非洲某特大型鐵礦工藝礦物學(xué)研究

范海寶，姚 耿

(1.華剛礦業(yè)股份有限公司，北京 100083；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266000)

近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵礦石的需求逐步達(dá)到頂峰，對(duì)外的依存度也逐年提升，2017年鐵礦石進(jìn)口量為10.57億t，對(duì)外依存度達(dá)到87.50%。在國內(nèi)鐵礦石資源有限且品質(zhì)逐步下降的情況下，積極開發(fā)國外鐵礦石資源具有重要意義[1-3]。

某特大型鐵礦位于非洲西部，緊靠大西洋。目前，探明的鐵礦石資源量為136億t，屬特大型鐵礦床。由于該礦床特別巨大，開采技術(shù)條件較為簡單，為建設(shè)特大型生產(chǎn)規(guī)模的鐵礦石原料企業(yè)奠定了良好的基礎(chǔ)。礦床分為三層：頂部直運(yùn)赤鐵礦(以下簡稱“DSO”)，品位達(dá)到57%以上，可直接開采、銷售；中部過渡層鐵礦為高品位赤褐鐵礦(以下簡稱“HGH”)，主要成分為赤鐵礦和褐鐵礦；底部磁鐵礦(以下簡稱“BIF”)，主要以磁鐵礦為主。

2015年4月，國內(nèi)某大型鋼鐵公司全資收購了此鐵礦，計(jì)劃分為三期開發(fā)：一期開發(fā)DSO礦，目前正在開采；二期開發(fā)中間過渡層鐵礦；三期開發(fā)底部磁鐵礦。按照礦石的性質(zhì)，中間過渡層鐵礦分為高品位赤褐鐵礦、低品位赤鐵礦、高磁性鐵赤鐵礦和高鋁赤鐵礦。為了下一步更好地開發(fā)中間過渡層鐵礦，研究合理的選礦工藝流程，本研究采用掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡、XRD、X射線電子探針等分析手段對(duì)高品位赤褐鐵礦進(jìn)行了工藝礦物學(xué)研究[4-6]，為公司二期礦石的開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 礦石物質(zhì)組成

1.1 礦石化學(xué)成分分析

樣品的主要化學(xué)多元素分析結(jié)果見表1。由表1可知，樣品TFe品位為52.73%，SiO2含量為8.75%，Al2O3含量達(dá)6.41%，其余金屬元素含量均較低，但鋁含量偏高；S含量為0.05%，P含量為0.08%，磷、硫有害元素的含量較低；礦石ω(CaO+MgO)/ω(SiO2+Al2O3)=0.01，樣品應(yīng)為高品位赤褐鐵礦，屬于酸性鐵礦石。

1.2 礦石鐵物相分析

HGH礦石的鐵物相分析結(jié)果見表2。由表2可知，HGH礦石中鐵主要以赤褐鐵的形式存在， 赤褐鐵中的鐵分布率達(dá)到了90.06%；假象赤鐵礦中鐵占全鐵的3.85%，磁鐵礦中鐵占全鐵的3.13%，其余鐵以硅酸鐵、碳酸鐵和硫化鐵的形式存在。赤褐鐵為礦石最主要的目的礦物，假象赤鐵礦和磁鐵礦是次要有用礦物，硅酸鐵、碳酸鐵和硫化鐵可不考慮采用專門的選礦方法回收。

1.3 HGH礦石礦物組成分析

將HGH原礦2～0 mm綜合樣進(jìn)行篩分，分為2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.126 mm、0.126～0.076 mm、-0.076 mm共五個(gè)粒級(jí)，分別將上述不同粒級(jí)樣品磨制成光片和薄片后在顯微鏡下采用線段法對(duì)各種礦物進(jìn)行含量統(tǒng)計(jì)，同時(shí)結(jié)合電子探針分析結(jié)果，由鐵物相分析結(jié)果計(jì)算出礦物含量，所得結(jié)果為重量百分比(wt%)。HGH礦石礦物含量分析結(jié)果見表3。

