河南某鮞狀赤鐵礦石工藝礦物學(xué)研究

喬江暉 杜曉冉 宋翔宇 朱春華

(1.中國國土資源經(jīng)濟(jì)研究院，北京101149;2.河南省巖石礦物測試中心，河南 鄭州450012;3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083;4.中國地質(zhì)調(diào)查局，北京100037)

鐵是世界上發(fā)現(xiàn)最早，用量最大的一種金屬，鐵礦石是鋼鐵冶煉的主要原料［1］。我國鐵礦石查明資源量60%以上分布在遼寧、四川、河北、內(nèi)蒙古和山東5 省。2014 年我國鐵礦石產(chǎn)量為15 億t，占世界總產(chǎn)量的46.58%［2］。2007 年以來，我國鐵礦石對外依存度逐年增加，由2007 年的57.5%提高到2014 年的69.68%。加強(qiáng)鐵礦石工藝礦物學(xué)研究［3-4］，對提高鐵礦資源開發(fā)利用效率具有重要意義。為給河南澠池某沉積型鮞狀赤鐵礦石的開發(fā)利用工藝研究提供指導(dǎo)，對有代表性礦石進(jìn)行了工藝礦物學(xué)研究。

1 礦石物質(zhì)組成

1.1 礦石化學(xué)多元素分析

礦石中的金屬礦物主要為赤鐵礦，磁鐵礦等少量，非金屬礦物主要有伊利石、菱磷鋁鍶釩，石英和綠泥石等少量。礦石化學(xué)多元素分析結(jié)果見表1。

由表1 可知:礦石中全鐵含量達(dá)52.50%，雜質(zhì)元素主要為硅和鋁，有害元素磷含量較高。

表1 礦石化學(xué)多元素分析結(jié)果Table 1 Multielement analysis result of the ore %

對礦石進(jìn)行礦物組成分析和X 射線衍射分析，結(jié)果分別見表2 和圖1。

表2 礦石主要礦物含量分析結(jié)果Table 2 Main minerals composition analysis of the ore %

圖1 礦石X 射線衍射分析結(jié)果Fig.1 X-ray diffraction atlas of the ore

由表2 和圖1 可知:礦石中主要有用金屬礦物為赤鐵礦，脈石礦物主要為伊利石和菱磷鋁鍶釩。

2 礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造

2.1 礦石結(jié)構(gòu)

(1)鮞狀結(jié)構(gòu)。細(xì)粒或隱晶狀赤鐵礦集合體與脈石礦物呈橢圓狀的包復(fù)顆粒，由核心和同心狀外殼聚集形成鮞狀結(jié)構(gòu)(見圖2(a))，礦石中部分鮞粒直徑大于2 mm，呈豆粒狀。

(2)鱗片狀結(jié)構(gòu)。部分赤鐵礦呈細(xì)長鱗片狀，似針狀，稍有聚集不均勻分布(見圖2(b))。

(3)包含、聚粒狀結(jié)構(gòu)。部分伊利石包裹細(xì)?；蚣?xì)長鱗片狀赤鐵礦，部分菱磷鋁鍶礬包裹有細(xì)粒赤鐵礦，偶見赤鐵礦包裹細(xì)粒石英、黃銅礦，赤鐵礦常數(shù)粒、甚至幾十粒聚集成不規(guī)則狀集合體，少部分聚集成束狀、毛發(fā)狀、交織狀集合體。

(4)砂狀結(jié)構(gòu)。部分脈石礦物呈砂屑不均勻分布，赤鐵礦和伊利石為砂屑間的膠結(jié)物。

(5)他形粒狀結(jié)構(gòu)。赤鐵礦呈他形粒狀單體或集合體不均勻分布，局部形成基底式膠結(jié)類型，少量呈孔隙－基底式膠結(jié)類型或基底－孔隙式膠結(jié)類型。

