齊大山鐵尾礦工藝礦物學(xué)研究

李 瑾 倪 文 范敦城 李 媛 伏程紅

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

齊大山鐵尾礦工藝礦物學(xué)研究

李 瑾1,2倪 文1,2范敦城1,2李 媛1,2伏程紅1,2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

齊大山鐵尾礦的提鐵研究是國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)鐵尾礦高效提鐵技術(shù)研究子項(xiàng)的一部分。為圓滿完成深度還原給料鐵品位≥30%、鐵回收率≥80%，還原鐵粉鐵品位≥90%的任務(wù)目標(biāo)，對(duì)齊大山鐵尾礦開展了工藝礦物學(xué)研究。結(jié)果表明：試樣中的鐵礦物主要以貧連生體的形式存在，且在-0.038 mm粒級(jí)有明顯的富集現(xiàn)象，主要鐵礦物為赤褐鐵礦和硅酸鐵，磁鐵礦次之，這些鐵礦物粒度微細(xì)，平均粒度分別為0.022、0.009、0.011 mm，單體解離度分別為61.78%、42.86%、45.64%，鐵礦物與脈石礦物共生關(guān)系密切；基于上述工藝礦物學(xué)特征，推薦了磨礦—弱磁選—強(qiáng)磁選的預(yù)富集工藝流程。

鐵尾礦 工藝礦物學(xué) 預(yù)富集 深度還原

隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，鐵尾礦在我國(guó)大宗工業(yè)固體廢棄物中所占的比例快速上升至51%左右，僅2007—2011年，我國(guó)鐵尾礦累計(jì)堆存量就超過61億t。然而，我國(guó)鐵尾礦綜合利用率卻很低，2011年僅占17%，且以充填采空區(qū)為主，從尾礦中提取有價(jià)組分僅占尾礦利用總量的3%[1]。因此，尾礦中有價(jià)組分回收的提升空間十分巨大。

與新采出礦石相比，雖然絕大多數(shù)尾礦中有用組分含量較低，但受粗放型生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝技術(shù)水平等因素所限，現(xiàn)存的尾礦不同程度具有再回收價(jià)值。雖然對(duì)有有用組分流失的老工藝系統(tǒng)實(shí)施重大改造非常困難，且再回收系統(tǒng)利潤(rùn)相對(duì)微薄，企業(yè)目前的積極性不高，但從尾礦中回收有用組分的意義重大：一方面，由于礦產(chǎn)資源屬不可再生資源，國(guó)內(nèi)采出礦石仍將逐步貧、細(xì)、雜化[2]，再利用尾礦資源，可以在保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要的前提下延緩資源品質(zhì)下滑速度；另一方面，從尾礦中回收有用組分不但不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成新的破壞，而且具有減小環(huán)境危害的效果。

隨著資源性產(chǎn)品價(jià)值的回歸，以及建設(shè)和諧礦山、綠色礦山的國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，開展尾礦有用組分回收和尾礦綜合利用研究已成為礦業(yè)科技工作者的新課題，也取得了一些成果[3-7]。與一次資源的開發(fā)利用相比，二次資源的開發(fā)利用基于其工藝礦物研究成果而展開的十分鮮見。尾礦的工藝礦物學(xué)研究與原礦石的工藝礦物學(xué)研究有所不同，前者經(jīng)過破碎、磨礦作業(yè)，原礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造已被破壞，許多礦物學(xué)特征已殘缺，礦物嵌布特征數(shù)據(jù)不完整。因此，應(yīng)更加注意礦物嵌布粒度及單體解離度對(duì)再磨再選的影響，從而為工藝流程的確定提供基礎(chǔ)依據(jù)。

齊大山鐵礦是鞍鋼的主要原料基地之一，其鐵礦石是以磁鐵石英巖為主的紅礦石，屬極難選鐵礦石。經(jīng)過40余a的開發(fā)，目前尾礦堆存量已超過2億t，早期尾礦鐵品位較高，達(dá)20%左右，隨著選礦工藝技術(shù)的進(jìn)步，目前的尾礦鐵品位仍達(dá)12%以上，具有較大的潛在回收價(jià)值[8-10]。該尾礦的開發(fā)利用研究是國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目——鐵尾礦高效提取鐵技術(shù)研究專題的一部分。

