東鞍山貧雜鐵礦石選礦技術研究進展

楊光，蘇興國，馬自飛，張小龍，李艷軍

1.鞍山鋼鐵集團有限公司 東鞍山燒結廠，遼寧 鞍山 114000；2.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819

鋼鐵工業為國民經濟發展的支柱型產業，其發展水平是衡量一個國家綜合實力的重要體現。鐵礦石作為我國鋼鐵工業的保障性資源，屬國家的重大戰略需求。我國鐵礦資源總量豐富，但絕大部分鐵礦資源原礦品位低、嵌布粒度細和礦物組成復雜，致使國內鐵礦石無法滿足我國鋼鐵產業的需求，從而導致我國多數大型鋼鐵企業不得不從海外進口大量鐵礦石[1-3]。從2016—2020年，我國鐵礦石進口量已連續4年超過10億t，對外依存度超過80%(圖1a)。2020年我國進口鐵礦石更是高達11.7億t，創歷史新高，對外依存度達到82.3%。與此同時，由于中國的制造業和建筑業正以十年來前所未有的速度擴張，中國與最大鐵礦石供應國澳大利亞之間關系不穩定，印度鋼鐵制造商呼吁印度政府停止出口鐵礦石，致使全球鐵礦石市場再度掀起波瀾。2021年5月鐵礦石現貨價上漲至229.55美元/t(圖1b)。中國鋼鐵工業的國際話語權和資源安全性進一步降低，這將不僅對我國鋼鐵產業的發展造成重大影響，對我國經濟的健康可持續發展也構成了巨大挑戰。由此可見，隨著我國經濟建設的不斷發展，在可預知的將來，資源約束將會保留逐漸上升為我國經濟發展道路上的主要矛盾，鐵礦石供不應求已成為制約我國國民經濟發展的“瓶頸”，成為我國實現工業化強國進程中所必須要面臨的重大現實問題。因此發展自主創新技術，實現貧雜鐵礦資源的高效開發利用，提高我國鐵礦石的自給率，具有重要的戰略意義[7-14]。

圖1 我國2000—2020年鐵礦石進口量及進口價格

鞍鋼集團礦業公司東鞍山燒結廠是我國第一個大型貧雜赤鐵礦選燒聯合企業，是鞍鋼重要的鋼鐵原料基地之一。鞍鋼集團東鞍山燒結廠處理的鐵礦石是典型的貧雜赤鐵礦，具有品位低、礦物組成復雜、結構構造復雜、嵌布粒度細以及磨礦特征差等特點，是我國最具代表性、開展相關研究工作較多且應用也較早的難選貧赤鐵礦石[15-21]。為了更好地摸清東鞍山貧雜鐵礦石選礦技術研究現狀，了解東鞍山貧雜鐵礦石選礦技術發展趨勢，本文概述了該礦石的資源特性、近年來開發出的選礦新技術和獲得的成果，并分析了東鞍山貧雜鐵礦石選礦技術發展趨勢。

1 東鞍山貧雜鐵礦石資源概述

東鞍山鐵礦的礦床類型屬于沉積變質“鞍山式”鐵礦床，礦體下盤的富鐵礦為熱液成因的裂隙充填脈狀礦床，平均鐵品位為32.86%，鐵礦石中的假象赤鐵礦、赤鐵礦、鏡鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦和針鐵礦中的鐵主要以氧化物的形式存在，而菱鐵礦、鮞綠泥石、鐵閃石、鐵方解石、鐵白云石、黃鐵礦等礦物中的鐵主要以其他化合物的形式存在；脈石礦物則主要為石英和鮞綠泥石，同時還有少量的陽起石、透閃石、方解石、含錳方解石及微量的磷灰石等。礦石結構主要為殘余結構、骸骨結構、鑲邊結構和溶蝕結構等由風化淋濾后交代作用形成的結構，其次為由結晶和沉淀作用形成的晶粒結構、自形晶結構、半自形晶結構和他形晶結構等。礦石的構造類型主要為條帶狀構造，其次為隱條帶狀構造和塊狀構造，部分為揉皺狀和角礫狀構造，在碳酸鹽礦石中還分布較多的網脈狀、蜂窩多孔狀和土狀構造。礦石嵌布粒度相對較細，礦石中的鐵礦物主要分布于34 μm粒級以下。東鞍山貧雜鐵礦石主要分為赤鐵礦礦石及含碳酸鹽鐵礦石，其中赤鐵礦礦石原礦品位低、礦物組成復雜、礦物嵌布粒度微細；含碳酸鹽鐵礦石中的碳酸鹽礦物(菱鐵礦和鐵白云石)在磨礦過程中易泥化，且碳酸鹽礦物的中等可浮性以及泥化后易罩蓋在礦物表面，嚴重影響浮選指標，致使常規選別技術難以實現其高效清潔利用。

