山東某鐵礦石工藝礦物學(xué)研究

房啟家 張 強(qiáng) 孫永峰

(1.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東 淄博 255000;2.山東鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司,山東 濟(jì)南 250101;3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819)

對礦石進(jìn)行工藝礦物學(xué)分析可以了解礦石中元素的賦存狀態(tài)、礦物組成及共生關(guān)系,對礦石的有效分選具有重要意義。鐵礦石是提取金屬鐵的主要來源,中國鐵礦石儲量位居世界第四,但僅占世界總儲量的8%左右[1-4]。中國鐵礦石資源稟賦差,每年需要大量進(jìn)口以滿足國內(nèi)鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)需求[5-6]。從長遠(yuǎn)來看,鐵礦石對外依存度過高是對中國經(jīng)濟(jì)健康運(yùn)行的嚴(yán)重威脅,綜合考慮,進(jìn)一步開發(fā)國內(nèi)低品位鐵礦石資源勢在必行。

山東某地鐵礦資源儲量豐富,全鐵品位為21.64%～27.80%,平均鐵品位為23.99%,擁有很高的開采價值[7]。礦石中主要鐵礦物為磁鐵礦,主要的脈石礦物為石英和普通角閃石[7]。礦石結(jié)構(gòu)致密,有用礦物嵌布粒度細(xì),選別困難。為開發(fā)該鐵礦石,通過化學(xué)成分分析、X射線衍射分析、鐵物相分析和光學(xué)顯微鏡等探究了該礦石的工藝礦物學(xué)特征,從而為其開發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)。

1 礦石物質(zhì)組成分析

1.1 化學(xué)成分分析

礦石的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。

表1 礦石化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Chemical composition analysis results of the ore%

從表1可以看出:鐵是礦石中的主要有價元素,TFe品位僅為27.18%;有害元素S和P的含量不高,主要雜質(zhì) CaO、MgO、SiO2和 Al2O3的含量分別為3.31%、2.40%、51.44%和3.41%。由m(CaO+MgO)∶m(SiO2+Al2O3)=0.10可知礦石屬于酸性礦石。

1.2 礦物組成分析

采用光學(xué)顯微鏡對礦石進(jìn)行觀察,確定礦石的礦物組成及含量,結(jié)果如表2所示。

表2 礦石礦物組成及其含量Table 2 Mineral composition and content of the ore

從表2可以看出∶礦石中主要有用鐵礦物為磁鐵礦,含量為22.96%;主要脈石礦物為石英、角閃石和云母,含量分別為29.65%、27.29%和10.58%;其余礦物含量較低。

1.3 鐵物相分析

為了解礦石中鐵礦物的物相組成,對礦石進(jìn)行了鐵物相分析,結(jié)果如表3所示。

表3 礦石鐵物相分析結(jié)果Table 3 Iron phase analysis results of the ore %

從表3可以看出:礦石中的鐵礦物主要為磁鐵礦,分布率為 60.69%;二是硅酸鐵,分布率為30.03%,然而,硅酸鐵難以回收利用;其他鐵礦物含量較少。因此,礦石中磁鐵礦是主要回收礦物。

2 礦石結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

2.1 礦石構(gòu)造

礦石主要有4種構(gòu)造,如圖1所示。

圖1 礦石主要構(gòu)造Fig.1 Main structure of the ore

礦石中磁鐵礦以集合體形式產(chǎn)出,形成塊狀構(gòu)造。磁鐵礦與石英交互組成層狀構(gòu)造。脈石礦物與鐵礦物交互組成條帶狀構(gòu)造。脈石礦物呈細(xì)脈狀充填于鐵礦物中形成網(wǎng)脈狀構(gòu)造。

2.2 礦石結(jié)構(gòu)

礦石中礦物顆粒的結(jié)構(gòu)影響著礦物的解離和選別[8]。采用顯微鏡對礦石進(jìn)行鏡下觀察,礦石主要有以下幾種結(jié)構(gòu)。

粒狀結(jié)構(gòu):磁鐵礦呈自形、半自形粒狀及他形粒狀嵌布。褐鐵礦、石英、磁黃鐵礦、輝石和石榴子石呈不規(guī)則細(xì)粒狀嵌布。黃鐵礦呈自形、半自形粒狀或他形粒狀嵌布。碳酸鹽呈自形晶粒狀嵌布。

