内蒙古白云鄂博某低品位含铁岩矿磁悬浮联合分级流程工业试验研究

李宏静，刘春光，刘剑飞，白春霞，王丽明，李 燕，宋卓函

（1. 包钢集团矿山研究院，内蒙古 包头 014030；2. 包钢矿业有限责任公司，内蒙古 包头 014030）

钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是国家经济水平和综合国力的重要标志。随着我国经济的快速发展，国内钢铁工业翻番增长，导致铁矿石需求急剧攀升。我国铁矿资源丰富，根据自然资源部2022年《中国矿产资源报告》数据，我国铁矿石资源矿产储量为161.24亿t，主要分布在辽宁、河北、内蒙古、山西、安徽、四川等省份，而全球预估铁矿石资源矿产储量约1643亿t，资源量5828亿t，主要分布于俄罗斯、乌克兰、澳大利亚、巴西、中国等国。虽然我国铁矿石储量居世界第五位，但我国大部分铁矿石品位偏低，成分复杂，较难分选，而如巴西、澳大利亚、印度等国不乏高品位富铁矿资源，这就导致我国国内铁矿供应不足，铁矿石进口规模持续增长，成为全球最大铁矿石进口国。在国际市场上铁矿石卖方企业主要是巴西淡水河谷公司、澳大利亚必和必拓公司和英国力拓集团，三家公司已经形成“价格联盟”，控制着全球75%～80%的铁矿石出口市场，国际铁矿石市场出现垄断趋势，铁矿石也成为制约国家发展的重要战略资源[1-5]。

包头钢铁（集团）有限责任公司（以下简称“包钢”）作为国家重要钢铁生产企业，为国民经济的快速发展做出了重要贡献。内蒙古白云鄂博铁矿是包钢主要的原料基地，根据统计，白云鄂博主矿以及东矿铁矿地质储量6.5亿t[6]，白云鄂博西矿探明的储量为9亿t[7]。自白云鄂博铁矿建矿以来，累计向包钢输出铁矿石数亿吨，为国家钢铁工业生产发展奠定了坚实基础。但随着白云鄂博主矿和白云鄂博东矿的多年开采，铁矿石资源保有量下降非常严重，按照目前开采速度，预计10 a内，已有铁矿石资源将会开采完毕，铁矿石资源接续问题亟待解决。

根据统计，国内现有铁矿石探明储量的97.50%为贫矿，平均铁矿石品位为32.67%，比世界铁矿石主要生产国平均品位低约20%[8-9]。我国铁矿石原矿累计查明资源中，品位大于50%可直接入炉冶炼的富矿，累计查明资源储量仅占全部铁矿石原矿查明资源储量的3%；绝大多数铁矿石原矿品位在30%～50%之间，占我国铁矿石原矿查明资源储量的59%；品位介于20%～30%之间的低品位铁矿石比例为30%，这部分低品位铁矿石含多种有用组分和有害组分，需要通过选矿工艺使其人为富集成为富矿后予以利用，而这部分低品位铁矿石中基本可选型占60.87%，部分易选型占36.96%，难选型矿石仅占2.17%[10]。由于低品位铁矿石资源品位低导致选矿成本过高，因此，目前对低品位铁矿石资源开发利用主要围绕多碎少磨、粗粒甩尾、能丢早丢的原则进行，同时配合预选选矿工艺，如大块干式磁选预选、光电分选技术应用，先进的破碎设备如高压辊磨机，磁选设备如干式磁滑轮、湿式电磁分选机，重选设备如螺旋溜槽等可实现低品位、细粒级矿物预选回收[11-14]。预选后，一般可采用全磁流程，也可以采用磁选-反浮选流程[15]。

白云鄂博铁矿矿体的TFe边界品位为20%，TFe工业品位为25%，比国内铁矿石平均铁品位还要低12%。在矿山过去的生产过程中，由于技术经济效益的制约，将一些低于边界品位的矿石（TFe＜20%）作为剥岩进行堆放。对于白云鄂博西矿而言，低品位含铁岩矿主要为磁矿型，特点为粒度较细。裴斌等[16]通过对比高压辊磨与常规磨碎后的预选效果，发现高压辊磨机预选可多抛1.27%的尾矿，且尾矿磁性铁含量低0.6%，效果良好。崔凤等[17]采用预选-高压辊磨-磨矿-湿选工艺流程很好地将铁品位13%的低品位矿富集至25%。郭春雷等[18]、王维维等[19]和郭丽东等[20]对预选后富集矿样经过阶段磨选得到铁品位64%以上合格铁精矿，且铁精矿杂质含量符合要求。