根據(jù)以往的研究成果，確定鞍鋼齊大山鐵尾礦的的開發(fā)利用技術(shù)路線是：尾礦預(yù)富集至鐵品位為30%以上—深度還原出微米級(jí)金屬鐵—磨礦—弱磁選獲得鐵品位90%以上的還原鐵粉。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

用Olympus BH2-UMA型顯微鏡測(cè)定主要礦物的嵌布粒度、單體解離度及含量。用CAMBRIDGE公司的S-360掃描電子顯微鏡進(jìn)行礦物嵌布特征分析。XRD分析采用日本理學(xué)Rigaku D/Max-RD粉晶X射線衍射儀。尾礦主要化學(xué)成分分析采用721原子吸收分光光度計(jì)和EDTA溶解法測(cè)定。用原子吸收分光光度計(jì)法和滴定法測(cè)定鐵物相。

2 試樣成分分析

2.1 試樣主要化學(xué)成分分析

試驗(yàn)用試樣為鞍鋼齊大山鐵礦選礦分廠的尾礦，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 試樣主要化學(xué)成分分析結(jié)果

Table 1 Main chemical composition of the sample %

成 分SiO2Fe2O3FeOAl2O3CaOK2O含 量75.4615.252.411.651.700.34成 分Na2OMnOTiO2SP燒失量含 量0.320.130.0590.100.031.17

從表1可見，試樣中主要成分為SiO2，含量高達(dá)75.46%，其次是Fe2O3和FeO，含量分別為15.25%和2.41%，折算的TFe品位為12.54%，有害元素S 、P含量很低。由此可見，該試樣為高硅、低硫磷型鐵尾礦。

2.2 試樣主要礦物成分分析

試樣主要礦物組成及含量見表2，XRD分析結(jié)果見圖1。

表2 試樣主要礦物組成及相對(duì)含量

Table 2 Main mineral composition and their content of the sample %

礦 物赤鐵礦磁鐵礦褐鐵礦黃鐵礦石 英含 量7.413.861.840.3171.08礦 物角閃石綠泥石絹云母其 他合 計(jì)含 量5.864.532.612.50100.00

圖1 試樣的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of the samples1—石英；2—赤鐵礦；3—磁鐵礦；4—綠泥石；5—角閃石

從表2、圖1可見，試樣中主要有用礦物為赤鐵礦、磁鐵礦，其次是褐鐵礦；主要脈石礦物為石英，其次是角閃石、綠泥石、絹云母等。

角閃石和綠泥石均為含鐵硅酸鹽礦物，含鐵量達(dá)20%以上，具有弱磁性，選礦中應(yīng)考慮對(duì)它們進(jìn)行富集。

2.3 試樣鐵物相分析

試樣鐵物相分析結(jié)果見表3。

表3 試樣鐵物相分析結(jié)果

Table 3 Iron phase analysis of the samples %

鐵相態(tài)含 量分布率赤褐鐵5.1240.79磁性鐵2.2718.13硅酸鐵4.6837.31碳酸鐵0.393.10硫化鐵0.080.67總 鐵12.54100.00

從表3可見，試樣中的鐵主要以赤褐鐵、硅酸鐵、磁性鐵的形式存在，是主要回收對(duì)象，這些鐵占總鐵量的96%以上，碳酸鐵、硫化鐵含量較低。

3 試樣篩分分析

試樣篩分分析結(jié)果見表4。

從表4可以看出，粒級(jí)越細(xì)，鐵品位越高，表明鐵礦物在細(xì)粒級(jí)有明顯的富集現(xiàn)象，-0.038 mm粒級(jí)鐵品位最高，達(dá)18.81%，對(duì)應(yīng)的鐵分布率達(dá)32.25%。

表4 試樣篩分分析結(jié)果Table 4 The result of sizing analysis on the sample

進(jìn)一步的研究表明，63.40%的赤鐵礦、81.11%的磁鐵礦分布在-0.038 mm粒級(jí)；82.23%的赤鐵礦、93.92%的磁鐵礦分布在-0.050 mm粒級(jí)。可見現(xiàn)場(chǎng)工藝對(duì)微細(xì)粒赤褐鐵礦及磁鐵礦回收效果不理想。