表1 樣品的多元素分析結(jié)果Table 1 Chemical element analysis of HGH ore

表2 HGH原礦鐵物相分析結(jié)果Table 2 Iron phase analysis results of HGH ore

表3 HGH礦石礦物含量統(tǒng)計(jì)Table 3 HGH mineral content statistics

由表3可知，赤鐵礦(含假象礦)含量為40.74%、褐鐵礦含量為22.63%，含鐵土狀黏土為15.32%；脈石以高嶺石、水云母等黏土礦物為主，含量為11.57%，另有少量石英、輝石、水鋁氧石及其他礦物。

2 礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造

2.1 礦石構(gòu)造

1) 塊狀構(gòu)造：樣品為黃褐色或土黃色(圖1(a))，前者以褐鐵礦、赤鐵礦為主，后者則以土狀隱晶質(zhì)黏土為主，其中嵌有部分鐵質(zhì)及細(xì)晶針鐵礦；兩種塊狀礦石硬度均較差，易于破碎，但前者硬度要高于后者(圖1(b)和圖1(c))。

2) 層狀構(gòu)造：主要鐵礦物針鐵礦和赤鐵礦呈層狀與以高嶺石為主的黏土以及石英等脈石礦物互層嵌布，礦石為褐紅夾雜黑色或灰白色(圖1(d))。

圖1 礦石的構(gòu)造Fig.1 Ore structure

圖2 礦石結(jié)構(gòu)Fig.2 Ore texture

2.2 礦石結(jié)構(gòu)

經(jīng)顯微鏡下觀察，原礦鐵礦石主要具有以下結(jié)構(gòu)。

1) 斑狀結(jié)構(gòu)：褐鐵礦呈大小不等的斑狀，被黏土礦物膠結(jié)(圖2(a))，顆粒中含較多脈石(黑色)包裹體，具斑狀結(jié)構(gòu)和包含結(jié)構(gòu)。

2) 粒狀結(jié)構(gòu)：主要見于假象赤鐵礦和磁鐵礦，呈四方形自形晶嵌布(圖2(b)、圖2(c)和圖2(d))。

3) 針狀結(jié)構(gòu)：褐鐵礦呈長短不等的針狀、纖維狀組成集合體嵌布(圖2(e))，形成鐵質(zhì)黏土，具針狀結(jié)構(gòu)。

4) 脈狀結(jié)構(gòu)：主要見于黏土，細(xì)晶高嶺石或水云母組成脈狀或條帶狀與鐵礦物條帶互層嵌布(圖2(f))，石英和赤鐵礦有時(shí)也呈脈狀嵌布。

5) 包含結(jié)構(gòu)：斑狀或粒狀針鐵礦中常包裹細(xì)粒脈石礦物(圖2(a))。

3 HGH礦石主要礦物工藝粒度分析

對(duì)礦石中主要礦物赤鐵礦、褐鐵礦和主要脈石礦物黏土、含鐵土狀黏土以及石英進(jìn)行工藝粒度分析，結(jié)果表明：有用鐵礦物粒度主要分布在-0.07 mm，其中，赤鐵礦和褐鐵礦分布率分別為79.26%和62.93%，含鐵黏土為58.42%。脈石礦物粒度均大于鐵礦物，黏土礦物和石英在-0.07 mm分布率分別為3.92%和48.67%，有用礦物和脈石礦物這種粒度上的差異將有利于選礦工藝階段磨選。

礦物工藝粒度分布詳見表4，粒度分布累計(jì)曲線見圖3和圖4。

表4 HGH礦石主要礦物粒度分布范圍Table 4 Size Distribution of main minerals in HGH ore

注：*礦物按集合體統(tǒng)計(jì)

圖3 赤鐵礦、褐鐵礦、含鐵土狀黏土粒度分布累計(jì)曲線圖Fig.3 Cumulative curves of particle size distribution of hematite,goethite and ferrites clay

