宣龍式鮞狀赤鐵礦礦物學特征及分選技術

牛福生，張晉霞，聶軼苗，劉淑賢，陳 淼

(1.華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省安全技術及開采重點實驗室，河北 唐山 063009)

宣龍式鮞狀赤鐵礦礦物學特征及分選技術

牛福生1,2，張晉霞1,2，聶軼苗1,2，劉淑賢1,2，陳 淼1

(1.華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省安全技術及開采重點實驗室，河北 唐山 063009)

宣龍式鮞狀赤鐵礦的分選利用一直是世界性的技術難題。龐家堡的低品位(TFe<40%)的鮞狀赤鐵礦石工藝礦物學特征研究表明，鐵礦物主要為赤鐵礦，脈石礦物主要為石英、綠簾石、綠泥石等，鮞狀赤鐵礦與脈石礦物呈層間同心環(huán)狀分布。集合體內含鐵礦物和脈石礦物相互夾雜，造成礦物單體解離和相互分開困難。宣龍式鮞狀赤鐵礦分選工藝技術主要為強磁拋尾-浮選提鐵降硅技術、強磁拋尾-重選精選提鐵技術、磁化焙燒-弱磁-浮選技術，目前尚沒有成熟的工業(yè)應用范例。強化超細磨和選擇性解離技術、發(fā)展微細顆粒分選工藝技術、設備和藥劑和創(chuàng)新選冶聯(lián)合流程，確定合理選礦界限是宣龍式鮞狀赤鐵礦選礦未來的發(fā)展趨勢。通過加強相關選礦技術研究，將會為突破此類難選鐵礦資源規(guī)模工業(yè)應用瓶頸提供支撐。

宣龍式鮞狀赤鐵礦；礦物學特征；分選

宣龍式赤鐵礦因其多分布于河北宣化、龍關地區(qū)而得名，此類鐵礦的中心地帶集中在龐家堡，因此又稱為龐家堡鐵礦，累計查明資源儲量4億多噸，保有資源儲量1.8億多噸，礦床成因類型主要是海相化學和生物化學沉積[1-2]。受礦床成因影響，宣龍式赤鐵礦具有鮞狀、腎狀和豆狀的特點，共伴生礦物復雜，其分選利用一直是世界性的技術難題[3]。資料表明，1971年由當時的宣鋼第一煉鐵廠建設的日處理150t斜坡爐磁化焙燒—弱磁分選工廠是目前為止宣龍式赤鐵礦僅有的工業(yè)應用案例[4]，隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展和鐵礦資源需求的急劇擴大，特別是鋼鐵企業(yè)本土資源戰(zhàn)略的實施，宣龍式鮞狀赤鐵礦的分選利用再次成為研究的焦點問題。本文針對宣化鋼鐵公司龐家堡的低品位(TFe<40%)的鮞狀赤鐵礦，研究其工藝礦物特征，分析現有鮞狀赤鐵礦選礦技術現狀和水平，并提出此宣龍式鮞狀赤鐵礦的分選技術的發(fā)展方向。

1 工藝礦物學特征

1.1 礦樣性質研究

代表性礦樣取自龐家堡礦區(qū)的TFe含量低于40%的鮞狀赤鐵礦，主要化學成分見表1所示。X射線衍射分析結果見圖1。從圖1中可以看出，該鮞狀赤鐵礦礦樣主要以赤鐵礦物為主，其次為菱鐵礦，脈石礦物主要為石英。

對選取的礦樣進行熒光光譜分析，分析結果見表1，結果表明礦樣TFe為38.66%，SiO2為27.06%，有害元素S、P略為偏高，后續(xù)分選過程中應注意其富集變化規(guī)律。

圖1 鮞狀赤鐵礦礦樣XRD分析結果

1.2 礦物學特征研究

在化學成分及X射線衍射分析結果的基礎上，為進一步研究樣品中礦物形貌特征、元素含量和微區(qū)礦物特征，采用JSM-5310 掃描電鏡及能譜儀對原礦進行分析，結果如圖2所示。

