甘肃某微细粒极难选铁矿石工艺矿物学研究

蔡毅兵 骆洪振

(1.酒钢(集团)天工矿业投资有限公司,甘肃 嘉峪关 735000;2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司,安徽 马鞍山 243000)

矿产资源是经济发展和工业化的重要物质基础。近年来,随着我国钢铁工业的快速发展,对铁矿石的需求量急剧攀升。由于我国国内铁矿石供给严重不足,导致每年需进口大量的铁矿石,2021 年我国进口铁矿砂及其精矿达11.24 亿t[1],对外依存度高达70%以上,已成为我国钢铁工业经济安全的重大隐患[2-6]。研究复杂难选铁矿石的高效开发利用技术,提高国内铁矿石精矿自给能力,对保障国民经济持续健康发展具有重要意义[7-10]。

甘肃某微细粒铁矿石除含磁铁矿外,还含有菱铁矿、褐铁矿等弱磁性铁矿物。该铁矿选矿厂已生产十余年,随着矿山开采的深入,矿石性质发生了较大变化。一方面,原矿全铁品位及磁性铁品位降低;另一方面,矿石中弱磁性铁矿物(褐铁矿和菱铁矿)占铁矿物总量百分比升高;另外,矿物嵌布粒度变细,选别难度增加。因此,有必要对矿石性质及可选性进行详细研究。大量实践表明,工艺矿物学研究对矿石选矿工艺的确定具有重要的指导意义[11-17]。本文通过化学分析、物相分析、能谱分析、光学显微镜、扫描电镜等分析检测手段对该铁矿石进行系统的工艺矿物学研究,以期为下一步选矿工艺试验研究提供理论依据。

1 矿石的物质组成

1.1 矿石化学成分分析

矿石化学成分分析结果见表1。

表1 矿石化学成分分析结果Table 1 Chemical compositions analysis results of the ore %

由表1 可知,矿石中主要有价元素Fe 品位为32.70%,有害元素S、P 含量分别为0.21%和0.28%,矿石烧损为9.79%。

1.2 矿石矿物组成

经光学显微镜镜下观察后得知矿石主要由以下矿物组成。

金属矿物:磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿、赤铁矿(含假象矿)、黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿等;

非金属矿物:石英、角闪石(铁闪石、普通角闪石、蓝闪石、氧角闪石)、黏土矿物(高岭石、蒙脱石)、磷灰石、铁白云石等。

将原矿样品(-2.0 mm)磨制成光片和薄片后在显微镜下采用线段法统计各矿物含量,同时结合扫描电镜EDS 分析结果计算出矿物含量。结果见表2。

表2 矿物含量测定结果Table 2 Detection results of mineral content in the ore %

由表2 可知,矿石中铁矿物主要为磁铁矿、褐铁矿和菱铁矿, 含量分别为16.93%、15.14%和13.86%,还有少量赤铁矿、黄铁矿及磁黄铁矿;主要非金属矿物为角闪石和石英,含量分别为26.10%和20.07%,其次为黏土矿物,含量为3.58%,另有少量含磷矿物磷灰石,含量为1.30%;其余矿物含量相对较少。

1.3 矿石铁物相分析

为了解矿石中铁矿物的物相组成,对矿石进行了铁物相分析,结果见表3。

表3 矿石铁物相分析结果Table 3 Iron phase analysis results of the ore %

由表3 可知,矿石中的铁主要以磁铁矿和赤褐铁矿的形式存在,铁分布率分别为37.16%和26.94%;其次以硅酸铁和碳酸铁的形式存在,铁分布率分别为18.78%和16.82%;少量以黄铁矿形式存在。

2 矿石结构与构造

2.1 矿石构造

矿石构造即矿物集合体的形态、相对大小及其空间相互的结合关系等所反映的形态特征。

矿石主要为块状构造、层状构造。

(1)块状构造:矿石颜色为灰黑色,以磁铁矿和深色脉石矿物为主(图1(a));矿石颜色为浅褐色至深褐色,主要由菱铁矿、褐铁矿等矿物组成(图1(b));主要由深褐色菱铁矿、灰黑色磁铁矿和浅色黏土等矿物组成(图1(c))。

图1 块状构造Fig.1 Block structure

(2)层状构造:矿石颜色为灰白-灰黑色,由灰黑色铁矿物与石英等浅色脉石矿物互层嵌布组成(图2)。

图2 层状构造Fig.2 Layered structure

2.2 矿石结构

采用显微镜对矿石进行镜下观察,了解矿石中矿物颗粒的形态、相对大小及其相互的空间结合关系等所反映的形态特征。矿石主要呈以下5 种结构形式存在。

(1)浸染状结构:磁铁矿呈细粒-微细粒浸染状嵌布于脉石中;磁铁矿呈自形-半自形细粒浸染状嵌布于脉石中;菱铁矿呈粒状集合体嵌布,其中浸染细粒磁铁矿;角闪石中浸染细粒铁矿物。

