湖北某高硫铁矿石工艺矿物学研究

李超前 李育彪 黄 雯 王忠红 刘 曙 李万青

(1.武钢资源集团程潮矿业有限公司,湖北 鄂州 436000;2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室,湖北 武汉 430070;3.武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430070)

铁是世界上利用最广、消耗量最大的一种重要金属[1]。随着科技进步和钢铁行业发展,我国对铁矿石的需求量急剧上升[2],但我国铁矿资源多而不富,以中低品位矿为主,矿石类型复杂,难选矿和多组分共生矿占比较大[3],绝大部分铁矿石需经过选矿工艺处理,才能达到钢铁冶炼原料要求[4-6]。因此,进行系统的工艺矿物学研究,选择适合于贫、细、杂难选铁矿石的高效选矿技术,提高铁矿石品位,对国民经济的持续稳定发展具有重要意义[7-10]。

本研究铁矿石取自湖北鄂州市境内,该地区铁矿系大冶式热液交代矽卡岩型磁铁矿矿床,主要金属矿物为磁铁矿、黄铁矿和黄铜矿[11]。矿石结构致密,矿物连生关系复杂,有用矿物嵌布粒度较细,有用矿物与脉石矿物分离较为困难[12-13]。随着采矿作业向深部延伸,矿石中主要矿物的嵌布特性、工艺粒度、赋存状态等工艺矿物学特性、可选性与选矿厂原处理矿石存在较大差异。为了高效开发利用该铁矿,利用矿物自动定量分析系统(AMICS)[14-15]对矿石的工艺矿物学特征进行分析,为深部矿石入选后选矿厂生产指标的确定以及生产中选矿工艺参数的调整提供参考依据,以便更好地指导生产。

1 矿石物质组成

1.1 矿石化学成分分析

湖北鄂州某铁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 composition analysis results of the ore %

由表1可知,矿石主要有价元素Fe品位为37.18%;矿石中Cu和S含量分别为0.01%和3.20%,具有回收价值;矿石中主要杂质元素Si、Ca和Al的含量分别为9.71%、9.41%和3.10%,合计为22.22%;有害元素P含量较低,仅为0.07%。

1.2 矿石矿物组成及含量

对矿石的矿物组成及含量进行分析,结果见表2。

表2 矿石矿物组成及含量Table 2 Mineral composition and content analysis results of the ore %

由表2可知,矿石中金属矿物含量最高的为磁铁矿(40.02%),其次为黄铁矿,含量稍高,为3.22%,另含2.40%的赤铁矿,其余金属矿物含量较少,黄铜矿为0.03%;脉石矿物种类较多,主要为石榴石(16.00%)、钾长石(7.20%)、石膏(6.18%)及方解石(4.50%)等,另含较多的绿泥石及石英等矿物。矿石中绿泥石和云母等层状硅酸盐矿物硬度低,在磨矿中容易形成细泥罩盖在金属矿物表面,对选别有不利影响。因此,选矿过程中需避免矿石过磨。

1.3 铁、硫和铜的物相分析

为探明矿石中铁、硫赋存状态,进行了铁、硫化学物相分析,结果如表3、表4所示。

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

表4 矿石硫物相分析结果Table 4 Sulfur phase analysis results of the ore %

由表3可知,铁主要以磁铁矿形式存在,分布率为81.84%;以硫化铁、碳酸铁、硅酸铁和赤褐铁矿等形式存在的铁含量较少,分别为4.15%、4.50%、4.99%和4.52%。

