含難分離赤鐵礦的鈦鐵粗精礦選冶提質(zhì)工藝研究

喻連香 湯優(yōu)優(yōu) 劉 軍 陳 雄

（1.廣東省資源綜合利用研究所，廣東廣州510650；2.稀有金屬分離與綜合利用國家重點實驗室，廣東廣州510650；3.廣東省礦產(chǎn)資源開發(fā)和綜合利用重點實驗室，廣東廣州510650；4.廣東省科學(xué)院產(chǎn)業(yè)技術(shù)育成中心，廣東廣州510650）

鈦鐵礦作為鈦資源的主要來源，是生產(chǎn)海綿鈦、制取鈦白粉的主要原料，也是生產(chǎn)鈦鐵和電焊條不可缺少的原料［1-2］。具有工業(yè)價值的鈦礦床為巖漿鈦鐵礦床（脈礦）及鈦砂礦床兩大類［3］。海濱砂礦是最具工業(yè)價值的鈦砂礦床，已成為礦產(chǎn)資源的重要組成部分，特別是擁有較高經(jīng)濟價值的海濱砂礦，愈來愈受到各國的青睞［4-5］。

非洲東南部海濱砂鈦鐵礦資源儲量豐富，礦石中可利用的鈦鐵礦礦物含量較高，但鈦鐵礦普遍存在赤鐵礦化蝕變，部分礦物赤鐵礦化蝕變明顯，蝕變較弱者為鈦鐵礦中分布的細小乳滴狀、條紋狀赤鐵礦，蝕變強烈者表現(xiàn)為鈦鐵礦在赤鐵礦中呈殘余狀出現(xiàn)，直至完全氧化蝕變?yōu)槌噼F礦［6-8］。由于鈦鐵礦和赤鐵礦的磁性、電性、密度、可浮性均相近，同時緊密連生，該類型粗精礦中鈦、鐵難以有效分離，采用磁選、電選、重選、浮選等常規(guī)選礦方法得到的鈦鐵粗精礦中TiO2含量僅為42%左右，導(dǎo)致該類型海濱砂礦長期未被利用。如何經(jīng)濟有效地分離鈦鐵粗精礦中賦存狀態(tài)較復(fù)雜的赤鐵礦，是目前選礦技術(shù)難題之一。

本研究以該地區(qū)海濱砂經(jīng)重選—磁選工藝處理后獲得的鈦鐵粗精礦為研究對象，進行了含難分離赤鐵礦的鈦鐵粗精礦選冶提質(zhì)工藝研究。根據(jù)礦石性質(zhì)特點，采用還原焙燒方法，將鈦鐵粗精礦中赤鐵礦和鈦赤鐵礦還原成磁鐵礦，增加其與鈦鐵礦的磁性差異，再通過磁選使鈦鐵有效分離；通過詳細試驗研究優(yōu)化出選冶流程中各適宜的工藝參數(shù)，使鈦鐵礦中TiO2品位提至48%以上，得到該類型鈦鐵粗精礦中鈦、鐵經(jīng)濟有效分離的選冶提質(zhì)工藝及合理參數(shù)，為非洲東南部海濱砂的有效利用提供途徑。

1 礦石性質(zhì)

1.1 試樣主要化學(xué)成分分析

對鈦鐵粗精礦進行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

由表1 可知，鈦鐵粗精礦中有用元素主要為鈦、鐵，雜質(zhì)成分除少量的 SiO2、Mn、Al2O3、MgO、CaO 外，其它均為微量。

1.2 試樣的礦物組成及鈦、鐵的賦存狀態(tài)

采用礦物自動檢測儀對鈦鐵粗精礦進行了礦物組成查定，結(jié)合試樣礦物組成和各礦物含鈦、鐵分析，得出鈦、鐵在試樣中的平衡分配，見表2。

由表2 可知，鈦鐵粗精礦中主要鈦礦物為鈦鐵礦，占總礦物量的79.49%，其次含0.75%的白鈦石，微量的金紅石和榍石；主要鐵礦物有11.09%的鈦赤鐵礦和5.24%的赤鐵礦；脈石礦物含量較少，主要為少量的石榴石、角閃石、輝石等。

鈦鐵粗精礦中以鈦鐵礦形式存在的鈦占總鈦量的92.81%；赤鐵礦和鈦赤鐵礦中賦存的鈦分別占總鈦量的0.23%和5.49%；賦存于金紅石、白鈦石和榍石中的鈦分別占總鈦量的0.09%、1.25%和0.01%；賦存于脈石礦物如石榴石、角閃石、輝石中的鈦占總鈦量的0.14%。

鈦鐵粗精礦中賦存于鈦鐵礦中的鐵占總鐵量的73.76%；赤鐵礦和鈦赤鐵礦中賦存的鐵分別占總鐵量的8.86%和15.73%；賦存于金紅石、白鈦石和榍石中的鐵總計占總鐵量的0.31%；賦存于硅酸鹽礦物如石榴石、角閃石、輝石中的鐵分別占總鐵量0.79%、0.34%和0.21%。