(6)膠狀結(jié)構(gòu)。非晶質(zhì)的赤鐵礦膠結(jié)物聚集呈皮殼狀圍繞核部周圍生長(見圖2(c))。

(7)隱晶狀結(jié)構(gòu)。部分赤鐵礦顆粒細(xì)小，顆粒邊界不清，呈團(tuán)狀聚集不均勻分布。

2.2 礦石構(gòu)造

(1)塊狀構(gòu)造。赤鐵礦局部聚集，在部分光片中含量＞60%，其余脈石礦物含量較低，形成致密塊狀構(gòu)造。

(2)稠密浸染狀構(gòu)造。部分光片中赤鐵礦含量＜50%，其呈膠結(jié)物形式分布于脈石礦物之間。

研究發(fā)現(xiàn)，肉品風(fēng)味的形成中脂類物質(zhì)起到了十分重要的作用。它既能在加熱過程中降解產(chǎn)生醛、酮、酸等具有良好風(fēng)味特征的小分子化合物，又能參與美拉德反應(yīng)，進(jìn)一步產(chǎn)生肉類獨特的風(fēng)味物質(zhì)[4]。中華絨螯蟹是我國特有的水產(chǎn)品，所以國內(nèi)對蟹類脂肪酸的研究較多。董志國等[5]發(fā)現(xiàn)四大海區(qū)三疣梭子蟹脂肪酸之間存在顯著差異。朱清順等[6]研究結(jié)果顯示不同生態(tài)環(huán)境條件下脂肪酸之間也存在差異。中華絨螯蟹獨特的風(fēng)味與其脂肪酸組成有著密不可分的關(guān)系。本試驗通過投喂天然餌料，探究不同規(guī)格的中華絨螯蟹在不同囤養(yǎng)階段的脂肪酸含量與組成的變化。

(3)條紋狀構(gòu)造。細(xì)粒或隱晶狀赤鐵礦集合體與脈石礦物各自相對較為聚集，呈條紋狀相間分布。

(4)脈狀構(gòu)造。赤鐵礦呈不規(guī)則細(xì)脈狀分布，脈內(nèi)赤鐵礦垂直脈壁呈梳狀生長;局部黃銅礦呈微小的粒狀或斷續(xù)脈狀分布于赤鐵礦粒間。

3 主要礦物嵌布特征

3.1 赤鐵礦

赤鐵礦呈致密塊狀，褐紅色，條痕櫻紅色，摩氏硬度5 ～6。反光鏡下觀察，赤鐵礦反射色呈淺灰色，具特有的深紅色內(nèi)反射，非均性;單偏光加聚光鏡下，大顆粒赤鐵礦邊緣呈紅色，細(xì)而薄的顆粒呈血紅色。部分赤鐵礦與脈石礦物混雜呈橢圓形鮞粒，鮞粒大小不一，粒徑一般0.15 ～1.2 mm，部分大于2 mm。赤鐵礦在鮞粒中含量為60% ～65%，其次為伊利石、菱磷鋁鍶礬，鮞粒中各成分相互混雜，局部赤鐵礦聚集，部分鮞粒核部為針狀赤鐵礦與菱磷鋁鍶礬集合體，赤鐵礦與脈石礦物在鮞粒中相間呈同心層狀分布，少部分鮞粒被后期赤鐵礦脈所穿切，鮞粒分布很不均勻，局部鮞粒較為聚集分布，略顯定向性(見圖2(a))。部分赤鐵礦呈針狀或顯微鱗片狀集合體分布(見圖2(b))或與脈石礦物混雜聚集呈皮殼狀分布(見圖2(c))，偶見赤鐵礦呈隱晶狀膠結(jié)物分布于砂屑粒間(見圖2(d))。

3.2 伊利石

伊利石化學(xué)式為K1～1.5Al4［Si6.5～7O20］(OH)4，其中K2O 含量一般小于6%，AI2O3含量為25% ～33%，H2O 含量達(dá)8% ～9%;K+常被Na+及Ca2+、Mg2+、H+取代，AI3+常被Mg2+、Fe3+、Fe2+取代。伊利石主要由長石、云母等遭受風(fēng)化、熱液蝕變及膠體沉積再結(jié)晶作用形成。伊利石常呈細(xì)小鱗片狀，大多聚集呈鱗片狀集合體，呈不規(guī)則團(tuán)狀不均勻分布，少部分呈鱗片狀分散分布，部分伊利石與菱磷鋁鍶礬一起聚集混雜分布，常有赤鐵礦雜亂分布于伊利石集合體中(見圖3(a))，少部分赤鐵礦集合體中包裹有不規(guī)則狀伊利石(見圖3(b))。伊利石鱗片粒度0.002 ～0.01 mm，集合體大小0.03 ～0.5 mm 不等。

