山東某鐵礦石工藝礦物學研究

房啟家 張 強 孫永峰

(1.山東理工大學資源與環境工程學院,山東 淄博 255000;2.山東鋼鐵集團礦業有限公司,山東 濟南 250101;3.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819)

對礦石進行工藝礦物學分析可以了解礦石中元素的賦存狀態、礦物組成及共生關系,對礦石的有效分選具有重要意義。鐵礦石是提取金屬鐵的主要來源,中國鐵礦石儲量位居世界第四,但僅占世界總儲量的8%左右[1-4]。中國鐵礦石資源稟賦差,每年需要大量進口以滿足國內鋼鐵行業的生產需求[5-6]。從長遠來看,鐵礦石對外依存度過高是對中國經濟健康運行的嚴重威脅,綜合考慮,進一步開發國內低品位鐵礦石資源勢在必行。

山東某地鐵礦資源儲量豐富,全鐵品位為21.64%～27.80%,平均鐵品位為23.99%,擁有很高的開采價值[7]。礦石中主要鐵礦物為磁鐵礦,主要的脈石礦物為石英和普通角閃石[7]。礦石結構致密,有用礦物嵌布粒度細,選別困難。為開發該鐵礦石,通過化學成分分析、X射線衍射分析、鐵物相分析和光學顯微鏡等探究了該礦石的工藝礦物學特征,從而為其開發利用提供理論基礎。

1 礦石物質組成分析

1.1 化學成分分析

礦石的化學成分分析結果如表1所示。

表1 礦石化學成分分析結果Table 1 Chemical composition analysis results of the ore%

從表1可以看出:鐵是礦石中的主要有價元素,TFe品位僅為27.18%;有害元素S和P的含量不高,主要雜質 CaO、MgO、SiO2和 Al2O3的含量分別為3.31%、2.40%、51.44%和3.41%。由m(CaO+MgO)∶m(SiO2+Al2O3)=0.10可知礦石屬于酸性礦石。

1.2 礦物組成分析

采用光學顯微鏡對礦石進行觀察,確定礦石的礦物組成及含量,結果如表2所示。

表2 礦石礦物組成及其含量Table 2 Mineral composition and content of the ore

從表2可以看出∶礦石中主要有用鐵礦物為磁鐵礦,含量為22.96%;主要脈石礦物為石英、角閃石和云母,含量分別為29.65%、27.29%和10.58%;其余礦物含量較低。

1.3 鐵物相分析

為了解礦石中鐵礦物的物相組成,對礦石進行了鐵物相分析,結果如表3所示。

表3 礦石鐵物相分析結果Table 3 Iron phase analysis results of the ore %

從表3可以看出:礦石中的鐵礦物主要為磁鐵礦,分布率為 60.69%;二是硅酸鐵,分布率為30.03%,然而,硅酸鐵難以回收利用;其他鐵礦物含量較少。因此,礦石中磁鐵礦是主要回收礦物。

2 礦石結構與構造

2.1 礦石構造

礦石主要有4種構造,如圖1所示。

圖1 礦石主要構造Fig.1 Main structure of the ore

礦石中磁鐵礦以集合體形式產出,形成塊狀構造。磁鐵礦與石英交互組成層狀構造。脈石礦物與鐵礦物交互組成條帶狀構造。脈石礦物呈細脈狀充填于鐵礦物中形成網脈狀構造。

2.2 礦石結構

礦石中礦物顆粒的結構影響著礦物的解離和選別[8]。采用顯微鏡對礦石進行鏡下觀察,礦石主要有以下幾種結構。

粒狀結構:磁鐵礦呈自形、半自形粒狀及他形粒狀嵌布。褐鐵礦、石英、磁黃鐵礦、輝石和石榴子石呈不規則細粒狀嵌布。黃鐵礦呈自形、半自形粒狀或他形粒狀嵌布。碳酸鹽呈自形晶粒狀嵌布。

