基于原料礦物學(xué)基因特性的超級(jí)鐵精礦制備評(píng)價(jià)體系

孫永升 曹 越 韓躍新 李艷軍 劉 杰

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

超級(jí)鐵精礦是指含鐵量高、脈石含量低的鐵精礦，既是選礦的深加工產(chǎn)品，又是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸δ懿牧?。超?jí)鐵精礦主要分為2類：一類稱為高純鐵精礦，其TFe品位高于70.00%，二氧化硅含量小于0.25%，其他雜質(zhì)含量小于2.00%，主要用于生產(chǎn)直接還原鐵(DRI)；另一類稱為超純鐵精礦，其TFe品位高于71.50%，二氧化硅含量小于0.25%，其他雜質(zhì)含量(酸不溶物)小于0.20%，是粉末冶金、磁性材料的重要原料[1]。國(guó)外關(guān)于超級(jí)鐵精礦的研究始于20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)、加拿大、美國(guó)、挪威、日本等國(guó)先后開(kāi)展了相關(guān)的研究工作，并形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模，生產(chǎn)出的超級(jí)鐵精礦鐵品位接近72.00%，二氧化硅含量小于0.50%[2-3]。而我國(guó)大約在20世紀(jì)60年代開(kāi)始生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鐵精礦，并用其制備磁性材料[4]。

近年來(lái)，隨著粉末冶金、直接還原、高端鋼材及3D打印等技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)超級(jí)鐵精礦的需求日益增多，超級(jí)鐵精礦生產(chǎn)廠家和產(chǎn)量也不斷增加[5]。國(guó)內(nèi)相關(guān)科研人員圍繞超級(jí)鐵精礦的制備開(kāi)展了大量的技術(shù)研究工作，超級(jí)鐵精礦制備的工藝方法主要有浮選、磁選、重選以及各種選別方法的有效聯(lián)合等[6-9]。目前，超級(jí)鐵精礦的制備技術(shù)主要通過(guò)選礦試驗(yàn)予以確定。然而，有些鐵礦資源經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)研究后，最終發(fā)現(xiàn)以其為原料并不能加工獲得超級(jí)鐵精礦，造成了人力、物力、財(cái)力的極大浪費(fèi)。

孫傳堯院士提出了基因礦物加工的全新學(xué)術(shù)理念，即以礦床成因、礦石性質(zhì)、礦物物性等礦物加工的“基因”特性測(cè)試為基礎(chǔ)，快捷、高效、精準(zhǔn)地選擇選礦工藝技術(shù)和裝備。超級(jí)鐵精礦制備成功與否與鐵礦石的性質(zhì)密切相關(guān)。如果能夠揭示二者之間的內(nèi)在聯(lián)系，可實(shí)現(xiàn)超級(jí)鐵精礦原料的高效、快速、便捷篩選。基于上述認(rèn)識(shí)，本文創(chuàng)新性地提出了建立基于工藝礦物學(xué)基因特性的超級(jí)鐵精礦制備評(píng)價(jià)體系的新思路。即在系統(tǒng)的礦物學(xué)特性和分選試驗(yàn)基礎(chǔ)上，揭示原料礦物學(xué)特性與分選指標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系，形成超級(jí)鐵精礦制備評(píng)價(jià)體系。該體系的建立有助于快速判斷普通鐵精礦是否可以作為制備超級(jí)鐵精礦的原料，可大幅減少生產(chǎn)試驗(yàn)成本、提高生產(chǎn)實(shí)踐效率、縮短研發(fā)周期。

1 研究方法

目前，制備超級(jí)鐵精礦的原料主要為磁鐵礦石經(jīng)選礦獲得的普通鐵精礦。因此，本文選取國(guó)內(nèi)6種典型的普通磁鐵精礦作為研究對(duì)象。首先，利用化學(xué)分析和光學(xué)顯微分析技術(shù)查明各磁鐵精礦中鐵化學(xué)物相組成、磁鐵礦與脈石礦物連生的特征類型、各類連生體的含量、磁鐵礦結(jié)晶粒度等礦物學(xué)基因特性；之后，針對(duì)6種磁鐵精礦開(kāi)展系統(tǒng)的分選試驗(yàn)，確定獲得超純鐵精礦的流程結(jié)構(gòu)、參數(shù)及分選技術(shù)指標(biāo)；最后，將普通鐵精礦連生體的類型、含量、磁鐵礦結(jié)晶粒度等礦物學(xué)特性與超級(jí)鐵精礦制備流程及技術(shù)指標(biāo)有機(jī)結(jié)合加以分析，探明二者之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，建立基于原料礦物學(xué)基因特性的超級(jí)鐵精礦制備評(píng)價(jià)體系。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鐵精礦礦物學(xué)基因特性

針對(duì)6種普通磁鐵精礦進(jìn)行了鐵化學(xué)物相組成分析，結(jié)果如表1所示。

表1 6種普通磁鐵精礦的鐵化學(xué)物相組成Table 1 Composition of iron chemical phase of six selected magnetite concentrate %