浸染狀結(jié)構(gòu):部分磁鐵礦和赤鐵礦呈細(xì)粒、微細(xì)粒浸染狀嵌布在脈石中。

交代結(jié)構(gòu):磁鐵礦被赤鐵礦交代,形成假象或半假象赤鐵礦。

包含結(jié)構(gòu):石英呈粒狀集合體形成斑狀,斑晶中包裹細(xì)粒鐵礦物。碳酸鹽呈不規(guī)則粒狀集合體嵌布,其中包裹細(xì)粒鐵礦物和石英。

層狀結(jié)構(gòu):石英呈粒狀集合體形成脈狀,與碳酸鹽和鐵礦物互層嵌布。

纖維狀結(jié)構(gòu):角閃石呈纖維狀集合體嵌布。

片狀、鱗片狀結(jié)構(gòu):角閃石呈片狀集合體嵌布,并與鐵礦物緊密共生。黑云母呈鱗片狀集合體嵌布,并與鐵礦物、石英緊密共生。

3 礦石中主要礦物嵌布特征及共生關(guān)系

3.1 主要含鐵礦物

3.1.1 磁鐵礦

磁鐵礦為礦石中主要的有用鐵礦物,主要有圖2所示的4種產(chǎn)出形式。磁鐵礦主要呈自形、半自形粒狀嵌布于脈石礦物中(圖2(a)),其中部分磁鐵礦結(jié)晶粒度較細(xì),呈浸染狀嵌布于脈石礦物中,粒度主要分布在50μm以下。部分磁鐵礦呈不規(guī)則他形粒狀與脈石礦物共生嵌布(圖2(b))。部分磁鐵礦呈細(xì)粒、微細(xì)粒浸染狀嵌布于脈石礦物中,粒度主要分布在10μm以下(圖2(c))。少量磁鐵礦被赤鐵礦交代,形成假象或半假象礦赤鐵礦,具交代結(jié)構(gòu)(圖2(d))。

圖2 磁鐵礦嵌布特征Fig.2 Dissemination characteristics of magnetite

3.1.2 赤鐵礦

礦石中赤鐵礦含量較少,嵌布粒度較細(xì),主要分布在20μm以下。赤鐵礦主要交代磁鐵礦,形成假象或半假象赤鐵礦,呈不規(guī)則粒狀嵌布(圖2(d)和圖3(a)),赤鐵礦仍保留了磁鐵礦晶形特征,并且在空間分布上與磁鐵礦關(guān)系密切。還有部分赤鐵礦呈細(xì)粒、微細(xì)粒浸染狀嵌布于脈石礦物中(圖3(b))。

圖3 赤鐵礦嵌布特征Fig.3 Dissemination characteristics of hematite

3.1.3 黃鐵礦

黃鐵礦為礦石中主要的硫化物,含量較低,而且嵌布粒度較細(xì),主要分布在20μm以下。黃鐵礦主要呈網(wǎng)眼狀嵌布,網(wǎng)眼中充填細(xì)粒脈石礦物,具網(wǎng)眼狀結(jié)構(gòu)(圖4(a))。部分黃鐵礦呈自形、半自形粒狀或他形粒狀嵌布,具粒狀結(jié)構(gòu)(圖4(b)),少量黃鐵礦呈細(xì)脈狀穿插于赤鐵礦和脈石礦物中,具脈狀結(jié)構(gòu)(圖4(c))。

圖4 黃鐵礦嵌布特征Fig.4 Dissemination characteristics of pyrite

3.2 主要脈石礦物

3.2.1 石 英

石英是礦石中主要的脈石礦物,也是含量最高的礦物。石英主要呈粒狀集合體形成斑狀,斑晶中包裹細(xì)粒鐵礦物(圖5(a))。部分石英呈不規(guī)則粒狀與鐵礦物、角閃石共生嵌布(圖5(b))。部分石英呈不規(guī)則粒狀集合體嵌布,與碳酸鹽礦物緊密共生(圖5(c))。少量石英呈粒狀集合體形成脈狀,與碳酸鹽和鐵礦物互層嵌布(圖5(d))。

圖5 石英嵌布特征Fig.5 Dissemination characteristics of quartz

3.2.2 角閃石

角閃石是礦石中主要的硅酸鹽礦物,以鐵閃石為主,另有少量鎂鐵閃石和普通角閃石。角閃石主要呈纖維狀集合體嵌布(圖6(a))。部分角閃石呈片狀集合體嵌布,并與鐵礦物緊密共生(圖6(b))。少量角閃石呈柱狀集合體與石英、鐵礦物共生嵌布(圖6(c))。

