宣龙式鲕状赤铁矿矿物学特征及分选技术

牛福生，张晋霞，聂轶苗，刘淑贤，陈 淼

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省安全技术及开采重点实验室，河北 唐山 063009)

宣龙式鲕状赤铁矿矿物学特征及分选技术

牛福生1,2，张晋霞1,2，聂轶苗1,2，刘淑贤1,2，陈 淼1

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省安全技术及开采重点实验室，河北 唐山 063009)

宣龙式鲕状赤铁矿的分选利用一直是世界性的技术难题。庞家堡的低品位(TFe<40%)的鲕状赤铁矿石工艺矿物学特征研究表明，铁矿物主要为赤铁矿，脉石矿物主要为石英、绿帘石、绿泥石等，鲕状赤铁矿与脉石矿物呈层间同心环状分布。集合体内含铁矿物和脉石矿物相互夹杂，造成矿物单体解离和相互分开困难。宣龙式鲕状赤铁矿分选工艺技术主要为强磁抛尾-浮选提铁降硅技术、强磁抛尾-重选精选提铁技术、磁化焙烧-弱磁-浮选技术，目前尚没有成熟的工业应用范例。强化超细磨和选择性解离技术、发展微细颗粒分选工艺技术、设备和药剂和创新选冶联合流程，确定合理选矿界限是宣龙式鲕状赤铁矿选矿未来的发展趋势。通过加强相关选矿技术研究，将会为突破此类难选铁矿资源规模工业应用瓶颈提供支撑。

宣龙式鲕状赤铁矿；矿物学特征；分选

宣龙式赤铁矿因其多分布于河北宣化、龙关地区而得名，此类铁矿的中心地带集中在庞家堡，因此又称为庞家堡铁矿，累计查明资源储量4亿多吨，保有资源储量1.8亿多吨，矿床成因类型主要是海相化学和生物化学沉积[1-2]。受矿床成因影响，宣龙式赤铁矿具有鲕状、肾状和豆状的特点，共伴生矿物复杂，其分选利用一直是世界性的技术难题[3]。资料表明，1971年由当时的宣钢第一炼铁厂建设的日处理150t斜坡炉磁化焙烧—弱磁分选工厂是目前为止宣龙式赤铁矿仅有的工业应用案例[4]，随着钢铁工业的快速发展和铁矿资源需求的急剧扩大，特别是钢铁企业本土资源战略的实施，宣龙式鲕状赤铁矿的分选利用再次成为研究的焦点问题。本文针对宣化钢铁公司庞家堡的低品位(TFe<40%)的鲕状赤铁矿，研究其工艺矿物特征，分析现有鲕状赤铁矿选矿技术现状和水平，并提出此宣龙式鲕状赤铁矿的分选技术的发展方向。

1 工艺矿物学特征

1.1 矿样性质研究

代表性矿样取自庞家堡矿区的TFe含量低于40%的鲕状赤铁矿，主要化学成分见表1所示。X射线衍射分析结果见图1。从图1中可以看出，该鲕状赤铁矿矿样主要以赤铁矿物为主，其次为菱铁矿，脉石矿物主要为石英。

对选取的矿样进行荧光光谱分析，分析结果见表1，结果表明矿样TFe为38.66%，SiO2为27.06%，有害元素S、P略为偏高，后续分选过程中应注意其富集变化规律。

图1 鲕状赤铁矿矿样XRD分析结果

1.2 矿物学特征研究

在化学成分及X射线衍射分析结果的基础上，为进一步研究样品中矿物形貌特征、元素含量和微区矿物特征，采用JSM-5310 扫描电镜及能谱仪对原矿进行分析，结果如图2所示。

表1 鲕状赤铁矿化学成分分析结果/%

图2 鲕状赤铁矿EDS成分分析结果

从图2可以看出，标记点的微区域直径约为2.5μm，其主要元素为Si、Fe、Al、Mg、K、Ca、Cl、Cu等，说明该矿样矿物组成复杂，粒度嵌布细。

为了进一步确定该矿石的矿物组成以及与其它矿物的嵌布关系，取具代表性的光薄片，使用德国蔡司偏反光显微镜进行观察，结果如图3～6所示。

图3 赤铁矿脉石层间环状分布反光(-)×50

图4 细粒赤铁矿浸染在脉石中反光(-)×200

图5 他形粒状赤铁矿分布在脉石中反光(-)×200

图6 赤铁矿中夹杂细粒黄铁矿反光(-)×500

由镜下观察结果可知，赤铁矿主要是由细粒集合体组成，其中夹杂有细粒脉石矿物，他形细粒赤铁矿集合体与脉石层间分布形成大小不等同心环状。宣龙式赤铁矿矿石以鲕状构造为主，其次为肾状和浸染状构造；结构以他形粒状结构为主，其次为浸染状、海绵陨铁、乳滴状和破裂结构。

