新疆某低品位釩鈦磁鐵礦鐵、鈦綜合回收試驗研究

馬東林，楊耀輝，鄧 建*，嚴偉平，王洪彬

（1.新疆八鋼礦業(yè)資源有限公司,新疆 烏魯木齊 830022；2.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所,四川 成都 610041；3.自然資源部戰(zhàn)略性礦產(chǎn)綜合利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心,四川 成都 610041；4.攀鋼集團礦業(yè)有限公司,四川 攀枝花 617000）

0 引言

釩鈦磁鐵礦是一種多金屬共伴生礦石，是目前鐵、鈦、釩的重要來源，通常還伴生有鈷、鎳、銅、鎵及鈧等多種具有經(jīng)濟價值的有益組分，綜合利用價值極高[1-4]。釩鈦磁鐵礦是我國乃至全球重要的戰(zhàn)略資源，不僅可以提供社會發(fā)展必不可少的鐵資源，同時還為航天航空等提供必須的釩、鈦戰(zhàn)略物資，釩鈦磁鐵礦的開發(fā)利用對社會的發(fā)展具有重要的意義[5-7]。礦產(chǎn)資源是不可再生資源，隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，我國對鐵、釩、鈦等礦產(chǎn)品的需求量也日益增加，釩鈦磁鐵礦產(chǎn)資源短缺的壓力越來越大，資源形勢日趨嚴峻[8]。尋找礦產(chǎn)資源接替區(qū)，提高低品位釩鈦磁鐵礦資源的開發(fā)利用技術(shù)水平，為經(jīng)濟社會的發(fā)展提供良好的資源保障具有十分重要的意義[9-10]。

新疆是全國礦產(chǎn)資源最為豐富的省區(qū)之一，是我國重要的礦產(chǎn)資源接替區(qū)，其釩鈦磁鐵礦資源儲量大，具備規(guī)?；_發(fā)利用條件，主要分布在喀什地區(qū)巴楚縣、克州、哈密地區(qū)，但大多為低品位釩鈦磁鐵礦（TFe 平均品位12%～18%），估算遠景資源量超過30 億t。新疆釩鈦磁鐵礦出現(xiàn)在含鐵質(zhì)較高的基性-超基性巖體中，屬于巖漿分異型礦床，礦石性質(zhì)與攀枝花釩鈦磁鐵礦相似。隨著我國鐵、鈦資源需求的增加，為新疆釩鈦磁鐵礦資源的開發(fā)創(chuàng)造了良好的發(fā)展機遇和廣闊的市場前景。但其開發(fā)利用中鐵含量未達到工業(yè)品位要求，選礦比大，資源開發(fā)水平不高，生產(chǎn)規(guī)模不穩(wěn)定，企業(yè)效益低等問題突出。若采用以往以鐵為主的開發(fā)利用方案，不僅選礦成本高且效益低，也不符合資源集約節(jié)約利用的發(fā)展要求[11-12]。對該礦的合理開發(fā)必須進行多種有益元素的綜合利用，如何加強新疆釩鈦磁鐵礦資源的選礦綜合利用水平是該礦開發(fā)利用的關(guān)鍵問題。

筆者通過對新疆某低品位釩鈦磁鐵礦礦石性質(zhì)的深入分析，針對性開展了鐵、鈦綜合回收利用方案的研究，實現(xiàn)了該低品位礦中鐵、鈦資源的有效綜合回收，獲得了適宜的工藝流程及技術(shù)條件，選礦指標良好，為該類地區(qū)低品位釩鈦磁鐵礦的鐵、鈦資源回收提供了可靠的技術(shù)參考。

1 礦石性質(zhì)

1.1 樣品化學(xué)分析

研究共計采取該地區(qū)17 t 礦樣，通過破碎、篩分、混勻制得了該地區(qū)低品位釩鈦磁鐵礦典型試驗礦樣，并對其開展樣品分析與試驗研究。

針對試驗原礦樣進行了化學(xué)多項分析，結(jié)果見表1。結(jié)果顯示，該礦石中的主要有價元素為鐵和鈦，其TFe 品位17.40%、TiO2品位7.78%，V2O5品位0.154%。礦石中SiO2、Al2O3、CaO、MgO 的含量總計為64.05%，礦石中鋁硅酸鹽類礦物含量非常高，屬于低品位鈦磁鐵礦礦石。

表1 試驗原礦化學(xué)多項分析結(jié)果Table 1 Chemical multiple analysis results of the test raw ore %

表2 原礦鐵化學(xué)物相分析結(jié)果Table 2 Chemical phase analysis results of raw iron ore %

