褐铁矿加热到300～400℃时，开始脱水，600℃时，脱水过程完结，并且变成了赤矿。赤铁矿在还原气氛中，加热到400℃时，还原反应即开始进行，并显示出磁性增强但还原速度不如570℃快，所以在工业焙烧炉中，常把赤铁矿还原温度控制在550℃左还原反应进程如BD或BF线段所示。
当赤铁矿还原反应终止于D点或F点时，说明已还原成磁铁矿，其化学反应：
3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 公式（15） 3Fe2O3+H2=2 Fe3O4+H2O 公式（16）
磁铁矿在无氧的气氛中迅速冷却时，其组成是不变的（DM线段）。如果还原后磁铁矿在400℃以下空气中氧化冷却则生成强磁性的γ-Fe2O3（DEN线段），其化学反应为：
4Fe3O4+O2=6γ-Fe2O3 公式（17）
上述磁化焙烧过程中铁氧化物的转化关系如图9所示：
图9 铁氧化物关系图
如在400℃以上，在空气中冷却，将生产弱磁性的α-Fe2O3（DT线段）。
当焙烧制度控制的不好，赤铁矿还原反应未在D点终止，而是沿着DH线段继续进行，就产生过还原（DG线段）。
当温度低于570℃时，将出现如下化学反应：
Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2 公式（18） Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O 公式（19） 当温度高于570℃时，过还原将生成弱磁性的FeO（FK线段），其化学反应如下：
Fe3O4+CO=3FeO+CO2 公式（20） Fe3O4+H2=3FeO+H2O 公式（21） 由于Fe3O4能溶解于FeO中形成Fe3O4-FeO固溶体，即所谓富氏体或波斯奇熔融体。上述两种情况的过还原都将导致热耗的增加和焙烧时间的延长，使焙烧炉处理能力下降。在工业生产中，赤铁矿石的有效还原温度下限一般是450℃，上限为700～800℃，最宜为570℃。如采用固体还原剂时，还原温度较高，一般为800～900℃。还原过程是一个多相反应过程。固相同气相发生反应，气体还原剂和矿石的反应作用可分为三个阶段进行[15,16]：
1.扩散、吸附。由于气体的对流或分子的扩散作用，还原气体分子被矿石表面吸附。 2.化学反应。被吸附的还原气体分子与矿石中的氧原子相互作用进行还原反应。 3.化学产物的脱附。反应生成的气体产物脱离矿石表面，沿着相反的方向扩散到气相中去。这三个阶段都同矿石性质、还原剂的性质和还原过程的温度等均有直接的关系。
11
还原剂不足、还原带温度的降低或该区出现过多的氧气以及大块矿石的存在都会使一部分弱磁性矿物不能充分地还原成磁铁矿，从而降低了矿石的磁性，增加焙烧矿石在随后的弱磁选尾矿中铁的损失。还原剂过剩，温度过高及矿石在还原区长期停留会使部分磁铁矿还原成富氏体，从而降低了矿石的磁性，增加选别铁损失。还原区的温度越高，弱磁性矿物还原成磁铁矿的速度就愈快，但温度上限受矿石组分中某一矿物的软化点的限制，它应该低于最低软化点50℃以上，不然就会形成结瘤，R.C.NOGUEIRA等人研究了用磁选分离还原了的铁矿石产品，发现用CO-CO2气体还原赤铁矿产生的磁铁矿比赤铁矿本身的可磨性好，焙烧产品极易用湿式弱磁选工艺分离。此外，磁化焙烧—磁选具有生产稳定，技术指标高，精矿易于浓缩脱水等优点，磁化焙烧除增加矿物磁性外，还可以得到以下好处：①排除矿物中的气体和结晶水。含水赤铁矿（或褐铁矿）和菱铁矿，经过焙烧后失去水或二氧化碳，相应地提高了矿石品位，有利于烧结和高炉冶炼；②使矿石结构疏松，有利于降低磨矿费用，提高磨矿效果；③从矿石中排除有害元素，例如硫化砷。焙烧时硫和砷变成气体从矿石中排除。
