甘肅某微細粒極難選鐵礦石工藝礦物學研究

蔡毅兵 駱洪振

(1.酒鋼(集團)天工礦業投資有限公司,甘肅 嘉峪關 735000;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

礦產資源是經濟發展和工業化的重要物質基礎。近年來,隨著我國鋼鐵工業的快速發展,對鐵礦石的需求量急劇攀升。由于我國國內鐵礦石供給嚴重不足,導致每年需進口大量的鐵礦石,2021 年我國進口鐵礦砂及其精礦達11.24 億t[1],對外依存度高達70%以上,已成為我國鋼鐵工業經濟安全的重大隱患[2-6]。研究復雜難選鐵礦石的高效開發利用技術,提高國內鐵礦石精礦自給能力,對保障國民經濟持續健康發展具有重要意義[7-10]。

甘肅某微細粒鐵礦石除含磁鐵礦外,還含有菱鐵礦、褐鐵礦等弱磁性鐵礦物。該鐵礦選礦廠已生產十余年,隨著礦山開采的深入,礦石性質發生了較大變化。一方面,原礦全鐵品位及磁性鐵品位降低;另一方面,礦石中弱磁性鐵礦物(褐鐵礦和菱鐵礦)占鐵礦物總量百分比升高;另外,礦物嵌布粒度變細,選別難度增加。因此,有必要對礦石性質及可選性進行詳細研究。大量實踐表明,工藝礦物學研究對礦石選礦工藝的確定具有重要的指導意義[11-17]。本文通過化學分析、物相分析、能譜分析、光學顯微鏡、掃描電鏡等分析檢測手段對該鐵礦石進行系統的工藝礦物學研究,以期為下一步選礦工藝試驗研究提供理論依據。

1 礦石的物質組成

1.1 礦石化學成分分析

礦石化學成分分析結果見表1。

表1 礦石化學成分分析結果Table 1 Chemical compositions analysis results of the ore %

由表1 可知,礦石中主要有價元素Fe 品位為32.70%,有害元素S、P 含量分別為0.21%和0.28%,礦石燒損為9.79%。

1.2 礦石礦物組成

經光學顯微鏡鏡下觀察后得知礦石主要由以下礦物組成。

金屬礦物:磁鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦、赤鐵礦(含假象礦)、黃鐵礦、磁黃鐵礦、黃銅礦等;

非金屬礦物:石英、角閃石(鐵閃石、普通角閃石、藍閃石、氧角閃石)、黏土礦物(高嶺石、蒙脫石)、磷灰石、鐵白云石等。

將原礦樣品(-2.0 mm)磨制成光片和薄片后在顯微鏡下采用線段法統計各礦物含量,同時結合掃描電鏡EDS 分析結果計算出礦物含量。結果見表2。

表2 礦物含量測定結果Table 2 Detection results of mineral content in the ore %

由表2 可知,礦石中鐵礦物主要為磁鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦, 含量分別為16.93%、15.14%和13.86%,還有少量赤鐵礦、黃鐵礦及磁黃鐵礦;主要非金屬礦物為角閃石和石英,含量分別為26.10%和20.07%,其次為黏土礦物,含量為3.58%,另有少量含磷礦物磷灰石,含量為1.30%;其余礦物含量相對較少。

1.3 礦石鐵物相分析

為了解礦石中鐵礦物的物相組成,對礦石進行了鐵物相分析,結果見表3。

表3 礦石鐵物相分析結果Table 3 Iron phase analysis results of the ore %

由表3 可知,礦石中的鐵主要以磁鐵礦和赤褐鐵礦的形式存在,鐵分布率分別為37.16%和26.94%;其次以硅酸鐵和碳酸鐵的形式存在,鐵分布率分別為18.78%和16.82%;少量以黃鐵礦形式存在。

2 礦石結構與構造

2.1 礦石構造

礦石構造即礦物集合體的形態、相對大小及其空間相互的結合關系等所反映的形態特征。

礦石主要為塊狀構造、層狀構造。

(1)塊狀構造:礦石顏色為灰黑色,以磁鐵礦和深色脈石礦物為主(圖1(a));礦石顏色為淺褐色至深褐色,主要由菱鐵礦、褐鐵礦等礦物組成(圖1(b));主要由深褐色菱鐵礦、灰黑色磁鐵礦和淺色黏土等礦物組成(圖1(c))。

圖1 塊狀構造Fig.1 Block structure

(2)層狀構造:礦石顏色為灰白-灰黑色,由灰黑色鐵礦物與石英等淺色脈石礦物互層嵌布組成(圖2)。

圖2 層狀構造Fig.2 Layered structure

2.2 礦石結構

采用顯微鏡對礦石進行鏡下觀察,了解礦石中礦物顆粒的形態、相對大小及其相互的空間結合關系等所反映的形態特征。礦石主要呈以下5 種結構形式存在。

(1)浸染狀結構:磁鐵礦呈細粒-微細粒浸染狀嵌布于脈石中;磁鐵礦呈自形-半自形細粒浸染狀嵌布于脈石中;菱鐵礦呈粒狀集合體嵌布,其中浸染細粒磁鐵礦;角閃石中浸染細粒鐵礦物。