表3 原礦鈦化學(xué)物相分析結(jié)果Table 3 Chemical phase analysis results of raw titanium ore %

1.2 樣品礦物組成與含量

通過光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡等分析測試手段，對礦石中的礦物進行了鑒定，測得其礦物組成及含量，結(jié)果如圖1、表1～3 所示。

圖1 原礦礦物組成與分布情況Fig.1 Components and minerals distribution of raw ore minerals

鐵化學(xué)物相分析結(jié)果表明，礦石中的鐵主要分布于鈦磁鐵礦中，占鐵總量的56.79%，其它類型鐵礦物含量過低，不具備開發(fā)利用價值。

鈦化學(xué)物相分析結(jié)果表明，鈦的賦存相對集中，分布于鈦鐵礦中的TiO2占總量的55.48%。部分進入鈦磁鐵礦主晶晶格；少部分分布于脈石中的TiO2進入輝石等晶格，構(gòu)成類質(zhì)同像的鈦。

礦石中主要金屬礦物為鈦磁鐵礦、鈦鐵礦，占比分別為18.39%和7.90%；脈石類約占73.51%，其中主要為普通輝石，礦物量約占60%，普通角閃石、礦物量約占3%，云母、礦物量約占1%等；礦石中硫化物含量較低，難以作為單獨產(chǎn)品利用。

1.3 樣品礦物粒度分布

礦樣中鈦磁鐵礦及鈦鐵礦粒度統(tǒng)計結(jié)果見表4?？梢?，礦石中鈦磁鐵礦顆粒整體較粗，但鈦磁鐵礦顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多數(shù)存在固溶體礦物鎂鋁尖晶石，部分鈦磁鐵礦中還有鈦鐵礦片晶存在，部分鈦磁鐵礦顆粒赤鐵礦化，有些顆粒嚴重赤鐵礦化。表面上看似鈦磁鐵礦顆粒粗大，但實際因為固溶體存在而使粗磨鐵精礦品位不高。除鈦磁鐵礦中微細片晶形式存在的鈦鐵礦較細外，鈦鐵礦顆?？傮w較粗。呈片晶形式嵌布的鈦鐵礦要想盡可能地回收需深度細磨，使其從鈦磁鐵礦中解離出來，部分即使細磨也難解離。

表4 鈦磁鐵礦粒度統(tǒng)計Table 4 Particle size statistics of titanium magnetite

1.4 開發(fā)設(shè)想與試驗方案

由礦石性質(zhì)分析可以看出，礦石中主要回收的目標元素為 Fe、Ti，但該釩鈦磁鐵礦礦樣鐵、鈦品位均較低，雖然粒度整體較粗，但顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，獲得較高品位精礦的難度較大?？紤]到有用礦物整體粒度較粗、品位較低等因素，故采用先選鐵再選鈦、階段磨礦階段選鐵、強磁預(yù)富集-浮選選鈦工藝開展 Fe、Ti 回收實驗室可行性研究。其中，弱磁選鐵采用滾筒式弱磁選機，強磁預(yù)富集采用立環(huán)高梯度強磁選機（SSS-Ⅰ-500），浮選采用掛槽式浮選機（XFG），浮選藥劑為捕收劑MOH、柴油，調(diào)整劑為硫酸、草酸、硅酸鈉、纖維素（CMC）。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 階段磨礦階段選鐵試驗

根據(jù)原礦化學(xué)多項分析、鐵化學(xué)物相分析和礦物分析結(jié)果可知，原礦TFe 含量低，僅17.40%，為低品位釩鈦磁鐵礦。在中低品位礦石開采利用過程中，采用階段磨選工藝，可有效節(jié)約能耗，降低生產(chǎn)成本。

1）一段磨選試驗

一段磨礦細度試驗結(jié)果如圖2 所示，表明隨著磨礦細度降低，一段磁選精礦回收率逐漸降低，TFe品位逐漸升高。綜合考慮一段磁選精礦TFe 品位與回收率之間的關(guān)系及階磨階選工藝的基本思路，一段磁選的磨礦細度以-0.075 mm 含量35%左右為宜。

圖2 一段磨礦細度試驗結(jié)果Fig.2 Results of grinding fineness test for the first section

在磨礦細度-0.075 mm 含量35%左右的條件下，改變濕式弱磁選機的磁場強度進行磁選磁場強度條件試驗，確定該礦石磁選的最佳場強，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 一段弱磁選磁場強度試驗結(jié)果Fig.3 Results of magnetic field intensity test for the first weak magnetic separation