由表1可知：6種普通磁鐵精礦鐵品位介于65.63%～69.85%范圍內(nèi)；鐵元素主要以磁性鐵的形式存在，鐵在磁性鐵中分布率均在98%以上；氧化鐵、碳酸鐵、硫化鐵、硅酸鐵的含量相對(duì)較少。

將普通鐵精礦鑲嵌拋光，采用光學(xué)顯微分析技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了檢測(cè)分析。由分析結(jié)果可知，鐵精礦中鐵礦物主要為磁鐵礦，主要脈石礦物為石英。磁鐵礦單體解離度較高，但仍有部分以連生體形式存在。磁鐵礦連生體的含量及結(jié)合特征是影響最終精礦質(zhì)量的重要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鐵精礦中連生體結(jié)合類型可分為以下3種：

(1)毗連型：磁鐵礦與脈石礦物連生邊界平直，邊界線呈線性彎曲狀，如圖1(a)所示。

(2)包裹型：磁鐵礦以包裹體形式嵌鑲于脈石礦物中，其中磁鐵礦包裹體粒徑大于10 μm，屬細(xì)粒包裹，小于10 μm為微細(xì)包裹，如圖1(b)所示。

(3)反包裹型：磁鐵礦中包裹微細(xì)粒的脈石礦物，這種類型連生體中的脈石礦物因粒徑細(xì)小，難以從鐵礦物中解離出來(lái)，影響鐵精礦的品位，如圖1(c)所示。

圖1 磁鐵礦連生體類型Fig.1 Category of magnetite intergrowthMt—磁鐵礦；G—脈石

對(duì)6種磁鐵精礦中磁鐵礦連生體的結(jié)合類型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

表2 磁鐵礦連生體結(jié)合類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of magnetite combination combined type

由表2可知：1#樣品中磁鐵礦連生體類型主要為毗連型和細(xì)粒包裹型，含量分別為49.02%和35.29%；2#和3#樣品中磁鐵礦連生體主要為毗連型；4#樣品中磁鐵礦連生體主要為毗連型和反包裹型；5#樣品中磁鐵礦連生體主要為毗連型和微細(xì)包裹型；6#樣品中磁鐵礦連生體主要為包裹型，其中細(xì)粒包裹型含量為41.34%，微細(xì)包裹型含量為32.17%；6種鐵精礦中各類磁鐵礦連生體含量各有不同，表明樣品具有充足的代表性。

礦物的結(jié)晶粒度直接影響著分選行為和精礦質(zhì)量，因此對(duì)鐵精礦樣品中磁鐵礦的結(jié)晶粒度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。

表3 磁鐵礦結(jié)晶粒度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Measured results of magnetite grain size

由表3可知，1#樣品中磁鐵礦主要分布在0.010～0.038 mm粒級(jí)；2#樣品中磁鐵礦主要分布在0.010～0.053 mm粒級(jí)；3#樣品中磁鐵礦主要分布在 +0.038 mm粒級(jí)；4#和6#樣品中磁鐵礦主要分布在 -0.053 mm粒級(jí)；5#樣品中磁鐵礦主要分布在 +0.075 mm和-0.010 mm粒級(jí)。

2.2 鐵精礦分選試驗(yàn)

以獲得超級(jí)鐵精礦為目標(biāo)，針對(duì)上述6種普通鐵精礦開(kāi)展了分選試驗(yàn)，最終確定的分選工藝和精礦產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 超級(jí)鐵精礦制備試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experimental results of producing high purified iron concentrate

由表4可知，1#、2#和3#樣品經(jīng)分選后，獲得的精礦產(chǎn)品鐵品位大于71.5%、SiO2含量小于0.25%、酸不溶物含量小于0.20%，滿足超純鐵精礦的要求；4#、5#和6#樣品分選所得精礦產(chǎn)品鐵品位大于70.0%、SiO2含量小于2.0%，滿足高純鐵精礦的要求，然而不能滿足超純鐵精礦的要求。

3 超級(jí)鐵精礦制備評(píng)價(jià)體系

將6種鐵精礦工藝礦物學(xué)特征與分選試驗(yàn)結(jié)果有機(jī)結(jié)合加以分析，可知二者之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系。1#、2#和3#樣品中磁鐵礦微細(xì)包裹型和反包裹型連生體含量較少，且-0.010 mm粒級(jí)的磁鐵礦含量較少，3種樣品經(jīng)分選后均可獲得超純鐵精礦；4#、5#和6#樣品中磁鐵礦微細(xì)包裹型和反包裹型連生體含量較高，且-0.010 mm粒級(jí)的磁鐵礦含量較高，3種樣品經(jīng)分選后均可獲得高純鐵精礦，難以獲得超純鐵精礦。進(jìn)一步分析1#、2#和3#樣品可知，1#樣品中磁鐵礦連生體主要為毗連型和細(xì)粒包裹型，而2#和3#樣品中磁鐵礦連生體主要為毗連型；以1#樣品為原料制備超純鐵精礦需兩段磨礦，而2#和3#樣品僅需一段磨礦。因此，磁鐵礦連生體的類型及磁鐵礦結(jié)晶粒度是決定普通鐵精礦能否制備超級(jí)鐵精礦的關(guān)鍵因素?；谏鲜龇治觯⒘嘶谠瞎に嚨V物學(xué)基因特性的超級(jí)鐵精礦制備評(píng)價(jià)體系，如表5所示。該評(píng)價(jià)體系可用于快速判斷普通鐵精礦是否可以作為制備超級(jí)鐵精礦的原料。

