贊比亞某高鐵錳礦工藝礦物學特性

劉鵬飛，孫永升，袁帥，韓躍新

（東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819）

錳礦石共分為五個基本類型：氧化錳礦石，碳酸錳礦石，共生多金屬錳礦石，硫錳礦石和錳結核，其中最重要的是氧化錳礦石和碳酸錳礦石[1]。近些年來，錳在膳食添加劑的制備、化肥、細胞和精細化工等領域都發揮著重要作用[2]。錳在鋼鐵行業中主要用于脫硫和脫氧；也用作合金的添加劑，以提高鋼的強度、硬度、彈性極限、耐磨性和耐腐蝕性等。在高合金鋼中，還用作奧氏體化合元素，用于煉制不銹鋼、特殊合金鋼、不銹鋼焊條等[3]。

世界錳礦分布極不均衡，主要分布在南非、烏克蘭、澳大利亞、印度、加蓬、中國等國，其中南非錳礦資源約占世界的76.9%，烏克蘭占10%[4]。我國的錳礦資源特點是“貧、薄、雜、細”，全國平均錳品位只有21.4%[5]。

我國是世界上最大的錳礦石進口國。2019 年我國錳礦進口量已超過3000 萬 t，且短時間內仍將是全球第一消費大國[6]。我國錳礦石資源供求現狀決定了我國必將長期依賴進口錳礦石[7]，因此，對贊比亞某高鐵錳礦進行礦物工藝學研究，以期建立合適的分選流程，解決我國錳礦需求。

1 礦石物質組成分析

1.1 化學多元素分析

礦石主要化學成分分析見表1。

表1 表明，該礦石的主要化學元素為鐵和錳，礦石中鐵品位為44.71%，錳品位為17.86%，其中二價錳含量極少，說明該礦石屬于高鐵錳礦；有害元素磷和硫含量均較低；SiO2、Al2O3、CaO、MgO 和燒失量均不高，說明該礦石中碳酸鹽和硅酸鹽礦物較少；鐵和錳為該礦石中主要有用元素，其他元素利用價值較小。

表1 原礦化學多元素分析/%Table 1 Results of raw material chemical multi-element analysis

1.2 鐵化學物相分析

礦石中鐵化學物相分析結果見表2。

表2 表明，該礦石中的鐵主要賦存于赤鐵礦礦物中，占總鐵含量的98.18%，其次是磁鐵礦，占0.79%，其他形式鐵含量較少。

表2 礦石鐵化學物相結果分析Table 2 Iron phase analysis results of the ore

1.3 錳化學物相分析

礦石中錳化學物相分析結果見表3。

表3 表明，該礦石中的錳主要賦存于軟錳礦礦物和水、褐錳礦礦物中，分別占總錳含量的77.35%和18.83%，少量賦存在菱錳礦中。

表3 礦石錳化學物相結果分析Table 3 Manganese phase analysis results of the ore

1.4 礦石的礦物組成

礦石的XRD 見圖1，礦石的礦物組成及含量見表4。

從圖1 中可以看出：該礦石中主要金屬礦物為赤鐵礦和軟錳礦，主要脈石礦物為石英。

圖1 原礦XRDFig.1 XRD analysis of raw ore

表4 表明，該礦石中金屬礦物主要為赤鐵礦，含量為61.53%，其次為軟錳礦、褐錳礦和硬錳礦，含量分別為18.63%、4.82% 和4.66%，脈石礦物主要為黏土礦物和石英，含量分別為6.8%和2.72%。

2 礦石構造和礦物構造

2.1 礦石構造

通過對該礦石的標本觀察可知，該礦石構造主要包含：塊狀構造，膠狀構造和浸染狀等。

（1）塊狀構造。礦石中的金屬礦物如赤鐵礦、硬錳礦和褐錳礦等以其中一種為主，構成致密集合體，其中金屬礦物含量在80%以上的形成塊狀構造。

（2）膠狀構造。礦石中部分硬錳礦以膠狀產出，呈膠狀構造。

（3）浸染狀構造。礦石中的部分赤鐵礦、硬錳礦等以粗細不等的粒狀嵌布在脈石礦物中，且無定向排列，形成浸染狀構造。

2.2 礦物構造

（1）自形半自形晶構造。礦石中的赤鐵礦主要以自形、半自形的板狀、片狀、粒狀產出，形成自形-半自形晶結構。

（2）他形晶構造。礦石中的部分褐錳礦和硬錳礦以他形晶產出，不具任何完好晶面，形成他形晶結構。

（3）交代構造。礦石中的褐錳礦蝕變生成硬錳礦，硬錳礦沿邊緣和內部交代褐錳礦，二者連晶產出，形成交代結構。

3 礦石中主要礦物的嵌布特征

3.1 赤鐵礦

礦石中的赤鐵礦含量高，主要以自形-半自形的板狀、片狀、粒狀和鱗片狀的致密集合體，集合體顆粒十分粗大，少量赤鐵礦嵌布在脈石中（圖2(a)、(b)、(c)、(d)）。部分赤鐵礦的粒間充填粒狀、不規則狀、脈狀的褐錳礦、硬錳礦和軟錳礦，一些細粒赤鐵礦分布在褐錳礦和硬錳礦中（圖2(e)、(f)）。