2 東鞍山貧雜鐵礦石選礦生產現狀

2.1 難選赤鐵礦石選礦現狀

東鞍山燒結廠所處理鐵礦石為典型的貧雜赤鐵礦，是我國最具代表性、開展相關研究工作較多且應用也較早的難選鞍山式貧赤鐵礦石。東鞍山燒結廠選礦工藝到目前為止發展了單一堿性正浮選、弱磁選—強磁選—酸性正浮選和兩段連續磨礦—中礦再磨—重選—磁選—陰離子反浮選聯合選礦工藝等三個階段。

東鞍山貧赤鐵礦最初的選礦工藝流程為：連續兩段磨礦、兩次粗選、一次掃選、三次精選的單一堿性正浮選工藝，該工藝投產于1958年，可獲得精礦TFe品位59.98%、尾礦TFe品位14.72%、鐵金屬回收率72.49%的選礦技術指標。然而，采用上述兩段連續磨礦-單一堿性正浮選選別流程獲得的鐵精礦品位較低，無法滿足冶煉對高品質鐵精礦的需求。

基于在弱酸性介質中鐵礦物與脈石礦物的可浮性差異較大，自1994年至2002年，東鞍山燒結廠采用弱磁選—強磁選—酸性正浮選(石油磺酸鈉捕收劑)選礦工藝處理貧赤鐵礦石，在工業試驗中取得了精礦鐵品位64.15%的選別指標。研究與實踐表明，相較于堿性介質正浮選工藝，弱酸性介質正浮選工藝具有重大的技術進步，該工藝可獲得質量明顯優于前者的易過濾高鐵精礦。但該工藝對礦泥較為敏感，浮選物料時需先對其進行脫泥處理，且捕收劑消耗量較大，選礦成本較高。正浮選工藝能夠在較粗的磨礦細度下獲得合格產品，且其工藝流程較簡單，在低品位弱磁性鐵礦石的選別作業中比較適合。但由于該工藝浮選過程要求在高濃度條件下調漿、浮選藥劑成本高及鐵精礦團球過程中生球有熱不穩定性(即熱敏感)，難以獲得高質量鐵精礦以滿足現代鋼鐵工業的需求，導致其發展受到了限制。

廣大選礦工作者圍繞提高東鞍山貧赤鐵礦選礦技術開展了大量研究工作，經過多年的努力，取得了一定成果，可獲得TFe品位穩定于61%～64%之間的精礦，鐵金屬回收率可達到72%～79%[22-27]。東鞍山選礦廠歷經多年技術升級改造，一選車間于2002年將原有的兩段連續磨礦—單一堿性正浮選(氧化石蠟皂+塔爾油捕收劑)流程改為兩段連續磨礦—粗細分選—中礦再磨—重選—強磁選—陰離子反浮選(RA系列捕收劑)聯合分選的工藝流程，該工藝流程一直沿用至今，最終獲得精礦TFe品位64.00%、尾礦TFe品位28.25%、鐵金屬回收率58.37%的選別指標。

針對東鞍山貧赤鐵礦現有選礦工藝流程，東北大學聯合東鞍山燒結廠對其進行了流程考察，其工藝流程圖如圖2所示。考察結果發現，采用現有選礦流程，現場生產基本順行，但選礦技術指標不高，選別工藝存在諸多不足：如粗細分級和再磨分級效率相對較低，再磨磨礦產品細度不夠，導致浮選的選別效果較差，尾礦品位偏高；重選—掃中磁作業存在較多問題，粗螺的給礦品位和精礦品位均未達到作業指標要求；精螺的給礦濃度高于作業指標要求而精礦品位低于作業指標；掃中磁處理能力過剩，但尾礦品位高于作業要求，磁選回收率較低。

