冀南-邯邢鐵尾礦理化特征及綜合利用現狀分析

饒 俊，劉 鵬，2，楊炳飛

(1.河北地質大學寶石與材料工藝學院，河北 石家莊 050031；2.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083)

冀南-邯邢地區是我國主要鐵礦石產區之一，鐵礦資源的大規模開發利用為鋼鐵大省河北鋼鐵工業的發展提供鐵精礦的同時，產生了大量鐵尾礦。目前，鐵尾礦通常采用堆積處置處理，而這種方式會威脅生態環境、帶來潛在地質災害，鐵尾礦的處理處置是鐵礦山行業亟待解決的問題之一。現階段節能減排和保護環境的客觀要求，使得如何無害化、減量化處置鐵尾礦，降低其造成的生態環境危害，成為鐵選廠必須面對的問題[1-2]。此外，隨著可持續發展和循環經濟理念的逐漸深入，鐵尾礦作為“二次資源”再利用成為鐵尾礦關注的主要方面之一[3-5]。為降低邯邢地區鐵尾礦對生態環境的影響，提高其資源化綜合利用水平，本文分析了冀南-邯邢鐵尾礦的理化特性、綜合利用現狀，并指出了其綜合利用中存在的一些問題，給出了幾點建議，為提高冀南地區及其他地區矽卡巖型鐵尾礦的綜合利用水平提供參考。

1 冀南-邯邢鐵尾礦理化特征

1.1 粒度分布特性

邯邢地區鐵尾礦堆積0.7×108m3，約占河北省的17%，主要分布在邯鄲武安。由于邯邢鐵礦成因上屬于典型的矽卡巖型，被稱為邯邢式鐵礦，選后鐵尾礦屬于高鈣鎂鐵尾礦，典型特征使得其在鐵尾礦綜合利用中占有重要地位[6]。邯邢鐵尾礦各粒級產率，見表1[7]。

從表1可得：邯邢地區鐵尾礦主要以細粒級為主，尤其是-0.074 mm產率最多，約占64.30%，據統計一般在50%～70%之間；中間粒級次之，均約12%；+0.3 mm粗粒級僅占10.95%。邯邢鐵尾礦中-0.074 mm鐵品位較高，鐵含量主要分布在細粒級。由礦物組成可知，細粒級產率大，為實現某些礦物單體解離再磨時，可降低能耗，同時可能造成一定程度過磨，不利于鐵尾礦綜合回收有用成分，再選時較優粒級需經試驗確定。

邯邢冶金礦山管理局(簡稱礦山局)擁有邯邢地區主要鐵選廠，其下屬大、中和小選廠俱全，鐵尾礦物性更具代表性，故后文介紹冀南-邯邢鐵尾礦綜合利用時主要以礦山局所屬鐵選廠為主；其選廠主要工藝為階段磨礦磁選細篩或連續磨礦磁選[8]，其選后尾礦粒度特性，見表2[9]。從表2可知，礦山局選廠鐵尾礦中各粒級產率分布與表1中的變化趨勢一致，以礦山局選廠鐵尾礦為例可進行相關研究工作。

表1 鐵尾礦各粒級產率和鐵品位分布

表2 礦山局礦鐵尾礦各粒級產率分布

鑒于鐵尾礦化學組成與水泥生料相近，故其有制備水泥材料的可行性；細粒級產率大說明其可作硅質材料替代傳統硅質、鐵質的作水泥生料，利于制備水泥等建筑材料[5]。此外，鐵尾礦作為選后尾礦，細粒級所占質量分數大使得其磁性更弱，再選回收鐵時，常規強磁選可能效果不理想，說明需采用高梯度或超導磁選[10]。

1.2 鐵尾礦化學成分和礦物組成

邯邢鐵尾礦主要化學成分，見表3[6-7]。從表3可知，鐵尾礦中平均鐵品位為10.23%，其中鈣、鎂、硫和硅等含量較多。鐵尾礦主要礦物組成為：磁鐵礦和赤鐵礦是其主要金屬物；其他主要為方解石、透輝石、石英、綠泥石、黃鐵礦、長石、鈣鐵榴石、橄欖石等[11]，若采用適宜工藝和設備可嘗試對其中的硫、鐵進行回收。而對于鈣和硅及其他化學成分，由于其礦物特性與天然砂物相似[5]，具有制備普通硅酸鹽水泥、玻璃、磚瓦等材料的基礎條件。