4 試樣主要礦物的嵌布特征

4.1 主要鐵礦物與脈石礦物的嵌布關(guān)系

圖2為試樣的掃描電鏡照片(淺色區(qū)域?yàn)殍F礦物聚集區(qū)，深色區(qū)域?yàn)槭⒌让}石礦物)，圖3為各主要礦物間的嵌布關(guān)系。

圖2 試樣掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM analysis of the sample

從圖2可見，試樣中鐵礦物單體顆粒極少，鐵礦物富連生體顆粒也不多見，脈石礦物單體顆粒較普遍；從鐵礦物連生體看，鐵礦物與脈石礦物鑲嵌關(guān)系復(fù)雜，大部分鐵礦物邊部鑲嵌或中間包裹有脈石礦物，以鐵礦物的貧連生體為主。

從圖3可見，試樣中的主要脈石礦物石英多呈半自形和他形結(jié)構(gòu)，包裹著細(xì)小的磁鐵礦顆粒(見圖3(a))；有的鐵礦物與脈石礦物界面不平整，呈港灣狀嵌鑲，接觸邊界多彎曲，形成錯(cuò)綜復(fù)雜的嵌鑲關(guān)系(見圖3(b))；部分赤鐵礦、褐鐵礦以極細(xì)或微細(xì)不規(guī)則他形粒狀(碎屑狀、角礫狀、熔蝕狀、塊狀)、集合體狀及浸染狀嵌生在石英中，同時(shí)還有部分較粗的赤鐵礦以骸晶狀、蜂窩狀存在，孔縫內(nèi)填充有石英等雜質(zhì)，單體解離難度極大(見圖3(c))；磁鐵礦主要呈他形粒狀，偶見半自形晶，拋光表面顯微鏡下不干凈，常充填有脈石礦物，少數(shù)磁鐵礦被赤鐵礦沿解理處交代成網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，有的完全交代成假象赤鐵礦，多數(shù)情況下赤鐵礦沿磁鐵礦周邊緊密共生(見圖3(d))。

圖3 顯微鏡下主要礦物的嵌布關(guān)系Fig.3 Dissemination of major minerals at microscope image Q—石英；Mag—磁鐵礦；Hem—赤鐵礦；Lim—褐鐵礦

4.2 鐵尾礦嵌布粒度特征

試樣中主要礦物的嵌布粒度見圖4。

圖4 試樣中主要礦物的嵌布粒度分析結(jié)果Fig.4 Dissemination of major minerals of the sample◆—赤褐鐵礦；■—磁鐵礦；●—石英；▲—硅酸鐵

從圖4可以看出，試樣中脈石礦物石英粒度明顯較鐵礦物粗大，赤褐鐵礦粒度普遍比磁鐵礦粒度粗大。加權(quán)平均計(jì)算的石英、赤褐鐵礦、磁鐵礦和硅酸鐵的粒度分別為0.052、0.022、0.011、0.009 mm。根據(jù)本研究的技術(shù)路線，要獲得較高品位的深度還原原料，強(qiáng)磁預(yù)富集前需通過磨礦來(lái)提高鐵礦物的解離度。

5 主要鐵礦物的解離特征

試樣中赤褐鐵礦、磁鐵礦、硅酸鐵的單體解離度測(cè)定結(jié)果見表5。

表5 試樣中赤鐵礦、磁鐵礦、硅酸鐵的單體解離度Table 5 Liberation degree of hematite， magnetite and siderite of the sample

從表5可以看出，粗粒級(jí)中鐵礦物單體解離度較低，細(xì)粒級(jí)中鐵礦物單體解離度較高；赤褐鐵礦的單體解離度高于磁鐵礦，硅酸鐵的單體解離度最低，這在較粗粒級(jí)表現(xiàn)得尤其明顯；赤褐鐵礦的單體解離度為61.78%，磁鐵礦為45.64%，硅酸鐵為42.86%。

