中國復(fù)雜難選鐵礦的研究現(xiàn)狀

劉 杰,周明順,翟立委,劉炯天,曹亦俊

(1.鞍鋼股份有限公司技術(shù)中心,遼寧鞍山114009;2.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇徐州221008)

2009年,我國鋼產(chǎn)量達(dá)到5.67億t,生鐵產(chǎn)量5.37億t,鐵礦石產(chǎn)量8.8億t,均達(dá)到世界第一位。面對國內(nèi)高速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,我國目前的鐵礦石產(chǎn)量仍難以滿足鋼鐵產(chǎn)業(yè)的需求。2009年我國進(jìn)口的鐵礦石達(dá)到了6.28億t,鐵礦石的對外依存度達(dá)到69.62%。由于鐵礦石供求缺口的增大,導(dǎo)致鐵礦石價(jià)格暴漲,海運(yùn)費(fèi)用不斷攀升。對于鐵礦石進(jìn)口依存度的提高,已成為我國鋼鐵工業(yè)經(jīng)濟(jì)安全的重大隱患。

我國鐵礦富礦儲量不到5%,平均含鐵品位僅有33%(國際上鐵礦出口大國品位在 55%～65%),95%以上的貧鐵礦需經(jīng)選礦富集后才能送高爐冶煉[1]。解決我國復(fù)雜難選鐵礦資源的開發(fā)與利用,必然成為當(dāng)前與未來保證我國鋼鐵經(jīng)濟(jì)安全、緩解進(jìn)口礦石的壓力、提高我國鐵礦資源保障程度的當(dāng)務(wù)之急。

1 中國鐵礦床類型及復(fù)雜難選鐵礦石的分布

我國鐵礦床類型齊全,除前寒武紀(jì)硅鐵建造風(fēng)化殼型鐵礦外,均探明了一定的儲量。我國目前具有工業(yè)意義的鐵礦床主要有:①沉積變質(zhì)鐵礦,以磁鐵礦為主,儲量約占全國總儲量的57.8%,具有“大、貧、淺、易 (選)”的特點(diǎn),主要分布于吉林東南部、遼寧鞍山-本溪、冀東、北京密云、晉北、內(nèi)蒙古南部等地[2];②接觸交代-熱液鐵礦,又稱矽卡巖型礦床,其探明儲量約占全國探明總儲量的12.7%,其礦石以塊狀構(gòu)造為主,次為浸染狀、斑點(diǎn)狀、團(tuán)塊狀和角礫狀構(gòu)造。主要分布于河北邯鄲-邢臺、鄂東、魯中和晉南等地區(qū);③巖漿晚期鐵礦,以鐵礦物中富含釩和鈦為特征,儲量約占全國探明總儲量的11.6%,主要分布于四川攀枝花和河北承德地區(qū);④沉積型鐵礦,以泥盆紀(jì)“寧鄉(xiāng)式”鐵礦和震旦紀(jì)“宣龍式”鐵礦為主,儲量約占全國儲量的8.7%,主要分布于湖北、湖南和河北宣化地區(qū),礦床具有“廣、薄、難”的特點(diǎn);⑤火山巖型鐵礦,其儲量約占全國總儲量的4.7%,按火山噴發(fā)環(huán)境又分為陸相火山和海相火山侵入型鐵礦床,前者主要分布于南京和蕪湖地區(qū),后者主要分布于云南大紅山地區(qū);⑥風(fēng)化淋濾鐵礦,其儲量約占全國總儲量的1.1%,礦床多為小型,主要分布于廣西、廣東、貴州、福建等地;⑦其他類型鐵礦,主要包括內(nèi)蒙古白云鄂博鐵礦和海南石碌鐵礦,其儲量約占全國總儲量的3.4%。

在當(dāng)前技術(shù)條件下,具有工業(yè)利用價(jià)值的主要是磁鐵礦、赤鐵礦、鈦鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦等。其中褐鐵礦、菱鐵礦等弱磁性含鐵礦石和一些嵌布粒度較細(xì)的為較難選別的鐵礦石。

其中,“寧鄉(xiāng)式”鮞狀赤鐵礦主要分布于湖北西部、湖南中北部、廣西北部、江西西部和貴州東部,集中產(chǎn)出在鄂西宜昌、恩施地區(qū)。“宣龍式”鮞狀赤鐵礦主要分布在河北宣化。菱鐵礦主要分布于湖北、四川、云南、貴州、新疆、陜西、山西、廣西、山東、吉林等省。褐鐵礦主要分布于廣東、廣西、山東、貴州、云南和福建。細(xì)粒嵌布赤鐵礦主要分布于遼寧、山西、云南、湖南等地。細(xì)粒嵌布磁鐵礦則主要分布于遼寧、河南、新疆等地。

