白云鄂博铁矿石工艺矿物学研究

陈杏婕 倪 文 范敦城 李 瑾

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)

我国目前处于工业化中期阶段，矿产资源消耗量大，对外依存度较高，已成为我国钢铁工业经济安全的重大隐患。加强国内难选铁矿的高效开发利用研究，提高我国铁矿资源的利用效率意义重大［1-3］。白云鄂博矿是一座特大型铁、稀土、铌等多金属共生矿床，已发现有71 种元素、172 种矿物，具有综合利用价值的元素有26 种［4］。现已探明铁矿石资源储量为14.6 亿t;稀土资源(RE2O3)远景储量1.35 亿t，工业储量4 360 万t，居世界第1 位;铌资源(Nb2O5)储量占国内总储量的95%以上，居世界第2 位;钍资源(ThO2)储量约为22 万t，居世界第2 位;该矿还蕴藏着丰富的钪、萤石、富钾板岩等资源［4-7］。

国内外50 多a 来针对白云鄂博矿的综合利用进行了大量的研究，但选矿过程中铁矿物和稀土矿物的回收率均不够理想。迄今为止，只有铁回收率达71%，少量稀土得以回收利用，铌、钍、钪、钾、氟、磷等其他有价元素基本没有利用。尾矿和高炉渣内的大量放射性元素、生产废水和废渣对周围环境造成了严重污染［8］。做好白云鄂博难选氧化矿的工艺矿物学基础研究，突破传统选矿—烧结—高炉冶炼理念，通过深度还原，将矿石中的铁矿物还原为金属铁颗粒，同时不同程度还原稀土矿物、铌矿物，再对深度还原物料进行分选，从而提高白云鄂博难选氧化矿的分选效率，具有重要的理论和实际意义。

1 矿石的成分

矿石主要化学成分分析结果见表1，主要矿物分析结果见图1，显微镜下测定的各矿物含量见表2。

表1 矿石主要化学成分分析结果Table 1 Main chemical composition analysis of Bayan Obo ore %

图1 矿石的XRD 图谱Fig.1 X-ray diffraction patterns of baiyun ebo ore

表2 矿石主要矿物组成及相对含量Table 2 Mineral composition and relative content of Bayan Obo ore %

从表1 可以看出，矿石主要化学成分为铁，占31.40%，其中FeO 占9.04%;稀土氧化物(REO)含量较高，占7.14%;Nb2O5含量占0.127%;有害元素氟、磷、硫及钠、钾的含量较高。

从图1 可以看出，铁矿物主要有磁铁矿、假象—半假象赤铁矿、原生赤铁矿;稀土矿物以氟碳铈矿为主;脉石矿物主要有萤石、石英、钠辉石、方解石、长石等。

化学分析和XRD 分析结果表明，可供回收的主要有用矿物有铁矿物、稀土矿物、铌矿物。

从表2 可以看出，矿石中的主要矿物磁铁矿、萤石含量较高，其次是石英与长石、钠辉石与钠闪石、假象—半假象赤铁矿、白云石与方解石、氟碳铈矿等，其他矿物含量均较低。

2 铁相态

矿石铁物相分析结果见表3。

表3 矿石铁物相分析结果Table 3 Fe phase analysis of Baiyun Ebo ore %

从表3 可以看出，矿石中的铁主要为磁性铁、占总铁的64.49%，有9.78%的铁以赤褐铁矿形式存在，另有多达21.97%的铁存在于硅酸盐矿物中，碳酸铁和硫化铁分别占总铁的2.71%和1.05%。

3 主要矿物的嵌布特征

3.1 铁矿物

矿石中的有用铁矿物有磁铁矿、赤铁矿。磁铁矿粗颗粒较少，主要以碎屑状及角砾状形式存在，占矿石中磁铁矿总量的70%以上，磁铁矿块状集合体也偶见，见图2;磁铁矿多呈半自形和他形粒状结构，与脉石矿物的界面不平整，也常包裹其他矿物，在白云石型矿石中，磁铁矿同时与钶铁矿、磷灰石、独居石、重晶石共生，见图3;块状构造铁矿石常为富铁矿石，铁矿物集合体紧密镶嵌，颗粒间有少量的脉石矿物嵌布，但单体解离较容易，见图4;矿石中的赤铁矿多紧密镶嵌在碎屑状及角砾状磁铁矿中构成铁矿物集合体(见图5)，在磨矿时无需实现彼此的解离即可实现赤铁矿的高效、低成本回收。

碳酸铁主要以类质同象的形式存在于白云石中，硫化铁主要以黄铁矿形式存在，硅酸铁主要存在于钠闪石、钠辉石中。

3.2 稀土矿物

图2 磁铁矿集合体Fig.2 Magnetite aggregates

图3 白云石型矿石中磁铁矿与多种矿物共生的SEM 图片Fig.3 SEM photograph of magnetite coexisting with other minerals in dolomite ores

图4 块状构造矿石中的磁铁矿Fig.4 Magnetite in massive structure ores

图5 碎屑状及角砾状磁铁矿中紧密镶嵌的赤铁矿Fig.5 Hematite in fragmental and breccia magnetite

矿石中分布最广泛的稀土矿物为独居石，呈粒状，与周边其他矿物紧密共生，界面不平整，形成较为复杂的镶嵌关系，见图6;萤石、钠辉石型矿石中的稀土矿物常与铁矿物呈条带状共生，铁矿物、稀土矿物、萤石及钠辉石各自形成宽窄不一的条带，这些条带相间排列呈集合体，图7 为磁铁矿条带所夹的稀土矿物集合体条带。由于稀土矿物和铁矿物均主要为他形粒状结构，与其他矿物不规则镶嵌，因此，单体解离较困难。

