海南石碌鐵礦石工藝礦物學研究

韓文杰 李艷軍 李文博 朱一民

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.難采選鐵礦資源高效開發利用技術國家地方聯合工程研究中心，遼寧 沈陽 110819）

礦產資源事關國事民生，是經濟建設與社會發展的重要生產資料。截至2017年底，我國已發現礦產資源173種，涉及國防、醫療、工農、能源、化工等在內的所有與人類生活有關的領域都與礦產資源有著直接或間接的聯系［1-3］。在現代社會鋼筋水泥的都市文明中［4］，鐵礦資源是經濟、國防等領域的重要資源［5］。由于我國鐵礦石資源先天不足，與其他鐵礦資源大國相比選鐵工藝復雜，大大增加了入爐煉鐵前的成本。但是國內鐵礦是我國鋼鐵產業發展資源安全保障的壓艙石和調節器，必須保證一定的底線供應能力［6］。海南石碌鐵礦是我國重要的鐵礦石基地之一，是我國較早實現機械化開采的大型露天礦床［7］。但是隨著開采年限的增加，近年來海南石碌鐵礦石品質下降，現有工藝僅可獲得鐵品位約62.5%、鐵回收率僅為65%的精礦。造成鐵礦資源的極大浪費，經濟效益一般。因此，亟需依據該資源的稟賦特征研發創新性和顛覆性技術，形成高效開發利用方案，為海南石碌鐵礦的高效開發與利用提供技術支撐。故針對海南石碌鐵礦石進行工藝礦物學研究，以期尋找新的高效選別手段。

1 礦石的物質組成

1.1 礦石化學組成

為了探明礦石的化學成分對其進行了化學多元素分析，結果見表1。礦石的主要有用元素是鐵，原礦TFe品位為40.53%；原礦中SiO2的含量較高，達到了30.30%；其余雜質Al2O3、CaO的含量也較高，分別達到2.83%和2.60%；礦石中有害元素硫的含量較高，達到1.32%，磷的含量較低，僅為0.026%。

1.2 礦石礦物組成

為了進一步探究礦石的礦物組成，對原礦進行了XRD定性分析，結果見圖1。

從圖1可以看出：礦石的主要金屬礦物為赤鐵礦，其次為磁鐵礦，另外還含有少量黃鐵礦；脈石礦物主要為石英。根據原礦XRD圖譜分析結果再結合MLA礦物組成分析儀及顯微鏡下觀察分析海南石碌鐵礦的主要礦物組成，礦石的礦物組成結果見表2。礦石赤鐵礦和磁鐵礦含量分別為41.74%和12.11%，另有少量褐鐵礦；礦石中金屬硫化物主要為黃鐵礦，含量為1.85%，另外含有少量黃銅礦和微量方鉛礦、閃鋅礦、毒砂等；礦石中的非金屬礦物主要為石英，含量為22.54%，其脈石礦物有絹云母、輝石、碳酸鹽礦物、白云母、綠簾石、綠泥石和角閃石等。

1.3 鐵的物相分析

為了探明海南石碌鐵礦中鐵的賦存狀態，對其進行了鐵化學物相分析，結果見表3。

由表3可知，礦石中主要鐵礦物為赤鐵礦，分布率為73.56%，其次為磁性鐵礦物（如磁鐵礦或磁赤鐵礦），分布率為21.69%，硫化鐵礦物、硅酸鐵礦物及碳酸鐵礦物中鐵含量相對較少，分布率分別為2.46%、1.32%和0.97%。其中赤鐵礦和磁性鐵礦是主要回收目標，而硅酸鐵礦物難以回收。

2 礦石結構及構造

2.1 礦石結構

礦石中各礦物顆粒的自身形態特征對礦物的解離有重要的影響，礦石中主要表現為赤鐵礦和磁鐵礦的自形晶結構，磁鐵礦和黃鐵礦的半自形晶結構，兩種及兩種以上礦物之間交代結構、包含結構等。