1.3 主要礦物嵌布特征和共生特性

采用礦物自動檢測儀及顯微鏡下分析，對鈦鐵粗精礦進行了主要礦物嵌布特征、共生特性及解離度分析，結(jié)論如下：①鈦鐵礦。鈦鐵礦（FeTiO3）呈板狀晶，鐵黑色，磨圓度較高，呈圓粒狀、次圓狀，粒度較均勻，主要粒度范圍為0.04～0.32 mm。大部分鈦鐵礦因含赤鐵礦片晶而富鐵貧鈦，采用能譜隨機測定鈦鐵粗精礦中鈦鐵礦顆粒的化學(xué)組成，其中TiO2含量為42.11%～52.00%，變化較大。鈦鐵礦部分以單體顆粒存在（見圖1），較多的鈦鐵礦中含有赤鐵礦片晶（見圖2）；少部分鈦鐵礦與赤鐵礦連生。②赤鐵礦和鈦赤鐵礦。赤鐵礦（Fe2O3）為褐黑色，次圓粒狀，主要粒度范圍為0.04～0.32 mm。鈦鐵粗精礦中除了赤鐵礦（見圖3）之外，還有與鈦鐵礦呈連晶的鈦赤鐵礦（Ti-Fe2O3）（見圖4），鈦赤鐵礦實則為鈦鐵礦與赤鐵礦固熔體分離形成的連晶或片晶，以赤鐵礦占主體。

鈦鐵粗精礦中鈦鐵礦、赤鐵礦和鈦赤鐵礦的解離度分別為84.87%、91.00%和10.76%，由于鐵、鈦礦物嵌布關(guān)系復(fù)雜，該粗精礦中鈦、鐵較難分離。

2 試驗方法

磁化焙燒是指礦石加熱到一定溫度后在相應(yīng)氣氛中進行物理化學(xué)反應(yīng)的過程，常用的磁化焙燒方式主要包括：還原焙燒、氧化焙燒、氧化—還原焙燒等［9-12］。含赤鐵礦和鈦赤鐵礦的鈦鐵粗精礦加熱到一定溫度后，與適量的還原劑反應(yīng)，可使弱磁性的赤鐵礦和鈦赤鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)閺姶判缘拇盆F礦和鈦磁鐵礦，反應(yīng)式為［13-16］：

試驗擬通過還原焙燒方式改變赤鐵礦磁性，增大主要礦物間磁性差異，焙燒后的焙砂再通過磁選進行有效分離，以達到提升鈦鐵礦品級的目的［17-20］。擬采用的原則流程為還原焙燒—濕式磁選選冶聯(lián)合流程，見圖5。

具體試驗方法為：取120 g鈦鐵粗精礦，加入一定量的固定炭粉混勻裝入坩堝內(nèi)，將坩堝放入溫度已升至還原溫度的馬弗爐內(nèi)進行還原焙燒，還原焙燒后取出焙砂，采用水淬的方式進行冷卻，通過重選脫除多余還原劑，再通過濕式磁選分離得到鐵精礦和鈦鐵精礦。

3 試驗結(jié)果及討論

影響還原焙燒的因素有礦石性質(zhì)、還原溫度、還原時間、還原劑種類和還原劑用量等，試驗采用馬弗爐進行還原焙燒條件試驗，焙砂重選脫炭后采用筒式濕式磁選機進行鈦鐵分離，磁選條件為：一次磁選，磁場強度0.15 T。

3.1 還原焙燒條件試驗

3.1.1 還原溫度條件試驗

試驗采用炭粉作為還原劑，固定炭粉用量為5%，還原時間為15 min，在750～900 ℃溫度區(qū)間進行還原溫度試驗，考查還原溫度對本礦石中赤鐵礦及鈦赤鐵礦還原效果的影響，結(jié)果見圖6。

由圖6 可知，當(dāng)還原溫度低于875 ℃時，隨著還原溫度的提高，鈦鐵礦精礦中TiO2品位升高，TiO2回收率降低；當(dāng)溫度達到900 ℃時，鈦鐵礦精礦中TiO2回收率開始升高，但TiO2品位降低，這可能是因為焙燒過程中出現(xiàn)過還原現(xiàn)象，生成了沒有磁性的富氏體FeO，影響了鈦鐵磁選分離效果。因此，本試驗確定還原溫度為875 ℃。

3.1.2 還原時間條件試驗

固定炭粉用量為5%，還原溫度為875 ℃，考查還原時間對本礦石中赤鐵礦及鈦赤鐵礦還原效果的影響，結(jié)果見圖7。

由圖7 可知，在還原溫度為875 ℃條件下，還原時間從10 min 增加到12.5 min，鈦鐵礦精礦中TiO2回收率降低，而TiO2品位升高，說明該時間段還原反應(yīng)較快；當(dāng)還原時間超過12.5 min 后，開始存在過還原現(xiàn)象，鈦鐵礦精礦中TiO2含量逐漸降低，因此，本試驗確定還原時間為12.5 min。

