非洲某特大型铁矿工艺矿物学研究

范海宝，姚 耿

(1.华刚矿业股份有限公司，北京 100083；2.山东科技大学，山东 青岛 266000)

近年来，随着国内经济的发展，铁矿石的需求逐步达到顶峰，对外的依存度也逐年提升，2017年铁矿石进口量为10.57亿t，对外依存度达到87.50%。在国内铁矿石资源有限且品质逐步下降的情况下，积极开发国外铁矿石资源具有重要意义[1-3]。

某特大型铁矿位于非洲西部，紧靠大西洋。目前，探明的铁矿石资源量为136亿t，属特大型铁矿床。由于该矿床特别巨大，开采技术条件较为简单，为建设特大型生产规模的铁矿石原料企业奠定了良好的基础。矿床分为三层：顶部直运赤铁矿(以下简称“DSO”)，品位达到57%以上，可直接开采、销售；中部过渡层铁矿为高品位赤褐铁矿(以下简称“HGH”)，主要成分为赤铁矿和褐铁矿；底部磁铁矿(以下简称“BIF”)，主要以磁铁矿为主。

2015年4月，国内某大型钢铁公司全资收购了此铁矿，计划分为三期开发：一期开发DSO矿，目前正在开采；二期开发中间过渡层铁矿；三期开发底部磁铁矿。按照矿石的性质，中间过渡层铁矿分为高品位赤褐铁矿、低品位赤铁矿、高磁性铁赤铁矿和高铝赤铁矿。为了下一步更好地开发中间过渡层铁矿，研究合理的选矿工艺流程，本研究采用扫描电镜、光学显微镜、XRD、X射线电子探针等分析手段对高品位赤褐铁矿进行了工艺矿物学研究[4-6]，为公司二期矿石的开发利用提供依据。

1 矿石物质组成

1.1 矿石化学成分分析

样品的主要化学多元素分析结果见表1。由表1可知，样品TFe品位为52.73%，SiO2含量为8.75%，Al2O3含量达6.41%，其余金属元素含量均较低，但铝含量偏高；S含量为0.05%，P含量为0.08%，磷、硫有害元素的含量较低；矿石ω(CaO+MgO)/ω(SiO2+Al2O3)=0.01，样品应为高品位赤褐铁矿，属于酸性铁矿石。

1.2 矿石铁物相分析

HGH矿石的铁物相分析结果见表2。由表2可知，HGH矿石中铁主要以赤褐铁的形式存在， 赤褐铁中的铁分布率达到了90.06%；假象赤铁矿中铁占全铁的3.85%，磁铁矿中铁占全铁的3.13%，其余铁以硅酸铁、碳酸铁和硫化铁的形式存在。赤褐铁为矿石最主要的目的矿物，假象赤铁矿和磁铁矿是次要有用矿物，硅酸铁、碳酸铁和硫化铁可不考虑采用专门的选矿方法回收。

1.3 HGH矿石矿物组成分析

将HGH原矿2～0 mm综合样进行筛分，分为2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.126 mm、0.126～0.076 mm、-0.076 mm共五个粒级，分别将上述不同粒级样品磨制成光片和薄片后在显微镜下采用线段法对各种矿物进行含量统计，同时结合电子探针分析结果，由铁物相分析结果计算出矿物含量，所得结果为重量百分比(wt%)。HGH矿石矿物含量分析结果见表3。

表1 样品的多元素分析结果Table 1 Chemical element analysis of HGH ore

表2 HGH原矿铁物相分析结果Table 2 Iron phase analysis results of HGH ore

表3 HGH矿石矿物含量统计Table 3 HGH mineral content statistics

由表3可知，赤铁矿(含假象矿)含量为40.74%、褐铁矿含量为22.63%，含铁土状黏土为15.32%；脉石以高岭石、水云母等黏土矿物为主，含量为11.57%，另有少量石英、辉石、水铝氧石及其他矿物。

2 矿石结构构造

2.1 矿石构造

1) 块状构造：样品为黄褐色或土黄色(图1(a))，前者以褐铁矿、赤铁矿为主，后者则以土状隐晶质黏土为主，其中嵌有部分铁质及细晶针铁矿；两种块状矿石硬度均较差，易于破碎，但前者硬度要高于后者(图1(b)和图1(c))。

