阿爾及利亞某高磷鮞狀赤鐵礦工藝礦物學(xué)研究①

劉東泉， 李文博， 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110819）

鮞狀赤鐵礦是一種以鮞狀集合體形式存在的沉積型鐵礦資源，其特點是物質(zhì)組成復(fù)雜、嵌布粒度細(xì)，有用礦物與脈石礦物層層包裹，呈同心環(huán)帶狀結(jié)構(gòu)［1-2］。部分該類型礦石還具有磷含量高（0.4%～1.8%）的特點，稱為高磷鮞狀赤鐵礦［3］。 由于世界范圍內(nèi)富鐵礦和易選的貧鐵礦資源日益減少，同時世界各國對鋼鐵的需求卻越來越旺盛，因此開發(fā)以高磷鮞狀赤鐵礦為代表的難選鐵礦資源迫在眉睫。 該類礦石在我國儲量可觀，分布地區(qū)廣泛，典型的如寧鄉(xiāng)式鮞狀赤鐵礦，已探明儲量達(dá)37.2 億噸，預(yù)測遠(yuǎn)景儲量超過100 億噸，而國外同樣資源儲量巨大且分布不均，僅歐洲中部法、德等國、美國、澳大利亞、哈薩克斯坦、尼日利亞和阿爾及利亞等國境內(nèi)儲量就達(dá)到數(shù)百億噸［4-5］。 但國內(nèi)外對于礦石中主要有害元素磷的脫除方法尚無一致定論，而磷含量高極易導(dǎo)致鋼材發(fā)生“冷脆”現(xiàn)象［5］，所以探明鐵、磷等主要元素的賦存狀態(tài)對于高磷鮞狀赤鐵礦的大規(guī)模利用具有重要作用。

系統(tǒng)的工藝礦物學(xué)研究可以探明礦石中元素的賦存狀態(tài)及鑲嵌關(guān)系，對于礦石高效分選利用具有重要的指導(dǎo)意義，本文研究礦石來源于阿爾及利亞某高磷鮞狀赤鐵礦（磷含量在0.4%～1.2%之間），借助X 射線熒光光譜、X 射線衍射、掃描電子顯微鏡、MLA 自動礦物分析等分析手段，進行了化學(xué)組成、礦物組成、礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造和主要礦物嵌布特征等方面的研究，為后續(xù)的選別工作奠定了良好基礎(chǔ)［6-9］。

1 礦石化學(xué)元素分析

為確定原礦樣品中各元素的含量，采用化學(xué)分析法與X 射線熒光光譜分析法對其進行了化學(xué)組成分析，結(jié)果見表1。

表1 原礦化學(xué)多元素分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

分析結(jié)果表明，礦石中主要的金屬元素為Fe；主要雜質(zhì)成分為SiO2；有害元素P 含量較高，S、As 含量相對較低。

鐵是礦石樣品中的主要元素，同時也是主要的回收成分，為了確定鐵的賦存狀態(tài)，對其進行了鐵化學(xué)物相分析，結(jié)果見表2。 礦石中的鐵主要以磁性鐵中鐵的形式存在，其次是赤褐鐵礦中鐵，再次是碳酸鐵中鐵，剩余極少量的鐵分布在硫化鐵和硅酸鐵中。

表2 原礦鐵物相分析結(jié)果

2 礦物組成分析

為確定礦石中的礦物組成，采用顯微鏡鏡下鑒定、X 射線衍射分析以及自動礦物分析（MLA）等分析檢測手段，重點查明鐵和磷的元素賦存狀態(tài)，并考察礦物間共伴生情況。

礦石X 射線衍射分析結(jié)果見圖1。 礦石中主要鐵礦物為赤鐵礦和磁赤鐵礦，其次為褐鐵礦（包含針鐵礦）和磁鐵礦，非金屬礦物主要為鮞綠泥石、磷灰石等。

圖1 原礦X 射線衍射分析結(jié)果

礦石MLA 檢測結(jié)果見表3。 可見礦石中鐵主要賦存礦物為赤鐵礦和磁赤鐵礦，其次為磁鐵礦和褐鐵礦，黃鐵礦與鈦鐵礦相對較少。 脈石礦物中鮞綠泥石含量最多，磷灰石作為磷的主要賦存礦物，獨居石極少見。 金屬硫化物很少，偶見黃鐵礦、閃鋅礦。 其他脈石礦物有石英、鐵白云石、高嶺石、方解石、鋯石、重晶石、斜長石等。