表1 鮞狀赤鐵礦化學成分分析結果/%

圖2 鮞狀赤鐵礦EDS成分分析結果

從圖2可以看出，標記點的微區(qū)域直徑約為2.5μm，其主要元素為Si、Fe、Al、Mg、K、Ca、Cl、Cu等，說明該礦樣礦物組成復雜，粒度嵌布細。

為了進一步確定該礦石的礦物組成以及與其它礦物的嵌布關系，取具代表性的光薄片，使用德國蔡司偏反光顯微鏡進行觀察，結果如圖3～6所示。

圖3 赤鐵礦脈石層間環(huán)狀分布反光(-)×50

圖4 細粒赤鐵礦浸染在脈石中反光(-)×200

圖5 他形粒狀赤鐵礦分布在脈石中反光(-)×200

圖6 赤鐵礦中夾雜細粒黃鐵礦反光(-)×500

由鏡下觀察結果可知，赤鐵礦主要是由細粒集合體組成，其中夾雜有細粒脈石礦物，他形細粒赤鐵礦集合體與脈石層間分布形成大小不等同心環(huán)狀。宣龍式赤鐵礦礦石以鮞狀構造為主，其次為腎狀和浸染狀構造；結構以他形粒狀結構為主，其次為浸染狀、海綿隕鐵、乳滴狀和破裂結構。

礦物組成方面，可回收利用的礦物主要是赤鐵礦，菱鐵礦、黃鐵礦、褐鐵礦和磁鐵礦含量較少；主要的脈石礦物為石英，同時含有少量的綠簾石、角閃石、綠泥石、黏土礦物、電氣石、陽起石、黝簾石等脈石礦物。赤鐵礦嵌布粒度較細，且粒度分布曲線為不均勻曲線，最細可達到5μm。前者主要表現為鮞狀赤鐵礦與石英、綠簾石、碳酸鹽等脈石礦物層間分布，部分赤鐵礦位于鮞狀核心，被石英、綠簾石、碳酸鹽等脈石礦物包裹。后者表現為赤鐵礦與石英等脈石毗連鑲嵌，由他形細粒集合體形成的鮞狀赤鐵礦中夾雜有細小黃鐵礦和脈石顆粒。石英的結構主要以他形粒狀為主，嵌布粒度通常5～900μm之間。綠簾石主要呈他形粒狀集合體，嵌布粒度15～100μm，多與赤鐵礦、角閃石、綠泥石毗連，部分位于核心，部分與赤鐵礦層間分布，部分被角閃石包裹。

礦物學研究表明，含鐵礦物和石英、綠簾石等脈石礦物結晶粒度不均勻，平均磨礦細度為22.6μm，最細可以達到5μm，同時嵌布類型復雜，鮞狀赤鐵礦與脈石礦物呈層間同心環(huán)狀分布，環(huán)層之間為漸變過度，集合體內含鐵礦物和脈石礦物相互夾雜，造成礦物單體解離和相互分開困難。

2 宣龍式鮞狀赤鐵礦分選技術研究

隨著易采選鐵礦石資源的日趨枯竭和進口礦石壓力的不斷增大，圍繞難選鐵礦石分選技術的研究取得了長足的進步，如年處理100萬t祁東微細赤鐵礦(平均磨礦細度20μm)建成投產，日處理750t長陽新首鋼礦業(yè)有限公司高磷鮞狀赤鐵礦的穩(wěn)定運行和正在準備建設的年處理200萬t重鋼巫山桃花高磷鮞狀赤鐵礦都標志著此類復雜難選赤鐵礦工業(yè)分選技術日趨成熟。宣龍式鮞狀赤鐵礦作為北方地區(qū)典型的難選鐵礦石目前尚沒有成熟的工業(yè)開發(fā)利用，分選工藝技術基本上處于實驗室研究階段，主要為強磁拋尾-浮選提鐵降硅技術、強磁拋尾-重選精選提鐵技術、磁化焙燒-弱磁-浮選技術[5-9]。