2) 层状构造：主要铁矿物针铁矿和赤铁矿呈层状与以高岭石为主的黏土以及石英等脉石矿物互层嵌布，矿石为褐红夹杂黑色或灰白色(图1(d))。

图1 矿石的构造Fig.1 Ore structure

图2 矿石结构Fig.2 Ore texture

2.2 矿石结构

经显微镜下观察，原矿铁矿石主要具有以下结构。

1) 斑状结构：褐铁矿呈大小不等的斑状，被黏土矿物胶结(图2(a))，颗粒中含较多脉石(黑色)包裹体，具斑状结构和包含结构。

2) 粒状结构：主要见于假象赤铁矿和磁铁矿，呈四方形自形晶嵌布(图2(b)、图2(c)和图2(d))。

3) 针状结构：褐铁矿呈长短不等的针状、纤维状组成集合体嵌布(图2(e))，形成铁质黏土，具针状结构。

4) 脉状结构：主要见于黏土，细晶高岭石或水云母组成脉状或条带状与铁矿物条带互层嵌布(图2(f))，石英和赤铁矿有时也呈脉状嵌布。

5) 包含结构：斑状或粒状针铁矿中常包裹细粒脉石矿物(图2(a))。

3 HGH矿石主要矿物工艺粒度分析

对矿石中主要矿物赤铁矿、褐铁矿和主要脉石矿物黏土、含铁土状黏土以及石英进行工艺粒度分析，结果表明：有用铁矿物粒度主要分布在-0.07 mm，其中，赤铁矿和褐铁矿分布率分别为79.26%和62.93%，含铁黏土为58.42%。脉石矿物粒度均大于铁矿物，黏土矿物和石英在-0.07 mm分布率分别为3.92%和48.67%，有用矿物和脉石矿物这种粒度上的差异将有利于选矿工艺阶段磨选。

矿物工艺粒度分布详见表4，粒度分布累计曲线见图3和图4。

表4 HGH矿石主要矿物粒度分布范围Table 4 Size Distribution of main minerals in HGH ore

注：*矿物按集合体统计

图3 赤铁矿、褐铁矿、含铁土状黏土粒度分布累计曲线图Fig.3 Cumulative curves of particle size distribution of hematite,goethite and ferrites clay

图4 石英、黏土矿物粒度分布累计曲线Fig.4 Cumulative curves of grain size distribution of quartz and clay minerals

4 矿物嵌布特征和共生关系

4.1 赤铁矿

赤铁矿呈不规则粒状，彼此呈接触式嵌布，被黏土等脉石矿物胶结(图2(c))。部分呈零散状浸染与针铁矿共生(图2(b))，偶尔也有次生赤铁矿呈脉状穿插于黏土矿物中，并与褐铁矿共生。在氧化条件下部分赤铁矿交代磁铁矿但仍保留磁铁矿的八面体和菱形十二面体的晶形，形成假象赤铁矿，薄片中观察呈四方形，颗粒组成集合体嵌布。有少量半假象赤铁矿，系由磁铁矿晶粒边缘部分被交代形成。

4.2 褐铁矿

褐铁矿形成于氧化条件下，是含低价铁矿物风化的典型产物。样品为黄褐至暗褐，条痕褐黄色，呈块状、土状集合体产出，但大部分已发生碎裂。显微镜下观察该矿物主要有以下几种嵌布形式。

1) 呈无定形的斑状、粒状，颗粒边缘呈弯曲状、港湾状，与黏土等脉石矿物紧密互嵌。颗粒常具孔洞并被脉石矿物充填形成包裹体，脉石包体大小不等，经偏光显微镜下分析统计后得知包体主要分布在30 μm以下，这种颗粒约占全部包体的70%。少量还呈同心的层状、皮壳状嵌布，层间及孔洞部分被脉石充填。

2) 其次呈粒状、针状、纤维状集合体，与部分隐晶质土状黏土交织嵌布(图2(d))，形成含铁土状黏土。对褐铁矿进行了X射线电子探针分析(表5)，通过分析结果可知，褐铁矿单矿物中Al2O3含量在0.63%～6.59%之间，平均含量4.38%。说明褐铁矿晶格内含有部分铝，且含量较高，若用物理选矿的方法较难去除，可能对精矿品质造成影响。

