赞比亚某高铁锰矿工艺矿物学特性

刘鹏飞，孙永升，袁帅，韩跃新

（东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819）

锰矿石共分为五个基本类型：氧化锰矿石，碳酸锰矿石，共生多金属锰矿石，硫锰矿石和锰结核，其中最重要的是氧化锰矿石和碳酸锰矿石[1]。近些年来，锰在膳食添加剂的制备、化肥、细胞和精细化工等领域都发挥着重要作用[2]。锰在钢铁行业中主要用于脱硫和脱氧；也用作合金的添加剂，以提高钢的强度、硬度、弹性极限、耐磨性和耐腐蚀性等。在高合金钢中，还用作奥氏体化合元素，用于炼制不锈钢、特殊合金钢、不锈钢焊条等[3]。

世界锰矿分布极不均衡，主要分布在南非、乌克兰、澳大利亚、印度、加蓬、中国等国，其中南非锰矿资源约占世界的76.9%，乌克兰占10%[4]。我国的锰矿资源特点是“贫、薄、杂、细”，全国平均锰品位只有21.4%[5]。

我国是世界上最大的锰矿石进口国。2019 年我国锰矿进口量已超过3000 万 t，且短时间内仍将是全球第一消费大国[6]。我国锰矿石资源供求现状决定了我国必将长期依赖进口锰矿石[7]，因此，对赞比亚某高铁锰矿进行矿物工艺学研究，以期建立合适的分选流程，解决我国锰矿需求。

1 矿石物质组成分析

1.1 化学多元素分析

矿石主要化学成分分析见表1。

表1 表明，该矿石的主要化学元素为铁和锰，矿石中铁品位为44.71%，锰品位为17.86%，其中二价锰含量极少，说明该矿石属于高铁锰矿；有害元素磷和硫含量均较低；SiO2、Al2O3、CaO、MgO 和烧失量均不高，说明该矿石中碳酸盐和硅酸盐矿物较少；铁和锰为该矿石中主要有用元素，其他元素利用价值较小。

表1 原矿化学多元素分析/%Table 1 Results of raw material chemical multi-element analysis

1.2 铁化学物相分析

矿石中铁化学物相分析结果见表2。

表2 表明，该矿石中的铁主要赋存于赤铁矿矿物中，占总铁含量的98.18%，其次是磁铁矿，占0.79%，其他形式铁含量较少。

表2 矿石铁化学物相结果分析Table 2 Iron phase analysis results of the ore

1.3 锰化学物相分析

矿石中锰化学物相分析结果见表3。

表3 表明，该矿石中的锰主要赋存于软锰矿矿物和水、褐锰矿矿物中，分别占总锰含量的77.35%和18.83%，少量赋存在菱锰矿中。

表3 矿石锰化学物相结果分析Table 3 Manganese phase analysis results of the ore

1.4 矿石的矿物组成

矿石的XRD 见图1，矿石的矿物组成及含量见表4。

从图1 中可以看出：该矿石中主要金属矿物为赤铁矿和软锰矿，主要脉石矿物为石英。

图1 原矿XRDFig.1 XRD analysis of raw ore

表4 表明，该矿石中金属矿物主要为赤铁矿，含量为61.53%，其次为软锰矿、褐锰矿和硬锰矿，含量分别为18.63%、4.82% 和4.66%，脉石矿物主要为黏土矿物和石英，含量分别为6.8%和2.72%。

2 矿石构造和矿物构造

2.1 矿石构造

通过对该矿石的标本观察可知，该矿石构造主要包含：块状构造，胶状构造和浸染状等。

（1）块状构造。矿石中的金属矿物如赤铁矿、硬锰矿和褐锰矿等以其中一种为主，构成致密集合体，其中金属矿物含量在80%以上的形成块状构造。

（2）胶状构造。矿石中部分硬锰矿以胶状产出，呈胶状构造。

（3）浸染状构造。矿石中的部分赤铁矿、硬锰矿等以粗细不等的粒状嵌布在脉石矿物中，且无定向排列，形成浸染状构造。

2.2 矿物构造

（1）自形半自形晶构造。矿石中的赤铁矿主要以自形、半自形的板状、片状、粒状产出，形成自形-半自形晶结构。

（2）他形晶构造。矿石中的部分褐锰矿和硬锰矿以他形晶产出，不具任何完好晶面，形成他形晶结构。

（3）交代构造。矿石中的褐锰矿蚀变生成硬锰矿，硬锰矿沿边缘和内部交代褐锰矿，二者连晶产出，形成交代结构。

3 矿石中主要矿物的嵌布特征

3.1 赤铁矿

矿石中的赤铁矿含量高，主要以自形-半自形的板状、片状、粒状和鳞片状的致密集合体，集合体颗粒十分粗大，少量赤铁矿嵌布在脉石中（图2(a)、(b)、(c)、(d)）。部分赤铁矿的粒间充填粒状、不规则状、脉状的褐锰矿、硬锰矿和软锰矿，一些细粒赤铁矿分布在褐锰矿和硬锰矿中（图2(e)、(f)）。

