海南石碌鐵礦石工藝礦物學(xué)研究

韓文杰 李艷軍 李文博 朱一民

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.難采選鐵礦資源高效開發(fā)利用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，遼寧 沈陽 110819）

礦產(chǎn)資源事關(guān)國事民生，是經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展的重要生產(chǎn)資料。截至2017年底，我國已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)資源173種，涉及國防、醫(yī)療、工農(nóng)、能源、化工等在內(nèi)的所有與人類生活有關(guān)的領(lǐng)域都與礦產(chǎn)資源有著直接或間接的聯(lián)系［1-3］。在現(xiàn)代社會(huì)鋼筋水泥的都市文明中［4］，鐵礦資源是經(jīng)濟(jì)、國防等領(lǐng)域的重要資源［5］。由于我國鐵礦石資源先天不足，與其他鐵礦資源大國相比選鐵工藝復(fù)雜，大大增加了入爐煉鐵前的成本。但是國內(nèi)鐵礦是我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展資源安全保障的壓艙石和調(diào)節(jié)器，必須保證一定的底線供應(yīng)能力［6］。海南石碌鐵礦是我國重要的鐵礦石基地之一，是我國較早實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開采的大型露天礦床［7］。但是隨著開采年限的增加，近年來海南石碌鐵礦石品質(zhì)下降，現(xiàn)有工藝僅可獲得鐵品位約62.5%、鐵回收率僅為65%的精礦。造成鐵礦資源的極大浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益一般。因此，亟需依據(jù)該資源的稟賦特征研發(fā)創(chuàng)新性和顛覆性技術(shù)，形成高效開發(fā)利用方案，為海南石碌鐵礦的高效開發(fā)與利用提供技術(shù)支撐。故針對海南石碌鐵礦石進(jìn)行工藝礦物學(xué)研究，以期尋找新的高效選別手段。

1 礦石的物質(zhì)組成

1.1 礦石化學(xué)組成

為了探明礦石的化學(xué)成分對其進(jìn)行了化學(xué)多元素分析，結(jié)果見表1。礦石的主要有用元素是鐵，原礦TFe品位為40.53%；原礦中SiO2的含量較高，達(dá)到了30.30%；其余雜質(zhì)Al2O3、CaO的含量也較高，分別達(dá)到2.83%和2.60%；礦石中有害元素硫的含量較高，達(dá)到1.32%，磷的含量較低，僅為0.026%。

1.2 礦石礦物組成

為了進(jìn)一步探究礦石的礦物組成，對原礦進(jìn)行了XRD定性分析，結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出：礦石的主要金屬礦物為赤鐵礦，其次為磁鐵礦，另外還含有少量黃鐵礦；脈石礦物主要為石英。根據(jù)原礦XRD圖譜分析結(jié)果再結(jié)合MLA礦物組成分析儀及顯微鏡下觀察分析海南石碌鐵礦的主要礦物組成，礦石的礦物組成結(jié)果見表2。礦石赤鐵礦和磁鐵礦含量分別為41.74%和12.11%，另有少量褐鐵礦；礦石中金屬硫化物主要為黃鐵礦，含量為1.85%，另外含有少量黃銅礦和微量方鉛礦、閃鋅礦、毒砂等；礦石中的非金屬礦物主要為石英，含量為22.54%，其脈石礦物有絹云母、輝石、碳酸鹽礦物、白云母、綠簾石、綠泥石和角閃石等。

1.3 鐵的物相分析

為了探明海南石碌鐵礦中鐵的賦存狀態(tài)，對其進(jìn)行了鐵化學(xué)物相分析，結(jié)果見表3。

由表3可知，礦石中主要鐵礦物為赤鐵礦，分布率為73.56%，其次為磁性鐵礦物（如磁鐵礦或磁赤鐵礦），分布率為21.69%，硫化鐵礦物、硅酸鐵礦物及碳酸鐵礦物中鐵含量相對較少，分布率分別為2.46%、1.32%和0.97%。其中赤鐵礦和磁性鐵礦是主要回收目標(biāo)，而硅酸鐵礦物難以回收。

2 礦石結(jié)構(gòu)及構(gòu)造

2.1 礦石結(jié)構(gòu)

礦石中各礦物顆粒的自身形態(tài)特征對礦物的解離有重要的影響，礦石中主要表現(xiàn)為赤鐵礦和磁鐵礦的自形晶結(jié)構(gòu)，磁鐵礦和黃鐵礦的半自形晶結(jié)構(gòu)，兩種及兩種以上礦物之間交代結(jié)構(gòu)、包含結(jié)構(gòu)等。