4.3 含铁土状黏土

含铁土状黏土主要由隐晶质的土状黏土颗粒组成集合体，偏光显微镜下无明显光性特征。其中参杂了部分氧化铁，两者关系极为紧密。对含铁土状黏土进行了X射线电子探针分析(表6)，X射线电子探针分析的数据表明以这种形式产出的矿物相含铁较低(平均含量47.43%)，而Al2O3含量偏高(平均3.45%)。其中，有时也有少量褐铁矿嵌于其中(图2(e))。采用磁选的方法进行选别时，精矿中会夹杂部分含铁土状黏土，较难去除，容易导致精矿品位偏低、铝含量偏高。

4.4 磁铁矿

磁铁矿呈自形、半自形八面体四方形粒状，与脉石接触面较平直，两者易于解离。少量块状矿石中分布较为集中，颗粒一般相互不连晶，被脉石矿物呈基底式胶结(图2(d))。多数磁铁矿在氧化环境中已发生赤铁矿化，形成假象赤铁矿或半假象赤铁矿，后者两者呈过渡状态。在以赤铁矿和针铁矿为主的样品中有时见有不规则粒状磁铁矿浸染状散布其中。

4.5 石英

石英呈它形粒状，主要与细粒铁矿物组成条带与铁矿物条带互层嵌布。部分呈碎屑状，被铁质胶结组成集合体嵌布，在黏土矿物中见有零星石英单晶散布其中。

4.6 黏土

黏土主要为高岭石，少量水云母及隐晶质土状黏土。①高岭石呈细小粒状、鳞片状，组成集合体呈层状嵌布，集合体中浸染部分细粒铁矿物。部分呈充填状沿粒状铁矿物周边嵌布。②水云母呈鳞片状、碎片状，散布于矿石中，或组成条带呈层状嵌布(图2(f))。③隐晶质黏土呈土状，在显微镜下无明显光性特征，主要与含铁量高低不等的铁的氧化物共生，或与针状、 纤维状针铁矿交织嵌布(图2(e))， 两者关系极为紧密，不易解离。

表5 样品褐铁矿X射线电子探针化学成份分析结果Table 5 Analysis results of chemical composition of limonite by X-ray electron probe

表6 样品含铁土状黏土X射线电子探针化学成份分析结果Table 6 Chemical composition analysis of ferritic clay samples by X-ray electron probe

表7 样品水铝氧石X射线电子探针化学成份分析结果Table 7 Analysis results of chemical composition of bauxite samples by X-ray electron probe

4.7 水铝氧石

水铝氧石是铝的氢氧化物矿物，样品中多呈柱状集合体(图2(g))，与铁矿物连晶或沿铁矿物孔洞粒隙充填，粒度主要分布在30～80 μm之间，主要与针铁矿关系紧密，两者常紧密共生。

对水铝氧石进行X射线电子探针分析(表7)，X射线电子探针分析的数据表明水铝氧石中含铁量较低(平均0.59%)，Al2O3含量达到了83.76%。在选矿过程中，着重去除水铝氧石，可以提高精矿的品位，降低Al2O3含量。

5 结 论

1) HGH矿石铁品位52.73%，主要有用铁矿物为赤铁矿和褐铁矿，含量分别为40.74%和22.63%，另有少量含铁土状黏土，含量为15.32%。磁铁矿含量较少，仅为2.31%。

2) 矿石中块矿具块状构造和层状构造。在显微镜下观察，各种矿物主要具斑状结构、粒状结构、针状结构、脉状结构、包含结构。

3) 有用铁矿物赤铁矿、褐铁矿和含铁黏土工艺粒度分布较细，半数以上分布在0.07 mm以下，三种矿物在-0.07 mm分布率分别为79.26%、62.93%和58.42%。

4) 脉石矿物粒度均大于铁矿物，尤其是黏土矿物，在-0.07 mm分布率只有3.92%，次要脉石石英为48.67%。铁矿物与脉石矿物粒度上的差异有利于选矿工艺分段磨选、粗粒抛尾。

5) 由矿物嵌布特征来看，褐铁矿颗粒中常包裹一些细粒脉石矿物，包体粒径在<30 μm的颗粒占到70%，这部分褐铁矿由于与脉石关系紧密，不利于褐铁矿的单体解离，并会影响到铁精矿指标。

6) 通过对HGH矿石的工艺矿物学研究可知，样品属于较难选矿石，采用物理选矿方法，回收率应在75%～80%之间，精矿品位很难超过64%。