超貧磁鐵礦選礦新技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢

苑仁財(cái)

（中冶沈勘工程技術(shù)有限公司）

我國是世界第一鋼鐵生產(chǎn)大國及消費(fèi)大國。世界鋼鐵協(xié)會(huì)公開信息顯示，2020年我國粗鋼產(chǎn)量達(dá)10.53億t，占世界粗鋼總產(chǎn)量的56.5%。鐵礦石作為鋼鐵生產(chǎn)的基礎(chǔ)原料，是關(guān)系國家發(fā)展的重要資源，我國鐵礦石資源對(duì)外依存度連續(xù)多年超過80%。同時(shí)，隨著近年來國際局勢多變，更是加劇了鐵礦石資源供應(yīng)不穩(wěn)定的局面，且已威脅到我國鋼鐵工業(yè)的健康有序發(fā)展以及國家經(jīng)濟(jì)安全與社會(huì)穩(wěn)定。我國鐵礦石資源富礦少、貧礦多，具有貧、細(xì)、雜的資源稟賦特征［1-3］。隨著傳統(tǒng)鐵礦石資源富礦的不斷減少，開發(fā)和利用超貧磁鐵礦對(duì)我國鋼鐵工業(yè)及國家安全具有重要意義［4］，且已成為鐵礦資源找礦及選礦研究的熱點(diǎn)之一。本文根據(jù)近年的相關(guān)文獻(xiàn)和超貧磁鐵礦選礦實(shí)例，總結(jié)國內(nèi)超貧磁鐵礦選礦新技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，探討超貧磁鐵礦選礦發(fā)展趨勢，為國內(nèi)新建及改擴(kuò)建類似超貧磁鐵礦選礦廠提供參考。

1 超貧磁鐵礦的資源特征

1.1 超貧磁鐵礦的定義

根據(jù)《超貧磁鐵礦勘察技術(shù)規(guī)程》（暫行）中規(guī)定，超貧磁鐵礦邊界品位要求MFe品位≥6%，工業(yè)品位要求MFe品位≥8%，但目前各省國土資源部門對(duì)超貧磁鐵礦邊界品位及工業(yè)品位的確定不盡相同。在實(shí)際開采中，企業(yè)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件確定礦石的可采品位［5］。有文獻(xiàn)顯示，部分超貧磁鐵礦MFe品位下限達(dá)1.5%，仍具備開發(fā)利用價(jià)值［6］。

1.2 超貧磁鐵礦特點(diǎn)

超貧磁鐵礦品位極低，主要有用礦物為磁鐵礦，伴生有用礦物有釩、鈦、磷等；開采和選礦成本高，經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)大，易受市場和政策影響；選礦比高，一般達(dá)10以上，廢石、尾礦排放量大，對(duì)環(huán)境破壞嚴(yán)重。

1.3 超貧磁鐵礦資源分布

我國超貧磁鐵礦主要分布在河北、遼寧、內(nèi)蒙古等地，全國其他地區(qū)也廣泛分布著此類可利用的超貧磁鐵礦資源，如河南、山東、黑龍江等地［7］。河北省超貧磁鐵礦查明資源儲(chǔ)量55億t，預(yù)測資源儲(chǔ)量接近110億t，主要分布于承德、張家口、秦皇島、石家莊及保定等部分地區(qū)。以河北承德地區(qū)的超貧磁鐵礦為例，其主要為產(chǎn)于基性超基性巖體中的超貧磁鐵礦，一般全鐵品位10%～20%，MFe品位5%～6%，除含鐵以外，一般還含有鈦、釩、磷［8］。遼寧超貧磁鐵礦資源總量預(yù)計(jì)為107億t，主要分布于建平—喀左地區(qū)、海城—弓長嶺區(qū)、新城子—鐵嶺區(qū)等地［9］。內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特、阿拉善、白云鄂博等地區(qū)也存在大量的超貧磁鐵礦，其MFe品位較低，平均8%～11%，資源儲(chǔ)量達(dá)數(shù)億噸，屬易采、易選超貧磁鐵礦［10-12］。

2 超貧磁鐵礦選礦新設(shè)備及工藝應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 超貧磁鐵礦選礦新設(shè)備

2.1.1 高壓輥磨機(jī)

