比50～90％的微细粒铁矿石颗粒，铁品位TFe≥15％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：包括磁选的步骤：弱磁选采用湿式磁选机，弱磁选场强为1000～2000Oe。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述还原反应器内部被垂直于地面方向设置的隔板分为两个区域，两个区域在流态化还原反应器底部相通，经预处理的物料由反应器顶部进入还原反应器，在还原器内部结构和由底部通入的还原性气体的共同作用下，使物料先由上至下再由下至上在反应器内按U型流动。
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