自形晶結構：礦石中的赤鐵礦以自形的片狀、鱗片狀和薄板狀產出，磁鐵礦以完整的自形粒狀產出，結晶外形較完好，形成自形晶結構。

半自形晶結構：礦石中部分磁鐵礦和黃鐵礦顆粒晶體不完整，僅保持部分晶面完好，形成半自形晶結構。

交代結構：礦石中赤鐵礦沿磁鐵礦的邊緣和裂隙進行交代，使其晶邊出現凹陷，呈港灣狀，形成交代結構。

包含結構：礦石中金屬礦物之間或金屬礦物與脈石之間常呈相互包裹的現象，形成包含結構。

2.2 礦石構造

礦石主要呈浸染狀構造、塊狀構造和條紋狀構造。礦石中的赤鐵礦和磁鐵礦以粗細不等的顆粒浸染嵌布在脈石礦物中，且無定向排列，形成浸染狀構造；礦石中的磁鐵礦、赤鐵礦以集合體產出，構成致密集合體，其中金屬礦物含量在80%以上，形成塊狀構造；礦石中部分赤鐵礦集合體厚度較薄，與脈石礦物交互嵌布呈多組相間排列的條紋，形成條紋狀構造。

3 礦石主要礦物產出特征

3.1 赤鐵礦

礦石中赤鐵礦（Ht）是主要回收礦物之一，含量最多。顯微鏡下觀察赤鐵礦的產出特征，結果見圖2。赤鐵礦的主要產出形式有：自形片狀、板狀和粒狀及集合體等。赤鐵礦一般呈浸染狀充填在脈石礦物中，與脈石礦物交互嵌布，定向排列，形成條紋狀構造。粒度以中粒嵌布為主，集合體的顆粒較大一些，另外還有少量以針狀、細脈狀的形式產出，其粒度較小。

赤鐵礦與磁鐵礦的嵌布關系見圖3。赤鐵礦與磁鐵礦的嵌布關系密切，常見赤鐵礦和磁鐵礦顆粒相互嵌布共生，二者集合體交互排列，一起分布在脈石中，赤鐵礦集合體中常嵌布粒狀的磁鐵礦，有的赤鐵礦為磁鐵礦氧化蝕變產物，嵌布在磁鐵礦顆粒中并交代磁鐵礦。

赤鐵礦與黃鐵礦的嵌布關系見圖4。少量的赤鐵礦嵌布在黃鐵礦的孔隙和邊部，赤鐵礦顆粒中亦會有黃鐵礦的嵌布。這部分礦石在機械破碎中難以完全解離，可能會有赤鐵礦—黃鐵礦連生顆粒產生從而影響選別效果。

3.2 磁鐵礦

礦石中鐵礦物磁鐵礦含量僅次于赤鐵礦，也是回收目標之一。磁鐵礦的產出特征見圖5，磁鐵礦粒度以中粗粒嵌布為主。磁鐵礦主要以自形—半自形粒狀或粒狀集合體產出，還有在脈石中定向排列，呈拉長粒狀，少量以他形粒狀和板狀產出。他形粒狀顆粒細小，孔洞中還會充填脈石礦物。磁鐵礦常與赤鐵礦相互嵌布（圖3），交互排列，有的磁鐵礦被赤鐵礦交代，磁鐵礦顆粒中嵌布細粒狀、不規則狀的赤鐵礦，有的細粒殘余體包裹在赤鐵礦中。磁鐵礦和黃鐵礦也會有相互嵌布，有時磁鐵礦顆粒間有黃鐵礦嵌布，黃鐵礦孔隙中也會充填磁鐵礦（圖6）。

假設入侵者依次攻擊單條入侵路徑上的n個脆弱性的過程中，相鄰兩次攻擊之間無時間間隔，且完成對任意一個脆弱性攻擊所需要的時間周期均為τ，則突破單條路徑上的n個脆弱性所需的總時間周期為nτ.將入侵者在T內通過具有n個脆弱性的單條入侵路徑實施入侵的次數記為k，則

