基于原料礦物學基因特性的超級鐵精礦制備評價體系

孫永升 曹 越 韓躍新 李艷軍 劉 杰

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

超級鐵精礦是指含鐵量高、脈石含量低的鐵精礦，既是選礦的深加工產品，又是一種具有發展潛力的新型功能材料。超級鐵精礦主要分為2類：一類稱為高純鐵精礦，其TFe品位高于70.00%，二氧化硅含量小于0.25%，其他雜質含量小于2.00%，主要用于生產直接還原鐵(DRI)；另一類稱為超純鐵精礦，其TFe品位高于71.50%，二氧化硅含量小于0.25%，其他雜質含量(酸不溶物)小于0.20%，是粉末冶金、磁性材料的重要原料[1]。國外關于超級鐵精礦的研究始于20世紀60年代，前蘇聯、加拿大、美國、挪威、日本等國先后開展了相關的研究工作，并形成了一定的生產規模，生產出的超級鐵精礦鐵品位接近72.00%，二氧化硅含量小于0.50%[2-3]。而我國大約在20世紀60年代開始生產優質鐵精礦，并用其制備磁性材料[4]。

近年來，隨著粉末冶金、直接還原、高端鋼材及3D打印等技術的高速發展，對超級鐵精礦的需求日益增多，超級鐵精礦生產廠家和產量也不斷增加[5]。國內相關科研人員圍繞超級鐵精礦的制備開展了大量的技術研究工作，超級鐵精礦制備的工藝方法主要有浮選、磁選、重選以及各種選別方法的有效聯合等[6-9]。目前，超級鐵精礦的制備技術主要通過選礦試驗予以確定。然而，有些鐵礦資源經過大量試驗研究后，最終發現以其為原料并不能加工獲得超級鐵精礦，造成了人力、物力、財力的極大浪費。

孫傳堯院士提出了基因礦物加工的全新學術理念，即以礦床成因、礦石性質、礦物物性等礦物加工的“基因”特性測試為基礎，快捷、高效、精準地選擇選礦工藝技術和裝備。超級鐵精礦制備成功與否與鐵礦石的性質密切相關。如果能夠揭示二者之間的內在聯系，可實現超級鐵精礦原料的高效、快速、便捷篩選。基于上述認識，本文創新性地提出了建立基于工藝礦物學基因特性的超級鐵精礦制備評價體系的新思路。即在系統的礦物學特性和分選試驗基礎上，揭示原料礦物學特性與分選指標的內在聯系，形成超級鐵精礦制備評價體系。該體系的建立有助于快速判斷普通鐵精礦是否可以作為制備超級鐵精礦的原料，可大幅減少生產試驗成本、提高生產實踐效率、縮短研發周期。

1 研究方法

目前，制備超級鐵精礦的原料主要為磁鐵礦石經選礦獲得的普通鐵精礦。因此，本文選取國內6種典型的普通磁鐵精礦作為研究對象。首先，利用化學分析和光學顯微分析技術查明各磁鐵精礦中鐵化學物相組成、磁鐵礦與脈石礦物連生的特征類型、各類連生體的含量、磁鐵礦結晶粒度等礦物學基因特性；之后，針對6種磁鐵精礦開展系統的分選試驗，確定獲得超純鐵精礦的流程結構、參數及分選技術指標；最后，將普通鐵精礦連生體的類型、含量、磁鐵礦結晶粒度等礦物學特性與超級鐵精礦制備流程及技術指標有機結合加以分析，探明二者之間的內在聯系和規律，建立基于原料礦物學基因特性的超級鐵精礦制備評價體系。

2 試驗結果與討論

2.1 鐵精礦礦物學基因特性

針對6種普通磁鐵精礦進行了鐵化學物相組成分析，結果如表1所示。

表1 6種普通磁鐵精礦的鐵化學物相組成Table 1 Composition of iron chemical phase of six selected magnetite concentrate %

由表1可知：6種普通磁鐵精礦鐵品位介于65.63%～69.85%范圍內；鐵元素主要以磁性鐵的形式存在，鐵在磁性鐵中分布率均在98%以上；氧化鐵、碳酸鐵、硫化鐵、硅酸鐵的含量相對較少。

將普通鐵精礦鑲嵌拋光，采用光學顯微分析技術對其進行了檢測分析。由分析結果可知，鐵精礦中鐵礦物主要為磁鐵礦，主要脈石礦物為石英。磁鐵礦單體解離度較高，但仍有部分以連生體形式存在。磁鐵礦連生體的含量及結合特征是影響最終精礦質量的重要因素。據統計，鐵精礦中連生體結合類型可分為以下3種：