由圖3 可知，隨著磁場強度增強，一段磁選精礦TFe 品位逐漸降低，TFe 回收率呈逐漸升高趨勢。當磁場強度達到102.5 kA/m 后，選礦技術(shù)指標變化幅度極小，因此，一段磁選磁場強度大小以102.5 kA/m 為宜。

2）選鐵二段磨選試驗

為了進一步提高鐵精礦品位，降低鐵精礦含鈦量及其他雜質(zhì)含量，獲得較高質(zhì)量的鐵精礦產(chǎn)品，對一段磁選獲得的鐵粗精礦進行了二段磨礦磁選試驗，結(jié)果見圖4。

圖4 二段弱磁選磨礦細度試驗結(jié)果Fig.4 Results of grinding fineness test for the second stage weak magnetic separation

從圖4 可以看出，隨著磨礦細度逐漸升高，二段磁選精礦TFe 品位逐漸升高，鐵精礦TFe 回收率呈逐漸降低趨勢。綜合考慮鐵精礦TFe 品位與回收率之間的關(guān)系，二段磨礦細度以-0.075 mm 含量85%左右為宜。

在二段磨礦細度為-0.075 mm 含量85%的條件下，改變濕式弱磁選機的磁場強度進行磁選磁場強度條件試驗，確定該礦石磁選的最佳場強，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 二段弱磁選磁場強度試驗結(jié)果Fig.5 Test results of magnetic field strength for the second weak magnetic separation

由圖5 的結(jié)果可知，隨著磁場強度增強，二段磁選精礦TFe 品位逐漸升高后趨于穩(wěn)定，鐵精礦TFe回收率呈逐漸升高趨勢，但整體變化幅度較小。當磁場強度達到59.7 kA/m 后，選礦技術(shù)指標變化幅度極小，為了更好保證試驗結(jié)果的穩(wěn)定性，二段磁選磁場強度大小選擇75.8 kA/m。

3）階磨階選選鐵全流程試驗

針對試驗原礦進行階磨階選回收鐵全流程(圖6)試驗研究，結(jié)果表明，一段磨礦細度-0.075 mm含量35%，磁場強度102.5 kA/m；二段磨礦細度-0.075 mm 含量85%，磁場強度75.8 kA/m，可獲得鐵精礦產(chǎn)率16.43%，TFe 品位57.08%，TFe 回收率53.24%的指標。

圖6 階磨階選選鐵全流程試驗Fig.6 Full process test of step grinding and iron selection

2.2 選鈦試驗

對該礦石采用強磁-浮選流程選鈦，選鈦的物料是選鐵尾礦，選鐵尾礦由一段弱磁尾礦和二段弱磁尾礦組成。其中測得一段弱磁尾礦TiO2品位6.65%，其必須經(jīng)過強磁選，大量拋出尾礦以獲得合格的入浮物料；測得二段磁選尾礦中TiO2品位為16.71%，二段磁選尾礦TiO2品位較高，可以經(jīng)過弱磁掃鐵后不經(jīng)過強磁直接作為選鈦入浮物料。

2.2.1 選鐵強磁預(yù)富集試驗

一段磁選尾礦品位為TFe 9.38%、TiO26.64%，對其進行強磁選試驗，考察尾礦中鈦回收的最佳條件，試驗設(shè)備為SSS-Ⅰ-500 型立環(huán)高梯度磁選機，轉(zhuǎn)環(huán)速度30 Hz，脈動沖次75 Hz，改變磁場強度大小，以確定預(yù)富集的最佳磁選強度。

試驗結(jié)果(圖7)表明，隨著磁場強度升高，TiO2品位逐漸降低，TiO2回收率逐漸升高，總體來看，一段強磁精礦TiO2含量提高幅度有限。一段強磁以保證TiO2回收率為主。綜合考慮品位和回收率，選擇一段強磁磁場強度為398.0 kA/m。一段強磁精礦TiO2品位不高，需要進行二段強磁精選提高浮鈦入浮物料品位，但是從一段強磁試驗結(jié)果看出，即使磁場強度低至238.8 kA/m，強磁精礦TiO2含量也只能從6.40%升至10.96%，為了提高二段強磁精礦TiO2含量，對一段強磁精礦進行了再次磨礦。

圖7 一段強磁磁場強度試驗結(jié)果Fig.7 Test results of strong magnetic field intensity for the first section