而对于白云鄂博主东矿的低品位含铁岩储量巨大，其铁矿石类型主要有霓石型（钠辉石型）铁矿石、白云石型铁矿石、萤石型铁矿石、云母型铁矿石，虽然最主要的铁矿物为磁铁矿，但由于这部分含铁岩品位较低，经济性不合理，铁资源一直未被利用。

1 白云鄂博低品位铁矿石磁悬浮精选实验室试验研究

白云鄂博铁矿中低品位铁矿的选矿工作在蒙普矿业公司的蒙普选矿厂进行，2021年蒙普矿业公司曾采用原两段连续磨矿-两段常规磁选流程进行工业试验，工艺流程如图1所示。原料采用主矿低品位含铁岩矿大块干选精矿，经过现场运行，入磨原矿TFe平均品位19.1%，经过连续磨矿至-0.074 mm粒级含量97%条件下，经过两段湿式磁选机精选，最终精矿TFe平均品位60.8%，无法满足合格铁精矿质量要求，同时，杂质元素Na、K、Si、F含量较高，均为后续冶炼作业不利因素。

图1 蒙普矿业公司原工艺流程Fig. 1 Original flowsheet of Mengpu Mining Company

如果白云鄂博主东矿该部分低品位含铁岩矿石采用针对白云鄂博氧化矿所研发的弱磁-强磁-反浮选流程，生产成本较高，在现阶段从经济角度考虑无法利用，同时消耗大量电能、蒸汽等，与国家“双碳”目标相悖。如采取新工艺联合新设备，将该部分铁矿石的经济价值充分利用，将极大地延长白云鄂博矿产资源的供给年限，对包钢自有铁矿石产能接续、生存发展及铁矿石资源绿色利用具有深远作用。

针对该白云鄂博含铁岩矿，分析全磁流程未得到合格铁精矿的关键难点问题主要有以下方面。①白云鄂博矿有多、贫、细、杂的特点，低品位含铁岩矿中铁矿物与其他矿物共生关系复杂，尤其与含氟矿物连生包裹情况复杂，为分选带来很大难度；②粒度极细，在磨矿至-0.074 mm粒度含量为98%的情况下，现场通过常规磁选，都无法得到合格铁精矿；③常规筒式磁选机设备磁系设计无法形成较长磁系翻转，细粒磁性矿物磁团聚、磁夹带现象严重；④蒙普矿业公司原流程连续磨矿，处理量小，且容易产生过磨，二段分级效率低，仅为39%，设备效率较低。

针对相关问题，首先，进行磁选精选设备选择，由于常规筒式湿式磁选机没有得到很好的效果，故欲选择磁重联合作用的磁悬浮精选机进行试验。磁悬浮精选机为沈阳隆基电磁科技有限责任公司自主研发的磁重联合分选设备，设备主要工作原理同磁选柱、淘洗磁选机等磁重联合设备类似，但又有较多改进，矿浆从上部给矿槽给入后，矿浆在设备选别筒中分散开，分散过程中与选别筒内切向上行选别水相遇，矿浆进一步被冲散。脉石矿物和贫连生体由于不受磁场的影响，受到与沉降方向相反的上升水冲至设备的上部并溢流出来，磁性矿物和强磁性连生体在自动变化的下行运动磁场和瞬间脉冲的反向脉动磁场共同作用下进一步被选别。矿物间的磁性包裹和夹杂被反向脉冲磁场充分打散形成“悬浮”状态，脉石矿物和贫连生体被冲洗水带到设备上部溢流槽内排出，磁性矿物和强磁性连生体被自动变化的下行磁场带入设备下部精矿排矿区沉淀排出。脉石矿物和贫连生体在下行过程中受到反向磁场的反复作用，矿物被选别的更加彻底。与其他磁重分选设备相比较，可有效减少对选别水的依赖，达到节水目的；另外，磁性矿物和强磁性连生体溢流到尾矿中的机率会大大降低。实现大幅度提升品位的同时，尾矿品位更低，设备综合性能大大增强。磁悬浮精选机原理如图2所示。