(2)粒狀結構:磁鐵礦呈不規則微細粒狀與褐鐵礦和脈石共生嵌布;磁鐵礦呈半自形、他形粒狀與褐鐵礦和脈石共生嵌布;褐鐵礦呈不規則細粒狀與磁鐵礦、脈石共生嵌布;菱鐵礦呈不規則粒狀與石英、磁鐵礦共生嵌布;石英呈粒狀集合體與鐵礦物緊密共生嵌布。

(3)針狀結構:褐鐵礦呈針狀與脈石礦物共生嵌布。

(4)纖維狀結構:褐鐵礦呈纖維狀與脈石共生嵌布;角閃石呈纖維狀集合體與鐵礦物共生嵌布。

(5)斑狀結構:褐鐵礦呈斑狀嵌布,并與磁鐵礦、脈石共生嵌布。

3 主要礦物嵌布特性

3.1 主要目的礦物

3.1.1 磁鐵礦

磁鐵礦是礦石中主要有用鐵礦物。磁鐵礦單礦物平均含Fe 量為71.79%。礦石中的磁鐵礦主要呈自形-半自形細粒浸染狀嵌布于脈石礦物中(圖3),部分磁鐵礦呈不規則微細粒狀或半自形、他形粒狀與褐鐵礦和脈石共生嵌布(圖4)。

圖3 磁鐵礦呈自形、半自形細粒浸染狀嵌布于脈石中Fig.3 Magnetite is euhedral and semihedral fine-grained disseminated inlaid in gangue

圖4 磁鐵礦呈不規則微細粒狀與褐鐵礦和脈石共生嵌布Fig.4 Magnetite is irregular and fine grained,interbedded with limonite and gangue

3.1.2 褐鐵礦

褐鐵礦是礦石中的次要鐵礦物,他不是一種單一礦物,而是針鐵礦、纖鐵礦、細粒石英、錳的氧化物和黏土物質的混合物。礦石中褐鐵礦單礦物平均含Fe量為51.98%,低于理論值,其中還含有少量Si、Mg、Al 等元素。褐鐵礦主要呈針狀、纖維狀及不規則細粒狀與脈石礦物、磁鐵礦共生嵌布,少量褐鐵礦呈斑狀嵌布,并與磁鐵礦、脈石共生嵌布(圖5)。

圖5 褐鐵礦嵌布特征Fig.5 Embedded characteristics of limonite

3.1.3 菱鐵礦

菱鐵礦是礦石中主要的碳酸鹽礦物,也是次要鐵礦物。菱鐵礦單礦物平均含Fe 量為39.69%,明顯低于理論值,且菱鐵礦中含有一定的Mg,平均含Mg 量為3.90%。礦石中菱鐵礦主要呈不規則粒狀集合體與石英、磁鐵礦共生嵌布(圖6)。

圖6 菱鐵礦嵌布特征Fig.6 Embedded characteristics of siderite

3.2 主要脈石礦物

3.2.1 角閃石

角閃石是礦石中主要的脈石礦物之一,是一種硅酸鹽礦物。礦石中的角閃石主要為鐵閃石、普通角閃石、藍閃石和氧角閃石。角閃石單礦物平均含Fe 量為25.37%。角閃石為弱磁性礦物,部分角閃石會進入強磁精礦中從而影響精礦鐵品位。礦石中的角閃石一般呈板片狀或纖維狀集合體嵌布,其中常常浸染細粒鐵礦物(圖7、圖8)。

圖7 角閃石呈板片狀嵌布,其中浸染細粒鐵礦物Fig.7 The amphibole is inlaid in slabs,infiltrated with fine-grained iron minerals

圖8 角閃石呈纖維狀集合體與鐵礦物共生嵌布Fig.8 Amphibole in fibrous aggregates and iron minerals symbiotically embedded

3.2.2 石 英

石英是礦石中主要的脈石礦物之一。石英單礦物平均含Fe 量為0.94%。礦石中的石英主要呈粒狀集合體嵌布,并與磁鐵礦、褐鐵礦緊密共生(圖9)。

圖9 石英呈粒狀集合體與鐵礦物緊密共生嵌布Fig.9 Quartz is a granular aggregate and is closely symbiotically embedded with iron minerals

4 主要礦物工藝粒度分布

對礦石中主要目的礦物磁鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦和主要脈石礦物角閃石、石英進行工藝粒度分析,主要目的礦物粒度分布見表4,主要脈石礦物粒度分布見表5。