自形晶結(jié)構(gòu)：礦石中的赤鐵礦以自形的片狀、鱗片狀和薄板狀產(chǎn)出，磁鐵礦以完整的自形粒狀產(chǎn)出，結(jié)晶外形較完好，形成自形晶結(jié)構(gòu)。

半自形晶結(jié)構(gòu)：礦石中部分磁鐵礦和黃鐵礦顆粒晶體不完整，僅保持部分晶面完好，形成半自形晶結(jié)構(gòu)。

交代結(jié)構(gòu)：礦石中赤鐵礦沿磁鐵礦的邊緣和裂隙進(jìn)行交代，使其晶邊出現(xiàn)凹陷，呈港灣狀，形成交代結(jié)構(gòu)。

包含結(jié)構(gòu)：礦石中金屬礦物之間或金屬礦物與脈石之間常呈相互包裹的現(xiàn)象，形成包含結(jié)構(gòu)。

2.2 礦石構(gòu)造

礦石主要呈浸染狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造和條紋狀構(gòu)造。礦石中的赤鐵礦和磁鐵礦以粗細(xì)不等的顆粒浸染嵌布在脈石礦物中，且無定向排列，形成浸染狀構(gòu)造；礦石中的磁鐵礦、赤鐵礦以集合體產(chǎn)出，構(gòu)成致密集合體，其中金屬礦物含量在80%以上，形成塊狀構(gòu)造；礦石中部分赤鐵礦集合體厚度較薄，與脈石礦物交互嵌布呈多組相間排列的條紋，形成條紋狀構(gòu)造。

3 礦石主要礦物產(chǎn)出特征

3.1 赤鐵礦

礦石中赤鐵礦（Ht）是主要回收礦物之一，含量最多。顯微鏡下觀察赤鐵礦的產(chǎn)出特征，結(jié)果見圖2。赤鐵礦的主要產(chǎn)出形式有：自形片狀、板狀和粒狀及集合體等。赤鐵礦一般呈浸染狀充填在脈石礦物中，與脈石礦物交互嵌布，定向排列，形成條紋狀構(gòu)造。粒度以中粒嵌布為主，集合體的顆粒較大一些，另外還有少量以針狀、細(xì)脈狀的形式產(chǎn)出，其粒度較小。

赤鐵礦與磁鐵礦的嵌布關(guān)系見圖3。赤鐵礦與磁鐵礦的嵌布關(guān)系密切，常見赤鐵礦和磁鐵礦顆粒相互嵌布共生，二者集合體交互排列，一起分布在脈石中，赤鐵礦集合體中常嵌布粒狀的磁鐵礦，有的赤鐵礦為磁鐵礦氧化蝕變產(chǎn)物，嵌布在磁鐵礦顆粒中并交代磁鐵礦。

赤鐵礦與黃鐵礦的嵌布關(guān)系見圖4。少量的赤鐵礦嵌布在黃鐵礦的孔隙和邊部，赤鐵礦顆粒中亦會(huì)有黃鐵礦的嵌布。這部分礦石在機(jī)械破碎中難以完全解離，可能會(huì)有赤鐵礦—黃鐵礦連生顆粒產(chǎn)生從而影響選別效果。

3.2 磁鐵礦

礦石中鐵礦物磁鐵礦含量僅次于赤鐵礦，也是回收目標(biāo)之一。磁鐵礦的產(chǎn)出特征見圖5，磁鐵礦粒度以中粗粒嵌布為主。磁鐵礦主要以自形—半自形粒狀或粒狀集合體產(chǎn)出，還有在脈石中定向排列，呈拉長粒狀，少量以他形粒狀和板狀產(chǎn)出。他形粒狀顆粒細(xì)小，孔洞中還會(huì)充填脈石礦物。磁鐵礦常與赤鐵礦相互嵌布（圖3），交互排列，有的磁鐵礦被赤鐵礦交代，磁鐵礦顆粒中嵌布細(xì)粒狀、不規(guī)則狀的赤鐵礦，有的細(xì)粒殘余體包裹在赤鐵礦中。磁鐵礦和黃鐵礦也會(huì)有相互嵌布，有時(shí)磁鐵礦顆粒間有黃鐵礦嵌布，黃鐵礦孔隙中也會(huì)充填磁鐵礦（圖6）。

假設(shè)入侵者依次攻擊單條入侵路徑上的n個(gè)脆弱性的過程中，相鄰兩次攻擊之間無時(shí)間間隔，且完成對任意一個(gè)脆弱性攻擊所需要的時(shí)間周期均為τ，則突破單條路徑上的n個(gè)脆弱性所需的總時(shí)間周期為nτ.將入侵者在T內(nèi)通過具有n個(gè)脆弱性的單條入侵路徑實(shí)施入侵的次數(shù)記為k，則