表3 礦物組成及含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

3 礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造

礦石顯微鏡圖像如圖2 所示。 由圖2 可見，該礦石樣品為鮞狀赤鐵礦礦石，具自形-半自形結(jié)構(gòu)、鮞狀結(jié)構(gòu)、碎屑結(jié)構(gòu)，部分赤鐵礦呈自形粒狀分布，在礦石中自形程度較好，與其他礦物有明顯分界面，部分赤鐵礦與綠泥石等礦物鑲嵌在一起，不具完整界面。 鮞粒多為球狀、橢球狀、長條狀等形態(tài)，赤鐵礦、褐鐵礦、鐵綠泥石、磷灰石及石英等成分交互生長，粒度大小介于0.1～0.4 mm。 膠結(jié)物則以褐鐵礦和鐵綠泥石為主，其次為碳酸鹽礦物，高嶺石等。 礦石呈角礫狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造，部分赤鐵礦呈致密塊狀，亦有部分赤鐵礦片理不佳，綠泥石、碳酸鹽礦物等沿其破碎裂隙貫入，形成角礫狀構(gòu)造。

圖2 礦石顯微鏡圖像

4 礦石中主要礦物的嵌布特征

4.1 鐵礦物嵌布特征

赤鐵礦和褐鐵礦主要由以下3 種形式產(chǎn)出：①鮞狀赤褐鐵礦，以赤鐵礦為主，赤鐵礦主要與鐵綠泥石形成鮞粒，其次與磷灰石、石英、碳酸鹽礦物等形成部分鮞粒。 大部分褐鐵礦呈鮞粒內(nèi)核，較為致密，被鐵綠泥石包裹，部分與鐵綠泥石呈同心層狀交互，構(gòu)成具明顯鮞粒環(huán)帶的結(jié)構(gòu)，鮞粒環(huán)帶數(shù)量不等，各環(huán)厚度不一，疏密相間，也有小部分褐鐵礦以包殼形式呈現(xiàn)，包裹鐵綠泥石、磷灰石、石英及碳酸鹽礦物等形成鮞粒。 部分褐鐵礦相對疏松，呈細(xì)放射狀、針柱狀、球粒狀及其集合體，在其外圈形成不均勻的磁鐵礦薄層；②以膠結(jié)物形式位于鮞粒或巖屑之間，分布于鐵綠泥石、碳酸鹽礦物為主的膠結(jié)物中；③以微細(xì)粒形式浸染于巖屑或角礫中，集合體粒徑多小于0.04 mm。 赤鐵礦、褐鐵礦和磁鐵礦的嵌布特征圖像如圖3 所示。

圖3 赤鐵礦、褐鐵礦和磁鐵礦的嵌布特征圖像

磁鐵礦能譜檢測結(jié)果見表4。 由表4 可見，磁鐵礦化學(xué)成分變化較大，F(xiàn)e 含量65.11%～72.63%，平均含鐵67.75%，其次主要含磷、硅、鋁、鉻等雜質(zhì)。

表4 磁鐵礦能譜檢測結(jié)果

結(jié)合掃描電鏡觀測結(jié)果，可推測鐵含量高低與磁鐵礦產(chǎn)出形式有密切關(guān)系：①表4 中測點1 ～5，F(xiàn)e 含量65.11%～65.72%，氧含量相對較高，根據(jù)圖3（e）、（g）結(jié)果，這部分磁鐵礦主要圍繞褐鐵礦鮞粒形成一薄圈層，呈鮞粒外殼，或者不均勻、無規(guī)律地嵌布于褐鐵礦、鮞綠泥石鮞粒周圍或附近，有的保留半自形晶形，粒度均較細(xì)，大部分小于0.02 mm。 這種磁鐵礦可能形成相對較晚，與褐鐵礦關(guān)系密切，且含磷；②測點6～8，F(xiàn)e含量70.23%～72.63%，氧含量相對較低，不含磷。

4.2 鮞綠泥石嵌布特征

鮞綠泥石的能譜檢測結(jié)果見表5。 由表5 可見，鮞綠泥石普遍含鐵量較高，約為31%左右，表明其與赤鐵礦和褐鐵礦等鐵礦物結(jié)合較為緊密。 結(jié)合圖2 可知，鮞綠泥石主要以膠結(jié)物形式存在，呈細(xì)鱗片狀、細(xì)纖維狀及其集合體，與碳酸鹽礦物等位于褐鐵礦鮞粒或巖屑之間；其次由圖3（a）、（c）、（d）可知，鮞綠泥石與赤鐵礦形成同心層、交互層狀鮞粒，或呈鮞粒內(nèi)核，或呈包殼外層。