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

表5 主要脈石礦物粒度分布Table 5 Particle size distribution of main gangue minerals

由表4 可知:磁鐵礦主要呈細粒嵌布,在-0.070、-0.040、-0.025 mm 粒級分布率分別為99.49%、94.23%、83.52%,在-0.015 mm 粒級分布率為64.53%;褐鐵礦也主要呈細粒嵌布,但相對磁鐵礦略粗,在-0.070、-0.040、-0.025 mm 粒級分布率分別為94.26%、85.06%、71.15%,在-0.015 mm粒級分布率為57.56%;菱鐵礦的嵌布粒度總體較細,但相對磁鐵礦、褐鐵礦的粒度較粗,在-0.070、-0.040、-0.025 mm 粒級分布率分別為83.86%、66.79%、50.92%。

由表5 可知,角閃石和石英的嵌布粒度總體較細,但相對磁鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦的粒度較粗,角閃石、石英在-0.070 mm 粒級分布率分別為80.85%、76.36%。

5 礦石不同磨礦細度產品解離度分析

對礦石不同磨礦細度產品中主要目的礦物磁鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦和主要脈石礦物的單體解離度進行分析,不同磨礦細度產品解離度分析結果詳見表6。

表6 不同磨礦細度產品解離度分析結果Table 6 Dissociation degree analysis results of products with different grinding fineness %

由表6 可知,隨著磨礦細度的增加,主要鐵礦物和主要脈石礦物的解離度不斷增加,兩者呈正相關;但因磁鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦的嵌布粒度極細,很難完全解離,在磨至-0.022 mm 占90%時,磁鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦的單體解離度分別只有67.92%、70.88%、84.16%,欲使鐵礦物充分解離需進一步細磨。

6 結 論

(1) 甘肅某微細粒極難選鐵礦石鐵品位32.70%,有害元素硫、磷含量分別為0.21%和0.28%。礦石中的鐵主要以磁性鐵和赤褐鐵的形式存在,分布率分別為37.16%和26.94%;其次以硅酸鐵和碳酸鐵的形式存在,分布率分別為18.78%和16.82%;少量以黃鐵礦的形式存在。

(2)礦石中鐵礦物主要為磁鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦,含量分別為16.93%、15.14%和13.86%,還有少量赤鐵礦、黃鐵礦及磁黃鐵礦;脈石礦物主要為角閃石和石英,含量分別為26.10%和20.07%,其次為黏土礦物,另有少量含磷礦物磷灰石,其他礦物含量相對較少。

(3)礦石構造主要為塊狀構造、層狀構造,礦石結構主要為浸染狀結構、粒狀結構、針狀結構、纖維狀結構、斑狀結構。

(4)礦石中磁鐵礦主要呈細粒、微細粒浸染狀嵌布于脈石礦物中,在-0.040、-0.025 mm 粒級分布率分別為94.23%、83.52%,在-0.015mm 粒級分布率為64.53%。這部分微細粒級別磁鐵礦很難完全解離,在磁選過程中多以連生體形式進入精礦,從而降低精礦品位。褐鐵礦主要呈針狀、纖維狀及不規則細粒狀與脈石礦物共生嵌布,嵌布粒度相對磁鐵礦略粗,在-0.040、-0.025 mm 粒級分布率分別為85.06%、71.15%。褐鐵礦在磨選過程中易泥化,從而惡化分選指標。菱鐵礦主要呈不規則粒狀集合體與石英共生嵌布,粒度相對磁鐵礦、褐鐵礦略粗,在-0.040、-0.025 mm 粒級分布率分別為66.79%、50.92%;菱鐵礦單礦物平均含Fe 量為39.69%,明顯低于理論值,在一定程度會影響鐵精礦品位。角閃石、石英的嵌布粒度相對鐵礦物較粗,在-0.040 mm粒級分布率分別為56.51%、48.60%;角閃石是礦石中含量最多的脈石礦物,其單礦物平均Fe 含量為25.37%,且角閃石為弱磁性礦物,部分角閃石進入精礦中會影響精礦鐵品位,進入尾礦會造成鐵回收率不高。

(5)礦石中磁鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦的嵌布粒度非常細,很難解離,在磨至-0.022 mm 占90%時,磁鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦的單體解離度分別為67.92%、70.88%、84.16%,欲使鐵礦物充分解離需進一步細磨。

(6)綜合礦石工藝礦物學研究結果,礦石宜采用階段磨礦—弱磁選回收磁鐵礦、強磁選—反浮選聯合回收褐鐵礦和菱鐵礦工藝。在鐵礦物充分解離的條件下,反浮選藥劑的選擇是影響綜合鐵精礦分選指標的重要因素。