6 試樣預(yù)富集方案建議

國(guó)家“863”計(jì)劃對(duì)該研究項(xiàng)目確定了深度還原給礦鐵品位≥30%、鐵回收率≥80%，還原鐵粉鐵品位≥90%的任務(wù)指標(biāo)。

上述工藝礦物學(xué)研究表明，試樣呈現(xiàn)強(qiáng)磁性鐵礦物含量低、弱磁性鐵礦物含量高、單體鐵礦物和富連生體含量低、鐵礦物貧連生體含量高等特點(diǎn)。若直接對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)富集，鐵礦物貧連生體，尤其是弱磁性鐵礦物貧連生體往往難以回收，影響鐵回收率的提高，因此建議首先對(duì)試樣進(jìn)行磨礦，盡量提高鐵礦物的解離度、釋放出較粗脈石顆粒包裹的鐵礦物，改善鐵礦物的回收效果。

根據(jù)探索試驗(yàn)推薦的預(yù)富集流程見圖5。

7 結(jié) 論

(1)齊大山鐵尾礦中主要礦物為石英，占礦物總量的71.08%，鐵礦物以赤褐鐵礦和硅酸鐵為主，分別占總鐵的40.79%和37.31%，磁鐵礦次之，占總鐵的18.13%；試樣中硫磷含量較低。因此，試樣為高硅、低硫磷鐵尾礦，采用常規(guī)選礦方法難以完成國(guó)家“863”計(jì)劃任務(wù)目標(biāo)。

圖5 推薦的預(yù)富集流程Fig.5 Recommended pre-concentration process

(2)試樣中鐵礦物粒度非常細(xì)，赤褐鐵礦、磁鐵礦和硅酸鐵的平均粒度分別為0.022、0.011、0.009 mm，赤褐鐵礦、磁鐵礦和硅酸鐵的單體解離度分別為61.78%、45.64%、42.86%，鐵礦物貧連生體含量較高，且鐵礦物與脈石礦物緊密共生，嵌布關(guān)系復(fù)雜，要高效回收其中的鐵礦物，必須使鐵礦物充分解離，尤其要減少弱磁性鐵礦物貧連生體的含量。因此，預(yù)富集前必須先磨礦。

(3)試樣中鐵礦物在-0.038 mm粒級(jí)有明顯的富集現(xiàn)象，預(yù)富集前的磨礦會(huì)使鐵礦物粒度越來(lái)越細(xì)。因此，應(yīng)強(qiáng)化對(duì)微細(xì)粒鐵礦物的回收。

(4)推薦的預(yù)富集工藝流程為磨礦—弱磁選—強(qiáng)磁選流程。

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(責(zé)任編輯 羅主平)

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Process Mineralogy Research on Iron Tailings from Qidashan

Li Jin1,2Ni Wen1,2Fan Duncheng1,2Li Yuan1,2Fu Chenghong1,2

(1.CivilandEnvironmentalEngineeringInstitute，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.KeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMines，MinistryofEducation，Beijing100083，China)

Iron extracting from Qidashan iron ore tailings is a subproject of State High-technology Research and Development Program (863 Program)，to efficiently concentrate iron from iron ore tailings.Mineralogy technology research on Qidashan iron ore tailings was carried out in order to make deep reduction raw materials of iron grade higher than 30%，iron powder of iron recovery higher than 80% and iron grade over 90%.The results showed that iron concentrated obviously at grain sizes of -0.038 mm，and the main iron minerals are hematite-limonite，siderite and followed by magnetite.Those minerals are extremely fine disseminated with average particle sizes of 0.022，0.009，0.011 mm and liberation degree of 61.78%，42.86%，45.64% respectively.Iron minerals are closely associated with gangues.The pre-concentration process of grinding-low intensity magnetic separation-high intensity magnetic separation was recommended，based on the process mineralogy of the iron ore tailings above.

Iron ore tailings，Process mineralogy，Pre-concentration，Deep reduction

2013-11-22

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(編號(hào)：2012AA062401)。

李 瑾(1988—)，女，碩士研究生。

TD912，TD926.4

A

1001-1250(2014)-01-158-05