圖2 東鞍山燒結廠現有工藝流程考察結果

2.2 含碳酸鹽鐵礦石選礦現狀

含碳酸鹽鐵礦石在東鞍山鐵礦東西部礦區均有分布，東部礦區其含量占鐵礦石總量的4%～4.5%，西部礦體其含量則占鐵礦石總量的25%以上，且隨著開采進度的增加其比例會越來越高。東鞍山含碳酸鹽赤鐵礦石中的碳酸鹽主要為菱鐵礦和鐵白云石，選礦生產實踐表明，在磨礦過程中菱鐵礦和鐵白云石等碳酸鹽礦物極易泥化，其中等可浮性以及泥化后罩蓋在赤鐵礦和石英礦物表面上，起到活化作用進而影響浮選，故碳酸鹽礦物的存在會極大惡化赤鐵礦反浮選過程，使分選過程中出現精尾不分的現象，從而使得該類礦石無法處理而造成了大量堆存，不僅占用了大量土地，浪費土地資源，而且對當地生態環境也帶來了巨大破壞[28-31]。

基于東鞍山含碳酸鹽鐵礦石無法利用現狀，東北大學針對該礦石開展了系統的工藝礦物學及浮選分離特性研究，提出了先在中性條件下采用正浮選分選菱鐵礦，然后在堿性條件下采用反浮選分選赤鐵礦工藝處理難選碳酸鹽鐵礦的分步浮選新工藝。采用“分步浮選”工藝，在第一步浮選時消除大部分菱鐵礦后，將顯著降低菱鐵礦對赤鐵礦可浮性的不利影響，進而改善了第二步反浮選時的浮游環境，促進了赤鐵礦的分選[33-37]。2006年1月起，含碳酸鹽赤鐵礦石“分步浮選”工業試驗于鞍鋼集團公司東鞍山燒結廠進行，工業試驗進行至第三天整個分選過程就已穩定運行，系統考察了不同菱鐵礦含量、不同類型含碳酸鹽赤鐵礦石、不同藥劑制度等對“分步浮選”工藝分選效果的影響。歷時三個多月的工業試驗結果表明，“分步浮選”工藝可實現含碳酸鹽赤鐵礦石的高效利用，是實現含碳酸鹽鐵礦石“變廢為寶”的歷史性的突破。

為了更好地衡量“分步浮選”工藝處理東鞍山含碳酸鹽赤鐵礦石的效果，針對東鞍山燒結廠“階段磨礦—粗細分選—重選—磁選—分步浮選”工藝進行全流程考察，其工藝流程圖如圖3所示。圖3結果顯示，含碳酸鹽赤鐵礦采用階段磨礦—粗細分選—重選—磁選—分步浮選的工藝流程，最終可獲得Fe品位為63.03%的精礦，且回收率可達63.77%，表明含碳酸鹽赤鐵礦通過“分步浮選”的工藝流程，能夠獲得合格的分選指標。

圖3 含碳酸鹽赤鐵礦石階段磨礦—粗細分選—重選—磁選—分步浮選工藝流程

3 東鞍山貧雜鐵礦石選礦技術新進展

近年來，國內多家科研單位圍繞東鞍山貧雜鐵礦石選別工藝復雜、選礦成本較高、選礦指標欠佳、含碳酸鹽鐵礦石及尾礦固廢資源無法利用等諸多問題，開展了大量技術攻關，并在其選礦技術開發方面取得了新進展。