表5 超級(jí)鐵精礦制備評(píng)價(jià)體系Table 5 Evaluation system of producing high purified iron concentrate

4 結(jié) 論

(1)選取的普通鐵精礦鐵品位介于65.63%～69.85%范圍內(nèi)，鐵元素主要以磁鐵礦的形式存在，磁鐵礦單體解離度較高，脈石礦物主要為石英，磁鐵礦連生體的類型可分為毗連型、包裹型、反包裹型3種。

(2)鐵礦物的結(jié)晶粒度、脈石礦物的種類、鐵礦物與脈石礦物的共生和嵌鑲關(guān)系等礦物學(xué)基因特性，都影響著最終超級(jí)鐵精礦的鐵品位和酸不溶物的含量。磁鐵礦連生體的類型及磁鐵礦結(jié)晶粒度是決定普通鐵精礦能否制備超級(jí)鐵精礦的關(guān)鍵因素。鐵精礦中微細(xì)包裹型和反包裹型連生體含量越少、 -0.010 mm粒級(jí)磁鐵礦的含量越少，越容易制備超級(jí)鐵精礦。

(3)基于鐵礦石工藝礦物學(xué)的超級(jí)鐵精礦制備的可行性評(píng)價(jià)體系，可以實(shí)現(xiàn)超級(jí)鐵精礦原料的高效、快速、便捷篩選。

[1] 韓躍新，高 鵬，李艷軍，等.我國(guó)鐵礦資源“劣質(zhì)能用、優(yōu)質(zhì)優(yōu)用”發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].金屬礦山，2016(12)：2-8.

Han Yuexin，Gao Peng，Li Yanjun，et al.Development strategies of available use of inferior quality and optimal use of high quality for domestic iron ore resources[J].Metal Mine，2016(12):2-8.

[2] 譚鑫培.國(guó)外生產(chǎn)超級(jí)鐵精礦選礦技術(shù)的發(fā)展[J].金屬礦山，1978(5)：77-80．

Tan Xinpei.Development on mineral processing technology of super-iron concentrate abroad[J].Metal Mine，1978(5):77-80.

[3] Nakashima S，Ikeda Y，Hirose S，et al.A new refining process for iron oxide using iron ore and its application to hand ferrites[J].Metal Mine，1992，1(2)：211-218.

[4] 李艷軍，張兆元，袁致濤，等.高品位鐵精礦的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望[J].金屬礦山，2006(11)：5-7.

Li Yanjun，Zhang Zhaoyuan，Yuan Zhitao，et al.Prospect and application state of high grade iron concentrate[J].Metal Mine，2006(11):5-7.

[5] 張錦瑞，王偉之，趙振才.論超級(jí)鐵精礦的研究現(xiàn)狀與方向[J].礦業(yè)工程，2000，20(4)：1-3.

Zhang Jinrui，Wang Weizhi，Zhao Zhencai.Investigation of super-iron concentrate—the present and future[J].Mining Engineering，2000，20(4)：1-3.

[6] 宮貴臣，韓躍新，高 鵬.超級(jí)鐵精礦制備技術(shù)研究進(jìn)展[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2017(1)：103-107.

Gong Guichen，Han Yuexin，Gao Peng.Research progresses of preparation technology of super iron concentrate[J].Conservation and Utilization of Mineral Resources，2017(1)：103-107.

[7] 付剛?cè)A，宋曉雷，郭宇峰，等.提高某超級(jí)鐵精礦制備過(guò)程中的反浮選回收率[J].金屬礦山，2013(2)：72-76.

Fu Ganghua，Song Xiaolei，Guo Yufeng，et al.Study on improving the recovery rate of reverse flotation in preparing super iron concentrate[J].Metal Mine，2013(2)：72-76.

[8] 杜 新，石 磊，余 成．從四川黑水鐵礦中提取超級(jí)鐵精礦的研究[J].四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，2012(9)：205-208.

Du Xin，Shi Lei，Yu Cheng.Research on extracting super concentrate iron with iron ore in Sichuan[J].Acta Geologica Sichuan，2012(9)：205-208.

[9] 王 素，唐平宇，李芬芳.河北省某鐵礦石制取超級(jí)鐵精礦試驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2013，22(5)：96-98．

Wang Su，Tang Pingyu，Li Fengfang.Experimental study on producing super concentrate iron with iron ore in Hebei[J].China Mining Magazine，2013,22(5)：96-98.