由表4可知,硫的存在形式较简单,硫化物中硫的分布率达52.82%,以硫酸盐形式存在的硫含量也较高,达47.18%。

此外,矿石中铜主要以原生硫化铜形式存在,分布率为100%。

2 矿石结构及构造

2.1 矿石结构

矿石结构主要有粒状结构、共边结构、包含结构、残余结构等。如金属矿物中磁铁矿,部分黄铁矿、赤铁矿及石榴石等和脉石矿物中大部分石膏、方解石与绿帘石等矿物呈自形或半自形粒状结构。部分石膏、高岭石、伊利石等呈现他形粒状结构;黄铁矿与黄铜矿共生,呈现共边结构;粗粒磁铁矿中包含黄铁矿和少量黄铜矿,粗粒黄铁矿中包含黄铜矿,呈现共边结构;赤铁矿残余交代于磁铁矿间隙或周边,黄铁矿残余交代于磁铁矿间隙或残余交代于硬石膏和石榴石中或残余交代黄铜矿边缘。

2.2 矿石构造

矿石构造有块状构造、星点状构造、浸染状构造、细脉状构造。块状构造:金属矿物主要有磁铁矿和黄铁矿,脉石矿物主要有石膏、石榴石、长石、石英、绿泥石等。星点状构造:主要是金属矿物,包括黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿等。浸染状构造:主要为磁铁矿、黄铁矿、赤铁矿等含铁矿物。细脉状构造:金属矿物包括黄铁矿和赤铁矿;脉石矿物包括方解石、钾长石、硬石膏和绿泥石。

3 主要矿物的嵌布特征

3.1 磁铁矿

磁铁矿是矿石中最主要的含铁目的矿物,主要有图1所示的4种嵌布特征。大多数磁铁矿呈自形、半自形团块状嵌布于脉石矿物中[图1(a)],这部分磁铁矿粒度粗,粒径通常大于1 000 μm,能很好地解离;部分磁铁矿呈他形晶粒,晶粒间隙中多见黄铁矿[图1(b)],磁铁矿粒径10～800 μm不等。部分细粒级的磁铁矿呈浸染状与脉石构成残余环带结构[图1(c)],这些磁铁矿粒度小于200 μm;此外,少量磁铁矿呈半自形粒状或溶蚀的圆粒状分布,多被赤铁矿沿边缘、内部及裂隙交代[图1(d)]。

图1 磁铁矿嵌布特征Fig.1 Dissemination characteristics of magnetite

3.2 黄铁矿

黄铁矿是矿石中主要的含硫目的矿物,主要呈半自形、他形和不规则粒状。部分黄铁矿裂纹发育,呈锯齿状零星分布在磁铁矿集合体中[图1(b)]和硬石膏集合体中[图2(a)],这部分黄铁矿粒径较粗,粒径0.02～1.20 mm不等;部分黄铁矿晶粒间隙中多见黄铜矿充填交代[图2(b)],黄铁矿粒径0.02～1.20 mm不等。此外,还有部分黄铁矿星散分布在脉石矿物中,大多被溶蚀呈筛孔状,并被赤铁矿包裹和交代,可聚集呈细脉状沿裂隙分布[图2(c)],粒径0.02～4.00 mm不等。

图2 黄铁矿嵌布特征Fig.2 Dissemination characteristics of pyrite

3.3 黄铜矿

黄铜矿是矿石中最主要的含铜目的矿物,通常呈不规则粒状。大部分黄铜矿与黄铁矿共生并填充在黄铁矿晶粒间裂缝中[图2(b)]或呈细粒或叶片状分布在黄铁矿晶粒中[图3(a)],粒度0.01～0.30 mm不等。部分黄铜矿填充在磁铁矿晶粒间隙中[图3(b)],黄铜矿周边见赤铁矿围绕分布,粒径0.01～0.40 mm之间。少量黄铜矿呈不连续细脉筛孔状,零星填充分布在脉石矿物晶粒间隙中[图3(c)],粒径0.01～0.50 mm不等,最大0.80 mm左右。