2 復(fù)雜難選鐵礦的研究現(xiàn)狀

2.1 微細(xì)粒嵌布的鞍山式貧磁鐵礦石

微細(xì)粒嵌布的鞍山式貧磁鐵礦石嵌布粒度極細(xì) (小于0.037mm的占90%),礦物單體解離和分選困難,目前無法在工業(yè)上大規(guī)模利用。

鞍鋼谷首峪鐵礦全鐵品位為31.90%,96.14%的鐵分布在磁鐵礦中,還有一部分以菱鐵礦、硅酸鐵和假象、半假象赤鐵礦形式存在。為此,谷首峪鐵礦主要的試驗(yàn)流程見圖1。

試驗(yàn)的最終結(jié)果為原礦品位31.90%,精礦品位65.53%,精礦產(chǎn)率27.07%,中礦品位59.74%,中礦產(chǎn)率14.34%,尾礦品位 9.55%,尾礦產(chǎn)率58.59%[3]。

對二段磨礦閉路,將三、四段細(xì)篩篩上返回三段磨礦進(jìn)行連選試驗(yàn),結(jié)果表明,當(dāng)原礦品位為31.72%時(shí),精礦品位 65.05%,尾礦品位10.21%,金屬回收率80.43%。

河南舞陽礦業(yè)公司鐵古坑鐵礦主要鐵礦物為磁鐵礦,次為硅酸鐵和少量赤鐵礦,脈石礦物為碧玉、輝石,與磁鐵礦的分離較為困難[4]。近年由于入選礦石品位的降低,舞陽礦業(yè)公司提出了多段干式預(yù)選-多碎少磨-細(xì)篩-磁團(tuán)聚提質(zhì)-尾礦中磁掃選的高效節(jié)能技術(shù)路線,廢石拋棄率可達(dá)25%左右,磨選車間年處理能力由74萬t提高到153萬t,年節(jié)省電能 810kW·h。精礦鐵品位由64.05%提高到67.5%以上,鐵回收率由64.49%提高到69%左右[5]。

圖1 鞍鋼谷首峪鐵礦選礦試驗(yàn)流程

新疆某鐵礦床主要為磁鐵礦類型,鐵礦物主要為磁鐵礦,其次是碳酸鐵、赤鐵礦、褐鐵礦和黃鐵礦。礦石的嵌布粒度極細(xì),使該礦極為難選。選廠采用三段磨礦、三次磁選、磁選精礦反浮選的工藝,在最終磨礦粒度在-0.043mm占90%,原礦品位 31.48%的條件下,可獲得產(chǎn)率為36.10%,鐵精礦品位為 62.05%,回收率為71.16%的選別指標(biāo)。

吉林羚羊鐵礦石是一種成分、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造都十分復(fù)雜的以磁鐵礦為主的難選鐵錳礦石。采用磁化焙燒-磁選工藝處理吉林羚羊鐵礦在原礦品位在34.4%的情況下,可獲得精礦品位60%以上、回收率70%以上的指標(biāo)[6]。

2.2 微細(xì)粒嵌布的鞍山式赤鐵礦石

微細(xì)粒嵌布的鞍山式赤鐵礦石粒度嵌布極細(xì)(小于0.037mm占90%),礦物的單體解離也十分困難。此類鐵礦石儲量較大,有近30億t,目前在工業(yè)上也較難以大規(guī)模利用。

保有儲量13多億t的太鋼袁家村鐵礦,礦石類型較多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,各種礦物嵌布粒度微細(xì),礦石中金屬和脈石礦物粒度多在0.05mm以下,有部分極細(xì)者粒度在0.01mm以下。采用階段磨礦-弱磁-強(qiáng)磁-反浮選工藝,在原礦品位為33.66%的情況下,可以獲得精礦品位65.36%,回收率82.03%的指標(biāo)[7]。

山西嵐縣某赤鐵礦儲量達(dá)10億t以上,礦石中大多數(shù)晶粒粒度在0.015～0.045mm。選廠采用一粗一掃兩精的陽離子反浮選流程,磨礦細(xì)度-0.043mm占80%,在鐵精礦品位為65.91%,產(chǎn)率為50.66%,獲得了鐵回收率為83.20%、尾礦品位13.67%的良好指標(biāo)[8]。