矿物组成方面，可回收利用的矿物主要是赤铁矿，菱铁矿、黄铁矿、褐铁矿和磁铁矿含量较少；主要的脉石矿物为石英，同时含有少量的绿帘石、角闪石、绿泥石、黏土矿物、电气石、阳起石、黝帘石等脉石矿物。赤铁矿嵌布粒度较细，且粒度分布曲线为不均匀曲线，最细可达到5μm。前者主要表现为鲕状赤铁矿与石英、绿帘石、碳酸盐等脉石矿物层间分布，部分赤铁矿位于鲕状核心，被石英、绿帘石、碳酸盐等脉石矿物包裹。后者表现为赤铁矿与石英等脉石毗连镶嵌，由他形细粒集合体形成的鲕状赤铁矿中夹杂有细小黄铁矿和脉石颗粒。石英的结构主要以他形粒状为主，嵌布粒度通常5～900μm之间。绿帘石主要呈他形粒状集合体，嵌布粒度15～100μm，多与赤铁矿、角闪石、绿泥石毗连，部分位于核心，部分与赤铁矿层间分布，部分被角闪石包裹。

矿物学研究表明，含铁矿物和石英、绿帘石等脉石矿物结晶粒度不均匀，平均磨矿细度为22.6μm，最细可以达到5μm，同时嵌布类型复杂，鲕状赤铁矿与脉石矿物呈层间同心环状分布，环层之间为渐变过度，集合体内含铁矿物和脉石矿物相互夹杂，造成矿物单体解离和相互分开困难。

2 宣龙式鲕状赤铁矿分选技术研究

随着易采选铁矿石资源的日趋枯竭和进口矿石压力的不断增大，围绕难选铁矿石分选技术的研究取得了长足的进步，如年处理100万t祁东微细赤铁矿(平均磨矿细度20μm)建成投产，日处理750t长阳新首钢矿业有限公司高磷鲕状赤铁矿的稳定运行和正在准备建设的年处理200万t重钢巫山桃花高磷鲕状赤铁矿都标志着此类复杂难选赤铁矿工业分选技术日趋成熟。宣龙式鲕状赤铁矿作为北方地区典型的难选铁矿石目前尚没有成熟的工业开发利用，分选工艺技术基本上处于实验室研究阶段，主要为强磁抛尾-浮选提铁降硅技术、强磁抛尾-重选精选提铁技术、磁化焙烧-弱磁-浮选技术[5-9]。

2.1 强磁抛尾-浮选提铁技术

由于赤铁矿的比磁化系数(221.74×106cm3/g)远大于石英(7.36×106cm3/g)、绿泥石(19.96×106cm3/g)等脉石矿物磁化系数，在高磁感应强度(0.8～1.5T)分选条件下，可以实现强磁抛尾的效果。牛福生等[10]针对宣钢龙烟鲕状赤铁矿采用立环脉动高梯度强磁选机，在原矿TFe47.6%，磨矿细度-0.074mm95%， 强磁分选磁感应强度0.85T条件下，实现抛尾33.96%，铁精矿品位53.16%的分选指标。 对抛尾后的强磁精矿进行浮选提铁降硅试验研究，采用一次粗选和一次扫选试验， 粗选时氢氧化钠、氧化钙、淀粉以及TS药剂用量分别为1400 g/t、800 g/t、900 g/t、600 g/t。 扫选时仅加入300g/t TS作为捕收剂，便可获得TFe品位为62.34%、回收率为53.07%的铁精矿。