3.3 黃鐵礦

黃鐵礦是有害元素硫的主要賦存礦物，在礦石中含量較少，在磁鐵礦、赤鐵礦、脈石中均有分布（圖4、圖6、圖7）。黃鐵礦主要以自形—半自形粒狀產出。部分黃鐵礦粒度較粗，以粒狀集合體產出，呈致密塊狀，其孔隙間有黃銅礦產出。

3.4 黃銅礦

黃銅礦也是有害元素硫的賦存礦物，但是它含量很少。黃銅礦的產出特征見圖8，黃銅礦主要分布在黃鐵礦粒間或黃鐵礦周圍的脈石中，以他形粒狀產出。

3.5 非金屬礦

礦石中的主要脈石礦物為石英，石英的產出特征見圖9。礦石中石英以細粒嵌布為主；分布極不均勻；主要以自行粒狀集合體產出。石英的粒間常有絹云母、碳酸鹽礦物和綠泥石填充；同時，絹云母和碳酸鹽礦物的集合體間也存在細粒級石英嵌布。

絹云母的含量次于石英。絹云母的產出特征見圖10，絹云母在礦石中的分布比較集中，以片狀、鱗片狀及集合體的形式產出，粒度細小，主要嵌布在石英粒間。同時絹云母集合體中分布細粒石英。

綠泥石在礦石中含量較少，多以細粒狀和片狀產出，粒度細小，分布在石英集合體中。綠泥石的嵌布特征見圖11。

碳酸鹽礦物在礦石中含量較少。碳酸鹽礦物的嵌布特征見圖12，碳酸鹽礦物以他形粒狀和不規則狀產出，粒度細小，主要嵌布在石英粒間。

4 有用礦物結晶粒度分布特征

海南石碌鐵礦石中的主要回收成分為赤鐵礦和磁鐵礦，對其結晶粒度進行統計分析，結果見表4。

由表4可知，赤鐵礦和磁鐵礦在+0.074mm粒級中的分布率分別為55.60%和65.49%，-0.037mm粒級中的分布率分別為18.59%和18.58%?？梢姵噼F礦的粒度分布不均勻，粒度以中粒嵌布為主；而磁鐵礦在+0.15 mm粒級中的分布率高達50.57%，可見磁鐵礦的粒度極不均勻，結合表中數據可知磁鐵礦在粗粒級和細粒級中分布率均較高。

5 推薦工藝流程

由工藝礦物學研究可知，海南石碌鐵礦石礦物組成復雜、鐵品位較低、硅鋁雜質含量高，屬典型的復雜難選鐵礦石。目前采取的工藝為：地采鐵礦石（鐵品位40%左右）經破碎篩分分級后，分為3個粒級：10～40 mm、10～0.5 mm和-0.5 mm。其中10～40 mm粒級鐵礦石采用跳汰預選，可獲得塊礦產品（鐵品位約54%）、中礦（鐵品位40%左右），同時預先拋出部分尾礦（鐵品位18%左右）干堆。跳汰預選中礦與10～0.5 mm粒級鐵礦石合并為貧礦選廠原礦，膠帶輸送到貧礦選廠進行選別，貧礦選礦工藝為原礦—破碎—磨礦—磁選—浮選—過濾或原礦—破碎—磨礦—磁選—重選（離心機）—離心尾礦—磨礦—磁選—重選（離心機）—過濾。0.5 mm以下粒級礦石經泵輸送至磁選車間進行選別，工藝流程為原礦—磨礦—弱磁—強磁粗選—精選—掃選。該工藝流程復雜，同時所獲精礦品質不高（鐵精礦品位約為62.5%），回收率也僅為65%。該工藝需先對礦石進行分級處理，其中10～40 mm粒級鐵礦石拋出的尾礦品位還有18%，這部分尾礦還有回收的可能，且該步驟使工藝變得復雜，流程較多，近一步加劇了鐵資源的浪費?，F有工藝為重磁浮聯合選別工藝，囊括了傳統選別手段，因礦石性質比較復雜，得到的鐵精礦品質不高，還造成了資源的浪費。