鞍鋼關(guān)寶山鐵礦鐵礦石粗細(xì)分布不均勻,總儲量近5億t,采用兩段連續(xù)磨礦、中礦再磨、重選-強(qiáng)磁選-陰離子反浮選工藝,取得了較好的指標(biāo)[9]。鞍鋼東鞍山鐵礦是我國大型紅鐵礦山,礦物品種多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、嵌布粒度細(xì),可選性差。2001年以來,鞍鋼礦山研究所經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)室研究,提出了連續(xù)磨礦、粗細(xì)分選、中礦再磨、重選-磁選-陰離子反浮選工藝,在工業(yè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,2003年,實(shí)現(xiàn)原礦品位32.50%、精礦品位64.49%、尾礦品位17.17%、金屬回收率76.11%的技術(shù)指標(biāo)[10-11]。鞍鋼東鞍山燒結(jié)廠的張明等人提出了分布浮選的工藝流程,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn),證明該工藝是可行的,為東鞍山燒結(jié)廠處理該類礦石提供了一條新的思路[12]。

礦石儲量在10億t以上的河北司家營鐵礦屬鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床,是尚未開發(fā)利用的國內(nèi)特大型鐵礦床之一。2002年,唐鋼委托鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司研究所進(jìn)行了摸索實(shí)驗(yàn),并最終推薦了階段磨礦、粗細(xì)分級、重選-磁選-陰離子反浮選工藝為司家營紅鐵礦選礦方案[13-14]。

2.3 菱鐵礦石

我國菱鐵礦資源較為豐富,儲量居世界前列。已探明儲量 18.34億 t,占鐵礦石探明儲量的3.4%。菱鐵礦含鐵品位低,采、選、冶均較困難,且多數(shù)位于陜西、山西、貴州、甘肅和青海等西部缺水地區(qū),特別需要開發(fā)適合其自然條件的礦物加工技術(shù)[15]。菱鐵礦的理論鐵品位較低,經(jīng)常與鈣鎂錳呈類質(zhì)同象共生,用物理選礦方法鐵精礦品位很難達(dá)到45%以上,焙燒后因燒損品位可大幅提高[16]。菱鐵礦的理論品位為48.2%,部分菱鐵礦因M g2+和M n2+替代 Fe2+形成類質(zhì)同象而成為鎂、錳菱鐵礦,使理論品位常在32%～48%之間。由于冶煉困難,當(dāng)配入量達(dá)到7%～8%時(shí)又會明顯影響燒結(jié)礦強(qiáng)度,故菱鐵礦通常需要通過磁化焙燒使 Fe3CO4轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe3O4,然后根據(jù)磁性回收。致使我國目前的菱鐵礦貧礦未得到利用。典型含菱鐵礦礦石的基本特征與可選性如表 1[17]所示。

表1 典型菱鐵礦資源的基本特征與可選性

大西溝菱鐵礦是我國低品位復(fù)雜難選鐵礦的典型代表,其中菱鐵礦與褐鐵礦的比例是6∶4左右。純菱鐵礦中鐵的理論品位是48.2%。由于原料性質(zhì)的變化,分選指標(biāo)變差,大西溝礦業(yè)公司不得不對現(xiàn)有的工藝流程進(jìn)行改造。一方面增加了精選作業(yè),延長了精選作業(yè)的時(shí)間,另一方面增大了捕收劑的用量,增加了回收機(jī)回收系統(tǒng)。經(jīng)過工業(yè)實(shí)踐證明,在原礦品位為29.25%時(shí),可獲得精礦產(chǎn)率36.39%、TFe品位60.63%、回收率75.42%的良好指標(biāo)[18]。

新疆鄯善菱鐵礦經(jīng)過豎爐焙燒,再經(jīng)過一粗一掃弱磁選流程,可獲得精礦品位60.37%,精礦產(chǎn)率80.28%,鐵回收率88.47%的鐵精礦。重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院對低品位的菱鐵礦進(jìn)行了氧化焙燒熱力學(xué)方面的研究,證明氧化焙燒技術(shù)不僅能有效的提高菱鐵礦的礦石品位,還可以脫除有害元素,脫硫率能夠達(dá)到99.99%[19]。

目前菱鐵礦的主要的應(yīng)用技術(shù)有。焙燒-磁選技術(shù)、強(qiáng)磁選和相關(guān)分選技術(shù)以及浮選及聯(lián)合分選技術(shù)。根據(jù)我國菱鐵礦發(fā)展的現(xiàn)狀,合理利用菱鐵礦資源,開發(fā)大型磁化還原焙燒設(shè)備的精確控制焙燒過程,以及節(jié)能高效的燃燒系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)是未來發(fā)展的關(guān)鍵。

