宁乡式鲕状赤铁矿开发利用研究现状及展望*

张伏龙 黄 润 张金柱

(1.贵州大学材料与冶金学院；2.贵州省冶金工程与过程节能重点实验室)

宁乡式鲕状赤铁矿开发利用研究现状及展望*

张伏龙1,2黄 润1,2张金柱1,2

(1.贵州大学材料与冶金学院；2.贵州省冶金工程与过程节能重点实验室)

我国鲕状赤铁矿石储量大、品位低，属复杂难选铁矿石。综述了近年来国内外对鲕状赤铁矿的开发利用工艺，着重介绍了浮选、选择性絮凝分选、磁化焙烧、直接还原等工艺的研究现状，并探讨了鲕状赤铁矿开发利用工艺的未来发展方向。

鲕状赤铁矿 开发利用 直接还原

钢铁在国民经济发展中占有重要的地位。我国属于钢铁需求大国。随着钢铁工业的发展，我国易选铁矿石越来越少，而对进口铁矿石依赖度逐渐上升，见图1。日益枯竭的铁矿石资源对我国钢铁工业的发展构成了严重威胁。因此，低品位、难选铁矿石的开发利用逐渐受到关注。据报道，我国鲕状赤铁矿储量为40～50亿t[1-2]。实现鲕状赤铁矿的合理开发利用对我国钢铁工业的发展显得尤为重要。

图1 2003—2012年中国铁矿石进口量

鲕状赤铁矿资源分布较广，存储量大，因其结构多呈鲕状而得名，是我国一种重要的沉积型铁矿，约占全国铁矿资源量的10%。根据其矿石性质不同，可分为宁乡式鲕状赤铁矿和宣龙式鲕状赤铁矿。前者广泛分布在江西西部、贵州东部、湖南北部、湖北西部和广西北部等地区，有用矿物主要包括赤铁矿、菱铁矿和褐铁矿；后者含磷量不高，主要分布在我国河北地区[3-4]。

宁乡式鲕状赤铁矿石属高磷低铁矿石，全铁含量30%～45%，含磷0.4%～1.8%[5-9]，主要有用矿物为赤铁矿，其鲕粒直径0.59～1.65 mm，具有同心层鲕状质地，鲕状体外形较小，易彼此黏结；嵌布粒度极细，常和胶磷矿、鲕绿泥石、石英及其他黏土矿物混合，部分铁矿物呈星散状分布，很难单体解离[6]。因此采用一 般物理选矿方法难以获得合格的高铁低磷铁精矿。

近年来，国内外学者对宁乡式鲕状赤铁矿进行了大量的分选研究，以最大限度获得高品位的铁精矿并尽可能去除其中有害元素磷。本文总结已公开发表的研究成果，探讨该领域的发展方向，为合理开发利用该类铁矿石提供技术参考。

1 鲕状赤铁矿石选矿工艺研究现状

1.1 浮选工艺

随着新型、高效浮选药剂的不断研发和应用，浮选工艺应用到大部分的铁矿石分选。王兢[10]等采用浮选工艺处理贵州某地鲕状赤铁矿时发现，十二胺用量是影响铁精矿品位的最大因素。在其用量为400 g/t时能得到铁精矿品位为55%、回收率为76.7%的较好结果；影响铁回收率的因素从大到小依次是十二胺用量、GF用量、磨矿时间、NaOH用量。

由于鲕状赤铁矿嵌布粒度极细，有用矿物难以单体解离，且细磨较易产生泥化，造成浮选分离困难。庞玉荣[11]等人在不进行预先脱泥的条件下，采用油酸和煤油混合捕收剂进行浮选，获得铁品位和回收率分别达57%和76%以上的铁精矿，其中仍含部分完整的、以石英或黄长石为核心的鲕状赤铁矿，但继续磨矿会加重矿石的泥化。因此，铁精矿再磨细度与泥化的关系有待进一步研究。

为了缩小选矿成本，降低磨矿时间、选择更加高效的药剂将是今后研究的重点。

1.2 选择性絮凝分选

许多学者尝试反浮选提铁降磷处理鲕状赤铁矿，但反浮选工艺和重选、磁选、浮选等处理工艺面临同样的问题是鲕状赤铁矿磨矿细度不够无法选出合格的铁精矿，过磨则易严重泥化，造成铁的损失且增加成本。因此，有学者研究采用选择性絮凝分选工艺来处理鲕状赤铁矿。

选择性絮凝分选的工艺主要包括疏水聚团分选、高分子絮凝分选、复合聚团分选等，工艺技术核心是矿物超细磨后充分分散，再加入分散剂对微细矿物颗粒选择性絮凝，从而达到分选的目的。李凤久[12]等针对微细粒鲕状赤铁矿，研究了絮凝剂种类和用量、搅拌时间、剪切速率、分散剂用量等因素对絮凝行为的影响。结果表明：对于不同的分散体系，分散剂的絮凝效果不同；絮凝剂和分散剂的用量、搅拌时间和速度均影响微细粒鲕状赤铁矿的絮凝效果。

选择性絮凝分选能一定程度减轻矿石泥化现象、降低成本，却无法提高铁精矿品位、去除有害杂质，因此选择性絮凝分选目前很难获得理想的选别指标。

1.3 磁化焙烧工艺

当铁矿石结构比较复杂，且通过传统的选矿工艺处理比较困难时，往往采用磁化焙烧的选别方法[13]。王成行[14]等人采用磁化焙烧工艺处理某鲕状赤铁矿，结果表明：在无烟煤5%、焙烧温度 850 ℃、焙烧时间60 min的最优条件下，可获得铁品位为58.40%的铁精矿，但磷含量高达0.71%，不能作为直接冶炼的合格原料，需进一步除磷。