因此，需依據該資源的稟賦特征研發創新性和顛覆性技術，形成高效開發利用方案。近年來，國內相關研究單位圍繞微細粒礦、菱鐵礦、褐鐵礦、鮞狀赤鐵礦等復雜難選鐵礦資源的高效開發與利用，開展了大量的基礎研究和技術開發工作，基本達成了采用選冶聯合工藝才能實現該類鐵礦資源高效利用的共識，其中磁化焙燒是處理該類礦石最有效技術［9］。該礦石的主要待回收鐵礦物為赤鐵礦，還含有少量磁鐵礦。據研究，少量磁鐵礦可以誘導赤鐵礦的磁化還原［10］。因此，該物料適合進行磁化焙燒處理從而高效回收鐵礦物。根據工藝礦物學研究，礦石有害元素S含量較高，主要賦從在黃鐵礦中，若進入焙燒爐中會生成SO2造成環境污染。故需先脫除有害元素S，擬采取浮選手段，進行脫硫；同時考慮到入爐物料太多，可先進行弱磁—強磁預富集處理脫去一部分脈石礦物減少入爐物料量，提高磁化焙燒效率；采用磁選法選別得到的焙燒物料，從工藝礦物學研究得知還有相當一部分鐵礦物結晶粒度較細并且嵌布在石英中，因此在磁選前需對物料細磨使鐵礦物與脈石礦物解離，從而提高鐵精礦品質。

綜上所述，礦石主要回收鐵礦物為赤鐵礦，其次為磁鐵礦，有害元素S含量較高且其賦存礦物黃鐵礦、黃銅礦與赤鐵礦、磁鐵礦嵌布關系密切，造成有害元素S難以分離、鐵精礦產品S含量超標及一部分鐵礦物在脫硫作業中流失等問題。還有相當一部分鐵礦物結晶粒度較細并且嵌布在石英中，造成這部分礦物難以回收。因此采用常規流程難以高效回收鐵礦物，因此提出了脫硫—預富集—焙燒—細磨磁選的工藝流程。提出的新工藝與現有工藝相比流程簡單，不需要分級處理分別選別，刪減了重選流程，這大大縮減了選別流程，同時該流程清潔高效且原破碎、磨礦、磁選等車間可以繼續利用，只需搭建焙燒車間。

6 結論

（1）海南石碌鐵礦石TFe品位為40.53%，鐵礦物以赤鐵礦為主，還有少量磁鐵礦，鐵在赤鐵礦中分布率為73.56%、在磁鐵礦中分布率為21.69%。主要有害元素為S，含量為1.32%，主要的硫化物為黃鐵礦。脈石礦物主要為石英，其次為絹云母、輝石、碳酸鹽礦物等。

（2）礦石中赤鐵礦、磁鐵礦的嵌布關系較為密切，二者相互嵌布，細粒赤鐵礦嵌布在磁鐵礦中，并交代磁鐵礦，彼此較難解離。礦石中赤鐵礦呈稠密浸染狀，粒間嵌布細粒的脈石礦物，部分磁鐵礦中分布細粒的脈石礦物，這部分脈石礦物較難從鐵礦物中解離出來，將會影響鐵精礦品位。礦石中含有少量黃鐵礦，且黃鐵礦粒度較細小，并與赤鐵礦和磁鐵礦嵌布關系密切，常嵌布在赤鐵礦、磁鐵礦粒間和集合體中，難以解離出來，易混入鐵精礦中，影響精礦品位和質量。

（3）礦石中赤鐵礦和磁鐵礦的嵌布粒度不均勻，在-0.037 mm粒級中分布率分別為18.59%和18.58%，這部分鐵礦物主要以針狀、細粒狀、細脈狀、他形粒狀和不規則狀分布在脈石中，難以單體解離，易損失在尾礦中，因此為得到較好的工藝指標需對礦石進行合理細磨。

（4）根據工藝礦物學分析，結合現場原工藝流程，提出了脫硫—預富集—焙燒—細磨磁選的工藝流程。