浸染狀結構:部分磁鐵礦和赤鐵礦呈細粒、微細粒浸染狀嵌布在脈石中。

交代結構:磁鐵礦被赤鐵礦交代,形成假象或半假象赤鐵礦。

包含結構:石英呈粒狀集合體形成斑狀,斑晶中包裹細粒鐵礦物。碳酸鹽呈不規則粒狀集合體嵌布,其中包裹細粒鐵礦物和石英。

層狀結構:石英呈粒狀集合體形成脈狀,與碳酸鹽和鐵礦物互層嵌布。

纖維狀結構:角閃石呈纖維狀集合體嵌布。

片狀、鱗片狀結構:角閃石呈片狀集合體嵌布,并與鐵礦物緊密共生。黑云母呈鱗片狀集合體嵌布,并與鐵礦物、石英緊密共生。

3 礦石中主要礦物嵌布特征及共生關系

3.1 主要含鐵礦物

3.1.1 磁鐵礦

磁鐵礦為礦石中主要的有用鐵礦物,主要有圖2所示的4種產出形式。磁鐵礦主要呈自形、半自形粒狀嵌布于脈石礦物中(圖2(a)),其中部分磁鐵礦結晶粒度較細,呈浸染狀嵌布于脈石礦物中,粒度主要分布在50μm以下。部分磁鐵礦呈不規則他形粒狀與脈石礦物共生嵌布(圖2(b))。部分磁鐵礦呈細粒、微細粒浸染狀嵌布于脈石礦物中,粒度主要分布在10μm以下(圖2(c))。少量磁鐵礦被赤鐵礦交代,形成假象或半假象礦赤鐵礦,具交代結構(圖2(d))。

圖2 磁鐵礦嵌布特征Fig.2 Dissemination characteristics of magnetite

3.1.2 赤鐵礦

礦石中赤鐵礦含量較少,嵌布粒度較細,主要分布在20μm以下。赤鐵礦主要交代磁鐵礦,形成假象或半假象赤鐵礦,呈不規則粒狀嵌布(圖2(d)和圖3(a)),赤鐵礦仍保留了磁鐵礦晶形特征,并且在空間分布上與磁鐵礦關系密切。還有部分赤鐵礦呈細粒、微細粒浸染狀嵌布于脈石礦物中(圖3(b))。

圖3 赤鐵礦嵌布特征Fig.3 Dissemination characteristics of hematite

3.1.3 黃鐵礦

黃鐵礦為礦石中主要的硫化物,含量較低,而且嵌布粒度較細,主要分布在20μm以下。黃鐵礦主要呈網眼狀嵌布,網眼中充填細粒脈石礦物,具網眼狀結構(圖4(a))。部分黃鐵礦呈自形、半自形粒狀或他形粒狀嵌布,具粒狀結構(圖4(b)),少量黃鐵礦呈細脈狀穿插于赤鐵礦和脈石礦物中,具脈狀結構(圖4(c))。

圖4 黃鐵礦嵌布特征Fig.4 Dissemination characteristics of pyrite

3.2 主要脈石礦物

3.2.1 石 英

石英是礦石中主要的脈石礦物,也是含量最高的礦物。石英主要呈粒狀集合體形成斑狀,斑晶中包裹細粒鐵礦物(圖5(a))。部分石英呈不規則粒狀與鐵礦物、角閃石共生嵌布(圖5(b))。部分石英呈不規則粒狀集合體嵌布,與碳酸鹽礦物緊密共生(圖5(c))。少量石英呈粒狀集合體形成脈狀,與碳酸鹽和鐵礦物互層嵌布(圖5(d))。

圖5 石英嵌布特征Fig.5 Dissemination characteristics of quartz

3.2.2 角閃石

角閃石是礦石中主要的硅酸鹽礦物,以鐵閃石為主,另有少量鎂鐵閃石和普通角閃石。角閃石主要呈纖維狀集合體嵌布(圖6(a))。部分角閃石呈片狀集合體嵌布,并與鐵礦物緊密共生(圖6(b))。少量角閃石呈柱狀集合體與石英、鐵礦物共生嵌布(圖6(c))。