圖2 赤鐵礦嵌布特征Fig.2 Hematite embedded feature

3.3 菱磷鋁鍶礬

菱磷鋁鍶礬化學(xué)式為SrAl3(PO4)(SO4)(OH)5·H2O，屬三方晶系。常呈假立方狀集合體、團(tuán)狀或不規(guī)則斷續(xù)脈狀分布，團(tuán)狀菱磷鋁鍶礬中混雜有鱗片狀(見圖2(a))，少部分呈粒狀分散分布于赤鐵礦中(見圖2(b))。礦石中的磷主要以菱磷鋁鍶礬形式存在，是該赤鐵礦石磷元素的主要來源，其在礦石中呈粒屑或鮞粒等集合體分布，將對鐵精礦質(zhì)量產(chǎn)生影響。

3.4 石英

石英在礦石中含量較低，常呈粒狀、不均勻分散狀分布，部分石英與赤鐵礦嵌連，部分石英中有微小的赤鐵礦包體(見圖4)，個別赤鐵礦鱗片間有細(xì)粒石英分布，顆粒大小不等，一般為0.005 ～0.015 mm。

圖3 伊利石嵌布特征Fig.3 Illite embedded feature

圖4 赤鐵礦被石英包裹Fig.4 Hematite wrapped by quartz

4 赤鐵礦嵌布粒度分析

礦物嵌布粒度是影響選礦工藝流程確定及選別指標(biāo)的重要因素。從嵌布狀態(tài)看，礦石包裹赤鐵礦占8.77%，粒間赤鐵礦占91.23%，其中以伊利石粒間赤鐵礦為主，占47.14%，其次為菱磷鋁鍶礬粒間赤鐵礦，占34.97%。從嵌布粒度來看，小于0.005 mm顆粒含量約占50%，對赤鐵礦顆粒粒度進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表3。

表3 赤鐵礦粒度統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Hematite size statistics results

由表3 表明，赤鐵礦嵌布粒度微細(xì)，粒徑以0.037 ～0.003 mm 粒級為主，占全部赤鐵礦的87.17%。

5 推薦工藝流程

礦石中赤鐵礦與脈石礦物以細(xì)粒級及微細(xì)粒級嵌布為主，部分為非晶質(zhì)膠結(jié)物結(jié)構(gòu)，需細(xì)磨才能實現(xiàn)單體解離，因此磨礦能耗較高，且磨礦解離效果不理想;磨礦過程中，隨著赤鐵礦與脈石礦物粒度逐漸變細(xì)，目的礦物與脈石礦物的表面物理化學(xué)性質(zhì)差異逐漸變小，礦漿流體性質(zhì)不斷惡化，這些都將對磁選、浮選等傳統(tǒng)選礦方法帶來不利影響;礦石中菱磷鋁鍶礬等含磷礦物含量較高，應(yīng)盡量在選礦階段降低磷含量，提高鐵精礦品質(zhì)。因此，推薦采用深度(直接)還原同步脫磷工藝進(jìn)行選別。通過對深度(直接)還原過程中還原劑與脫磷劑種類及用量、還原時間與溫度等條件控制，將微細(xì)粒弱磁性鐵礦物轉(zhuǎn)變?yōu)榭赏ㄟ^弱磁選分離的磁鐵礦或金屬鐵［5-11］，再通過磁選分離。

6 結(jié) 語

(1)河南某沉積型鮞狀赤鐵礦石鐵品位為52.50%，礦石礦物成分比較單一，有用礦物主要為赤鐵礦。脈石礦物主要為伊利石、菱磷鋁鍶礬等。

(2)赤鐵礦常與脈石礦物混雜呈橢圓形鮞粒，鮞粒中各成分相互混雜，局部赤鐵礦聚集;赤鐵礦與脈石礦物在鮞粒中相間呈同心層狀分布，部分鮞粒被后期赤鐵礦脈所穿切，鮞粒分布很不均勻，偶見赤鐵礦呈隱晶狀膠結(jié)物分布于砂屑粒間。礦石中包裹赤鐵礦占8.77%，粒間赤鐵礦占91.23%，其中伊利石粒間赤鐵礦占47.14%，菱磷鋁鍶礬粒間赤鐵礦占34.97%。赤鐵礦嵌布粒度微細(xì)，0.037 ～0.003 mm粒級占87.17%。