將一段強磁精礦再磨至-0.075 mm 占80%，進行二段強磁試驗，轉(zhuǎn)環(huán)速度30 Hz，脈動沖次75 Hz，改變磁場強度大小，以確定二段磁選的最佳磁選強度。由試驗結(jié)果（圖8）可知，一段強磁精礦再磨后經(jīng)過二段強磁，二段強磁精礦TiO2含量可以從10.00%提升至16.70%，隨著磁場強度升高，TiO2品位逐漸降低，TiO2回收率逐漸升高，二段強磁可以得到較高TiO2品位的強磁精礦，綜合考慮，選擇磁場強度398.0 kA/m。

圖8 二段強磁磁場強度試驗結(jié)果Fig.8 Test results of strong magnetic field strength for the second stage

采用確定的強磁條件對一段選鐵尾礦進行了強磁預(yù)富集試驗，將二段選鐵尾礦與一段選鐵尾礦預(yù)富集產(chǎn)品混合，制取了浮選入料，試驗流程如圖9 所示。最終獲得產(chǎn)率23.35%，TiO2品位16.30%，回收率50.22%的鈦鐵礦入浮物料產(chǎn)品，針對入浮物料產(chǎn)品開展鈦浮選條件優(yōu)化試驗。

圖9 選鐵尾礦預(yù)富集流程Fig.9 Preconcentration flow chart of iron tailings

2.2.2 浮選選鈦條件試驗研究

1）捕收劑用量試驗

鈦鐵礦常用的捕收劑為脂肪酸類、含磷類、含砷類、羥肟酸類等，在實際應(yīng)用中，單一捕收劑往往不能達到理想的選別效果，利用兩種或多種藥劑組合的協(xié)同效應(yīng)可達到更優(yōu)選別效果。生產(chǎn)上應(yīng)用較為成功的組合類捕收劑有MOH、F968、XT 等。本研究采用MOH 作為選鈦捕收劑，采用脫硫-一次粗選的傳統(tǒng)選鈦流程以確定適宜的捕收劑用量，試驗結(jié)果如圖10 所示。

圖10 捕收劑用量試驗結(jié)果Fig.10 Test results of the dosage of floating collector

由試驗結(jié)果可知，隨著捕收劑用量的增加，鈦粗精礦TiO2回收率呈明顯上升趨勢，TiO2品位呈下降趨勢。權(quán)衡精礦TiO2品位和回收率，捕收劑用量以2 300 g/t 為宜。

2）柴油用量試驗

在鈦鐵礦的浮選中，常用中性油作為輔助捕收劑。本研究采用常用的柴油作為浮選選鈦輔助捕收劑，開展柴油用量試驗，同樣采用脫硫-粗選流程，試驗結(jié)果如圖11 所示。

圖11 柴油用量試驗結(jié)果Fig.11 Test results of diesel Fuel dosage

試驗結(jié)果表明，隨著柴油用量的增加，鈦粗精礦的產(chǎn)率呈下降趨勢，精礦TiO2品位呈升高趨勢后趨于穩(wěn)定，TiO2回收率先上升后下降。從試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，添加適量的柴油，對粗粒鈦鐵礦的上浮有一定的幫助，但是柴油用量過大，泡沫層變薄，泡沫發(fā)空，鈦鐵礦回收率下降，權(quán)衡粗精礦TiO2品位和回收率，柴油用量以120 g/t 為宜。

3）硫酸用量試驗

在浮選中，pH 值是影響礦物表面電性和藥劑活性的重要因素，礦漿的酸堿度對浮選鈦鐵礦有很大影響。采用硫酸做pH 值調(diào)整劑，一方面有利于除去鈦鐵礦表面的氧化膜，使Fe2+變成Fe3+，活化鈦鐵礦浮選；另一方面可清洗粘附于鈦鐵礦表面的礦泥，達到脫泥效果。試驗采用脫硫-粗選的浮選流程，確定適宜的硫酸用量，試驗結(jié)果如圖12 所示。

圖12 硫酸用量試驗結(jié)果Fig.12 Test results of sulfuric acid dosage

試驗結(jié)果表明，隨著硫酸用量的增加，鈦粗精礦的產(chǎn)率及TiO2回收率呈下降趨勢，TiO2品位呈上升趨勢。當硫酸用量超過2 000 g/t 后，鈦粗精礦TiO2回收率下降較多。綜合考慮，選擇硫酸用量為2 000 g/t。

4）草酸用量試驗

為強化礦物之間的表面性質(zhì)差異，通過添加效果好、高選擇性作用的調(diào)整劑來實現(xiàn)，在鈦鐵礦浮選中除用硫酸調(diào)整pH 值外，常用硅酸鈉、草酸等抑制硅酸鹽礦物，試驗采用脫硫-粗選的浮選流程，確定草酸用量，試驗結(jié)果如圖13 所示。

