铁矿石磁化焙烧技术
发展现状
摘要：目前，我国复杂难选铁矿石种类繁多，储量巨大，极其难选，采用常规机械物理选矿工艺，此类资源难以经济、高效利用，更难以得到高品位、低杂质的铁精矿，磁化焙烧处理低品位铁矿石是典型的最有效的方法，由于该工艺方法在处理这类铁矿资源方面具有积极作用，受到业内广泛的关注。本文从矿物的磁性与磁化焙烧的基本原理出发，总结分析了目前国内外铁矿磁化焙烧领域的技术现状，重点阐述了流态化磁化焙烧技术的研究与应用。鉴于铁矿的流态化直接还原技术对流态化磁化焙烧设备与工艺方面有借鉴意义，本文对该方面也做了相应的简要介绍。
目录
1.前言 ............................................................................................................................................... 3
1.1铁矿资源形势 ..................................................................................................................... 3 1.2铁矿石选矿概况 ................................................................................................................. 4 2铁矿磁化焙烧技术 ........................................................................................................................ 5
2.1矿物的磁性 ......................................................................................................................... 5
2.1.1矿物的磁化 .............................................................................................................. 5 2.1.2矿物磁性的分类 ...................................................................................................... 6 2.1.3矿物颗粒的磁性 ...................................................................................................... 6 2.2磁化焙烧基本原理 ............................................................................................................. 8
2.2.1磁化焙烧概述 .......................................................................................................... 8 2.2.2磁化焙烧分类 .......................................................................................................... 9 2.2.3铁矿磁化焙烧图 .................................................................................................... 10 2.3磁化焙烧技术现状 ........................................................................................................... 12
2.3.1竖炉磁化焙烧 ........................................................................................................ 13 2.3.2回转窑磁化焙烧 .................................................................................................... 14 2.3.3沸腾炉磁化焙烧 .................................................................................................... 14 2.4磁化焙烧的影响因素 ....................................................................................................... 16
2.4.1矿石性质 ................................................................................................................ 16 2.4.2温度的影响 ............................................................................................................ 17 2.4.3气氛的影响 ............................................................................................................ 18 2.4.4焙烧时间 ................................................................................................................ 19