(2)粒状结构:磁铁矿呈不规则微细粒状与褐铁矿和脉石共生嵌布;磁铁矿呈半自形、他形粒状与褐铁矿和脉石共生嵌布;褐铁矿呈不规则细粒状与磁铁矿、脉石共生嵌布;菱铁矿呈不规则粒状与石英、磁铁矿共生嵌布;石英呈粒状集合体与铁矿物紧密共生嵌布。

(3)针状结构:褐铁矿呈针状与脉石矿物共生嵌布。

(4)纤维状结构:褐铁矿呈纤维状与脉石共生嵌布;角闪石呈纤维状集合体与铁矿物共生嵌布。

(5)斑状结构:褐铁矿呈斑状嵌布,并与磁铁矿、脉石共生嵌布。

3 主要矿物嵌布特性

3.1 主要目的矿物

3.1.1 磁铁矿

磁铁矿是矿石中主要有用铁矿物。磁铁矿单矿物平均含Fe 量为71.79%。矿石中的磁铁矿主要呈自形-半自形细粒浸染状嵌布于脉石矿物中(图3),部分磁铁矿呈不规则微细粒状或半自形、他形粒状与褐铁矿和脉石共生嵌布(图4)。

图3 磁铁矿呈自形、半自形细粒浸染状嵌布于脉石中Fig.3 Magnetite is euhedral and semihedral fine-grained disseminated inlaid in gangue

图4 磁铁矿呈不规则微细粒状与褐铁矿和脉石共生嵌布Fig.4 Magnetite is irregular and fine grained,interbedded with limonite and gangue

3.1.2 褐铁矿

褐铁矿是矿石中的次要铁矿物,他不是一种单一矿物,而是针铁矿、纤铁矿、细粒石英、锰的氧化物和黏土物质的混合物。矿石中褐铁矿单矿物平均含Fe量为51.98%,低于理论值,其中还含有少量Si、Mg、Al 等元素。褐铁矿主要呈针状、纤维状及不规则细粒状与脉石矿物、磁铁矿共生嵌布,少量褐铁矿呈斑状嵌布,并与磁铁矿、脉石共生嵌布(图5)。

图5 褐铁矿嵌布特征Fig.5 Embedded characteristics of limonite

3.1.3 菱铁矿

菱铁矿是矿石中主要的碳酸盐矿物,也是次要铁矿物。菱铁矿单矿物平均含Fe 量为39.69%,明显低于理论值,且菱铁矿中含有一定的Mg,平均含Mg 量为3.90%。矿石中菱铁矿主要呈不规则粒状集合体与石英、磁铁矿共生嵌布(图6)。

图6 菱铁矿嵌布特征Fig.6 Embedded characteristics of siderite

3.2 主要脉石矿物

3.2.1 角闪石

角闪石是矿石中主要的脉石矿物之一,是一种硅酸盐矿物。矿石中的角闪石主要为铁闪石、普通角闪石、蓝闪石和氧角闪石。角闪石单矿物平均含Fe 量为25.37%。角闪石为弱磁性矿物,部分角闪石会进入强磁精矿中从而影响精矿铁品位。矿石中的角闪石一般呈板片状或纤维状集合体嵌布,其中常常浸染细粒铁矿物(图7、图8)。

图7 角闪石呈板片状嵌布,其中浸染细粒铁矿物Fig.7 The amphibole is inlaid in slabs,infiltrated with fine-grained iron minerals

图8 角闪石呈纤维状集合体与铁矿物共生嵌布Fig.8 Amphibole in fibrous aggregates and iron minerals symbiotically embedded

3.2.2 石 英

石英是矿石中主要的脉石矿物之一。石英单矿物平均含Fe 量为0.94%。矿石中的石英主要呈粒状集合体嵌布,并与磁铁矿、褐铁矿紧密共生(图9)。

图9 石英呈粒状集合体与铁矿物紧密共生嵌布Fig.9 Quartz is a granular aggregate and is closely symbiotically embedded with iron minerals

4 主要矿物工艺粒度分布

对矿石中主要目的矿物磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿和主要脉石矿物角闪石、石英进行工艺粒度分析,主要目的矿物粒度分布见表4,主要脉石矿物粒度分布见表5。