西石門鐵礦是礦山局大型選廠，其所屬的后井尾礦庫是邯邢地區最大鐵尾礦庫，研究其化學元素特性較具代表性，其化學元素特性見表4[11-12]。

從表4可看出，西石門選廠鐵尾礦中，主要伴生元素有S、Co及微量元素Cu、Pb、Cd、Hg等；Cu平均品位為0.0134%、S平均品位為1.68%、Co平均品位為0.011%。根據西石門選廠后井鐵尾礦堆存庫容和容重，可算得鐵尾礦重量約為2 700萬t[11]，Cu、S和Co折算儲量分別約為3 600 t、453 600 t、2 900 t，總量可觀，具有利用價值；但能否對其有效回收，取決于邯邢地區鐵選廠工藝裝備技術水平。金川和青海等地針對此類伴生元素的回收，已探索出使用藥劑品種少、易于工業化、生產管理和流程簡單且可有效回收鐵尾礦中Cu、S和Co的工藝。因此，若借鑒其他地區先進技術工藝，改善和提升現有工藝技術，綜合利用邯邢地區鐵尾礦中典型伴生元素具有一定可行性。

2 冀南-邯邢鐵尾綜合利用現狀

2.1 鐵尾礦再選回收鐵

目前技術經濟條件下，我國鐵尾礦再選回收Fe的臨界品位約為7%[13]，邯邢鐵尾礦再選仍有潛力。周曲波進行了TFe品位3.82%、Fe3O4含量0.52%的西石門鐵尾礦再選回Fe的討論：將KYC磁選機選后粗精礦磨至-0.076 mm占85%，再經筒式磁選機精選獲得產率0.64%、TFe品位62.40%、Fe3O461.37%、Fe3O4回收率75.58%的精礦[14]。石現杰等采用JHC磁選機對西石門品位4.35%的鐵尾礦再選得到鐵品位36.40%、產率3.50%、回收率29.20%的粗精礦[15]?；舾读痔接懥擞袷蓁F礦用三段磁選精選，尾礦濃縮后一段掃選的再選工藝[16-17]。邯邢地區選廠以中小型為主，對尾礦多采用盤式回收機或筒式磁選機獲得品位約為30.00%的粗鐵精礦[18]；加之過分依賴國際市場，尾礦再選積極性不高。而實際上，即以文獻14常規強磁選時產率0.64%計算，邯邢地區鐵尾礦約1.38億t，年增加鐵精礦近90萬t；若以文獻15中獲取粗鐵精礦產率3.50%計算，年增粗鐵精礦483萬t。相同品位時，若采用適宜弱細磁性礦物的高梯度磁選，產率會更高，暫按1.00%計算，年增鐵精礦138萬t，增添上百萬噸選廠一座，綜合效益可觀。邯邢鐵尾礦物性決定了普通強磁選再選回收TFe較困難，成本較高，故可在尾礦資源整合基礎上，嘗試采用高梯度磁選技術。

表3 邯邢鐵尾礦化學成分

表4 西石門鐵尾礦化學成分

注：Cu、Pb、Cd、Co、∑REE+Y單位為10-6，Hg為10-9，其他為%，ΣREE+Y為稀土元素。

2.2 鐵尾礦綜合回收有價元素

楊書良探討了原礦中伴生鈷、硫的評價方法[19]。礦山局進行了鐵尾礦浮選回收回收硫和鈷的工作，但受市場、給礦條件和技術水平等影響很大[9，20-21]。李寶泉對玉石洼鐵選廠尾礦濃縮再選后的尾礦利用水力旋流器分級，然后浮選回收粗粒級中硫的實踐：硫精礦產率和品位均提高約50%，且降低了設備損耗，在相同藥劑和動力消耗條件下，提高收益百余萬元，年回收品位30%左右的硫3 000 t[22-23]。此外，徐穎等討論了邯邢式鐵礦伴生元素特征[24]。河北絕大多鈷礦位于邯邢地區，但其品位低，共生、伴生于矽卡巖型鐵礦中，鈷金屬在一般鐵硫化物和鐵硫酸鹽中，含量為0.03%～0.1%，僅武安地區鈷金屬儲量約為12 576.7 t；由于提取工藝復雜、成本高，難以利用而富集在鐵尾礦中，需借鑒金川等地先進技術，加強鈷金屬綜合回收選冶研究，以武安地區為例，若回收率為90%，則回收量達11 319.03 t[25]。