3铁矿流态化磁化焙烧技术 .......................................................................................................... 19
3.1铁矿流态化磁化焙烧技术概述 ....................................................................................... 19 3.2国外铁矿流态化磁化焙烧技术状况 ............................................................................... 20
3.2.1埃及低品位铁矿 .................................................................................................... 20 3.2.2澳大利亚Mt. Newman赤铁矿 ............................................................................. 21 3.3国内铁矿流态化磁化焙烧技术状况 ............................................................................... 22
3.3.1悬浮态菱铁矿焙烧 ................................................................................................ 22 3.3.2闪速磁化焙烧 ........................................................................................................ 23
4铁矿流态化直接还原技术 .......................................................................................................... 25
4.1冷态下铁矿石颗粒流态化规律 ....................................................................................... 25 4.2循环流化床铁矿石直接还原技术 ................................................................................... 26 4.3德国Circored和Cireofer法 ........................................................................................... 26 4.4日本流态化直接还原技术 ............................................................................................... 27 4.5印度流态化直接还原技术 ............................................................................................... 28 5总结 ............................................................................................................................................. 29
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1.前言
1.1铁矿资源形势
据美国地质调查局报告，时至2007年底，世界铁矿石储量约为1500亿吨，基础储量约为3400亿吨；铁金属储量约为730亿吨，基础储量约为1600亿吨。澳大利亚、巴西、中国、俄罗斯、乌克兰及美国等都是世界铁矿资源大国[1]。目前，世界铁矿年产量在8.5亿～9亿吨，铁矿贸易量在4.2亿～4.5亿吨。在世界铁矿石贸易中，巴西与澳大利亚为两个最大输出国，出口量约占世界出口量的六成，而铁矿石的主要采购国为中国、日本、韩国和德国，占世界进口量的一半以上。
近年来，中国的铁矿石进口主要来自澳大利亚、巴西、印度、南非、秘鲁与加拿大，占我国当年进口总量的90%以上。2000～2003年我国铁矿石进口数据如下：2000年为6997万吨，2002年为1.1亿吨，2003年为1.45亿吨[2]。据海关资料统计，2004年中国共进口铁矿石2.08亿吨，钢铁业对进口铁矿石的依赖度达41.2%[3]。2005年进口铁矿石为2.75亿吨，约占世界铁矿石进口总量的40%，比上年增长32%。我国已被世界称为“全球吸铁石”，是世界铁矿石市场的最大买主。在我国铁矿石供应中，国外进口矿比例超过了50%，其中约60%由力拓矿业公司、必和必拓铁矿公司、淡水河谷公司等三大矿业巨头提供。
随着钢铁工业的迅猛发展和对铁矿石储量的日益关注，世界范围内的铁矿石价格产生了急剧波动。为了平抑国际铁矿石价格，许多国内钢铁企业纷纷寻求国内矿产，以降低成本，致力于国内资源的开发利用。
而据国土资源部调查数据显示，我国已查明铁矿资源储量为607亿吨，另外还有相当数量的低品位铁矿资源，预测未查明资源在1000亿吨以上，其中大中型矿山深边部近期可利用的铁矿资源约200亿吨。