表4 主要目的矿物粒度分布Table 4 Particle size distribution of main target minerals

表5 主要脉石矿物粒度分布Table 5 Particle size distribution of main gangue minerals

由表4 可知:磁铁矿主要呈细粒嵌布,在-0.070、-0.040、-0.025 mm 粒级分布率分别为99.49%、94.23%、83.52%,在-0.015 mm 粒级分布率为64.53%;褐铁矿也主要呈细粒嵌布,但相对磁铁矿略粗,在-0.070、-0.040、-0.025 mm 粒级分布率分别为94.26%、85.06%、71.15%,在-0.015 mm粒级分布率为57.56%;菱铁矿的嵌布粒度总体较细,但相对磁铁矿、褐铁矿的粒度较粗,在-0.070、-0.040、-0.025 mm 粒级分布率分别为83.86%、66.79%、50.92%。

由表5 可知,角闪石和石英的嵌布粒度总体较细,但相对磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿的粒度较粗,角闪石、石英在-0.070 mm 粒级分布率分别为80.85%、76.36%。

5 矿石不同磨矿细度产品解离度分析

对矿石不同磨矿细度产品中主要目的矿物磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿和主要脉石矿物的单体解离度进行分析,不同磨矿细度产品解离度分析结果详见表6。

表6 不同磨矿细度产品解离度分析结果Table 6 Dissociation degree analysis results of products with different grinding fineness %

由表6 可知,随着磨矿细度的增加,主要铁矿物和主要脉石矿物的解离度不断增加,两者呈正相关;但因磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿的嵌布粒度极细,很难完全解离,在磨至-0.022 mm 占90%时,磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿的单体解离度分别只有67.92%、70.88%、84.16%,欲使铁矿物充分解离需进一步细磨。

6 结 论

(1) 甘肃某微细粒极难选铁矿石铁品位32.70%,有害元素硫、磷含量分别为0.21%和0.28%。矿石中的铁主要以磁性铁和赤褐铁的形式存在,分布率分别为37.16%和26.94%;其次以硅酸铁和碳酸铁的形式存在,分布率分别为18.78%和16.82%;少量以黄铁矿的形式存在。

(2)矿石中铁矿物主要为磁铁矿、褐铁矿和菱铁矿,含量分别为16.93%、15.14%和13.86%,还有少量赤铁矿、黄铁矿及磁黄铁矿;脉石矿物主要为角闪石和石英,含量分别为26.10%和20.07%,其次为黏土矿物,另有少量含磷矿物磷灰石,其他矿物含量相对较少。

(3)矿石构造主要为块状构造、层状构造,矿石结构主要为浸染状结构、粒状结构、针状结构、纤维状结构、斑状结构。

(4)矿石中磁铁矿主要呈细粒、微细粒浸染状嵌布于脉石矿物中,在-0.040、-0.025 mm 粒级分布率分别为94.23%、83.52%,在-0.015mm 粒级分布率为64.53%。这部分微细粒级别磁铁矿很难完全解离,在磁选过程中多以连生体形式进入精矿,从而降低精矿品位。褐铁矿主要呈针状、纤维状及不规则细粒状与脉石矿物共生嵌布,嵌布粒度相对磁铁矿略粗,在-0.040、-0.025 mm 粒级分布率分别为85.06%、71.15%。褐铁矿在磨选过程中易泥化,从而恶化分选指标。菱铁矿主要呈不规则粒状集合体与石英共生嵌布,粒度相对磁铁矿、褐铁矿略粗,在-0.040、-0.025 mm 粒级分布率分别为66.79%、50.92%;菱铁矿单矿物平均含Fe 量为39.69%,明显低于理论值,在一定程度会影响铁精矿品位。角闪石、石英的嵌布粒度相对铁矿物较粗,在-0.040 mm粒级分布率分别为56.51%、48.60%;角闪石是矿石中含量最多的脉石矿物,其单矿物平均Fe 含量为25.37%,且角闪石为弱磁性矿物,部分角闪石进入精矿中会影响精矿铁品位,进入尾矿会造成铁回收率不高。

(5)矿石中磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿的嵌布粒度非常细,很难解离,在磨至-0.022 mm 占90%时,磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿的单体解离度分别为67.92%、70.88%、84.16%,欲使铁矿物充分解离需进一步细磨。

(6)综合矿石工艺矿物学研究结果,矿石宜采用阶段磨矿—弱磁选回收磁铁矿、强磁选—反浮选联合回收褐铁矿和菱铁矿工艺。在铁矿物充分解离的条件下,反浮选药剂的选择是影响综合铁精矿分选指标的重要因素。