2.3磁化焙烧技术现状
我国铁矿的工艺矿物特征差异较大，一些铁矿的选矿研究取得了很大的突破。但是还相当多的一部分铁矿，工艺矿物特征复杂，其选矿工作尚处于研究阶段，焙烧磁选法是处理常规选矿方法难以分选提纯的低品位氧化铁矿石的最有效方法之一[16-19]，最初由美国、德国、日本等国家将其用于低品位铁矿石的回收利用。常用的磁化焙烧法有：竖炉磁化焙烧、回转窑磁化焙烧、沸腾炉磁化焙烧[20,21]。
表1 前苏联不同矿区铁矿石焙烧-磁选指标
矿区 中央采选公司（克里沃洛罗格） 彼得罗夫斯科耶（克里沃洛罗格） 利萨科夫斯克 非赭石化的矿石 赭石化的矿石 平衡表外矿石 阿克尔马诺夫 赤塔州别佐诺夫 南方采选公司（新克里沃洛罗格） 库尔斯克磁力异常区（氧化矿）
磨矿 粒度mm 0.05（98%） 0.071（80%）
原矿铁品
位% 35.48 30.1-34.3
产率% 47.56
精矿
铁品位% 回收率% 64.46
80.76*
尾矿铁品位% 13.9 6.8-7.8
备注 回转窑 实验室实验 半工业实验 回转窑
实验室实验 回转窑
32.0-45.7 66.5-67.3 84.5-89.6
-0.3 -0.3 -0.3 -0.5 - -0.05（98%）
39.7 -0.05（98%）
39.1 32.6-43.2 27.2 38.5 43.2 39.7 40.0-41.0
60.2-63.4 61.2-58.6 94.4-95.2 54.8 40.6 55.9 64.2 48.8
55.8-63.0 92.9-92.8 59.4-58.7 88.6-89.9 55.0 79.8* 59.2 69.1
88.0 85.0 80-85
6.9-5.2 5.6-5.7
5.8-5.1 17.6 17.4 11.6 11.0-13.0
50.0-52.0 64.5-66.5
*回收率按原矿计，其他均按焙烧矿计。
前苏联于1962年曾建有30台Φ3.6m×L50m的回转窑处理克里沃罗格氧化铁矿石（赤铁矿石英岩）。1926年，日本人在我国鞍山建成第一座赤铁矿竖炉焙烧磁选厂，从而出现了“鞍山式焙烧竖炉”，多年来对其进行了数次技术改造。60年代由原来50m3竖炉扩大到l00m3，
12
应用于酒钢选厂，从而提高了竖炉的台时能力。70年代将原50m3竖炉改造成横穿梁式竖炉，在不扩大外形尺寸的条件下，改变炉内结构，使炉容扩大到70m3，台时能力提高74%，热耗降低18%。焙烧工艺方面出现原矿分级入炉焙烧，并利用磁滑轮构成半闭路焙烧工艺，可使精矿回收率提高。
鞍山钢铁公司烧结总厂曾采用竖炉还原焙烧炉，对鞍山贫赤铁矿石进行磁化焙烧，生产数十年来，逐步完善和发展，解决了鞍钢急需解决的氧化铁矿石的选矿问题，有效处理了大量的贫赤铁矿。酒泉钢铁公司选矿厂（至今仍继续生产）、包头钢铁公司选矿厂和鞍山钢铁公司齐达山选矿厂也采用焙烧磁选工艺生产铁精矿、建有20台50m3竖炉焙烧白云鄂博贫氧化矿生产10多年，为这些钢铁公司生产出了大量的合格铁精矿，有效的满足了这些钢铁公司高炉生产的需要。据统计，我国曾有130多台竖炉在进行生产，年处理矿石量达1300多万吨。由于此后强磁机研制成功，可以有效处理上述赤铁矿石，除酒钢外，己先后于1994年（包钢）及2001年停止了生产使用。
60年代至70年代期间，除采用竖炉还原焙烧外，我国还对白八街铁矿石、屯秋铁矿石以及酒钢选厂粉矿进行过半工业回转窑磁化焙烧的研究，并在包钢选厂七系列建成一台中3.6x50m的回转窑对白云鄂博贫氧化矿进行过磁化焙烧工业试验研究。与此同时，60年代开始我国也进行过流态化磁化焙烧的研究，试验规模达100t/d，处理矿石为鞍山钢铁公司和酒泉钢铁公司等的矿石。