高壓輥磨機(jī)（圖1）是采用層壓破碎原理進(jìn)行擠壓破碎的設(shè)備，其由固定輥及活動(dòng)輥2個(gè)擠壓輥組成，待破碎物料經(jīng)過高壓輥磨機(jī)上方的緩沖倉以一定的料柱壓力自流給入兩輥之間，隨著輥面的滾動(dòng)，物料被擠壓破碎的同時(shí)，物料之間也產(chǎn)生磨剝作用，從而實(shí)現(xiàn)粉碎。與傳統(tǒng)破碎設(shè)備相比，高壓輥磨機(jī)具有明顯的選擇性破碎效果，物料以沿解理面粉碎為主，細(xì)粒級(jí)含量高，同時(shí)具有處理能力大、占地面積小、操作及控制簡單、粉磨功耗低等優(yōu)點(diǎn)［13］，其在超貧磁鐵礦選礦領(lǐng)域的應(yīng)用取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

一般情況下，破碎、磨礦的能耗和鋼耗占選礦廠生產(chǎn)成本的60%～70%，而破碎僅為磨礦能耗的12%～25%，并且破碎的效率也高于磨礦。有文獻(xiàn)表明，破碎機(jī)的能效比為35%～40%，球磨機(jī)為20%～25%。推進(jìn)“多碎少磨”理念，降低磨機(jī)的入磨粒度，是超貧磁鐵礦選礦廠設(shè)計(jì)的基本原則之一［2，14］，尤其是高壓輥磨機(jī)的應(yīng)用，可顯著降低入磨最大粒度及平均粒度，同時(shí)顯著降低磨礦功指數(shù)，磨機(jī)產(chǎn)能可提高30%以上［2］。

2.1.2 新型預(yù)選設(shè)備

（1）量恒式干選機(jī)。量恒式干選機(jī)（圖2）是山西三沅重工有限公司研發(fā)的新型干式磁選設(shè)備，具有全粒級(jí)分選、恒定精礦品位、自然分級(jí)等特點(diǎn)，特別適合于高壓輥磨細(xì)碎產(chǎn)品的預(yù)選作業(yè)，其獨(dú)特的中礦返回設(shè)計(jì)可減去高壓輥磨產(chǎn)品閉路篩分作業(yè)的配置，同時(shí)具備預(yù)選分級(jí)作用［15-16］。承德天寶礦業(yè)集團(tuán)鐵泰選礦廠4 500萬t/a高壓輥磨干選項(xiàng)目大量使用該設(shè)備，取得了良好的效果，干選甩廢率達(dá)80%，尾礦磁性鐵品位可控制在0.8%以下。

（2）X射線分選機(jī)（XRT）。X射線分選機(jī)是光電選領(lǐng)域中發(fā)展較為成熟的產(chǎn)品，其工作原理（圖3）是采用X射線對(duì)礦石和圍巖進(jìn)行照射，激發(fā)產(chǎn)生特征X射線，再根據(jù)每種礦物元素的特征X射線的唯一性，以確定礦石和脈石，然后由相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速、準(zhǔn)確地將礦石和脈石相分離，從而達(dá)到分選的目的［17］。酒鋼樺樹溝鐵礦采用XNDT-104射線智能分選機(jī)對(duì)入選原礦進(jìn)行預(yù)選拋廢，結(jié)果顯示拋廢率達(dá)13%，尾礦全鐵品位小于10%，磁性鐵回收率大于96%，入磨原礦品位提升3.6個(gè)百分點(diǎn)以上［18］。

X射線分選機(jī)技術(shù)具有工藝系統(tǒng)簡單、運(yùn)行成本低、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化等優(yōu)點(diǎn)，目前其主要發(fā)展瓶頸在于單臺(tái)設(shè)備處理量低，限制了其在超貧磁鐵礦領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

2.1.3 攪拌磨機(jī)

攪拌磨機(jī)的原理是通過攪拌螺旋的旋轉(zhuǎn)、提升，將筒體內(nèi)充填的磨礦介質(zhì)進(jìn)行攪動(dòng)，使筒體內(nèi)物料發(fā)生自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和循環(huán)運(yùn)動(dòng)，在此過程中被磨物料受到擠壓、剪切、磨剝等多重作用，最終實(shí)現(xiàn)磨礦［19］。有研究顯示，當(dāng)粉碎產(chǎn)品中-0.075 mm含量超過70%時(shí)，球磨機(jī)磨礦效率迅速下降［20］，導(dǎo)致磨礦能耗增高，與球磨機(jī)相比，攪拌磨機(jī)采用小直徑陶瓷球作為磨礦介質(zhì)，能量傳遞效率高，節(jié)能可達(dá)30%以上，且具有較低的鋼球和襯板消耗，更適合細(xì)磨作業(yè)。塔磨機(jī)結(jié)構(gòu)見圖4。