图2 赤铁矿嵌布特征Fig.2 Dissemination characteristics of hematite

3.2 褐锰矿

褐锰矿以致密的粒状集合体产出，颗粒粗大，在矿石中较集中分布。常见褐锰矿常以粒状、不规则状和脉状充填在赤铁矿粒间和集合体的裂隙中，并包裹细粒的赤铁矿（图2(e)、图3(a)、(b)）。褐锰矿常发生蚀变生产硬锰矿，二者连晶共生，硬锰矿在褐锰矿中呈斑点状、脉状、网状分布。有的褐锰矿蚀变严重，仅剩余少量细粒褐锰矿包裹在硬锰矿中（图3(c)、(d)）。

3.3 硬锰矿

硬锰矿主要为褐锰矿蚀变矿物，多以不规则状、斑点状、细脉状和网状分布在褐锰矿中，二者连晶共生，形成致密的块体。常见硬锰矿与褐锰矿一起充填在赤铁矿的粒间，并包裹细粒赤铁矿，少量以胶状、土状和波纹状嵌布在脉石中（图3(c)、图4(a)）。硬锰矿常与软锰矿连晶共生，包裹细粒软锰矿（图4(b)）。

图3 褐锰矿嵌布特征Fig.3 Dissemination characteristics of braunite

3.4 软锰矿

部分软锰矿以粒状、柱状产出，多与硬锰矿连晶共生，嵌布在硬锰矿中。少量软锰矿充填在赤铁矿粒间和嵌布在脉石中，另一部分以胶状、土状产出，分布在脉石中，粒度较细小（图4(b)、图5(a)、(b)）。

图4 硬锰矿嵌布特征Fig.4 Dissemination characteristics of psilomelane

图5 软锰矿嵌布特征Fig.5 Dissemination characteristics of pyrolusite

4 主要矿物工艺粒度

矿石中嵌布粒度特征是矿石的重要性质，其中赤铁矿、软锰矿、褐锰矿和硬锰矿和为回收矿物，对其进行粒度测定。根据选矿需要，将褐锰矿、硬锰矿和软锰矿统计结果合并计为锰矿物。主要矿物工艺粒度统计结果见表5。

从表5 看，赤铁矿和锰矿物在+0.15 mm 粒级中的分布率分别为93.12%和81.42%，可见赤铁矿和锰矿物的粒度以粗粒嵌布为主。

表5 主要矿物工艺粒度统计结果Table 5 Results of particle size of main mineral processes

5 选别工艺流程

基于对该高铁锰矿矿物工艺学的研究，制定两种选别方案。方案一是对原矿直接进行悬浮磁化焙烧，磁化焙烧产品进行弱磁选；方案二是先对原矿进行一段强磁预富集，预富集产品再进行悬浮磁化焙烧和弱磁选。方案一和方案二我们均进行半工业化实验，具体条件和指标如下：

在方案一中，针对−1 mm 原矿物料开展了还原温度、还原剂用量、还原气氛、处理量等悬浮磁化焙烧条件实验。确定−1 mm 物料适宜的悬浮磁化焙烧工艺参数为：还原温度500℃以上、处理量80 kg/h、CO 用量8.0 m3/h、H2用量4.0 m3/h、N2用量14.7 m3/h、总气量26.7 m3/h、还原剂浓度40%、过剩系数1.5；−1 mm 原矿物料在悬浮磁化焙烧500℃下连续稳定运行，焙烧样品磁选管磁选后，铁精矿铁品位平均值为66.60%；铁回收率平均值为93.93%。锰精矿锰品位平均值为46.22%；锰回收率平均值为87.29%。

对于方案二，同样针对−1 mm 物料采用一段强磁预富集工艺可获得TFe 品位46.64%，锰品位17.92%的预富集精矿，针对该预富集精矿开展了还原温度、还原剂用量、还原气氛、处理量等悬浮磁化焙烧条件实验。适宜的悬浮磁化焙烧工艺参数为：还原温度500℃以上、处理量80 kg/h、CO用量7.5 m3/h、H2用量3.8 m3/h、N2用量13.8 m3/h、总气量25.1 m3/h、还原剂过剩系数1.4；预富集精矿在悬浮磁化焙烧500℃下连续稳定运行，焙烧样品磁选管磁选后，铁精矿铁品位平均值为67.97%；铁作业回收率平均值为94.67%。锰精矿锰品位平均值为49.85%；锰作业回收率平均值为88.24%。

6 结论

（1）矿石中金属矿物含量高，金属矿物主要为赤铁矿、硬锰矿、褐锰矿和少量软锰矿，脉石矿物主要为石英。

（2）赤铁矿与锰矿物之间嵌布关系较密切，赤铁矿粒间充填锰矿物，一些细粒赤铁矿包裹在锰矿物中，赤铁矿与锰矿物较难完全解离。

（3）锰矿物之间嵌布关系十分密切，硬锰矿常呈脉状、网状分布在褐锰矿中，硬锰矿常包裹细粒软锰矿难以彼此解离。

（4）部分硬锰矿和软锰矿以胶状、土状产出，增加了回收难度。

（5）在矿物工艺学研究的基础上，分别为磁化焙烧—弱磁选和预富集—磁化焙烧—弱磁选，两种工艺均可达到良好的指标。