表5 鮞綠泥石能譜檢測結(jié)果

4.3 磷灰石嵌布特征

磷灰石主要有兩種產(chǎn)出形式：①呈鮞粒內(nèi)核位于磁鐵礦包殼內(nèi)，與其包裹連生形成鮞粒結(jié)構(gòu)（見圖4（a））；也有的呈鮞粒外圈層包裹赤鐵礦，或與鐵綠泥石、褐鐵礦一起形成同心層狀鮞粒（見圖4（b）和（c））；②呈半自形-自形柱狀，無規(guī)律包裹于褐鐵礦顆粒中（見圖4（d））。

圖4 磷灰石嵌布特征圖像

5 對于選礦工藝的建議

除技術(shù)條件和設(shè)備以外，礦石性質(zhì)可以說是影響并制約選礦工藝與流程制定的最根本因素，從微觀層面上了解礦石，尋找其固有特性，梳理其組成關(guān)系，對于各類礦石尤其是難選礦石的分選具有重要的指導(dǎo)意義。

工藝礦物學(xué)研究表明，該高磷鮞狀赤鐵礦礦石成分多樣，共生關(guān)系復(fù)雜，磷灰石與赤鐵礦等鐵的主要賦存礦物以多種形式相互結(jié)合，嵌鑲關(guān)系緊密且多樣，解離難度較大，因此需要細(xì)磨以促進解離。 同時主要礦物赤鐵礦、褐鐵礦、鮞綠泥石及磷灰石等嵌布粒度均較細(xì)，采用單一的傳統(tǒng)選礦方法和手段使該礦石得到合理分選的可行性較低，主要有害元素磷的脫除更是難以實現(xiàn)，因此應(yīng)充分考慮并結(jié)合磁化焙燒、磁選、酸浸等工藝技術(shù)手段。

綜上所述，提出以下建議：①盡可能地優(yōu)化磨礦工藝以促進解離；②高效利用各種提鐵降磷的有效手段并促其形成聯(lián)合工藝，同時在后續(xù)試驗基礎(chǔ)上確立合理的選礦工藝指標(biāo)，以期達(dá)到理想的選別效果。

6 結(jié) 論

1） 該高磷鮞狀赤鐵礦礦石組成較為復(fù)雜，礦物種類繁多，主要有用礦物為赤鐵礦、磁赤鐵礦和磁鐵礦，脈石礦物為鮞綠泥石、磷灰石。 鐵主要賦存于赤鐵礦和磁赤鐵礦中，少量賦存于褐鐵礦、磁鐵礦中，主要有害元素磷大部分賦存于磷灰石中，極少量賦存于獨居石中。 金屬硫化物很少，偶見黃鐵礦、閃鋅礦等。

2） 該礦石結(jié)構(gòu)主要為自形-半自形結(jié)構(gòu)、鮞狀結(jié)構(gòu)和碎屑結(jié)構(gòu)，或呈自形粒狀分布，或為半自形結(jié)構(gòu)，不具完整晶面，鮞粒多為球狀、橢球狀、長條狀等形態(tài)，主要由赤褐鐵礦與綠泥石、磷灰石、石英等結(jié)合而成，粒度介于0.1 ～0.4 mm 之間，膠結(jié)物則以褐鐵礦和鐵綠泥石為主。 在構(gòu)造方面礦石主要呈角礫狀構(gòu)造與塊狀構(gòu)造。

3） 礦石中主要礦物嵌布粒度均較細(xì)，不利于有用礦物與脈石礦物的充分解離，增加了選別難度。 赤鐵礦和褐鐵礦主要以鮞狀、膠結(jié)物以及微細(xì)粒形式存在，與鐵綠泥石、磷灰石、石英及碳酸鹽礦物等密切結(jié)合。磁鐵礦含鐵量差異較大，平均含鐵67%左右，其次含磷、硅、鋁、鉻等雜質(zhì)。 鮞綠泥石主要以膠結(jié)物形式存在，呈細(xì)鱗片狀、細(xì)纖維狀及其集合體，其次以鮞粒形式存在。 磷灰石主要與褐鐵礦、鐵綠泥石等結(jié)合形成鮞粒結(jié)構(gòu)，部分呈半自形-自形柱狀，無規(guī)律包裹于褐鐵礦顆粒中。

4） 該礦石采用單一的傳統(tǒng)選礦方法難以實現(xiàn)有用礦物與脈石礦物的有效分離，從而難以實現(xiàn)鐵元素的富集和磷元素的有效脫除，應(yīng)結(jié)合焙燒、酸浸等方法形成聯(lián)合工藝，達(dá)到綜合有效回收利用的目的。