虽然我国的黑色金属矿石资源丰富，但是其特点之一是贫矿多，全国铁矿总体平均品位以30%～35%为主[4]；二是红矿多，各种弱磁性矿石占总储量65%左右，其中磁铁矿石约占30%，含多金属铁矿石和弱磁性铁矿石约占70%；三是伴生其它有用成分的复合矿石多，伴生成分有锰、钒、铜、钴、铅、锌、钨、锡、钼、硫、磷、煤和稀土、稀散以及放射性元素等，占总储量2/3左右。而且多数矿石中有用矿物呈细粒至微细粒嵌布，磨细到-0.074mm（-200目）占80%左右才能基本达到单体解离。这种资源特点决定了多数矿石均需选矿处理，且入选矿石性质复杂，为选矿提出了艰巨的任务。
铁矿床成因类型的多样性，是造成我国矿石类型复杂的主要原因。探明的铁矿资源主要铁矿类型有[5]：①鞍山式沉积变质型铁矿，以磁铁矿石为主，品位为30%～35%，资源量为200亿吨。其中鞍山-本溪地区120亿吨，冀东地区50亿吨，山西、北京、冀西、安徽等省市区约30亿吨；②攀枝花式岩浆分异型铁矿，以磁铁矿、钛铁矿为主，品位30%～35%，主要分布在四川省西昌到渡口一带，资源量为70亿吨；③大冶式和邯邢式接触交代型铁矿，以磁铁矿石为主，品位35%～60%，主要分布在邯邢、莱芜和长江中下游一带，资源量为
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50亿吨，铁含量>45%的富矿较多；④梅山式玢岩型铁矿，以磁铁矿石为主，资源量10亿吨，品位35%～60%；⑤宣龙式和宁乡式沉积型铁矿，以赤铁矿石为主，品位低，含磷高，难处理，主要分布在河北宣化和湖北鄂西一带，资源量30～50亿吨；⑥大红山式和蒙库式海相火山沉积变质型铁矿，以磁铁矿矿石为主，品位35%～60%，主要分布在云南新疆一带，资源量为20亿吨。在铁矿中共生和伴生铁矿多，约占资源量27.9%，典型矿床有攀枝花铁矿、白云鄂博铁矿、大冶铁矿等，共（伴）生组分有钒、钛、稀土、铜等。
致力于我国矿产资源，就要重视资源利用新工艺、新技术、新设备的研究，特别要注重开发新技术、新产品，挖掘资源综合利用潜力。开发伴生矿床和利用尾矿资源，充分利用有限的资源、创造大量的经济价值。同时，也应避免为获得这些资源而再开发新的矿山所带来的一系列的资源与生态问题。这是我国铁矿资源发展循环经济的最重要的一环。任何资源开发者和资源利用者，都应付出与之相适应的资源本身的价值成本，并以此保护资源，节约资源，提高资源开发利用深度，促进经济结构调整和传统生产方式的转变，实现资源可持续利用[6]。
1.2铁矿石选矿概况
黑色金属矿石选矿试验研究工作是发展我国矿山和钢铁工业的重要组成部分，对高速发展我国钢铁工业所起的作用也是十分重要的。从我国黑色金属矿石资源条件看，随着矿石开采量的增加，较难选的弱磁性铁矿石和多铁矿物铁矿石所占比例日益增多，入选矿石的品位逐渐下降，矿石的矿物成分也愈来愈复杂。但是，随着钢铁工业的发展，黑色金属矿石选矿的技术水平已有很大提高。已用于生产的主要技术革新成果有：铁矿石的自磨；磁选设备永磁化；磁铁矿石的干磨干选；贫赤铁矿石的闭路磁化焙烧；以石油化工产品及其副产品为原料的赤铁矿石浮选药剂；用蒸汽喷射泵强化浮选精矿的过滤；振动溜槽和旋流器等重介质选矿设备；离心选矿机、螺旋选矿机、扇形溜槽和圆锥选矿机等细粒矿石重选设备；各种型式的强磁场磁选机，高压电选机以及在选矿设备上应用铸石、橡胶、锦纶、玻璃钢和铸型尼龙等耐磨材质和新材质等。经过试验取得较好效果的还有：浮选柱、螺旋溜槽和多梯度磁选机等各种选别设备，各种型式的粉矿磁化焙烧炉以及微粒嵌布赤铁矿石的选择性絮凝分选等。选矿的自动化也有了逐步的发展。对各种难选黑色金属矿石开展了选矿与冶金联合方法的研究，许多已用于生产[7]。
几十年来，广大选矿工作者针对我国铁矿资源“贫、细、杂”的特点开展了大量的研究工作，解决了诸多技术难题。尤其是近年来，研制并成功应用了新的高效选矿设备、新的高效浮选药剂以及新的选矿工艺，从而使选矿工艺指标取得了突破性进展[8]。
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2铁矿磁化焙烧技术 2.1矿物的磁性 2.1.1矿物的磁化
所谓磁化就是矿物（或物料）颗粒在磁场作用下由不表现磁性变为具有一定磁性的现象，其根本原因是矿物颗粒内原子磁矩按磁场方向的排列[9]。原子具有磁性，则由原子或分子组成的物体也具有磁性。物体在不受外磁场作用时，由于分子的热运动，分子磁矩取向分数，其矢量和为零，所以物体不显磁性。当物体置于磁场中，其分子磁矩沿外磁场方向取向，矢量和不为零，使物体显示出磁性，这就是物体被磁化的实质。不同磁性的物体在相同的磁场中被磁化时，由于分子磁矩取向程度的不同，其磁性有强弱的差别[10]。表征矿物磁性特征的主要有磁化强度J（安/米）和体积磁化率κ。磁化强度是物质单位体积V的磁矩M，体积磁化率κ是物质在场强为H的外磁场作用下改变自身磁化强度的能力。其转换关系如下：
J?M/V 公式（1） J??M 公式（2）
??J/M?M/VH 公式（3）
由式（3）可知，体积磁化率是1m3的物质在场强为1安/米的磁场中磁化时所产生的磁矩。除了体积磁化率外，还采用比磁化率χ，其关系如下：
???/?（m3/kg） 公式（4）
式中δ—物质的密度，kg/m3。
比磁化率是1千克质量的物质在场强为1安/米的磁场中磁化时的磁矩。
除了磁化强度J外，还用磁感应强度B的大小来表示物体的磁化状态特性，磁感应强度B与磁化磁场的强度H有关：
B???0H??0(??1)H 公式（5）
在磁场中磁化的矿物颗粒在其自身中产生一个与外磁场方向相反的退磁磁场，其大小与颗粒的磁化强度呈正比，并与颗粒的几何形状有关。因此除了物质的体积磁化率κ和比磁化率χ外，还有物体的体积磁化率κ0和比磁化率χ0，其关系如下：
?0??/(1?N?) 公式（6） ?0??/(1?N??) 公式（7）
当κ<<1，κ0≈κ，χ0≈χ；当κ>>1，κ0≈1/N，χ0≈1/Nδ，式中N-无因次退磁系数。 物质的磁感应强度及磁化强度与磁场强度的关系是强磁性物质的特性。图1为磁化和磁滞曲线，是外磁场的磁场强度由0到Hmax并由+Hmax到-Hmax时物体的磁感应强度B的曲线。如在纵坐标轴上用磁化强度值J代替磁感应强度B，则可获得磁化滞后曲线。剩余磁感应强度Br（剩余磁化强度Jr）和按磁感应计的矫顽力HcB（按磁化强度计的矫顽力HcJ）是铁磁性（包括强磁性）物质的重要特性。矫顽磁力小于4～8kA/m的物质称为软磁性，矫顽磁力
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