菱铁矿自磁化反应行为及调控机理
韩跃新
1,2,3
，周廷波
1,3
，高鹏
1,2,3
，孙永升
1,2,3
，李朋超
1,3
(1.东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819；2.难采选铁矿资源高效开发利用技术国家地方联合
工程研究中心， 辽宁 沈阳 110819；3.东北大学轧制技术及连轧自动化国
家重点实验室， 辽宁 沈阳 110819)
中国菱铁矿资源丰富，但矿石品位低禀赋差，受到传统分选技术和成本限制，整体利用率低。菱铁矿分解后的产物氧化亚铁不稳定，容易被产物CO2氧化为磁铁矿，发生“自磁化”反应。以菱铁矿为研究对象，系统地开展了空气、N2及CO2气氛体系下自磁化反应行为及调控机理研究，考察了焙烧温度、焙烧时间和焙烧气氛对反应行为及分选指标的影响规律，利用XRD、VSM和SEM-EDS等检测手段探究了菱铁矿自磁化焙烧过程中物相、磁性和微观结构演变规律，阐明了菱铁矿自磁化矿相转化反应机理。结果表明，菱铁矿在空气气氛下由颗粒边缘和裂缝处开始转化为赤铁矿，焙烧后颗粒内部产生大量裂纹，焙烧产物最大比磁化系数为1.90×10
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/kg；菱铁矿在N2气氛下优先生成氧化亚铁，新生氧化亚铁与CO2反应转变为磁铁矿，最终呈现出氧化亚铁、磁铁矿和菱铁矿相互夹杂的形态，颗粒疏松多孔，焙烧产物最大比磁化系数为47.98×10
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/kg；菱铁矿在CO2气氛下由颗粒的边缘和裂缝处开始转化为磁铁矿，焙烧后颗粒呈现多孔疏松结构，焙烧产物最大比磁化系数为94.59×10
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/kg。在CO2体积分数为15%、焙烧温度为700 ℃、焙烧时间为20 min条件下处理大西沟菱铁矿，可获得铁精矿品位为59.50%、铁回收率为85.23%的良好指标。
菱铁矿； 自磁化； 磁性分析； 物相转化； 微观结构
钢铁工业是中国经济和社会发展的支柱行业。中国连续多年钢铁产量超过10亿t，作为钢铁工业最基本的原材料，铁矿石需求量巨大。中国铁矿石储量丰富，截止2021年，查明铁矿石储量为161.24亿t。然而，中国铁矿石呈现出品位低、嵌布粒度细、伴生矿物杂的特点，导致铁矿石产量难以满足钢铁行业需求，长期依赖进口。中国菱铁矿资源丰富，探明资源储量达18.34亿t。然而，菱铁矿具有理论品位低、矿物组成复杂、硬度低和易泥化等特点，通过常规的选矿工艺难以获得良好的选矿技术指标。国内外科研工作者通过研究发现，磁化焙烧技术是处理菱铁矿的有效手段之一。磁化焙烧是指在一定温度和气氛下将弱磁性铁矿物转变为强磁性铁矿物的过程。弱磁性菱铁矿经过磁化焙烧后，可转变为强磁性的磁铁矿，再通过磁选工艺进行富集。
不同于赤铁矿、褐铁矿等其他类型铁矿石，菱铁矿具有自磁化特性，在不通入还原气体条件下进行焙烧即可生成强磁性磁铁矿。但菱铁矿在不同气氛、不同温度下热分解规律差异显著：在强氧化气氛下，菱铁矿迅速分解生成赤铁矿；在弱氧化气氛、焙烧温度为550 ℃条件下，菱铁矿的相变过程为FeCO3→Fe3O4→γ-Fe2O3；在弱氧化气氛、焙烧温度为800 ℃条件下，菱铁矿的相变过程为FeCO3→FeO+Fe3O4→Fe3O4→γ-Fe2O3→α-Fe2O3。在惰性气氛下，当焙烧温度低于733 ℃时，菱铁矿的热分解途径为FeCO3→Fe3O4；当焙烧温度高于733 ℃时，菱铁矿的热分解途径为FeCO3→FeO+Fe3O4。
在惰性气氛条件下，菱铁矿经过焙烧会产生还原性气体CO。孙永升等提出将菱铁矿分解过程中产生的CO作为赤铁矿的还原剂。祝昕冉等利用菱铁矿作为还原剂，对酒泉钢铁有限公司典型难选铁矿石进行了研究，获得了铁品位为61.48%、回收率为95.39%的磁选精矿。张琦等在不添加额外添加剂的情况下，提出了一种生产磁铁矿的绿色自磁化焙烧技术，使菱铁矿和赤铁矿在焙烧过程中反应相互促进，提高了产品的磁性和焙烧效率。尽管科研工作者对菱铁矿进行了大量的研究，但是不同研究者所得到的结果差异很大。因此，本文以菱铁矿纯矿物和陕西大西沟菱铁矿石为原料，利用自行设计组装的磁化焙烧系统，系统研究了菱铁矿自磁化焙烧过程的反应行为及调控机理，以期为菱铁矿磁化焙烧高效利用提供科学依据和数据支撑。
1)空气气氛焙烧过程中菱铁矿主要分解生成赤铁矿及少量磁赤铁矿，焙烧产物的最大比磁化系数为1.90×10
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/kg，颗粒内部存在大量裂纹，形成疏松多孔结构。
2)N2气氛焙烧过程中菱铁矿转化为磁铁矿及部分氧化亚铁，焙烧产物的最大比磁化系数为47.98×10
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/kg，颗粒内部呈现出磁铁矿、氧化亚铁、未反应菱铁矿相互夹杂的疏松多孔形态。
3)CO2气氛焙烧过程中菱铁矿完全转变为磁铁矿，焙烧产物的最大比磁化系数为94.59×10
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/kg，颗粒内部的遍布大量裂纹，颗粒结构疏松。
4)采用自磁化焙烧技术处理大西沟菱铁矿石，在CO2体积分数为15%、焙烧温度为700 ℃、焙烧时间为20 min条件下，可获得磁选精矿TFe品位为59.50%、铁回收率为85.23%的良好指标。
韩跃新, 周廷波, 高鹏, 孙永升, 李朋超. 菱铁矿自磁化反应行为及调控机理[J]. 钢铁, 2023, 58(9): 69-80. HAN Yuexin, ZHOU Tingbo, GAO Peng, SUN Yongsheng, LI Pengchao. Self-magnetization reaction behavior and regulation of siderite[J]. Iron and Steel, 2023, 58(9): 69-80.
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http://www.chinamet.cn/Jweb_gt/CN/Y2023/V58/I9/69
来源：《钢铁》2023年第9期 东北大学建校100周年·钢铁关键共性技术专刊
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