2.4 褐鐵礦石

褐鐵礦是含水氧化鐵礦石,由其他礦石風(fēng)化后生成,在自然界中分布最為廣泛。一般褐鐵礦石含鐵量為37%～55%,有時(shí)含磷較高,成分不穩(wěn)定。褐鐵礦的吸水性很強(qiáng),一般都吸附大量水分。這些都會造成碎磨過程中的過粉碎現(xiàn)象。褐鐵礦屬于極難選鐵礦石。褐鐵礦的礦床主要包括沉積型礦床、風(fēng)化淋濾型及殘余型礦床。我國已探明的褐鐵礦儲量有12.3億t,占全國探明儲量的2.3%,主要分布于云南、山東、廣東、廣西、和江西等地。我國褐鐵礦探明儲量一覽見表2。

表2 全國褐鐵礦探明儲量一覽

目前,工業(yè)上褐鐵礦的分選流程主要為單一選別流程和聯(lián)合選礦流程兩大類。

江西鐵坑褐鐵礦于2005年10月投產(chǎn),工藝流程為磨礦-強(qiáng)磁-再磨強(qiáng)磁-反浮選。經(jīng)過一系列的技術(shù)與設(shè)備的改造,從2007年6月份開始,在原礦處理量 (50萬t/a)不變的情況下,精礦品位提高 0.5%,達(dá)到 54.5%,金屬回收率達(dá)到48%[20-21]。

云南化念褐鐵礦采用一次粗選、一次精選的干式磁選拋尾技術(shù)可實(shí)現(xiàn)褐鐵礦的有效磁選,不僅能獲得品位大于50%,回收率大于80%的精礦,還能實(shí)現(xiàn)選廠尾礦的潔凈生產(chǎn)[22]。

為開發(fā)云南某高磷褐鐵礦,昆明理工大學(xué)經(jīng)過一系列的探索試驗(yàn),提出了反浮選-磁化還原焙燒-超細(xì)磨磁絮凝的工藝流程。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室的全流程試驗(yàn),獲得了鐵品位為69.57%、回收率71.62%、鐵精礦含磷為0.20%、含硫?yàn)?.17%、含硅為5.75%的良好指標(biāo),同時(shí)提高了微細(xì)粒級鐵礦物的回收,為難選高磷鐵礦石提鐵降雜提供了一種新的方法[23]。

此外,武漢理工大學(xué)進(jìn)行了褐鐵礦的風(fēng)選試驗(yàn)[24],取得了不錯的試驗(yàn)指標(biāo)。

2.5 鮞狀赤鐵礦石

鮞狀赤鐵礦嵌布粒度極細(xì),且常與菱鐵礦、鮞綠泥石和含磷礦物共生或相互包裹。因此,鮞狀赤鐵礦石是目前國內(nèi)外公認(rèn)的最難選的鐵礦石類型。我國高磷鮞狀赤鐵礦主要分布在湖北、湖南、云南、四川、貴州、廣西、江西和甘肅等地。此類鐵礦儲量高達(dá)30億～50億t,占我國鐵礦總儲量的10%。

鮞狀赤鐵礦的研究目前大多數(shù)都還處在實(shí)驗(yàn)室的研究階段,采用的選礦工藝一般為焙燒、磁選和反浮選等聯(lián)合工藝。盡管我國在這方面做了大量的研究工作,但離真正的工業(yè)化大規(guī)模利用還有距離。進(jìn)一步研究鮞狀赤鐵礦的超細(xì)磨、新型脫磷技術(shù)和反浮選藥劑的開發(fā)、新材料和新工藝的運(yùn)用都將是未來研究的重點(diǎn)。

3 結(jié)論

我國是鐵礦石生產(chǎn)大國,也是進(jìn)口大國,但選礦工藝水平還有待進(jìn)一步的提高。合理的利用現(xiàn)有的礦石資源,開展難選礦石的技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新,已然成為選礦者的重任。今后研究重點(diǎn)應(yīng)為:

1)加強(qiáng)難選礦石的工藝礦物學(xué)研究,為選礦工藝的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2)加強(qiáng)分選工藝流程的研究,對工藝流程不斷完善與創(chuàng)新。

3)加強(qiáng)新設(shè)備的研發(fā),尤其是超細(xì)磨設(shè)備、高壓輥磨機(jī)和浮選柱等的研究。

4)加強(qiáng)磁化焙燒技術(shù)和基礎(chǔ)理論的研究。

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