圖6 角閃石嵌布特征Fig.6 Dissemination characteristics of amphibole

3.2.3 云 母

礦石中的云母主要為黑云母,一般呈鱗片狀集合體嵌布,并與鐵礦物、石英緊密共生(圖7)。另外少量黑云母發生綠泥石化,兩者共生嵌布。

圖7 云母嵌布特征Fig.7 Dissemination characteristics of mica

3.2.4 碳酸鹽

礦石中的碳酸鹽礦物主要為白云石、菱鐵礦。碳酸鹽主要呈不規則粒狀集合體嵌布,集合體中包裹細粒鐵礦物和石英(圖8(a)),其中菱鐵礦一般呈粒狀集合體嵌布,并與石英、鐵礦物緊密共生(圖8(b))。部分碳酸鹽呈自形晶粒狀嵌布,具粒狀結構(圖8(c))。

圖8 碳酸鹽嵌布特征Fig.8 Dissemination characteristics of carbonate

4 主要礦物工藝粒度及解離度分析

對礦石中的主要有用鐵礦物磁鐵礦以及主要脈石礦物石英、角閃石和云母進行工藝粒度分析,詳見表4。結果表明:有用鐵礦物磁鐵礦結晶粒度總體較細,主要分布在-0.07 mm,分布率為65.07%。主要脈石礦物石英的結晶粒度相對較粗,主要分布在+0.07 mm,分布率為62.33%,主要硅酸鹽礦物角閃石、云母的結晶粒度也較粗,主要分布在+0.07 mm,分布率為67.51%。

表4 主要礦物工藝粒度分析結果Table 4 The analysis results of process particle size of the main minerals

基于有用礦物和脈石礦物在粒度分布上的差異,可以通過干式磁選預先脫除粒度較粗的脈石[9]。采用干式磁選對礦石進行預先拋尾后,對預選精礦不同磨礦細度產品中磁鐵礦和脈石礦物的解離度進行了測定,分析結果見表5。

表5 預選精礦不同磨礦細度產品解離度分析結果Table 5 Liberation degree analysis results of products with different grinding fineness of preconcentration concentrate

表5表明,在相同的磨礦細度下,脈石礦物的單體解離度明顯高于磁鐵礦,當一段磨礦-0.076 mm含量為85%時,磁鐵礦的解離度僅有76.25%,而＞3/4的富連生體還有16.04%,與脈石解離較差,因此需要進行二段磨礦,這有利于磁鐵礦的解離。

5 選礦工藝推薦

由主要礦物工藝粒度分析可知,應采用干式磁選對其預先拋尾,同時考慮盡可能提高預選拋尾量,減少細粒濕尾的采空區充填量并簡化工藝流程,可使用高壓輥磨和濕式磁選進一步拋除尾礦,從而獲得預選精礦[10-11]。為提高磁鐵礦的解離度,提高選別效果,推薦使用兩段磨礦,進行階段磨礦階段選別[12]。經過磨礦后,采用弱磁選進行粗選,然后使用磁選柱精選,并對磁選中礦進行再磨再選[13-14]。為簡化工藝流程,實現節能減排,推薦“常規破碎—干式磁選—高壓輥磨—濕式磁選預選—兩段階段磨礦—弱磁選—磁選柱精選—中礦再磨再選”作為該鐵礦石的選礦原則工藝流程。

6 結 論

(1)山東某鐵礦石全鐵品位為27.18%,有害元素S和P的含量較低。鐵礦物主要為磁鐵礦,分布率為60.69%,其次是硅酸鐵,分布率為30.03%。主要脈石礦物為石英、角閃石和云母。

(2)礦石中磁鐵礦結晶粒度總體較細,主要呈自形、半自形粒狀嵌布于脈石礦物中,其中部分磁鐵礦結晶粒度較細,呈浸染狀嵌布于脈石礦物中。主要脈石礦物石英、角閃石和云母的結晶粒度相對較粗。脈石礦物結晶粒度普遍大于鐵礦物,這種粒度上的差異有利于在選礦流程中采用階段磨選粗粒拋尾工藝。

(3)根據工藝礦物學分析,結合低品位鐵礦石選礦技術的發展,以簡化工藝流程和節能減排為目標,推薦“常規破碎—干式磁選—高壓輥磨—濕式磁選預選—兩段階段磨礦—弱磁選—磁選柱精選—中礦再磨再選”的選礦原則工藝流程。