2.1 強磁拋尾-浮選提鐵技術

由于赤鐵礦的比磁化系數(221.74×106cm3/g)遠大于石英(7.36×106cm3/g)、綠泥石(19.96×106cm3/g)等脈石礦物磁化系數，在高磁感應強度(0.8～1.5T)分選條件下，可以實現強磁拋尾的效果。牛福生等[10]針對宣鋼龍煙鮞狀赤鐵礦采用立環(huán)脈動高梯度強磁選機，在原礦TFe47.6%，磨礦細度-0.074mm95%， 強磁分選磁感應強度0.85T條件下，實現拋尾33.96%，鐵精礦品位53.16%的分選指標。 對拋尾后的強磁精礦進行浮選提鐵降硅試驗研究，采用一次粗選和一次掃選試驗， 粗選時氫氧化鈉、氧化鈣、淀粉以及TS藥劑用量分別為1400 g/t、800 g/t、900 g/t、600 g/t。 掃選時僅加入300g/t TS作為捕收劑，便可獲得TFe品位為62.34%、回收率為53.07%的鐵精礦。

2.2 強磁富集-重選再選提鐵技術

在較高磁感應強度條件下，經過強磁富集后的物料中含有較多的磁性連生顆粒和由于磁粘連包裹的脈石礦物而造成強磁精礦回收率高，但精礦品位偏低， 對強磁精礦進行重選再選提鐵則可以較好利用礦物密度差異而獲得精礦品位的進一步提高。 白麗梅等[11]以宣鋼龐家堡的鮞狀赤鐵礦為研究對象，針對嵌布粒度極細，礦物組成復雜等問題，采用階段磨礦-強磁拋尾-重選提鐵工藝流程進行了試驗研究。在原礦TFe品位為47.66%，磨礦細度為-0.074mm 95%的條件下，經磁重分選后最終可以獲得TFe品位61.01%， 回收率為47.85%的鐵精礦。廖國平等[12]對湖南某地的鮞狀赤鐵礦進行了分選試驗研究，在磨礦細度為-0.074mm 97%、高梯度磁選機磁感應強度為1.0 T、臥式離心選礦機轉鼓轉速為400r/min等最佳分選工藝條件下，采用強磁拋尾-臥式離心選礦工藝，最終獲得的鐵精礦產率為28.40%，TFe品位56.20%，回收率34.58%。

2.3 磁化焙燒-弱磁技術

磁化焙燒就是將弱磁性含鐵礦物在一定的還原氣氛下經過高溫焙燒后轉化為強磁性礦物的過程，與傳統(tǒng)的礦物分選技術相比，磁化焙燒—弱磁選技術在處理弱磁性鐵礦物分選方面顯示出較強的優(yōu)勢。如對于宣龍式鮞狀赤鐵礦采用磁化焙燒技術最早開始于1971年建設的日處理150t斜坡爐磁化焙燒-弱磁分選工廠，在原礦品位38%左右的情況下，使精礦品位達到59%～60%，金屬回收率75%～80%[4]。牛福生等[6]在對張家口難選鮞狀赤鐵礦礦石性質分析的基礎上進行了磁化焙燒-弱磁選試驗研究。在焙燒溫度850℃、焙燒時間1.5h、-2mm原礦：還原劑質量比為1∶1、磨礦細度為-0.074mm 80%，磁感應強度為0.1T的條件下進行了試驗，最終可獲得鐵精礦品位為62.05%，回收率為87.12%的分選指標。另外，2004年建設的年處理90萬t菱鐵礦的大西溝選礦廠在菱鐵礦原礦品位25.31%的條件下，可獲得焙燒礦品位30.08%，最終鐵精礦品位61.48%，尾礦品位8.25%，金屬回收率83.83%的優(yōu)異技術指標。2005年建設的年處理200萬t菱、褐鐵礦的新疆切列克其選礦廠對品位41.72%的原礦采用回轉窯磁化焙燒—弱磁選工藝流程，獲得鐵精礦回收率超過86%，品位63.25%的良好分選指標。