弓長嶺選礦廠進(jìn)行了粗精礦攪拌磨再磨試驗(yàn)，擬采用攪拌磨代替二、三段球磨，試驗(yàn)最終推薦球磨+攪拌磨兩段磨礦工藝流程，簡化了原三段閉路磨礦流程，具有較好的節(jié)能效果［21］。河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司廟溝鐵礦采用Verti立式攪拌磨機(jī)替換原三段球磨機(jī)，磨礦細(xì)度從-0.045 mm71%～73%提高到-0.045 mm88%～90%，電能節(jié)約30%，鋼球消耗降低60%，開機(jī)作業(yè)率高達(dá)98%，且襯板使用壽命增加，日常維護(hù)成本降低［22］。

2.2 選礦新設(shè)備及新工藝的應(yīng)用

2.2.1 高壓輥磨+磨前預(yù)選工藝

高壓輥磨+磨前預(yù)選工藝相當(dāng)于高壓輥磨機(jī)用作第四段超細(xì)碎或第一段磨礦取代一段球磨機(jī)，實(shí)現(xiàn)多碎少磨達(dá)到節(jié)能降耗的目的，其更適合現(xiàn)有選礦廠的碎磨系統(tǒng)改造，可充分利用原有三段閉路破碎系統(tǒng)，減小改造工程量，大幅提升碎磨回路的效果。

內(nèi)蒙古溫更鐵礦選礦廠采用中細(xì)碎后篩上塊礦干選、高壓輥磨濕式閉路篩分、篩上干選、篩下濕式預(yù)磁選工藝，入磨礦量降至35%，入磨粒度減小至-3 mm，實(shí)現(xiàn)了多碎少磨，能拋早拋，大幅度降低了選礦加工成本［14］。

承德天寶集團(tuán)灤平鐵泰礦業(yè)有限公司于2016—2017年對(duì)選礦廠進(jìn)行技術(shù)改造，應(yīng)用高壓輥磨+干式預(yù)選新技術(shù)，將原礦處理量由1 200萬t/a提高到2 000萬t/a，鐵精粉產(chǎn)能由80萬t/a提高到171萬t/a。其采用三段一閉路破碎+干式預(yù)選+高壓輥磨+干式再選+階段磨礦階段磁選工藝流程，技改方案在原工藝流程中增加了高壓輥磨機(jī)超細(xì)碎及量恒式干選機(jī)再選環(huán)節(jié)，破碎輥磨產(chǎn)品粒度由-12 mm降至-3 mm，入磨量降至19%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

承德京城集團(tuán)旗下選礦廠采用三段一閉路破碎+干選+高壓輥磨+濕式篩分+磨前濕式預(yù)選技術(shù)，將入磨粒度降至-3 mm，磨前拋廢量達(dá)60%以上，預(yù)選尾礦MFe品位在0.8%以下，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.2.2 高壓輥磨串聯(lián)工藝

以現(xiàn)階段高壓輥磨工藝的發(fā)展來看，高壓輥磨機(jī)閉路粉碎產(chǎn)品粒度下限為-3 mm，繼續(xù)降低粉碎產(chǎn)品粒度下限，將會(huì)導(dǎo)致高壓輥磨機(jī)循環(huán)負(fù)荷顯著增加，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備規(guī)格增加或數(shù)量增多。2臺(tái)高壓輥磨機(jī)串聯(lián)配置與單臺(tái)高壓輥磨機(jī)配置相比，可降低輥磨粒度下限，同時(shí)不增加高壓輥磨循環(huán)負(fù)荷，減少相關(guān)輔助設(shè)備的規(guī)格或數(shù)量，提高效能比。