3.3 黃鐵礦

黃鐵礦是有害元素硫的主要賦存礦物，在礦石中含量較少，在磁鐵礦、赤鐵礦、脈石中均有分布（圖4、圖6、圖7）。黃鐵礦主要以自形—半自形粒狀產(chǎn)出。部分黃鐵礦粒度較粗，以粒狀集合體產(chǎn)出，呈致密塊狀，其孔隙間有黃銅礦產(chǎn)出。

3.4 黃銅礦

黃銅礦也是有害元素硫的賦存礦物，但是它含量很少。黃銅礦的產(chǎn)出特征見圖8，黃銅礦主要分布在黃鐵礦粒間或黃鐵礦周圍的脈石中，以他形粒狀產(chǎn)出。

3.5 非金屬礦

礦石中的主要脈石礦物為石英，石英的產(chǎn)出特征見圖9。礦石中石英以細(xì)粒嵌布為主；分布極不均勻；主要以自行粒狀集合體產(chǎn)出。石英的粒間常有絹云母、碳酸鹽礦物和綠泥石填充；同時(shí)，絹云母和碳酸鹽礦物的集合體間也存在細(xì)粒級石英嵌布。

絹云母的含量次于石英。絹云母的產(chǎn)出特征見圖10，絹云母在礦石中的分布比較集中，以片狀、鱗片狀及集合體的形式產(chǎn)出，粒度細(xì)小，主要嵌布在石英粒間。同時(shí)絹云母集合體中分布細(xì)粒石英。

綠泥石在礦石中含量較少，多以細(xì)粒狀和片狀產(chǎn)出，粒度細(xì)小，分布在石英集合體中。綠泥石的嵌布特征見圖11。

碳酸鹽礦物在礦石中含量較少。碳酸鹽礦物的嵌布特征見圖12，碳酸鹽礦物以他形粒狀和不規(guī)則狀產(chǎn)出，粒度細(xì)小，主要嵌布在石英粒間。

4 有用礦物結(jié)晶粒度分布特征

海南石碌鐵礦石中的主要回收成分為赤鐵礦和磁鐵礦，對其結(jié)晶粒度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表4。

由表4可知，赤鐵礦和磁鐵礦在+0.074mm粒級中的分布率分別為55.60%和65.49%，-0.037mm粒級中的分布率分別為18.59%和18.58%?？梢姵噼F礦的粒度分布不均勻，粒度以中粒嵌布為主；而磁鐵礦在+0.15 mm粒級中的分布率高達(dá)50.57%，可見磁鐵礦的粒度極不均勻，結(jié)合表中數(shù)據(jù)可知磁鐵礦在粗粒級和細(xì)粒級中分布率均較高。

5 推薦工藝流程

由工藝礦物學(xué)研究可知，海南石碌鐵礦石礦物組成復(fù)雜、鐵品位較低、硅鋁雜質(zhì)含量高，屬典型的復(fù)雜難選鐵礦石。目前采取的工藝為：地采鐵礦石（鐵品位40%左右）經(jīng)破碎篩分分級后，分為3個(gè)粒級：10～40 mm、10～0.5 mm和-0.5 mm。其中10～40 mm粒級鐵礦石采用跳汰預(yù)選，可獲得塊礦產(chǎn)品（鐵品位約54%）、中礦（鐵品位40%左右），同時(shí)預(yù)先拋出部分尾礦（鐵品位18%左右）干堆。跳汰預(yù)選中礦與10～0.5 mm粒級鐵礦石合并為貧礦選廠原礦，膠帶輸送到貧礦選廠進(jìn)行選別，貧礦選礦工藝為原礦—破碎—磨礦—磁選—浮選—過濾或原礦—破碎—磨礦—磁選—重選（離心機(jī)）—離心尾礦—磨礦—磁選—重選（離心機(jī)）—過濾。0.5 mm以下粒級礦石經(jīng)泵輸送至磁選車間進(jìn)行選別，工藝流程為原礦—磨礦—弱磁—強(qiáng)磁粗選—精選—掃選。該工藝流程復(fù)雜，同時(shí)所獲精礦品質(zhì)不高（鐵精礦品位約為62.5%），回收率也僅為65%。該工藝需先對礦石進(jìn)行分級處理，其中10～40 mm粒級鐵礦石拋出的尾礦品位還有18%，這部分尾礦還有回收的可能，且該步驟使工藝變得復(fù)雜，流程較多，近一步加劇了鐵資源的浪費(fèi)?，F(xiàn)有工藝為重磁浮聯(lián)合選別工藝，囊括了傳統(tǒng)選別手段，因礦石性質(zhì)比較復(fù)雜，得到的鐵精礦品質(zhì)不高，還造成了資源的浪費(fèi)。