2.3 鐵尾礦制備礦建筑用磚

利用鐵尾礦制備建筑用磚原理為以鐵尾礦為主要材料，通過摻加適量的水泥、粉煤灰、粗骨料和一定的外加劑，形成網絡狀、顆粒狀的硅酸鈣凝膠和鈣礬石晶體相互交錯的密實結構水化物[26]。玉泉嶺鐵選廠利用80%～85%鐵尾礦砂、15%～20%生石灰粉和9%左右的水混合，并經20%～40%的CO2氣體碳化制備建筑用碳化磚[27]。尹洪峰對邯鄲某鐵尾礦進行了制磚試驗，結果表明制得磚符合市場要求的建筑用磚；其還利用邯鄲鐵礦尾礦采用淀粉糊化固化法制得輕質隔熱墻體材料，并考察了淀粉量、加水量、燒制溫度等因素對其性能的影響[28-29]。

2.4 鐵尾礦充填材料

鐵尾礦充填不但可解決采空區地面下沉乃至塌陷的難題，而且它是鐵尾礦處置處理中利用規模較大的主要形式之一，大大降低鐵尾礦對環境的危害。符山礦鐵選廠對鐵尾礦利用“廢石+選礦廠鐵尾礦充填”的技術方案進行采空區進行充填，補充充填接頂，實踐證明充填效果較好，對符山鐵礦廠采空區所存潛在安全隱患可進行有效防治[30]。礦山局高陽鐵礦研發了一種用于尾礦充填的高黏性細粒凝聚材料，其具有凝結快、用量少、對微細粒尾礦適應性強的特點，為細粒尾礦利用提供了新的途徑[31]。

2.5 鐵尾礦復墾造地

對堆積鐵尾礦進行改良后復墾造田，是減小鐵尾礦堆積占用大量土地的有效途徑之一。礦山局西石門鐵選廠利用尾礦堆積時平坦宜整理特點，嘗試進行無土栽培場地種植蔬菜和花草樹木，在利用尾礦進行溝壑局部充填基礎上進行人工造田達1 000余畝[32]；文獻[33]中則有北銘河尾礦進行復墾造林的報道，復墾造林目標達12萬 m2。

2.6 其他方面

梁雪海等報道了對玉泉嶺選廠鐵尾礦進行干式堆存處理，嘗試取代耗資巨大尾礦庫的處理工藝改造實踐[34]。呂志堂等則采用直接提取法和SDS-高鹽法提取邯邢礦區鐵尾礦宏基因組DNA的對比研究，是對邯邢地區鐵尾礦在農業生物方面加以利用的嘗試，同時為生物選別鐵尾礦提供了可能[35]。

3 鐵尾礦綜合利用存在的問題

為全面反映邯邢鐵尾礦綜合利用水平，將邯邢鐵尾礦綜合利用與其他地區鐵尾礦綜合利用水平對比，見表5。從表5可知，邯邢鐵尾礦綜合利用已取得一定成績，但無論在有用成分再選回收，還是制備建筑材料方面，其均存在一定差距，很多領域有待開發。

1) 中小企業重視經濟效益，綜合利用意識淡薄，可持續發展和循環經濟的自主意識不強，往往忽略節能減排及保護環境的社會效益。

2) 邯邢式鐵尾礦綜合利用技術不成熟，再選工藝裝備水平較低，利用技術難度大和運行成本較高，缺乏成熟、經濟的技術支持。

3) 邯邢式鐵尾礦綜合利用方向單一，領域較窄，規模較小，僅停留在制磚等少數方面，這與邯邢地區選廠的中小規模居多、技術水平低等特征密切相關[18]；根據物性特征，除再選外，其在鐵尾礦材料化方面大有可為。

4) 缺乏處理中低品位復雜難回收成分的研究，特別是關于先進選礦工藝技術理論方面的研究開展得很少；缺乏鐵尾礦磁性強化再選回收鐵的機理研究[52]。

表5 邯邢與其它地區鐵尾礦綜合利用水平對比

4 鐵尾礦綜合利用建議

1) 調動高校、科研機構，尤其是企業對鐵尾礦綜合利用研究的積極性，這點對中小型、民營選廠較多的邯邢地區尤其重要，以便提高對鐵尾礦的綜合利用，落實社會責任，合理利用鐵尾礦資源。

2) 改進已有選礦工藝裝備，提高裝備和工藝水平，采用高梯度磁選，從源頭上減排尾礦并對尾礦進行處理，或高梯度與浮選聯合工藝降低生產成本和技術難度。

3) 拓展鐵尾礦綜合利用的領域，從制備建筑材料向水處理、路基材料、混凝土，以及其他高附加材料方面拓展。由行業主管部門或行業協會牽頭，以邯邢礦山冶金管理局為主體，優化尾礦管理及利用模式，提升綜合利用規模。

4) 加大高新再選設備、工藝和材料化技術的理論研究，特別是清潔分離、鐵尾礦材料化等方面的理論研究，為提高綜合利用水平提供基礎支撐。

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