下面按照磁化焙烧炉型的不同分别阐述采用竖炉、回转窑、沸腾炉进行还原磁化焙烧的研究状况及存在的问题。
2.3.1竖炉磁化焙烧
竖炉主要是处理块矿（入炉粒度75～15mm）的一种炉型。鞍山钢铁公司、鞍山黑色冶金矿山设计研究院和酒泉钢铁公司等单位，在多年研究、设计和生产实践中，对炉体结构和辅助设备，曾不断进行改进。在竖炉磁化焙烧工艺方面也获得了诸多的宝贵经验：
（1）.闭路焙烧，使磁选回收率提高3%左右；
（2）.采用22%焦炉煤气和75%高炉煤气（热值1500～2000kJ/m3）配比的混合煤气，使焙烧热耗有所降低；
（3）.煤气预热（由25℃预热到78℃），可降低焙烧热耗、防止冬季管路冻结； （4）.焙烧矿和天然磁铁矿以4：6配比混合进行磨矿、磁选，可较好地解决焙烧矿严重磁团聚和滤饼水分高等问题。
但是，竖炉焙烧块状矿石也存在严重影响选厂生产的重大问题：
（1）.由于竖炉焙烧处理的矿石粒度比较大，其比表面积比较小，因而和还原剂的接触表面就减少，还原过程缓慢；
（2）.在实际生产中，由于矿块表层还原度高于内部，经常出现矿块表面和内部还原不均匀的现象，矿块粒度愈大，还原不均匀现象愈严重。
13
这些问题导致竖炉焙烧能耗大，产品技术经济指标不高，生产成本高（见表2）[22]。因此，随着强磁选机器的出现，逐渐被高效的强磁选工艺所取代。
表2 竖炉焙烧磁选技术经济指标
项目 矿石种类 原矿品位/% 精矿品位/% 尾矿品位/% 铁回收率/% 煤气性质 耗热量GJ/t 煤气热MJ/m3
鞍钢烧结厂 焙烧磁选-反浮选
赤铁矿 31.83 65.82 11.07 78.41 混合煤气 1.050 7.3~7.5
鞍钢齐达山 赤铁矿/磁铁矿
30.05 60.77 13.32 63.58 混合煤气 1.087 7.3~7.5
酒钢选矿厂 镜铁矿/菱铁矿
39.98 56.88 22.78 72.32 高炉煤气 1.328 3.4~3.5
包钢选矿厂 赤铁矿/磁铁矿
~31 ~58 ~70 高炉煤气 1.338 3.5~3.8
2.3.2回转窑磁化焙烧
回转窑主要用于处理入炉粒度为25mrn以下矿石的一种炉型。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（见表3）。但是，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，回转窑尾端结圈不能正常生产等问题，一直未在我国工业上建厂应用。
表3 回转窑磁化焙烧-磁选工业试验指标
项目
回转窑规格/m 加热用燃料 还原用燃料 热耗/GJ/t 入炉矿石种类 原矿粒度/mm 原矿品位/% 焙烧矿品位/% 精矿品位/% 尾矿品位/% 铁回收率/%
酒泉钢铁公司 Φ3.6×50 焦炉煤气 烟煤 1.738 镜铁山式铁矿
10~0 31.50 35.50 58.20 12.70 84.50
柳钢屯秋铁矿 Φ2.3×32 褐煤 褐煤 2.51 鲕状赤铁矿 15~0 40.37 40.57 51.37 21.26 81.26
2.3.3沸腾炉磁化焙烧
沸腾炉主要用于处理粒度为3～0mm矿石的一种炉型。20世纪60年代开始我国也进行了沸腾磁化焙烧的研究，试验规模达100t/d，处理矿石为鞍山钢铁公司和酒泉钢铁公司等的贫赤铁矿石，以及广西八一锰矿的堆积贫氧化锰矿石。沸腾炉以流态化技术为基础。固体颗粒在气流的作用下，形成流态化床层似沸腾状态，被称作流态化床或沸腾床。这样矿石可在沸腾状态下进行加热还原，有利于提高焙烧矿质量[23]。某厂赤铁矿沸腾炉焙烧磁选结果见表4。