图2 磁悬浮精选机原理图Fig. 2 Principle of magnetic levitated separator

磁悬浮精选机在现场使用中也有较好效果。朱东方等[21]使用该设备对安徽某选矿厂进行现场精矿分选改造，通过磁悬浮精选机分选的铁精矿，品位有一定的提升，由60.00%～62.50%达到64.24%。尾矿铁品位10.56%，其中，磁性铁含量为4.11%，损失在尾矿中的铁较少。肖启飞等[22]在南芬选矿厂进行磁悬浮精选机替换磁选柱现场试验。磁悬浮精选机的台时处理能力可提高2.5～3.0倍，提质幅度1.68%，中矿品位19.22%，提质幅度较原磁选柱提高1.10%～3.02%，回收率提高0.54%，为南芬选矿厂其他选别作业区磁选柱更新改造提供可靠的技术依据。李锐等[23]进行了某磁铁矿磁悬浮精选机与筒式磁选机提铁降硅对比试验，试验结果前者相较于后者，铁精矿品位由66.23%提升至68.53%，提升约2.30%，SiO2含量由7.102%降低至4.186%，提铁降硅效果明显。磁悬浮精选机四周给矿模式，线圈微流磁场控制，以及两步给水方式都尽可能分离贫连生体，减少细粒级矿物的夹杂，因此，采用磁悬浮精选机具有更好的提铁除杂效果。

白云鄂博铁矿采用磁悬浮精选机对二段磁选精矿进行了分选试验，试验结果见表1。

表1 原流程二段磁选精矿磁悬浮精选试验结果Table 1 Magnetic levitation separation laboratory test results of secondary magnetic separation concentrate on original flowsheet

由表1可知，原流程精矿经过磁悬浮精选机再选，在相同粒度范围内，精矿品位最高可提升至65.62%，且回收率仅损失2.70%，效果非常显著，并通过现场工业试验验证效果。

2 白云鄂博低品位铁矿石弱磁工业试验研究

在选择磁选精选设备后，需要结合蒙普矿业选矿厂现场设备情况，进行工艺流程改进，提升选矿效率，研发思路如下所述。①改进磨矿工艺，采用阶段磨矿工艺替代连续磨矿工艺，尽早分选出已单体解离的磁性矿物，减少铁矿物过磨损失，以及后续磨机入磨矿量，增大全流程生产能力。②更换粗粒预选分级设备并扩大预选粒级，提升粗粒分选效率，对已解离的非磁性矿物实现“应抛尽抛早抛”，提升流程分选效率。③独创磁悬浮联合分级流程，磁悬浮精选机磁重分选作用与旋流器形成联合分级效应，提升细粒分级效率，减少球磨机磨矿过程中的过磨现象，相应提升磨矿效率。

基于此研发思路，设计三条工艺路线，流程一：三段连续磨矿+两段磁选+磁悬浮精选流程；流程二：一段磨矿+一段磁选+两段连续磨矿+两段磁选+磁悬浮精选流程；流程三：一段磨矿+磨头筛分级+粗颗粒预选+两段磨矿磁选选别+旋流器磁悬浮联合分级+搅拌磨+磁悬浮精选工艺流程。三条工艺流程分别在蒙普矿业公司进行工业试验。

2.1 工业试验流程一

原矿样取自工业试验期间大块干选精矿细碎后混匀矿样，主要化学成分分析结果见表2，工业试验流程如图3所示。

表2 工业试验流程一所用原矿化学成分分析Table 2 Chemical composition of raw ore analysis by industrial test flowsheet 1 单位：%

图3 工业试验流程一Fig. 3 Industrial test flowsheet 1

由表2可知，矿样中TFe品位15.80%，磁性铁含量9.21%，杂质元素S含量偏高为1.805%。铁矿物以磁铁矿为主，还有一定量的（磁）黄铁矿，经矿物组成分析可知，脉石主要为硅酸盐，碳酸盐矿物含量次之，硅酸盐以辉石、闪石居多。萤石含量也较高，稀土、重晶石、磷灰石较少。矿样中S元素偏高，且以磁黄铁矿为主，会对精矿造成一定影响。

按照图3流程开展工业试验，在稳定运行期间，大块干选精矿经破碎干选后，入磨TFe平均品位为19.77%，磁性铁含量平均为12.33%，经过分选，得到最终精矿TFe平均品位为64.72%，回收率59.34%，磁性铁回收率93.31%，最终尾矿TFe平均品位为9.83%，铁精矿达到TFe品位合格标准。最终精矿产率18.12%，选比5.52，但按照现场设备情况，该流程处理量较小，生产能力受限。