圖6 角閃石嵌布特征Fig.6 Dissemination characteristics of amphibole

3.2.3 云 母

礦石中的云母主要為黑云母,一般呈鱗片狀集合體嵌布,并與鐵礦物、石英緊密共生(圖7)。另外少量黑云母發(fā)生綠泥石化,兩者共生嵌布。

圖7 云母嵌布特征Fig.7 Dissemination characteristics of mica

3.2.4 碳酸鹽

礦石中的碳酸鹽礦物主要為白云石、菱鐵礦。碳酸鹽主要呈不規(guī)則粒狀集合體嵌布,集合體中包裹細(xì)粒鐵礦物和石英(圖8(a)),其中菱鐵礦一般呈粒狀集合體嵌布,并與石英、鐵礦物緊密共生(圖8(b))。部分碳酸鹽呈自形晶粒狀嵌布,具粒狀結(jié)構(gòu)(圖8(c))。

圖8 碳酸鹽嵌布特征Fig.8 Dissemination characteristics of carbonate

4 主要礦物工藝粒度及解離度分析

對礦石中的主要有用鐵礦物磁鐵礦以及主要脈石礦物石英、角閃石和云母進(jìn)行工藝粒度分析,詳見表4。結(jié)果表明:有用鐵礦物磁鐵礦結(jié)晶粒度總體較細(xì),主要分布在-0.07 mm,分布率為65.07%。主要脈石礦物石英的結(jié)晶粒度相對較粗,主要分布在+0.07 mm,分布率為62.33%,主要硅酸鹽礦物角閃石、云母的結(jié)晶粒度也較粗,主要分布在+0.07 mm,分布率為67.51%。

表4 主要礦物工藝粒度分析結(jié)果Table 4 The analysis results of process particle size of the main minerals

基于有用礦物和脈石礦物在粒度分布上的差異,可以通過干式磁選預(yù)先脫除粒度較粗的脈石[9]。采用干式磁選對礦石進(jìn)行預(yù)先拋尾后,對預(yù)選精礦不同磨礦細(xì)度產(chǎn)品中磁鐵礦和脈石礦物的解離度進(jìn)行了測定,分析結(jié)果見表5。

表5 預(yù)選精礦不同磨礦細(xì)度產(chǎn)品解離度分析結(jié)果Table 5 Liberation degree analysis results of products with different grinding fineness of preconcentration concentrate

表5表明,在相同的磨礦細(xì)度下,脈石礦物的單體解離度明顯高于磁鐵礦,當(dāng)一段磨礦-0.076 mm含量為85%時,磁鐵礦的解離度僅有76.25%,而＞3/4的富連生體還有16.04%,與脈石解離較差,因此需要進(jìn)行二段磨礦,這有利于磁鐵礦的解離。

5 選礦工藝推薦

由主要礦物工藝粒度分析可知,應(yīng)采用干式磁選對其預(yù)先拋尾,同時考慮盡可能提高預(yù)選拋尾量,減少細(xì)粒濕尾的采空區(qū)充填量并簡化工藝流程,可使用高壓輥磨和濕式磁選進(jìn)一步拋除尾礦,從而獲得預(yù)選精礦[10-11]。為提高磁鐵礦的解離度,提高選別效果,推薦使用兩段磨礦,進(jìn)行階段磨礦階段選別[12]。經(jīng)過磨礦后,采用弱磁選進(jìn)行粗選,然后使用磁選柱精選,并對磁選中礦進(jìn)行再磨再選[13-14]。為簡化工藝流程,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,推薦“常規(guī)破碎—干式磁選—高壓輥磨—濕式磁選預(yù)選—兩段階段磨礦—弱磁選—磁選柱精選—中礦再磨再選”作為該鐵礦石的選礦原則工藝流程。

6 結(jié) 論

(1)山東某鐵礦石全鐵品位為27.18%,有害元素S和P的含量較低。鐵礦物主要為磁鐵礦,分布率為60.69%,其次是硅酸鐵,分布率為30.03%。主要脈石礦物為石英、角閃石和云母。

(2)礦石中磁鐵礦結(jié)晶粒度總體較細(xì),主要呈自形、半自形粒狀嵌布于脈石礦物中,其中部分磁鐵礦結(jié)晶粒度較細(xì),呈浸染狀嵌布于脈石礦物中。主要脈石礦物石英、角閃石和云母的結(jié)晶粒度相對較粗。脈石礦物結(jié)晶粒度普遍大于鐵礦物,這種粒度上的差異有利于在選礦流程中采用階段磨選粗粒拋尾工藝。

(3)根據(jù)工藝礦物學(xué)分析,結(jié)合低品位鐵礦石選礦技術(shù)的發(fā)展,以簡化工藝流程和節(jié)能減排為目標(biāo),推薦“常規(guī)破碎—干式磁選—高壓輥磨—濕式磁選預(yù)選—兩段階段磨礦—弱磁選—磁選柱精選—中礦再磨再選”的選礦原則工藝流程。