3.1 “磨礦—弱磁選強磁選拋尾—攪拌磨磨礦—反浮選”短流程新工藝

東鞍山燒結廠現有選別流程中重選作業效率低，重選精礦品位不高，導致浮選提質壓力較大，嚴重影響最終鐵精礦產量和質量。針對上述問題，結合磨礦領域最新研究成果，東北大學提出去除重選作業，并采用陶瓷球攪拌磨機再磨處理該礦石的新思路，形成了“磨礦—弱磁選強磁選拋尾—混磁精攪拌磨再磨—反浮選”短流程新技術。采用該選別流程，最終獲得了精礦鐵品位66.28%、鐵回收率76.67%的技術指標(圖4)。上述研究結果表明，采用“磨礦—弱磁選強磁選拋尾—混磁精攪拌磨再磨—反浮選”短流程工藝可以有效縮短生產工藝環節，改善選別指標，降低生產成本，對于提高東鞍山鐵礦資源的利用率、提升東鞍山燒結廠經濟效益具有重要意義。

圖4 短流程工藝流程

吳文紅等[32]針對東鞍山燒結廠現有流程中最終精礦品位較低的問題，對其工藝流程進行了優化的探索試驗研究。結果表明，采用“階段磨礦—階段強磁選拋尾—混磁精分步浮選”的工藝流程處理該礦石，通過三段磨礦、三段強磁選拋尾，分段提前拋出合格強磁尾礦；三段混磁精采用分步浮選選別，獲得鐵品位為65.76%的最終精礦，較原流程提高了4.24%。

3.2 含碳酸鹽難選鐵礦石懸浮磁化焙燒技術

針對復雜難選鐵礦石礦物組成復雜、共生關系密切和含鐵礦物種類多等特點，東北大學突破磁化焙燒傳統觀念，提出了復雜難選鐵礦石“預氧化—蓄熱還原—再氧化”的多段懸浮磁化焙燒新技術。該技術將鐵礦石顆粒本身作為熱載體，實現加熱與還原分步進行；第一步在加熱系統內氧化氣氛下呈快速流態化完成礦石蓄熱，同時將礦石中菱鐵礦和褐鐵礦等轉化為赤鐵礦，保證給料的均一性；第二步高溫鐵礦石進入的還原系統，利用自身蓄熱與還原氣反應生成磁鐵礦；第三步通過精確控制冷卻過程還原溫度和氣氛，將磁鐵礦氧化為強磁性γ-Fe2O3，可有效降低磁團聚，優化焙燒產品可選性。懸浮磁化焙燒技術可以有效地使礦石中赤鐵礦、菱鐵礦和褐鐵礦等弱磁性鐵礦物轉化為磁鐵礦或磁赤鐵礦等強磁性礦物，再利用礦物之間的磁性差異進行磁選分離。2017年朝陽東大礦冶研究院建成3 000 t/a懸浮磁化焙燒生產線，先后完成酒鋼鐵礦石、海南石碌鐵礦、山鋼塞礦DSO尾礦、遼寧三和贊比亞鐵錳礦、阿爾及利亞Gara鐵礦和鞍鋼東部尾礦等國內外20余種鐵礦石的應用，均獲得了鐵精礦TFe品位60%～68%，作業回收率85%～97%的優異技術指標[38-45]。

懸浮磁化焙燒技術是處理復雜難選鐵礦資源的有效手段，盡管在焙燒過程中會產生二氧化碳氣體，但該技術可以大幅度提高鐵精礦產品質量，從而降低鐵精礦在冶煉過程的能量消耗及二氧化碳排放，且與選礦作業相比，煉鐵過程中的能量消耗及碳排放所占比例較大，因此，從“選礦—冶煉”整個產業鏈角度來分析，懸浮磁化焙燒技術具有高效節能減排的優勢。

盡管采用“分步浮選”工藝可以處理東鞍山含碳酸鹽鐵礦石，但精礦鐵回收率僅為60%～65%；同時“分步浮選”工藝優先分離出的中礦產品鐵品位只有40%左右，且由于菱鐵礦等難選礦物難富集、殘留藥劑影響大等原因，使得該工藝中礦產品開發利用難度大。基于上述問題，東北大學針對東鞍山含碳酸鹽鐵礦石開展了懸浮磁化焙燒半工業擴大連續試驗研究[47]，結果如圖5所示。圖5結果表明，在焙燒溫度540～560 ℃，還原氣體CO流量4 m3/h，流化氣體N2流量2 m3/h的工藝條件下，懸浮焙燒物料磨細至-0.038 mm粒級占80%后經弱磁選(100 mT)分選可獲得精礦鐵品位66.06%、作業回收率90.22%以及總回收率81.22%的優異分選指標，較東鞍山燒結廠現有的分選工藝，精礦鐵品位提高了3%，回收率提高了15%以上，更好地實現了該含碳酸鹽鐵礦石的高效利用，真正解決了我國長期以來含碳酸鹽鐵礦石無法利用的“卡脖子”難題。