3 宣龍式鮞狀赤鐵礦選礦的發(fā)展趨勢

借鑒國內外鮞狀赤鐵礦選礦概況，宣龍式鮞狀赤鐵礦應注重以下幾方面的發(fā)展趨勢，進一步加強相關選礦技術研究，為突破此類難選鐵礦資源規(guī)模工業(yè)應用瓶頸提供支撐。

3.1 強化超細磨和選擇性解離技術

鮞狀赤鐵礦除了結構復雜外，礦物粒度嵌布微細(鐵礦物單體解離度超過85%時，其單體顆粒直徑細至-20μm，甚至5～10μm)是一個重要特征，因此強化鮞狀赤鐵礦超細磨礦是實現有效分選的前提[13-15]。當需要的磨礦粒度為20～40μm時，采用塔磨機、攪拌磨機相對傳統(tǒng)的磨礦設備所消耗的能量最低。如日本開發(fā)的立式塔式磨機、澳洲蒙苔艾薩礦山公司開發(fā)的艾薩磨機為代表的臥式攪拌磨機都是高效細磨技術的成功應用，在生產小于10μm的磨礦產品時，同常規(guī)球磨機相比可降低約50%～70%的能量[16-17]。通過研究礦石內部的礦物特征，引入選擇性解離技術可以有效降低破碎磨礦產品的功耗，防止鐵礦物顆粒過粉碎，惡化選別指標。例如利用以層壓破碎理論為基礎的高壓輥磨技術對礦石進行破碎，在破碎產品內部產生的微裂紋比傳統(tǒng)破碎方式所產生的微裂紋多5倍，極大地改善了礦物的選擇性解離狀態(tài)。

3.2 發(fā)展微細顆粒分選工藝技術、設備和藥劑

通過對不同微細粒在不同流場中的沉降及受力狀況分析結果可知，當粒度小于30μm以下時，由于粒度的減小，比表面積急劇增大，比表面能也急劇增大，使礦物表面特性的影響更加明顯，傳統(tǒng)的磁力、重力及和浮力將不再起主導作用，此時礦粒將受到各種表面力，如雙電層靜力作用、分子作用力等的影響，因此如何有效地分選微細顆粒已經成為選礦領域重點研究的問題[18-20]。張海軍等[21]采用逆流微泡浮選柱對微細粒磁鐵礦精礦進行了陽離子反浮選試驗研究，經一次粗選兩次掃選的開路流程試驗，將TFe品位由63.60%提高至70.95%。郭建斌[22]對東鞍山微細粒赤鐵礦進行了載體浮選試驗，結果表明：在最優(yōu)條件下可以實現-10μm赤鐵礦的回收率為90.76%，品位為64.21%。牛福生等[8]對宣龍式鮞狀赤鐵礦采用分散-選擇性絮凝-強磁選工藝流程進行選別，可最大程度實現3～9μm的脈石礦物分散，-30μm微細粒鐵礦物選擇性絮凝，在一次粗選一次掃選、磁感應強度1.5T的分選工藝條件下，最后取得了鐵精礦品位55.51%，回收率76.02%的技術指標。