2.2 强磁富集-重选再选提铁技术

在较高磁感应强度条件下，经过强磁富集后的物料中含有较多的磁性连生颗粒和由于磁粘连包裹的脉石矿物而造成强磁精矿回收率高，但精矿品位偏低， 对强磁精矿进行重选再选提铁则可以较好利用矿物密度差异而获得精矿品位的进一步提高。 白丽梅等[11]以宣钢庞家堡的鲕状赤铁矿为研究对象，针对嵌布粒度极细，矿物组成复杂等问题，采用阶段磨矿-强磁抛尾-重选提铁工艺流程进行了试验研究。在原矿TFe品位为47.66%，磨矿细度为-0.074mm 95%的条件下，经磁重分选后最终可以获得TFe品位61.01%， 回收率为47.85%的铁精矿。廖国平等[12]对湖南某地的鲕状赤铁矿进行了分选试验研究，在磨矿细度为-0.074mm 97%、高梯度磁选机磁感应强度为1.0 T、卧式离心选矿机转鼓转速为400r/min等最佳分选工艺条件下，采用强磁抛尾-卧式离心选矿工艺，最终获得的铁精矿产率为28.40%，TFe品位56.20%，回收率34.58%。

2.3 磁化焙烧-弱磁技术

磁化焙烧就是将弱磁性含铁矿物在一定的还原气氛下经过高温焙烧后转化为强磁性矿物的过程，与传统的矿物分选技术相比，磁化焙烧—弱磁选技术在处理弱磁性铁矿物分选方面显示出较强的优势。如对于宣龙式鲕状赤铁矿采用磁化焙烧技术最早开始于1971年建设的日处理150t斜坡炉磁化焙烧-弱磁分选工厂，在原矿品位38%左右的情况下，使精矿品位达到59%～60%，金属回收率75%～80%[4]。牛福生等[6]在对张家口难选鲕状赤铁矿矿石性质分析的基础上进行了磁化焙烧-弱磁选试验研究。在焙烧温度850℃、焙烧时间1.5h、-2mm原矿：还原剂质量比为1∶1、磨矿细度为-0.074mm 80%，磁感应强度为0.1T的条件下进行了试验，最终可获得铁精矿品位为62.05%，回收率为87.12%的分选指标。另外，2004年建设的年处理90万t菱铁矿的大西沟选矿厂在菱铁矿原矿品位25.31%的条件下，可获得焙烧矿品位30.08%，最终铁精矿品位61.48%，尾矿品位8.25%，金属回收率83.83%的优异技术指标。2005年建设的年处理200万t菱、褐铁矿的新疆切列克其选矿厂对品位41.72%的原矿采用回转窑磁化焙烧—弱磁选工艺流程，获得铁精矿回收率超过86%，品位63.25%的良好分选指标。

3 宣龙式鲕状赤铁矿选矿的发展趋势

借鉴国内外鲕状赤铁矿选矿概况，宣龙式鲕状赤铁矿应注重以下几方面的发展趋势，进一步加强相关选矿技术研究，为突破此类难选铁矿资源规模工业应用瓶颈提供支撑。

3.1 强化超细磨和选择性解离技术

鲕状赤铁矿除了结构复杂外，矿物粒度嵌布微细(铁矿物单体解离度超过85%时，其单体颗粒直径细至-20μm，甚至5～10μm)是一个重要特征，因此强化鲕状赤铁矿超细磨矿是实现有效分选的前提[13-15]。当需要的磨矿粒度为20～40μm时，采用塔磨机、搅拌磨机相对传统的磨矿设备所消耗的能量最低。如日本开发的立式塔式磨机、澳洲蒙苔艾萨矿山公司开发的艾萨磨机为代表的卧式搅拌磨机都是高效细磨技术的成功应用，在生产小于10μm的磨矿产品时，同常规球磨机相比可降低约50%～70%的能量[16-17]。通过研究矿石内部的矿物特征，引入选择性解离技术可以有效降低破碎磨矿产品的功耗，防止铁矿物颗粒过粉碎，恶化选别指标。例如利用以层压破碎理论为基础的高压辊磨技术对矿石进行破碎，在破碎产品内部产生的微裂纹比传统破碎方式所产生的微裂纹多5倍，极大地改善了矿物的选择性解离状态。

3.2 发展微细颗粒分选工艺技术、设备和药剂

通过对不同微细粒在不同流场中的沉降及受力状况分析结果可知，当粒度小于30μm以下时，由于粒度的减小，比表面积急剧增大，比表面能也急剧增大，使矿物表面特性的影响更加明显，传统的磁力、重力及和浮力将不再起主导作用，此时矿粒将受到各种表面力，如双电层静力作用、分子作用力等的影响，因此如何有效地分选微细颗粒已经成为选矿领域重点研究的问题[18-20]。张海军等[21]采用逆流微泡浮选柱对微细粒磁铁矿精矿进行了阳离子反浮选试验研究，经一次粗选两次扫选的开路流程试验，将TFe品位由63.60%提高至70.95%。郭建斌[22]对东鞍山微细粒赤铁矿进行了载体浮选试验，结果表明：在最优条件下可以实现-10μm赤铁矿的回收率为90.76%，品位为64.21%。牛福生等[8]对宣龙式鲕状赤铁矿采用分散-选择性絮凝-强磁选工艺流程进行选别，可最大程度实现3～9μm的脉石矿物分散，-30μm微细粒铁矿物选择性絮凝，在一次粗选一次扫选、磁感应强度1.5T的分选工艺条件下，最后取得了铁精矿品位55.51%，回收率76.02%的技术指标。