3.1.3 還原劑用量試驗

固定還原焙燒溫度875 ℃、還原時間12.5 min，進行還原劑炭粉用量試驗，結(jié)果見圖8。

由圖8 可知，當(dāng)炭粉用量從2.5%增加到5%時，鈦鐵礦精礦中TiO2品位升高；隨著炭粉用量進一步增加，還原效果相差不大，因此，本試驗炭粉用量選擇為入爐試驗樣重量的5%。

3.1.4 最佳焙燒條件下產(chǎn)物分析

通過還原焙燒條件試驗，得到較佳的還原條件參數(shù)為：還原焙燒溫度875 ℃、還原時間12.5 min，還原劑用量5%，對還原后焙砂進行XRD 分析，結(jié)果見圖9。

由圖9 可知，還原后焙砂主要為鈦鐵礦和磁鐵礦，說明赤鐵礦、含鈦赤鐵礦在加熱到一定溫度后，與適量的還原劑相作用，能使弱磁性的赤鐵礦（Fe2O3）轉(zhuǎn)變?yōu)閺姶判缘拇盆F礦（Fe3O4）。

3.2 還原焙燒—磁選試驗

工藝礦物學(xué)研究結(jié)果顯示，鈦鐵粗精礦中含有少量的鈦赤鐵礦連生體，該部分鈦赤鐵礦還原焙燒后的產(chǎn)品走向會影響鈦鐵礦精礦的品質(zhì)及回收率。為提高鈦鐵礦精礦中TiO2的品位，在還原溫度為875 ℃、還原時間12.5 min，加5%炭粉的還原條件下得到的焙砂，采用磁選方法進行鈦鐵分離試驗，試驗條件流程見圖10，試驗結(jié)果見表3。

由表3 可知，鈦鐵粗精礦經(jīng)還原焙燒后的焙砂，采用1 次弱磁粗選，先選出磁鐵礦和少量的鈦磁鐵礦，再通過中磁掃選，選出剩余的鈦磁鐵礦，最終可獲得TiO2含量49.05%、TiO2回收率77.16%的鈦鐵礦精礦，以及Fe 含量49.73%、Fe 回收率34.61%的鐵精礦，鈦鐵粗精礦中TiO2含量從42.71% 提高到49.05%，鈦鐵得到有效分離，提質(zhì)效果明顯。

對磁選試驗得到的鈦鐵礦精礦采用MLA 礦物自動檢測技術(shù)進行了礦物組成測定，結(jié)果見表4。

赤鐵礦和鈦赤鐵礦還原后轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦和鈦磁鐵礦，通過濕式磁選選別后，得到的鈦鐵礦精礦中含鐵礦物大幅度減少。由表4可知，鈦鐵礦精礦中主要為鈦鐵礦，礦物含量為92.869%，少量鈦磁鐵礦、白鈦石、輝石等，其中鈦磁鐵礦含量僅為0.628%，說明鈦鐵粗精礦中赤鐵礦還原效果較好。

同時，采用掃描電鏡對鈦鐵礦精礦和鐵精礦產(chǎn)品進行了分析，鈦鐵礦精礦和鐵精礦的BSE圖像分別見圖11 和圖12。結(jié)果表明，鈦鐵礦精礦主要為鈦鐵礦，雜質(zhì)含量較少；鐵精礦中主要為磁鐵礦及磁鐵礦與鈦鐵礦的連生體。

4 結(jié) 論

（1）鈦鐵粗精礦中主要鈦礦物為鈦鐵礦，少量白鈦石、金紅石和榍石，含鈦礦物占有率大于95%；主要鐵礦物為鈦赤鐵礦和赤鐵礦；脈石礦物數(shù)量較少，主要為少量的石榴石、角閃石、輝石。

（2）工藝礦物學(xué)研究結(jié)果表明，鈦鐵粗精礦中TiO2含量低的主要原因：①鈦鐵粗精礦中含16.33%的赤鐵礦及鈦赤鐵礦；②鈦鐵粗精礦中常見鈦鐵礦中定向分布赤鐵礦片晶，亦可見赤鐵礦中定向排列固溶體分離的微細粒鈦鐵礦，鈦赤鐵礦實則為鈦鐵礦與赤鐵礦固熔體分離形成的連晶或片晶，以赤鐵礦占主體。

（3）對TiO2含量42.71%的鈦鐵粗精礦，采用還原焙燒—磁選選冶聯(lián)合工藝流程處理，通過還原焙燒使鈦粗精中赤鐵礦和含鈦赤鐵礦選擇性還原成磁鐵礦和鈦磁鐵礦，再通過磁選工藝使鈦鐵礦與磁鐵礦、鈦磁鐵礦有效分離，最終可獲得TiO2品位49.05%、TiO2回收率77.16%的鈦鐵礦精礦，精礦品質(zhì)得到大幅度提升。

（4）鈦鐵粗精礦在原粒度條件進行還原焙燒，可以保證鈦鐵礦精礦原有粒度，避免還原過程粉塵污染及細粒級礦物損失，有利于鈦鐵礦精礦后續(xù)冶煉工藝處理。該選冶聯(lián)合工藝流程簡單，無藥劑污染，為該類難分離鈦鐵粗精礦資源的有效利用提供了技術(shù)途徑。