(3)礦石中赤鐵礦嵌布粒度微細(xì)，與脈石礦物不易解離，采用傳統(tǒng)選礦方法難以取得理想的指標(biāo)。推薦采用深度(直接)還原工藝將微細(xì)粒弱磁性鐵礦物轉(zhuǎn)變?yōu)榭赏ㄟ^弱磁選分離的磁鐵礦或金屬鐵，再通過磁選分離。

［1］ 朱 訓(xùn).中國礦情:第二卷 金屬礦產(chǎn)［M］. 北京:科學(xué)出版社，1999.

Zhu Xun.China Mineral Situation:Volume Two Metallic Ore［M］.Beijing:Science Press，1999.

［2］ American Geological Survey. Mineral Commodity Summaries 2015［M］.Washington:American Geological Survey，2015.

［3］ 彭明生，劉曉文，劉 羽，等. 工藝礦物學(xué)近十年的主要進(jìn)展［J］.礦物巖石地球化學(xué)通報，2012(3):210-217.

Peng Mingsheng，Liu Xiaowen，Liu Yu，et al. The main advance of process mineralogy in China in the last decade［J］.Bulletin of Mineralogy，Petrology and Geochemistry，2012 (3):210-217.

［4］ 張志雄.礦石學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1981.

Zhang Zhixiong. Ore Petrology［M］. Beijing:Metallurgical Industry Press，1981.

［5］ 倪 文，賈 巖，徐承焱，等. 難選鮞狀赤鐵礦深度還原—磁選實驗研究［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2010 (3):287-291.

Ni Wen，Jia Yan，Xu Chengyan，et al. Beneficiation of unwieldy oolitic hematite by deep reduction and magnetic separation process［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2010(3):287-291.

［6］ 孫永升，李淑菲，史廣全，等. 某鮞狀赤鐵礦深度還原試驗研究［J］.金屬礦山，2009 (5):80-83.

Sun Yongsheng，Li Shufei，Shi Guangquan，et al. Research on deep reduction of an oolitic hematite［J］.Metal Mine，2009 (5):80-83.

［7］ 劉紅召，曹耀華，高照國.某宣龍式鮞狀赤鐵礦深度還原—磁選試驗［J］.金屬礦山，2012 (5):85-87.

Liu Hongzhao，Cao Yaohua，Gao Zhaoguo. Research on deep reduction magnetic separation of a Xuanlong oolitic hematite ore［J］.Metal Mine，2012 (5):85-87.

［8］ 李艷軍，袁 帥. 赤鐵礦石深度還原熟料高效分選工藝試驗［J］.金屬礦山，2014(2):64-68.

Li Yanjun，Yuan Shuai.Experiment of efficient separation technology on deep reduction products of refractory hematite［J］.Metal Mine，2014(2):64-68.

［9］ 張裕書，丁亞卓，龔文琪. 寧鄉(xiāng)式鮞狀赤鐵礦選礦研究進(jìn)展［J］.金屬礦山，2010 (8):92-96.

Zhang Yushu，Ding Yazhuo，Gong Wenqi. Research progress on the beneficiation tests of Ningxiang type oolitic hematite ［J］. Metal Mine，2010 (8):92-96.

［10］ 沈慧庭，周 波，黃曉毅，等.難選鮞狀赤鐵礦焙燒—磁選和直接還原工藝的探討［J］.礦冶工程，2008 (5):30-34.

Shen Huiting，Zhou Bo，Huang Xiaoyi，et al.Roasting-magnetic separation and direct reduction of a refractory oolitic-hematite ore［J］.Mining and Metallurgical Engineering，2008 (5):30-34.

［11］ 徐承焱，孫體昌，祁超英，等.煤種對高磷鮞狀赤鐵礦直接還原同步脫磷的影響［J］.金屬礦山，2010 (8):46-50.

Xu Chengyan，Sun Tichang，Qi Chaoying，et al.Effects of coal type on direct reduction and dephosphorization synchronously of highphosphorus oolitic hematite［J］.Metal Mine，2010 (8):46-50.