(1)毗連型：磁鐵礦與脈石礦物連生邊界平直，邊界線呈線性彎曲狀，如圖1(a)所示。

(2)包裹型：磁鐵礦以包裹體形式嵌鑲于脈石礦物中，其中磁鐵礦包裹體粒徑大于10 μm，屬細粒包裹，小于10 μm為微細包裹，如圖1(b)所示。

(3)反包裹型：磁鐵礦中包裹微細粒的脈石礦物，這種類型連生體中的脈石礦物因粒徑細小，難以從鐵礦物中解離出來，影響鐵精礦的品位，如圖1(c)所示。

圖1 磁鐵礦連生體類型Fig.1 Category of magnetite intergrowthMt—磁鐵礦；G—脈石

對6種磁鐵精礦中磁鐵礦連生體的結合類型進行了統計，結果如表2所示。

表2 磁鐵礦連生體結合類型統計結果Table 2 Statistical results of magnetite combination combined type

由表2可知：1#樣品中磁鐵礦連生體類型主要為毗連型和細粒包裹型，含量分別為49.02%和35.29%；2#和3#樣品中磁鐵礦連生體主要為毗連型；4#樣品中磁鐵礦連生體主要為毗連型和反包裹型；5#樣品中磁鐵礦連生體主要為毗連型和微細包裹型；6#樣品中磁鐵礦連生體主要為包裹型，其中細粒包裹型含量為41.34%，微細包裹型含量為32.17%；6種鐵精礦中各類磁鐵礦連生體含量各有不同，表明樣品具有充足的代表性。

礦物的結晶粒度直接影響著分選行為和精礦質量，因此對鐵精礦樣品中磁鐵礦的結晶粒度進行了統計，結果如表3所示。

表3 磁鐵礦結晶粒度統計結果Table 3 Measured results of magnetite grain size

由表3可知，1#樣品中磁鐵礦主要分布在0.010～0.038 mm粒級；2#樣品中磁鐵礦主要分布在0.010～0.053 mm粒級；3#樣品中磁鐵礦主要分布在 +0.038 mm粒級；4#和6#樣品中磁鐵礦主要分布在 -0.053 mm粒級；5#樣品中磁鐵礦主要分布在 +0.075 mm和-0.010 mm粒級。

2.2 鐵精礦分選試驗

以獲得超級鐵精礦為目標，針對上述6種普通鐵精礦開展了分選試驗，最終確定的分選工藝和精礦產品的技術指標如表4所示。

表4 超級鐵精礦制備試驗結果Table 4 Experimental results of producing high purified iron concentrate

由表4可知，1#、2#和3#樣品經分選后，獲得的精礦產品鐵品位大于71.5%、SiO2含量小于0.25%、酸不溶物含量小于0.20%，滿足超純鐵精礦的要求；4#、5#和6#樣品分選所得精礦產品鐵品位大于70.0%、SiO2含量小于2.0%，滿足高純鐵精礦的要求，然而不能滿足超純鐵精礦的要求。

3 超級鐵精礦制備評價體系

將6種鐵精礦工藝礦物學特征與分選試驗結果有機結合加以分析，可知二者之間存在著內在的聯系。1#、2#和3#樣品中磁鐵礦微細包裹型和反包裹型連生體含量較少，且-0.010 mm粒級的磁鐵礦含量較少，3種樣品經分選后均可獲得超純鐵精礦；4#、5#和6#樣品中磁鐵礦微細包裹型和反包裹型連生體含量較高，且-0.010 mm粒級的磁鐵礦含量較高，3種樣品經分選后均可獲得高純鐵精礦，難以獲得超純鐵精礦。進一步分析1#、2#和3#樣品可知，1#樣品中磁鐵礦連生體主要為毗連型和細粒包裹型，而2#和3#樣品中磁鐵礦連生體主要為毗連型；以1#樣品為原料制備超純鐵精礦需兩段磨礦，而2#和3#樣品僅需一段磨礦。因此，磁鐵礦連生體的類型及磁鐵礦結晶粒度是決定普通鐵精礦能否制備超級鐵精礦的關鍵因素。基于上述分析，建立了基于原料工藝礦物學基因特性的超級鐵精礦制備評價體系，如表5所示。該評價體系可用于快速判斷普通鐵精礦是否可以作為制備超級鐵精礦的原料。

表5 超級鐵精礦制備評價體系Table 5 Evaluation system of producing high purified iron concentrate

4 結 論

(1)選取的普通鐵精礦鐵品位介于65.63%～69.85%范圍內，鐵元素主要以磁鐵礦的形式存在，磁鐵礦單體解離度較高，脈石礦物主要為石英，磁鐵礦連生體的類型可分為毗連型、包裹型、反包裹型3種。

(2)鐵礦物的結晶粒度、脈石礦物的種類、鐵礦物與脈石礦物的共生和嵌鑲關系等礦物學基因特性，都影響著最終超級鐵精礦的鐵品位和酸不溶物的含量。磁鐵礦連生體的類型及磁鐵礦結晶粒度是決定普通鐵精礦能否制備超級鐵精礦的關鍵因素。鐵精礦中微細包裹型和反包裹型連生體含量越少、 -0.010 mm粒級磁鐵礦的含量越少，越容易制備超級鐵精礦。

(3)基于鐵礦石工藝礦物學的超級鐵精礦制備的可行性評價體系，可以實現超級鐵精礦原料的高效、快速、便捷篩選。

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