圖13 草酸用量試驗結(jié)果Fig.13 Test results of oxalic acid dosage

隨著草酸用量的增加，鈦粗精礦的產(chǎn)率及TiO2回收率呈下降趨勢，TiO2品位呈上升趨勢。當草酸用量超過600 g/t 后，尾礦TiO2含量相對較高，權(quán)衡粗精礦TiO2品位和回收率，草酸用量以600 g/t 為宜。

5）硅酸鈉用量試驗

試驗采用脫硫-粗選的浮選流程，確定硅酸鈉用量，試驗結(jié)果如圖14 所示。

圖14 硅酸鈉用量試驗結(jié)果Fig.14 Test results of sodium metasilicate dosage

由圖14 試驗結(jié)果可知，隨著硅酸鈉用量的增加，鈦粗精礦TiO2回收率呈上升趨勢，TiO2品位呈下降趨勢。綜合考慮，硅酸鈉用量以2 000 g/t 為宜。

6）纖維素用量試驗

在浮選鈦精選條件的基礎(chǔ)上，采用硫酸作為調(diào)整劑，可以獲得較高品位的鈦精礦，但是回收率較低，為了進一步的考察藥劑選擇的合理性，對試驗進行探索，考察回收率的上升空間。在閉路試驗中，發(fā)現(xiàn)隨著中礦不斷返回，一部分細泥不斷循環(huán)累計，對浮選效果造成了較大影響，考慮在粗選添加纖維素（CMC），希望提高粗選精礦TiO2含量，降低細泥的上浮量，試驗結(jié)果如圖15 所示。

圖15 纖維素用量試驗結(jié)果Fig.15 Test results of cellulose dosage

試驗結(jié)果表明，添加一定的纖維素，粗精礦TiO2品位大幅提高，從試驗現(xiàn)象也可以看出，添加纖維素后，泡沫清爽，含泥量降低，同時，纖維素的用量不宜過大，綜合考慮粗精礦TiO2的品位和回收率，選擇CMC 用量80 g/t。

7）閉路試驗研究

在條件試驗的基礎(chǔ)上，開展了開路試驗探索研究，最終確定了脫硫-一粗二掃五次精選的工藝流程，并針對入浮物料樣品進行了閉路試驗研究，流程及條件如圖16 所示。試驗結(jié)果表明，入浮物料通過閉路浮選可獲得浮選作業(yè)產(chǎn)率25.60%、TiO2品位48.02%、作業(yè)回收率75.62%鈦精礦產(chǎn)品。

圖16 浮選選鈦閉路試驗流程及條件Fig.16 Closed circuit test flow and conditions for titanium flotation

3 結(jié)論

1) 研究原礦礦石金屬礦物含量不高，TFe 品位17.40%、TiO27.78%，屬于低品位釩鈦磁鐵礦。鐵、鈦物相分析顯示，磁性鐵占全鐵的56.79%，鈦鐵礦中TiO2占總量的55.48%，這是鐵鈦回收的主要礦物賦存形式。礦石中主要金屬礦物為鈦磁鐵礦、鈦鐵礦，主要脈石礦物為普通輝石、普通角閃石、云母等。鈦磁鐵礦和鈦鐵礦的礦物含量分別為18.39%和7.90%，脈石類約占73.51%。

2) 采用階段磨選工藝流程進行磁選選鐵，可獲得TFe 品位為57.08%、TiO2含量為10.91%，TFe回收率53.24%的鐵精礦產(chǎn)品。

3) 對選鐵尾礦進行強磁預(yù)富集可獲得產(chǎn)率23.35%，TiO2品位16.30%，回收率50.22%的鈦鐵礦入浮物料產(chǎn)品。浮選選鈦調(diào)整劑采用硫酸和草酸、硅酸鈉、纖維素配合，以MOH 作為浮鈦捕收劑并配合柴油，以脫硫-一粗二掃五次精選的工藝流程獲得TiO2品位48.02%、TiO2浮選作業(yè)回收率為75.62%的鈦精礦產(chǎn)品。

針對新疆某低品位釩鈦磁鐵礦，本研究根據(jù)其礦石性質(zhì)，開發(fā)了原礦破碎-階磨階選回收鐵-強磁預(yù)富集+浮選回收鈦的鐵、鈦綜合回收技術(shù)工藝流程，獲得了較好的試驗指標，為該地區(qū)低品位釩鈦磁鐵礦的鐵、鈦資源回收提供了技術(shù)參考。