圖5 東鞍山鐵礦磁選預富集—懸浮磁化焙燒—磁選工藝流程

3.3 東鞍山貧雜赤鐵礦浮選尾礦再選技術

我國選礦廠每年約有10億t尾礦產出，這些尾礦也屬于我國重要的鐵礦資源，然而目前我國尾礦處置和綜合利用水平較低，使得尾礦的排放不僅占用大量土地，浪費土地資源，并污染環境；有時還會因管理不到位發生尾礦壩潰壩事故，致造成人員傷亡。東鞍山燒結廠年排放尾礦約400萬t，目前東鞍山尾礦庫中已堆存1.3億t，該尾礦屬于高硅(SiO2含量>65%)、含鐵(TFe>15%)型尾礦，其鐵礦物主要以赤(褐)鐵礦為主，含少量菱鐵礦和磁鐵礦，脈石礦物主要是石英和硅酸鹽礦物，有害雜質S和P含量極低，是一種寶貴的鐵礦資源，但目前未得到有效開發利用。

自20世紀以來，科研工作者針對東鞍山貧雜赤鐵礦浮選尾礦的回收利用開展了深入研究。張培新等[47]通過對東鞍山燒結廠浮選尾礦性質的考察，提出了采用復合團聚—磁種分選工藝選別細粒與微細粒弱磁性礦物，采用上述工藝處理-56 μm尾礦，可獲得鐵品位為58.28%、作業鐵回收率為57.80%的鐵精礦。王正國等[48]考察了Φ1.0×9固定磁系圓盤式磁選機在東鞍山燒結廠尾礦再選中的應用。結果表明，該磁選機具有較高的選別能力，在轉速為8～11 r/min、磁場磁感應強度為160 mT的條件下，可獲得鐵品位為60.68%～66.28%的鐵精礦。

為實現東鞍山貧雜赤鐵礦礦石浮選尾礦產品資源化利用，東北大學采用自主創新研發的懸浮磁化焙燒技術處理該尾礦，擴大連續試驗結果表明，浮選尾礦中有用鐵礦物主要為赤(褐)鐵礦、磁鐵礦和菱鐵礦，脈石礦物為石英，采用預富集—懸浮焙燒—磨礦—磁選的工藝技術，可獲得鐵品位63.57%、回收率66.12%的良好選別指標，其工藝流程如圖6所示。經過懸浮磁化焙燒后，尾礦中赤(褐)鐵礦和碳酸鐵含量明顯減少，絕大部分已轉變為磁鐵礦，磁化焙燒效果較好，進而通過弱磁選實現了鐵礦物的高效回收。經初步概算，該流程生產鐵精礦的成本約為434.96元/t。預計180萬t/a的浮選尾礦懸浮焙燒工業項目建成后，東燒廠每年將新增毛利潤4 422.66萬元。同時，采用該流程可將最終尾礦鐵品位降低至10%以下，顯著提高了鐵礦資源的利用效率。上述研究表明，針對東鞍山貧雜赤鐵礦浮選尾礦，采用預富集—懸浮磁化焙燒—磁選的工藝可顯著提高尾礦中鐵的回收利用水平，實現東鞍山鐵礦石的高效綜合利用。