圖4 石英、黏土礦物粒度分布累計(jì)曲線Fig.4 Cumulative curves of grain size distribution of quartz and clay minerals

4 礦物嵌布特征和共生關(guān)系

4.1 赤鐵礦

赤鐵礦呈不規(guī)則粒狀，彼此呈接觸式嵌布，被黏土等脈石礦物膠結(jié)(圖2(c))。部分呈零散狀浸染與針鐵礦共生(圖2(b))，偶爾也有次生赤鐵礦呈脈狀穿插于黏土礦物中，并與褐鐵礦共生。在氧化條件下部分赤鐵礦交代磁鐵礦但仍保留磁鐵礦的八面體和菱形十二面體的晶形，形成假象赤鐵礦，薄片中觀察呈四方形，顆粒組成集合體嵌布。有少量半假象赤鐵礦，系由磁鐵礦晶粒邊緣部分被交代形成。

4.2 褐鐵礦

褐鐵礦形成于氧化條件下，是含低價(jià)鐵礦物風(fēng)化的典型產(chǎn)物。樣品為黃褐至暗褐，條痕褐黃色，呈塊狀、土狀集合體產(chǎn)出，但大部分已發(fā)生碎裂。顯微鏡下觀察該礦物主要有以下幾種嵌布形式。

1) 呈無定形的斑狀、粒狀，顆粒邊緣呈彎曲狀、港灣狀，與黏土等脈石礦物緊密互嵌。顆粒常具孔洞并被脈石礦物充填形成包裹體，脈石包體大小不等，經(jīng)偏光顯微鏡下分析統(tǒng)計(jì)后得知包體主要分布在30 μm以下，這種顆粒約占全部包體的70%。少量還呈同心的層狀、皮殼狀嵌布，層間及孔洞部分被脈石充填。

2) 其次呈粒狀、針狀、纖維狀集合體，與部分隱晶質(zhì)土狀黏土交織嵌布(圖2(d))，形成含鐵土狀黏土。對(duì)褐鐵礦進(jìn)行了X射線電子探針分析(表5)，通過分析結(jié)果可知，褐鐵礦單礦物中Al2O3含量在0.63%～6.59%之間，平均含量4.38%。說明褐鐵礦晶格內(nèi)含有部分鋁，且含量較高，若用物理選礦的方法較難去除，可能對(duì)精礦品質(zhì)造成影響。

4.3 含鐵土狀黏土

含鐵土狀黏土主要由隱晶質(zhì)的土狀黏土顆粒組成集合體，偏光顯微鏡下無明顯光性特征。其中參雜了部分氧化鐵，兩者關(guān)系極為緊密。對(duì)含鐵土狀黏土進(jìn)行了X射線電子探針分析(表6)，X射線電子探針分析的數(shù)據(jù)表明以這種形式產(chǎn)出的礦物相含鐵較低(平均含量47.43%)，而Al2O3含量偏高(平均3.45%)。其中，有時(shí)也有少量褐鐵礦嵌于其中(圖2(e))。采用磁選的方法進(jìn)行選別時(shí)，精礦中會(huì)夾雜部分含鐵土狀黏土，較難去除，容易導(dǎo)致精礦品位偏低、鋁含量偏高。

4.4 磁鐵礦

磁鐵礦呈自形、半自形八面體四方形粒狀，與脈石接觸面較平直，兩者易于解離。少量塊狀礦石中分布較為集中，顆粒一般相互不連晶，被脈石礦物呈基底式膠結(jié)(圖2(d))。多數(shù)磁鐵礦在氧化環(huán)境中已發(fā)生赤鐵礦化，形成假象赤鐵礦或半假象赤鐵礦，后者兩者呈過渡狀態(tài)。在以赤鐵礦和針鐵礦為主的樣品中有時(shí)見有不規(guī)則粒狀磁鐵礦浸染狀散布其中。