表4 齐大山赤铁矿沸腾炉磁化焙烧半工业试验磁选结果，%
产品 焙烧矿 副炉尘 收尘器尘
原矿品位 24.85 30.15 27.20
精矿品位 64.73 57.65 60.45
尾矿品位 4.50 2.54 5.63
铁回收率 89.27 96.25 87.10
铁矿石沸腾炉磁化焙烧，在我国科学院化工冶金研究所曾进行大量研究工作。鞍山钢铁公司在100t/d试验炉的基础上设计建成日处理量700t的折倒式半截流两相沸腾焙烧炉。对
14
鞍钢齐达山赤铁矿石进行了半工业试验。取得了较好的焙烧指标。原矿经Φ4×l.2m无介质磨矿机磨到3～0mm，运送到主炉炉顶入炉后，矿粒受到炉内气流作用，进行自然分级。分出的细粒级随气流进入副炉还原焙烧;粗粒级下落与主炉内上升的气流呈逆向运动，在稀相状态下进行预热，然后至浓相沸腾床中进行还原反应，完成还原焙烧过程。焙烧好的粗粒产品经设在气体分布板上的溢流管落到下部矿浆池中，进行淬冷；细粒级产品经副炉和收尘器下部也排到矿浆池中。焙烧操作条件是：处理量为320t/d；主炉预热带温度为450～500℃；燃烧带为830～870℃；副炉稀相段为710-850℃；废气出炉温度为600℃；还原用焦炉和高炉混合煤气2000～2500m3/h；加热用800～1500m3/h；煤气压力23-24kPa，热值为7.5MJ/m3，空气用量3000～5000m3/t。
物料粒度愈细，比表面积愈大，反应活性愈高，如能直接在流态化状态下实现磁化焙烧，不仅能极大地提高磁化反应速度与焙烧效率，还省去了烦锁与耗能高的造球工艺和磨矿作业，大量试验研究表明，沸腾炉同竖炉、回转窑比较具有如下优点：
①于焙烧矿石粒度小，气固两相接触面积大，所以传热传质效率高； ②沸腾床中的温度和气流分布容易维持均匀；
③矿石粒度小，通过矿粒的扩散阻力小，有利于还原反应加速进行；
④气体和矿粒紧密接触混合，还原和热交换能迅速而均匀地进行，有利于提高焙烧矿质量。
虽然较前两种炉型的焙烧矿指标有所改善，可是在沸腾炉焙烧同样存在着诸多问题，能耗高，焙烧成本高，还原时间长，产品质量仍不理想，运行不稳定，焙烧炉的工艺技术及某些装置及炉型等问题也没有得到彻底的解决，同时由于炉型结构等问题，未应用于工业生产。长沙黑色冶金矿山设计研究院的刘超群同志1979年对使用粉煤做燃料和还原剂的广西屯秋铁矿（回转窑焙烧）、云南八街铁矿（回转窑焙烧）及广西八一锰矿（沸腾炉焙烧）进行的焙烧磁选技术经济效果分析表明，当时屯秋铁矿处理每吨原矿选矿加工费较一般铁矿竖炉焙烧磁选厂的加工费高50%，是强磁选加工费的两倍。因此，沸腾炉焙烧炉型及工艺问题也没有得到彻底的解决，还需进一步研究。以上三种炉型，对氧化铁矿石进行磁化焙烧，由于给矿粒度大，传热传质速度慢，焙烧不均匀，导致焙烧时间长，均在60分钟以上，能耗高，焙烧成本高。
到目前为止，有关细粒级粉状物料（-0.2mm）磁化焙烧的工艺和炉型国外很少有研究报道，国内更是空白，需要从理论与实践上进行深入细致的研究。
中南工业大学李思导等人对于粒度小于0.2mm的大冶铁矿选矿厂的尾矿经强磁选后得到的强磁铁精矿（含铁33-35%）然后在中0.8×1.2m的回转窑上进行了磁化焙烧-弱磁选半工业试验，焙烧温度为800℃，获得含铁>56%，铁回收率>84%，SiO2<9%的选别指标，为菱铁矿含量高的低品位难选铁矿资源的开发利用提供了新的思路，但设计流程需要有造球、焙烧、破碎、磨矿工艺，投资大，生产成本高，一直未能在工业上应用。
15