图6 独居石在矿石中嵌布的SEM 图片Fig.6 SEM photograph of monazite in ores

图7 夹在磁铁矿条带中的稀土矿物条带Fig.7 Banding rare earth minerals in banding magnetite

3.3 脉石矿物

(1)萤石。萤石是白云鄂博矿床中分布最广、生成时间延续最长的一种脉石矿物，部分萤石包裹有稀土矿物细小颗粒见图8。

图8 包裹有稀土矿物的萤石Fig.8 Fluorite encapsulating rare earth minerals

(2)钠辉石。钠辉石是白云鄂博矿的典型矿物之一，呈不规则他形粒状(碎屑状)，与萤石、独居石、磁铁矿共生关系密切，见图9。

图9 与萤石、独居石、磁铁矿紧密共生的钠辉石Fig.9 Aegirite＇s coexistence with fluorite，monazite and magnetite

(3)方解石。方解石主要存在于晚期白云岩中，呈不规则粒状，见图10。

图10 方解石的嵌布特征Fig.10 Calcite in ores

(4)重晶石与石英。重晶石主要呈不规则他形粒状、条带状分布，与多种矿物共生，镶嵌关系极为复杂;石英在矿石中含量不高，多与重晶石共生，形状不规则，见图11。

图11 与重晶石等紧密共生的石英SEM 图片Fig.11 SEM photograph of quartz＇s coexistence with barite

4 铁矿物的嵌布粒度分析

铁矿物是矿石中的主要回收矿物，因此，采用显微镜下过尺线法对铁矿物的嵌布粒度进行了测定，磁铁矿、赤铁矿的筛上正累计曲线见图12。

图12 矿石中铁矿物的正累计产率Fig.12 Positive cumulative yields of iron minerals

从图11 可以看出，磁铁矿的筛上正累计曲线在赤铁矿的上方，且磁铁矿和赤铁矿的筛上正累计曲线在细粒级区均很陡，而在粗粒级区均较平缓，说明矿石中磁铁矿的嵌布粒度较赤铁矿粗，且铁矿物嵌布粒度均以微细粒为主，嵌布粒度大于10 μm 的赤铁矿、磁铁矿分别仅占40%和54%，大于30 μm 的赤铁矿、磁铁矿更是仅有9.7%和25.4%。

5 矿石的可选性分析

工艺矿物学研究表明，矿石成分复杂、共生关系密切，铁矿物、稀土矿物作为主要有用矿物，嵌布粒度微细且不均匀，直接采用先磨后选工艺回收有用成分相当困难，且难以获得较高的回收效率。大量的研究表明，宜采用深度还原焙烧再分选工艺回收铁和稀土。矿石中的主要脉石矿物萤石是表面活性物质，在进行深度还原焙烧时，具有降低烧结熔点、黏度和表面张力的效果。

6 结 论

(1)白云鄂博铁矿石的主要化学成分为铁，占31.40%，其次为稀土氧化物，占7.14%，Nb2O5含量占0.127%;有害元素氟、磷、硫含量较高。铁矿物主要有磁铁矿、假象—半假象赤铁矿、赤铁矿;稀土矿物以氟碳铈矿为主;脉石矿物主要有萤石、石英、钠辉石、方解石、长石等。

(2)矿石中的铁以磁性铁为主，占总铁的64.49%，9.78%的铁以赤褐铁形式存在，另有多达21.97%的铁存在于硅酸盐矿物中，碳酸铁和硫化铁分别占总铁的2.71%和1.05%。磁铁矿主要以碎屑状及角砾状形式存在，占磁铁矿总量的70%以上，这些磁铁矿常与钶铁矿、磷灰石、独居石、重晶石等脉石矿物紧密共生、界面不平整，偶见粗粒块状磁铁矿集合体;矿石中的赤铁矿多紧密镶嵌在碎屑状及角砾状磁铁矿中构成铁矿物集合体;碳酸铁主要以类质同象的形式存在于白云石中，硫化铁主要以黄铁矿形式存在，硅酸铁主要存在于钠闪石、钠辉石中。

(3)矿石中分布最广泛的稀土矿物为独居石，呈粒状，与周边其他矿物紧密共生，界面不平整，形成较为复杂的镶嵌关系。

(4)矿石中的脉石矿物均呈不规则状或他形粒状，脉石矿物间以及脉石矿物与有用矿物间嵌布关系均非常密切，萤石是分布最广的脉石矿物，是细小稀土矿物颗粒的包裹矿物之一。

(5)矿石中铁矿物的嵌布粒度均非常细小，磁铁矿较赤铁矿略粗，嵌布粒度大于10 μm 的赤铁矿、磁铁矿分别仅占40%和54%，大于30 μm 的赤铁矿、磁铁矿更是仅有9.7%和25.4%。

(6)由于矿石成分复杂，有用矿物稀土矿物和铁矿物均主要为半自行或他形粒状结构，与其他矿物不规则镶嵌，且嵌布关系密切，单体解离较困难，直接采用先磨后选工艺回收有用成分相当困难，且难以获得较高的回收效率。因此，宜采用深度还原焙烧再分选工艺回收铁和稀土。

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