4.5 石英

石英呈它形粒狀，主要與細(xì)粒鐵礦物組成條帶與鐵礦物條帶互層嵌布。部分呈碎屑狀，被鐵質(zhì)膠結(jié)組成集合體嵌布，在黏土礦物中見有零星石英單晶散布其中。

4.6 黏土

黏土主要為高嶺石，少量水云母及隱晶質(zhì)土狀黏土。①高嶺石呈細(xì)小粒狀、鱗片狀，組成集合體呈層狀嵌布，集合體中浸染部分細(xì)粒鐵礦物。部分呈充填狀沿粒狀鐵礦物周邊嵌布。②水云母呈鱗片狀、碎片狀，散布于礦石中，或組成條帶呈層狀嵌布(圖2(f))。③隱晶質(zhì)黏土呈土狀，在顯微鏡下無明顯光性特征，主要與含鐵量高低不等的鐵的氧化物共生，或與針狀、 纖維狀針鐵礦交織嵌布(圖2(e))， 兩者關(guān)系極為緊密，不易解離。

表5 樣品褐鐵礦X射線電子探針化學(xué)成份分析結(jié)果Table 5 Analysis results of chemical composition of limonite by X-ray electron probe

表6 樣品含鐵土狀黏土X射線電子探針化學(xué)成份分析結(jié)果Table 6 Chemical composition analysis of ferritic clay samples by X-ray electron probe

表7 樣品水鋁氧石X射線電子探針化學(xué)成份分析結(jié)果Table 7 Analysis results of chemical composition of bauxite samples by X-ray electron probe

4.7 水鋁氧石

水鋁氧石是鋁的氫氧化物礦物，樣品中多呈柱狀集合體(圖2(g))，與鐵礦物連晶或沿鐵礦物孔洞粒隙充填，粒度主要分布在30～80 μm之間，主要與針鐵礦關(guān)系緊密，兩者常緊密共生。

對(duì)水鋁氧石進(jìn)行X射線電子探針分析(表7)，X射線電子探針分析的數(shù)據(jù)表明水鋁氧石中含鐵量較低(平均0.59%)，Al2O3含量達(dá)到了83.76%。在選礦過程中，著重去除水鋁氧石，可以提高精礦的品位，降低Al2O3含量。

5 結(jié) 論

1) HGH礦石鐵品位52.73%，主要有用鐵礦物為赤鐵礦和褐鐵礦，含量分別為40.74%和22.63%，另有少量含鐵土狀黏土，含量為15.32%。磁鐵礦含量較少，僅為2.31%。

2) 礦石中塊礦具塊狀構(gòu)造和層狀構(gòu)造。在顯微鏡下觀察，各種礦物主要具斑狀結(jié)構(gòu)、粒狀結(jié)構(gòu)、針狀結(jié)構(gòu)、脈狀結(jié)構(gòu)、包含結(jié)構(gòu)。

3) 有用鐵礦物赤鐵礦、褐鐵礦和含鐵黏土工藝粒度分布較細(xì)，半數(shù)以上分布在0.07 mm以下，三種礦物在-0.07 mm分布率分別為79.26%、62.93%和58.42%。

4) 脈石礦物粒度均大于鐵礦物，尤其是黏土礦物，在-0.07 mm分布率只有3.92%，次要脈石石英為48.67%。鐵礦物與脈石礦物粒度上的差異有利于選礦工藝分段磨選、粗粒拋尾。

5) 由礦物嵌布特征來看，褐鐵礦顆粒中常包裹一些細(xì)粒脈石礦物，包體粒徑在<30 μm的顆粒占到70%，這部分褐鐵礦由于與脈石關(guān)系緊密，不利于褐鐵礦的單體解離，并會(huì)影響到鐵精礦指標(biāo)。

6) 通過對(duì)HGH礦石的工藝礦物學(xué)研究可知，樣品屬于較難選礦石，采用物理選礦方法，回收率應(yīng)在75%～80%之間，精礦品位很難超過64%。