对稳定运行期间每批次精矿混匀后进行主要杂质化学成分分析，F平均含量为0.71%，S平均含量为1.605%，P平均含量为0.096%，SiO2平均含量为1.18%，Na2O+K2O平均含量为0.284%，精矿中除F、S外，其余含量均合格，经过该流程，杂质SiO2、Na2O、K2O脱除效果明显。精矿中S元素含量偏高，分析认为由于精矿中的S元素以磁黄铁矿为主，作为全磁选流程，无法将铁精矿中的磁黄铁矿脱除。

2.2 工业试验流程二

原矿样取自工业试验期间大块干选精矿细碎后混匀矿样，主要化学成分分析见表3，工业试验流程如图4所示。

表3 工业试验流程二所用原矿化学成分分析Table 3 Chemical composition of raw ore analysis by industrial test flowsheet 2 单位：%

图4 工业试验流程二Fig. 4 Industrial test flowsheet 2

由表3可知，矿样中TFe品位17.20%，磁性铁含量为11.36%，铁矿物以磁铁矿为主，经矿物组成分析可知，脉石以碳酸盐矿物为主，硅酸盐矿物含量次之，硅酸盐矿物以云母居多，闪石、辉石含量次之。萤石含量也较高，其余还有稀土、重晶石。

按照图4流程开展工业试验，在稳定运行期间，分析整体数据可得，大块干选精矿经破碎干选后，入磨TFe平均品位为19.88%，磁性铁平均含量为12.52%，经过分选，得到最终精矿TFe平均品位为64.59%，回收率60.05%，磁性铁回收率93.41%，最终尾矿TFe平均品位9.75%，铁精矿TFe品位达到合格标准。最终精矿产率18.48%，选比5.41，按当前设备比连续磨矿入选矿量将提升1.5倍，如更换磨矿设备，则可达到更大的生产能力。

对稳定运行期间每批次精矿混匀后进行杂质化学成分分析，F平均含量为0.65%，S平均含量为0.418%，P平均含量为0.107%，SiO2平均含量为1.24%，Na2O+K2O平均含量为0.207%，精矿中除F外，其余含量均合格，经过该流程，杂质SiO2、Na2O、K2O脱除效果明显。

2.3 工业试验流程三

矿样经过一段球磨机磨矿至-0.074 mm粒级含量40%～45%，经过磁场强度2100 Oe一段磁选，精矿经过二段球磨机磨矿至-0.074 mm粒级含量70%～75%，经过磁场强度1800 Oe的二段磁选机分选后，精矿经过三段球磨机至-0.074 mm粒级含量95%，经过磁场强度1500 Oe三段磁选机分选，磁选精矿进入两段型号为LJC-10000磁悬浮精选机精选，得到最终精矿，二段磁悬浮精选机尾矿经过磁场强度1500 Oe浓缩磁选机后，经过100 L卧式搅拌磨磨矿后作为一段磁悬浮精选机给矿进入流程分选。三段球磨机与三段分级旋流器组成磨矿分级闭路，完成细粒级一次分级作用。在后续的两段磁悬浮精选机分选中，由于其为磁重联合设备，粗粒但磁性稍弱的矿物在重力作用下，在精选过程中分选至中矿中，通过搅拌磨，继续磨至解离，然后进入精选回收作业，流程既保证了精矿品位，又提升了磁性铁回收率，效果良好。磁悬浮精选机不仅实现分选功能，得出品位较高的磁选精矿产品，同时配合搅拌磨又实现了分级功能，对于细粒级矿物而言，磁悬浮精选机和分级旋流器一起形成了联合分级作用。

原矿样取自工业试验期间大块干选精矿细碎混匀后矿样，经过主要化学成分分析见表4，工业试验流程如图5所示。

表4 工业试验流程三所用原矿化学成分分析结果Table 4 Chemical composition of raw ore analysis by industrial test flowsheet 3 单位：%

图5 工业试验流程图三Fig. 5 Industrial test flowsheet 3

由表4可知，矿样中TFe品位16.50%，磁性铁含量为8.65%，铁矿物以磁铁矿为主，经矿物组成分析可知，脉石矿物主要为硅酸盐矿物以及碳酸盐矿物，硅酸盐矿物以云母居多，闪石、辉石含量次之。萤石含量也较高，其余还有稀土、重晶石、磷灰石。