大量研究表明[15-17]，磁化焙烧—磁选工艺处理鲕状赤铁矿，铁精矿品位一般在60%以下，铁回收率低，工艺成本高。原因主要为鲕状赤铁矿矿物内部有其他矿物的环带状包裹(如SiO2、黏土矿物、胶磷矿物)，阻碍铁矿物与还原性气氛的接触，减缓了Fe2+、电子和O2-在矿物层的扩散，使焙烧效果变差。

长沙矿冶研究院和武汉理工大学联合团队在余永富院士带领下，提出“闪速磁化焙烧—磁选”工艺，主要特点[18]是：①采用细粉入炉焙烧，原料分散、受热均匀；②焙烧装置容积利用率高；③燃烧和磁化分别在独立的设备中进行，避免了在焙烧过程中容易出现的因局部温度过高而引起的结圈等问题；④工艺主体装置传动部件少，维修方便，能源消耗少。该工艺是处理鲕状赤铁矿新的方向和途径，具有推广应用价值。

1.4 直接还原工艺

铁矿石在高温还原气氛中的还原顺序是Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe[19-20]。直接还原工艺按还原剂种类可分为煤基直接还原和气基直接还原。

1.4.1 煤基直接还原工艺

煤基直接还原工艺是利用煤粉作为还原剂来还原铁矿石。孙永生[21]等人采用煤基还原—磁选工艺处理鲕状铁矿石，在还原温度1 250 ℃、还原时间 50 min、配碳量2.0(实际消耗碳量/理论消耗碳量)、添加剂CaO用量10%(CaO添加质量与原矿质量比)的条件下获得了铁品位为89.63%、回收率为96.21%的铁精矿。

为适应大规模生产，工业上提出了煤基流化床直接还原工艺。矿石和煤混合后，可减轻物料黏结和矿石颗粒间的接触并抑制铁晶颗粒的形成[22-23]。流化床工艺与竖炉、回转窑等其他直接还原装置的工艺相比，具有产能大、能耗低的优点。

1.4.2 气基直接还原工艺

对于一些煤炭储备量不足、天然气丰富的国家而言，气基直接还原技术引起了人们的关注。气基直接还原工艺是将还原性气氛通入到高温还原炉(炉内通保护气体，防止金属铁被氧化)中还原铁矿石。

张金柱[24]等人对贵州某地鲕状赤铁矿采用N2-CO还原气氛进行直接还原工艺研究，结果表明：在还原温度1 050 ℃，还原时间4 h，还原气氛为CO/N2的混合气(CO占35%)，添加剂CaO用量10%的条件下，还原气氛扩散速率是影响鲕状赤铁矿金属化率的主要因素。赵志龙[25]利用CO或H2气基直接还原工艺结合电炉熔分处理鄂西某高磷鲕状赤铁矿。结果表明：利用H2或CO进行气基直接还原鲕状赤铁矿，既没有破坏其鲕状结构，磷也几乎没有被还原进入气相。但经过 1 600 ℃电炉液相熔分后，磷被富集成渣，获得磷含量达标的铁精矿。

Piotrowski K等对气基还原鲕状赤铁矿的机理进行研究，认为在还原初始阶段为相边界表面控制阶段，后期转变为扩散控制阶段[26]。

1.4.3 直接还原工艺的优缺点

煤基直接还原工艺能利用高炉炼铁产生的大量煤气作为还原剂，满足环保和节能降耗的要求，因此该工艺的开发具有重要意义。但目前煤基直接还原工艺在成本、设备、能耗、规模等方面仍有不足，需继续研究和优化。

以H2为还原剂的气基直接还原工艺，还原过程易于控制，反应速度快、无污染，而且能获得指标较好的铁精矿。因此，采用H2为还原气体进行气基直接还原鲕状赤铁矿具有很大的发展潜力，但如何降低H2的制取和储存成本是需要迫切解决的问题。

2 鲕状赤铁矿石处理工艺的研究发展方向

鲕状赤铁矿石铁品位低且一般磷含量偏高、嵌布粒度细，鲕状结构的特点更使其复杂难选，成为铁矿石选矿的一大难题。采用一般的选矿工艺如磁选等难以获得合格的铁精矿。为实现鲕状赤铁矿的合理开发利用，其选矿工艺研究应从以下方面着手。

(1)浮选处理鲕状赤铁矿，亟待解决的问题是磨矿过程中的过磨和泥化。利用计算辅助分子设计等技术开发高效、环保的浮选药剂，提高精矿铁品位、有效去除有害元素磷也是以后采用浮选工艺处理该矿石应关注的焦点。

(2)选择性絮凝分选和磁化焙烧对精矿铁品位提高有限，且难以降低有害元素磷的含量。如何优化絮凝剂和分散剂的药剂结构，进一步完善磁化焙烧工艺，是提高这2种分选工艺选矿指标的关键。

(3)采用直接还原结合除磷工艺处理鲕状赤铁矿获得高铁低磷的铁精矿，将成为重要的工艺发展方向。除磷工艺应尽可能注意回避或克服电炉熔分、化学法、浸出法和生物法所带来的经济成本高、环境污染大的问题。建议选择合适的还原剂，联合除磷工艺，加强过程控制，进行鲕状赤铁矿的选别。

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*国家自然科学基金项目(编号：51274074)。

2015-01-16)

张伏龙(1989—)，男，助理工程师，550000 贵州省贵阳市花溪区。