3.3 创新选冶联合流程，确定合理选矿界限

研究表明，高品位铁精矿对降低冶炼成本、节能降耗具有重要意义，但并非起着不可替代作用，因此对于难选铁矿的分选可以从选冶联合的角度考虑，创新选冶联合流程，确定合理选矿界限。 由于某难选赤铁矿的嵌布粒度细、常规选矿难以对其有效地分选，针对这一情况，北京科技大学倪文[23]采用煤基直接还原-弱磁选工艺对此赤铁矿进行了选别。 在温度为1200℃、时间为120min的还原条件下，磨矿细度为-0.074mm 90%的原矿经弱磁选分离后，可以获得品位为91.94%、回收率为95.85%的铁精矿。 河北联合大学刘淑贤等[24]对加拿大某贫细鲕状赤铁采用深度还原-弱磁选分选工艺进行了试验研究，在温度为1200℃、时间为120min、矿∶煤质量比为2的还原条件下对原矿进行深度还原，经过还原后的矿石再经一段磨矿两段磁选后，可获得TFe品位92.18%、回收率90.45%的金属粒铁。

4 结束语

1)宣龙式鲕状赤铁矿是我国北方一个最具代表性的外生铁矿，矿物学研究表明，含铁矿物和石英、绿帘石等脉石矿物结晶粒度不均匀，最细可以达到5μm，同时嵌布类型复杂，鲕状赤铁矿与脉石矿物呈层间同心环状分布，环层之间为渐变过度，集合体内含铁矿物和脉石矿物相互夹杂，造成矿物单体解离和相互分开困难。

2)宣龙式鲕状赤铁矿分选技术基本上处于实验室研究阶段，主要为强磁抛尾-浮选提铁降硅技术、强磁抛尾-重选精选提铁技术、磁化焙烧-弱磁-浮选技术。

3)强化超细磨和选择性解离技术、发展微细颗粒分选工艺技术、设备和药剂和创新选冶联合流程，确定合理选矿界限是宣龙式鲕状赤铁矿选矿应注重发展趋势，通过加强相关选矿技术研究，将会为突破此类难选铁矿资源规模工业应用瓶颈提供支撑。

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Mineralogy characteristics and separation technology of Xuanlong-type oolitic hematite

NIU Fu-sheng1,2，ZHANG Jin-xia1,2，NIE Yi-miao1,2，LIU Shu-xian1,2，CHEN Miao1

(1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；2.Key Laboratory of Mineral Development and Security Technology of Hebei Province，Tangshan 063009，China)

Separation technology of Xuanlong-type oolitic hematite has been a technical problem in the world.The mineralogical characteristics study results of low grade(TFe<40%) PangJiaBao oolitic hematite show that the main iron mineral is hematite，and the gangue minerals mainly are quartz，epidote，chlorite and so on.Oolitic hematite ore and gangue minerals distribute as circular concentric layers.Because the iron mineral and gangue mineral are mixed in mineral aggregate，it is difficulty to achieve mineral liberation and separate the minerals.Strong magnetic separation-flotation separation，strong magnetic separation-gravity separation，magnetic roasting-low intensity magnetic separation-flotation separation are the main separation process of Xuanlong-type oolitic hematite，but there is no mature industrial application examples at present.Strengthening ultrafine grinding technology and selective dissociation technology，developing the micro particle separation process，equipment and agent，innovating the metallurgy and mineral associated process，and determining reasonable processing limit are the development tendency of Xuanlong-type oolitic hematite.It will provide support for industrial application of refractor iron ores by strengthening the processing technology research.

Xuanlong-type oolitic hematite；mineralogical characteristics；separation

2014-03-02

河北省自然基金项目资助(编号：E2011209015)；河北省高校百名优秀创新人才计划资助(2013～2016)

牛福生(1974-)，男，教授，主要从事复杂难选矿理论与技术研究。E-mail:niufusheng@126.com。

TD951

A

1004-4051(2015)06-0105-05