馬鋼某礦對(duì)采用兩段高壓輥磨串聯(lián)工藝處理現(xiàn)場三段一閉路破碎產(chǎn)品的方案進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其一段閉路輥壓產(chǎn)品粒度-8 mm，篩下和篩上均采用干式磁選拋尾，二段閉路輥壓產(chǎn)品粒度取-2，-1，-0.5 mm，篩下采用濕式磁選拋尾，篩上采用干式磁選拋尾，二段輥壓最終產(chǎn)品-0.074 mm含量達(dá)29.22%～48.78%，接近國內(nèi)鐵選礦廠一段磨礦細(xì)度，表明兩段串聯(lián)高壓輥磨流程可以基本取代一段磨礦，簡化磨選流程，降低磨選成本［23］。

巴西Serra Azul鐵礦擬采用2臺(tái)高壓輥磨串聯(lián)配置作為碎磨流程中的第四段粉碎和第五段粉碎，其中第四段粉碎采用開路粉碎工藝，第五段粉碎采用濕篩閉路粉碎工藝，其粉碎產(chǎn)品粒度P80可達(dá)0.38 mm［24］。

2.2.3 高壓輥磨+攪拌磨工藝

研究表明，當(dāng)高壓輥磨機(jī)產(chǎn)品P80為1.5 mm時(shí)，可直接給入攪拌磨進(jìn)行細(xì)磨。黑龍江某選礦廠采用高壓輥磨機(jī)與攪拌磨機(jī)直接配置方案對(duì)原選礦工藝進(jìn)行了技術(shù)改造，高壓輥磨機(jī)與弛張篩組成閉路機(jī)組，篩下-1 mm產(chǎn)品直接給入塔磨機(jī)與旋流器組成的磨礦分級(jí)系統(tǒng)，最終獲得-0.074 mm85%的磨礦產(chǎn)品，與原生產(chǎn)工藝相比，縮短了破碎磨礦流程，大幅降低了破磨能耗［25］。

陳波等［26］對(duì)高壓輥磨+攪拌磨工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并結(jié)合傲牛鐵礦現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，提出以塔磨機(jī)替代現(xiàn)場球磨機(jī)，高壓輥磨閉路產(chǎn)品直接入塔磨機(jī)的技改方案，對(duì)技改前后工藝能耗進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，技改后預(yù)計(jì)節(jié)約能耗36.24%，節(jié)能效果非常顯著。

3 超貧磁鐵礦選礦技術(shù)發(fā)展趨勢

超貧磁鐵礦的開發(fā)與利用對(duì)我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展具有重要意義，為保證我國鐵精礦供應(yīng)安全及經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了極大的貢獻(xiàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，超貧磁鐵礦企業(yè)對(duì)市場變化、抗風(fēng)險(xiǎn)的能力得到大幅提高，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐，超貧磁鐵礦資源開發(fā)利用思路已逐漸明晰，高壓輥磨及干式、濕式磨前預(yù)選技術(shù)已發(fā)展成熟，攪拌磨機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，推廣碎磨新工藝流程，發(fā)展大型化設(shè)備，進(jìn)一步節(jié)能降耗，提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平及積極開展尾礦資源的綜合利用成為超貧磁鐵礦選礦技術(shù)的發(fā)展趨勢。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于已建成選礦廠的技術(shù)改造升級(jí)來講，采用三段一閉路破碎+干式預(yù)選+高壓輥磨閉路超細(xì)碎+干式、濕式再選工藝，在建設(shè)投資、節(jié)能降耗、提產(chǎn)增效等方面效果顯著。

（2）新建選礦廠應(yīng)充分發(fā)揮高壓輥磨超細(xì)碎效能，加強(qiáng)高效干式分選機(jī)和-3 mm細(xì)粒級(jí)干式篩分設(shè)備的研究，推廣兩段高壓輥磨機(jī)串聯(lián)工藝以及立式攪拌磨機(jī)、艾砂磨機(jī)替代球磨工藝的應(yīng)用。

（3）礦山企業(yè)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)礦山整合及產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)，淘汰落后產(chǎn)能，優(yōu)化開采、選礦、排廢布置，優(yōu)先考慮在采場附近集中建設(shè)破碎干選中心，進(jìn)一步降低礦石運(yùn)輸及排廢成本。

（4）超貧磁鐵礦的開采與選礦對(duì)自然環(huán)境會(huì)造成很大的破壞，在向自然索取資源的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)及礦山生態(tài)修復(fù)，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。