3.3 創(chuàng)新選冶聯(lián)合流程，確定合理選礦界限

研究表明，高品位鐵精礦對降低冶煉成本、節(jié)能降耗具有重要意義，但并非起著不可替代作用，因此對于難選鐵礦的分選可以從選冶聯(lián)合的角度考慮，創(chuàng)新選冶聯(lián)合流程，確定合理選礦界限。 由于某難選赤鐵礦的嵌布粒度細、常規(guī)選礦難以對其有效地分選，針對這一情況，北京科技大學倪文[23]采用煤基直接還原-弱磁選工藝對此赤鐵礦進行了選別。 在溫度為1200℃、時間為120min的還原條件下，磨礦細度為-0.074mm 90%的原礦經弱磁選分離后，可以獲得品位為91.94%、回收率為95.85%的鐵精礦。 河北聯(lián)合大學劉淑賢等[24]對加拿大某貧細鮞狀赤鐵采用深度還原-弱磁選分選工藝進行了試驗研究，在溫度為1200℃、時間為120min、礦∶煤質量比為2的還原條件下對原礦進行深度還原，經過還原后的礦石再經一段磨礦兩段磁選后，可獲得TFe品位92.18%、回收率90.45%的金屬粒鐵。

4 結束語

1)宣龍式鮞狀赤鐵礦是我國北方一個最具代表性的外生鐵礦，礦物學研究表明，含鐵礦物和石英、綠簾石等脈石礦物結晶粒度不均勻，最細可以達到5μm，同時嵌布類型復雜，鮞狀赤鐵礦與脈石礦物呈層間同心環(huán)狀分布，環(huán)層之間為漸變過度，集合體內含鐵礦物和脈石礦物相互夾雜，造成礦物單體解離和相互分開困難。

2)宣龍式鮞狀赤鐵礦分選技術基本上處于實驗室研究階段，主要為強磁拋尾-浮選提鐵降硅技術、強磁拋尾-重選精選提鐵技術、磁化焙燒-弱磁-浮選技術。

3)強化超細磨和選擇性解離技術、發(fā)展微細顆粒分選工藝技術、設備和藥劑和創(chuàng)新選冶聯(lián)合流程，確定合理選礦界限是宣龍式鮞狀赤鐵礦選礦應注重發(fā)展趨勢，通過加強相關選礦技術研究，將會為突破此類難選鐵礦資源規(guī)模工業(yè)應用瓶頸提供支撐。

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Mineralogy characteristics and separation technology of Xuanlong-type oolitic hematite

NIU Fu-sheng1,2，ZHANG Jin-xia1,2，NIE Yi-miao1,2，LIU Shu-xian1,2，CHEN Miao1

(1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；2.Key Laboratory of Mineral Development and Security Technology of Hebei Province，Tangshan 063009，China)

Separation technology of Xuanlong-type oolitic hematite has been a technical problem in the world.The mineralogical characteristics study results of low grade(TFe<40%) PangJiaBao oolitic hematite show that the main iron mineral is hematite，and the gangue minerals mainly are quartz，epidote，chlorite and so on.Oolitic hematite ore and gangue minerals distribute as circular concentric layers.Because the iron mineral and gangue mineral are mixed in mineral aggregate，it is difficulty to achieve mineral liberation and separate the minerals.Strong magnetic separation-flotation separation，strong magnetic separation-gravity separation，magnetic roasting-low intensity magnetic separation-flotation separation are the main separation process of Xuanlong-type oolitic hematite，but there is no mature industrial application examples at present.Strengthening ultrafine grinding technology and selective dissociation technology，developing the micro particle separation process，equipment and agent，innovating the metallurgy and mineral associated process，and determining reasonable processing limit are the development tendency of Xuanlong-type oolitic hematite.It will provide support for industrial application of refractor iron ores by strengthening the processing technology research.

Xuanlong-type oolitic hematite；mineralogical characteristics；separation

2014-03-02

河北省自然基金項目資助(編號：E2011209015)；河北省高校百名優(yōu)秀創(chuàng)新人才計劃資助(2013～2016)

牛福生(1974-)，男，教授，主要從事復雜難選礦理論與技術研究。E-mail:niufusheng@126.com。

TD951

A

1004-4051(2015)06-0105-05