圖2 赤鐵礦嵌布特征Fig.2 Dissemination characteristics of hematite

3.2 褐錳礦

褐錳礦以致密的粒狀集合體產出，顆粒粗大，在礦石中較集中分布。常見褐錳礦常以粒狀、不規則狀和脈狀充填在赤鐵礦粒間和集合體的裂隙中，并包裹細粒的赤鐵礦（圖2(e)、圖3(a)、(b)）。褐錳礦常發生蝕變生產硬錳礦，二者連晶共生，硬錳礦在褐錳礦中呈斑點狀、脈狀、網狀分布。有的褐錳礦蝕變嚴重，僅剩余少量細粒褐錳礦包裹在硬錳礦中（圖3(c)、(d)）。

3.3 硬錳礦

硬錳礦主要為褐錳礦蝕變礦物，多以不規則狀、斑點狀、細脈狀和網狀分布在褐錳礦中，二者連晶共生，形成致密的塊體。常見硬錳礦與褐錳礦一起充填在赤鐵礦的粒間，并包裹細粒赤鐵礦，少量以膠狀、土狀和波紋狀嵌布在脈石中（圖3(c)、圖4(a)）。硬錳礦常與軟錳礦連晶共生，包裹細粒軟錳礦（圖4(b)）。

圖3 褐錳礦嵌布特征Fig.3 Dissemination characteristics of braunite

3.4 軟錳礦

部分軟錳礦以粒狀、柱狀產出，多與硬錳礦連晶共生，嵌布在硬錳礦中。少量軟錳礦充填在赤鐵礦粒間和嵌布在脈石中，另一部分以膠狀、土狀產出，分布在脈石中，粒度較細小（圖4(b)、圖5(a)、(b)）。

圖4 硬錳礦嵌布特征Fig.4 Dissemination characteristics of psilomelane

圖5 軟錳礦嵌布特征Fig.5 Dissemination characteristics of pyrolusite

4 主要礦物工藝粒度

礦石中嵌布粒度特征是礦石的重要性質，其中赤鐵礦、軟錳礦、褐錳礦和硬錳礦和為回收礦物，對其進行粒度測定。根據選礦需要，將褐錳礦、硬錳礦和軟錳礦統計結果合并計為錳礦物。主要礦物工藝粒度統計結果見表5。

從表5 看，赤鐵礦和錳礦物在+0.15 mm 粒級中的分布率分別為93.12%和81.42%，可見赤鐵礦和錳礦物的粒度以粗粒嵌布為主。

表5 主要礦物工藝粒度統計結果Table 5 Results of particle size of main mineral processes

5 選別工藝流程

基于對該高鐵錳礦礦物工藝學的研究，制定兩種選別方案。方案一是對原礦直接進行懸浮磁化焙燒，磁化焙燒產品進行弱磁選；方案二是先對原礦進行一段強磁預富集，預富集產品再進行懸浮磁化焙燒和弱磁選。方案一和方案二我們均進行半工業化實驗，具體條件和指標如下：

在方案一中，針對?1 mm 原礦物料開展了還原溫度、還原劑用量、還原氣氛、處理量等懸浮磁化焙燒條件實驗。確定?1 mm 物料適宜的懸浮磁化焙燒工藝參數為：還原溫度500℃以上、處理量80 kg/h、CO 用量8.0 m3/h、H2用量4.0 m3/h、N2用量14.7 m3/h、總氣量26.7 m3/h、還原劑濃度40%、過剩系數1.5；?1 mm 原礦物料在懸浮磁化焙燒500℃下連續穩定運行，焙燒樣品磁選管磁選后，鐵精礦鐵品位平均值為66.60%；鐵回收率平均值為93.93%。錳精礦錳品位平均值為46.22%；錳回收率平均值為87.29%。

對于方案二，同樣針對?1 mm 物料采用一段強磁預富集工藝可獲得TFe 品位46.64%，錳品位17.92%的預富集精礦，針對該預富集精礦開展了還原溫度、還原劑用量、還原氣氛、處理量等懸浮磁化焙燒條件實驗。適宜的懸浮磁化焙燒工藝參數為：還原溫度500℃以上、處理量80 kg/h、CO用量7.5 m3/h、H2用量3.8 m3/h、N2用量13.8 m3/h、總氣量25.1 m3/h、還原劑過剩系數1.4；預富集精礦在懸浮磁化焙燒500℃下連續穩定運行，焙燒樣品磁選管磁選后，鐵精礦鐵品位平均值為67.97%；鐵作業回收率平均值為94.67%。錳精礦錳品位平均值為49.85%；錳作業回收率平均值為88.24%。

6 結論

（1）礦石中金屬礦物含量高，金屬礦物主要為赤鐵礦、硬錳礦、褐錳礦和少量軟錳礦，脈石礦物主要為石英。

（2）赤鐵礦與錳礦物之間嵌布關系較密切，赤鐵礦粒間充填錳礦物，一些細粒赤鐵礦包裹在錳礦物中，赤鐵礦與錳礦物較難完全解離。

（3）錳礦物之間嵌布關系十分密切，硬錳礦常呈脈狀、網狀分布在褐錳礦中，硬錳礦常包裹細粒軟錳礦難以彼此解離。

（4）部分硬錳礦和軟錳礦以膠狀、土狀產出，增加了回收難度。

（5）在礦物工藝學研究的基礎上，分別為磁化焙燒—弱磁選和預富集—磁化焙燒—弱磁選，兩種工藝均可達到良好的指標。