圖6 東鞍山浮選尾礦預富集—懸浮磁化焙燒—磁選工藝流程

4 東鞍山貧雜鐵礦石選礦技術發展趨勢

東鞍山燒結廠處理的鐵礦石是典型的貧雜赤鐵礦礦石，目前采用兩段連續磨礦—粗細分選—中礦再磨—重選—強磁選—陰離子反浮選的聯合分選工藝流程。該選別流程生產工藝復雜，粗細分級和再磨效率低，重選選別效果差。針對當前東鞍山燒結廠生產過程中存在的上述問題，并結合磨礦領域最新研究成果，東北大學創造性地提出去除重選作業并引入陶瓷介質攪拌磨機磨礦，開發了“磨礦—弱磁選強磁選拋尾—混磁精攪拌磨再磨—反浮選”短流程新技術。依據該短流程分選技術，東燒廠選礦工藝流程改造后，在保證精礦回收率不下降的情況下，鐵精礦鐵品位可達到65%以上。該技術有效縮短了選別流程，改善了選別指標，降低了選礦成本，經濟效益顯著。同時，針對該短流程的浮選尾礦，東北大學提出的“磁選預富集—懸浮磁化焙燒—磁選”新技術可有效實現尾礦中鐵礦物的高效回收利用。因此“磨礦—弱磁選強磁選拋尾—混磁精攪拌磨再磨—反浮選”短流程技術和“磁選預富集—懸浮磁化焙燒—磁選”技術是東鞍山貧雜鐵礦石選礦技術改造的重要發展趨勢。

為緩解我國鐵礦資源“卡脖子”關鍵問題，助力我國盡早實現“雙碳”目標，選礦裝備大型化與智能化、選礦技術高效化與綠色化是東鞍山燒結廠乃至我國各個鐵礦企業的未來重要發展方向。

5 結 論

由于東鞍山貧雜鐵礦石的獨有特點，導致現有選礦工藝難以對其實現高效分選，給相關選礦工作者帶來巨大的挑戰，同時這也為我國鐵礦石分選技術的進步創造了機遇。近年來，在東鞍山貧雜鐵礦石資源開發利用領域形成了許多新技術和新成果，集中體現在工藝流程升級改造、含碳酸鹽鐵礦石高效開發利用和尾礦再選等方面。

(1)處理東鞍山貧雜鐵礦石的推薦選別工藝為“磨礦—弱磁選強磁選拋尾—攪拌磨磨礦—反浮選”，該工藝與現有工藝對比，縮短了生產流程環節，增強了選別效果，為提高東鞍山鐵礦資源的利用率和提升東鞍山燒結廠經濟效益開辟了新途徑。

(2)采用懸浮磁化焙燒—磁選技術處理東鞍山含碳酸鹽鐵礦石取得了歷史性突破，可獲得精礦鐵品位66.06%、作業鐵回收率90.22%(鐵總回收率81.22%)的技術指標，與“分步浮選”工藝相比較，精礦鐵品位提高了3%，回收率提高了15%以上，實現了東鞍山含碳酸鹽鐵礦石的高效開發利用。

(3)針對東鞍山貧雜赤鐵礦浮選尾礦，采用磁選預富集—懸浮磁化焙燒—磁選工藝，獲得了鐵品位63.57%、回收率66.12%的技術指標，實現了鐵尾礦資源的再次開發利用。

(4)懸浮磁化焙燒技術是處理復雜難選鐵礦資源的有效手段，可以大幅度提高鐵礦資源利用效率及鐵精礦產品質量，有效降低“選礦—冶煉”整個產業鏈過程中的能量消耗及碳排放。加熱和還原是懸浮磁化焙燒過程中的兩個關鍵階段，其中加熱階段介質可用噴煤、煤制氣、高爐煤氣、轉爐煤氣、焦爐煤氣和天然氣，還原階段介質可用煤制氣、高爐煤氣、轉爐煤氣、焦爐煤氣、裂解天然氣和副產品氫氣。在上述幾種介質中，噴煤、煤制氣對環境污染較嚴重，不符合當前國家“碳達峰、碳中和”發展需求，立項較難；天然氣相對較潔凈，但成本較高；高爐煤氣、轉爐煤氣、焦爐煤氣性價比相對較高，可根據企業現有條件進行選用；氫氣成本較低，環境友好。面對全球綠色、低碳、可持續發展需求，基于氫能的氫基懸浮磁化焙燒(還原氣體中氫氣含量≥55%)技術是未來發展方向。