3.4 主要脉石矿物

对矿石中与金属矿物关系较为紧密的脉石矿物进行分析,可发现石榴石、石膏、方解石、绿泥石与磁铁矿嵌布特征最为紧密。矿石中的石榴石(多为钙铁铝榴石)呈粒状发育,具有裂纹,晶粒间紧密接触,且沿磁铁矿晶粒边缘均匀分布[图4(a)],石榴石粒径0.10～0.80 mm之间;部分石榴石缝隙间填充半自形或不规则团粒状或细脉状方解石(粒径0.05～0.60 mm)。石膏主要呈半自形粗粒状或不规则细粒状沿磁铁矿碎裂隙呈不连续细脉状分布[图4(b)],粒径0.03～1.20 mm不等。而方解石呈半自形或不规则粒状发育,呈团块状分布在磁铁矿粒间以及裂隙中[图4(b)(c)],粒径0.05～1.50 mm不等。一些绿泥石呈不规则细粒集合体状,多呈网状沿磁铁矿晶粒间或围绕磁铁矿晶粒分布[图4(c)],粒径0.01～0.06 mm之间。此外,部分石膏和方解石与黄铁矿嵌布关系紧密。硬石膏呈半自形粗粒状或不规则细粒集合体状分布在黄铁矿晶粒间隙中或充填在裂隙中[图4(d)],可与方解石交生分布,硬石膏粒径0.25～5.00 mm不等。方解石呈半自形或不规则细粒集合体多伴随石膏填隙分布在黄铁矿晶粒间隙中或裂隙中[图4(d)],方解石粒径0.03～0.50 mm不等。

4 矿物粒度分布

对矿石中主要矿物磁铁矿、黄铁矿、石榴石和石膏进行粒度分布分析,结果如表5所示。由表5可知:磁铁矿结晶粒度较粗,分布极不均匀,主要分布在+0.075 μm粒级,占比72.47%,-0.038 μm粒级占比15.54%。黄铁矿在+0.075 μm和-0.038 μm粒级占比分别为74.48%和13.62%,说明黄铁矿粒度分布不均,以粗粒嵌布为主。脉石矿物中石榴石和石膏主要分布在+0.075 μm粒级,分别占比为65.39%和61.49%。-0.038 μm粒级的占比分别为18.08%和21.82%,为中粒嵌布分布。

表5 主要矿物粒度分布Table 5 Particle size distribution of major minerals %

5 选矿工艺推荐

由系统的工艺矿物学研究可知,应采用干式磁选对其进行预先抛尾,同时考虑到尽可能提高预先抛尾量,减少黏土类脉石矿物的干扰并简化工艺流程,可使用高压辊磨和磁选进一步抛除尾矿,从而获得预选精矿[16]。经过磨矿后,采用弱磁选进行选铁,得到铁精矿。另外,矿石中铜的物相单一,主要赋存在黄铜矿中;而硫和钴主要存在于黄铁矿中,可以考虑在弱磁选尾矿中分离浮选回收。因此推荐“干式磁选抛尾-磨矿-弱磁选选铁-分离浮选铜硫”为该高硫铁矿石的选矿工艺原则流程。

6 结 论

(1)湖北某铁矿石铁、铜和硫品位分别为37.18%、0.01%和3.20%,有害元素磷含量较低,品位为0.07%。含铁矿物主要为磁铁矿,分布率为81.84%,其他含铁矿物含量较低;含硫矿物主要为黄铁矿,分布率为52.81%,其次为石膏,分布率为47.18%;含铜矿物为黄铜矿,未见其他形式含铜矿物存在;主要脉石矿物为石榴石、钾长石、石膏和方解石。

(2)矿石中磁铁矿粒度分布不均,粗粒占大部分,主要呈自形、半自形、他形及残余状,黄铁矿粒度也较粗,主要呈半自形、他形和不规则粒状;黄铜矿粒度较细;主要脉石矿物石榴石和石膏的粒度比目的矿物稍细。矿石中有用矿物和脉石矿物的粒度差异表明,可通过预先抛尾工艺降低脉石矿物的含量。

(3)根据工艺矿物学分析,结合铁矿选厂的工艺实际,以降低能耗、节约成本和提高回收率为目的,推荐“干式磁选抛尾-磨矿-弱磁选选铁-分离浮选铜硫”的选矿工艺流程。