因此，需依據(jù)該資源的稟賦特征研發(fā)創(chuàng)新性和顛覆性技術(shù)，形成高效開發(fā)利用方案。近年來，國內(nèi)相關(guān)研究單位圍繞微細(xì)粒礦、菱鐵礦、褐鐵礦、鮞狀赤鐵礦等復(fù)雜難選鐵礦資源的高效開發(fā)與利用，開展了大量的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)工作，基本達(dá)成了采用選冶聯(lián)合工藝才能實(shí)現(xiàn)該類鐵礦資源高效利用的共識，其中磁化焙燒是處理該類礦石最有效技術(shù)［9］。該礦石的主要待回收鐵礦物為赤鐵礦，還含有少量磁鐵礦。據(jù)研究，少量磁鐵礦可以誘導(dǎo)赤鐵礦的磁化還原［10］。因此，該物料適合進(jìn)行磁化焙燒處理從而高效回收鐵礦物。根據(jù)工藝礦物學(xué)研究，礦石有害元素S含量較高，主要賦從在黃鐵礦中，若進(jìn)入焙燒爐中會(huì)生成SO2造成環(huán)境污染。故需先脫除有害元素S，擬采取浮選手段，進(jìn)行脫硫；同時(shí)考慮到入爐物料太多，可先進(jìn)行弱磁—強(qiáng)磁預(yù)富集處理脫去一部分脈石礦物減少入爐物料量，提高磁化焙燒效率；采用磁選法選別得到的焙燒物料，從工藝礦物學(xué)研究得知還有相當(dāng)一部分鐵礦物結(jié)晶粒度較細(xì)并且嵌布在石英中，因此在磁選前需對物料細(xì)磨使鐵礦物與脈石礦物解離，從而提高鐵精礦品質(zhì)。

綜上所述，礦石主要回收鐵礦物為赤鐵礦，其次為磁鐵礦，有害元素S含量較高且其賦存礦物黃鐵礦、黃銅礦與赤鐵礦、磁鐵礦嵌布關(guān)系密切，造成有害元素S難以分離、鐵精礦產(chǎn)品S含量超標(biāo)及一部分鐵礦物在脫硫作業(yè)中流失等問題。還有相當(dāng)一部分鐵礦物結(jié)晶粒度較細(xì)并且嵌布在石英中，造成這部分礦物難以回收。因此采用常規(guī)流程難以高效回收鐵礦物，因此提出了脫硫—預(yù)富集—焙燒—細(xì)磨磁選的工藝流程。提出的新工藝與現(xiàn)有工藝相比流程簡單，不需要分級處理分別選別，刪減了重選流程，這大大縮減了選別流程，同時(shí)該流程清潔高效且原破碎、磨礦、磁選等車間可以繼續(xù)利用，只需搭建焙燒車間。

6 結(jié)論

（1）海南石碌鐵礦石TFe品位為40.53%，鐵礦物以赤鐵礦為主，還有少量磁鐵礦，鐵在赤鐵礦中分布率為73.56%、在磁鐵礦中分布率為21.69%。主要有害元素為S，含量為1.32%，主要的硫化物為黃鐵礦。脈石礦物主要為石英，其次為絹云母、輝石、碳酸鹽礦物等。

（2）礦石中赤鐵礦、磁鐵礦的嵌布關(guān)系較為密切，二者相互嵌布，細(xì)粒赤鐵礦嵌布在磁鐵礦中，并交代磁鐵礦，彼此較難解離。礦石中赤鐵礦呈稠密浸染狀，粒間嵌布細(xì)粒的脈石礦物，部分磁鐵礦中分布細(xì)粒的脈石礦物，這部分脈石礦物較難從鐵礦物中解離出來，將會(huì)影響鐵精礦品位。礦石中含有少量黃鐵礦，且黃鐵礦粒度較細(xì)小，并與赤鐵礦和磁鐵礦嵌布關(guān)系密切，常嵌布在赤鐵礦、磁鐵礦粒間和集合體中，難以解離出來，易混入鐵精礦中，影響精礦品位和質(zhì)量。

（3）礦石中赤鐵礦和磁鐵礦的嵌布粒度不均勻，在-0.037 mm粒級中分布率分別為18.59%和18.58%，這部分鐵礦物主要以針狀、細(xì)粒狀、細(xì)脈狀、他形粒狀和不規(guī)則狀分布在脈石中，難以單體解離，易損失在尾礦中，因此為得到較好的工藝指標(biāo)需對礦石進(jìn)行合理細(xì)磨。

（4）根據(jù)工藝礦物學(xué)分析，結(jié)合現(xiàn)場原工藝流程，提出了脫硫—預(yù)富集—焙燒—細(xì)磨磁選的工藝流程。