按照图5所示流程开展工业试验，在稳定运行期间，取现场原矿、精矿、尾矿样品进行分析，生产数据整理结果见表5。由表5可知，工业试验稳定运行期间，大块干选精矿经破碎干选后，入磨TFe平均品位为19.34%，磁性铁平均含量为12.15%，经过分选，得到最终精矿TFe平均品位为64.74%，回收率60.66%，磁性铁回收率95.07%，最终尾矿TFe平均品位9.30%，工业试验最终精矿产率18.03%，选比5.55，技术指标良好，生产运行稳定。

表5 稳定运行生产数据Table 5 Stable operation of production data 单位：%

对稳定运行期间每批次精矿混匀后进行杂质化学成分分析，见表6。由表6可知，F平均含量为0.66%，S平均含量为0.555%，P平均含量为0.081%，SiO2平均含量为1.18%，Na2O+K2O平均含量为0.215%，精矿中除F外，其余含量均合格，经过该流程，杂质SiO2、Na2O、K2O脱除效果明显，铁精矿质量较好。

表6 铁精矿化学成分分析Table 6 Chemical composition analysis of iron concentrate 单位：%

对精矿进行铁物相分析以及矿物组成分析，铁精矿中铁矿物主要为磁铁矿，含量为90.89%，还有少量菱铁矿以及磁黄铁矿，杂质F主要存在于萤石中。

3 工业试验流程分析

蒙普矿业公司原分选流程为两段连续磨矿+两段磁选，最终精矿TFe品位61%～62%。一次分级旋流器的分级质效率为20.93%，磨机效率也较低。二次分级旋流器的分级质效率虽有所提升，为39.11%，但还是相对较低。

新设计的工业试验流程三将原来连续磨矿变为三段阶段磨矿选别，原矿处理量提升一倍多，实现“应抛尽抛早抛”，大大提升流程分选效率。原设计一段磨矿的出料粒度为-0.074 mm粒级含量40%～45%，属于粗粒级分选，使用分级旋流器效果不佳，改为磨头筛为分级设备后，筛分分级质效率提升至70%，适用于粗粒级分级。进行分级质效率考察后，二段分级旋流器的分级质效率为41.40%，三段分级旋流器的分级质效率为55.94%，较原设计提升近15%，分级效果较好。

工业试验流程一磨矿工艺与原设计不同，是将原设计两段磨矿改进为三段磨矿，更改后流程的分级质效率提升并不明显，但因为通过量提升，故原矿处理量较原设计提升约30%。

工业试验流程二相比于工业试验流程一，有“应抛尽抛早抛”的优点，进一步提升了后续磨矿设备的处理量。虽然连续磨矿工艺，具有流程简单、操作环节较少等优点，但细粒矿物不断经过磨矿，也有矿物过磨影响，导致磁性铁损失。

综上所述，相比后，工业试验流程三为现场工业试验中应用效果最优流程。

4 结 论

1）白云鄂博低品位含铁岩矿，储量大、品位低，蒙普矿业公司原分选流程两段连续磨矿+两段磁选，经过现场运行，在二段磨矿粒度-0.074 mm粒级含量95%～97%，最终精矿TFe品位61%～62%，无法达到合格铁精矿要求。

2）引入磁悬浮精选机，结合现场设备情况，进行三个工业试验流程设计，分别为三段连续磨矿+两段磁选+磁悬浮精选流程，一段磨矿磁选+两段连续磨矿+两段磁选+磁悬浮精选流程和一段磨矿+磨头筛分级+粗颗粒预选+两段磨矿磁选选别+旋流器磁悬浮联合分级+搅拌磨+磁悬浮精选工艺流程。三个流程经过现场稳定性工业试验，在给矿品位小于20%的情况下，均可得到TFe品位大于64.5%、回收率59.00%以上的合格铁精矿，但工业试验流程三最终技术指标为TFe平均品位64.74%，回收率60.66%，磁性铁回收率95.07%，为三个流程中最优。

3）磁悬浮精选机的磁重分选作用与旋流器联合分级效果较好。经过分级效果考察，工业试验流程三的三段分级旋流器分级质效率均较原设计流程提升约15%

4）工业试验流程三具有生产处理量大，对非磁性矿物“应抛尽抛早抛”优点，分选效率高、精矿质量好的特点，应用后实现白云鄂博低品位含铁岩矿的工业生产，提升白云鄂博铁矿石资源利用效率，延长国家自有铁矿石供给年限，且开发全磁流程符合“生态优先，绿色发展”的高质量发展理念，对国内该类矿石高效绿色应用具有广泛推广价值。