還原焙燒—磁選工藝回收馬拉維某鈦粗精礦中的鈦和鐵

彭程,周迎春,李國杰,吉榆師,喻連香,湯優優

1.海南國際資源(集團)股份有限公司，海南 海口 570206；2.廣東省資源綜合利用研究所，廣東 廣州 510650

馬拉維鈦鐵礦資源豐富，主要圍繞馬拉維湖分布，但馬拉維鈦鐵礦經螺旋溜槽重選—磁選聯合流程處理后得到的鈦粗精礦中鐵和鈦含量較低，難以滿足工業要求，達不到開采價值而未被有效利用。

本研究針對馬拉維鈦粗精礦進行了詳細的工藝礦物學研究，在查明礦物組成、產出特征和磁性特征等礦物學特征基礎上，進行了不同焙燒方式、冷卻方式和焙砂磁選等條件試驗，最終確定還原焙燒—磁選工藝方案，獲取了合格的鈦精礦和鐵精礦。

1 鈦粗精礦物質組成

試樣取自馬拉維濱湖砂礦通過螺旋溜槽重選—磁選工藝得到的鈦粗精礦；該鈦粗精礦化學多元素分析和礦物組成分析結果分別見表1和表2。

表1 鈦粗精礦化學多元素分析結果 /%

表2 鈦粗精礦礦物組成分析結果 /%

表1和表2分析結果表明，鈦粗精礦中有用元素主要為鈦和鐵，其他有用元素和雜質含量較低；鐵和鈦元素集中在鈦鐵礦、鈦赤鐵礦和赤鐵礦中 。

圖1 鈦鐵礦中的赤鐵礦片晶

圖2 鈦鐵礦部分氧化蝕變為白鈦石

2 主要礦物的產出特征

2.1 鈦鐵礦

鈦鐵礦呈棱角～次棱角狀及自形～半自形晶粒結構。大多數以單體顆粒形式存在。部分發生蝕變，蝕變礦石中以鈦鐵礦赤 鐵礦化為主，主要是由鈦鐵固溶分離和氧化蝕變作用導致，形成鈦鐵礦與赤鐵礦(圖1)的貧連生體，赤鐵礦在鈦鐵礦晶體顆粒中呈條帶狀、板狀、片狀及粒狀嵌布，且赤鐵礦含量變化比較大；少部分鈦鐵礦發生金紅石化，主要是鈦鐵礦表生風化作用過程中鐵離子被淋濾后氧化蝕變形成白鈦石，白鈦石交代在鈦鐵礦邊緣(圖2)。少部分發生金紅石化；極少數鈦鐵礦中含薄板狀鈮鐵礦、微細粒鋯石等包裹體。

鈦鐵礦的能譜分析結果見表3。

表3 鈦鐵礦的能譜分析結果 /%

結果表明，鈦鐵礦化學成分穩定，TiO2和FeO平均含量分別為48.84%和48.57%，其他成分類質同象現象較少。

2.2 (鈦)赤鐵礦

鈦粗精礦中赤鐵礦和鈦赤鐵礦一般呈次圓狀，多為正常赤鐵礦，少數為鈦赤鐵礦，由鈦和鐵固溶分離形成的連晶或片晶，以赤鐵礦占主體(圖3)。 赤鐵礦、鈦赤鐵礦和鈦磁鐵礦的能譜分析結果見表4。

圖3 以赤鐵礦占主體鈦赤鐵礦

表4 其他主要礦物的能譜分析 /%

2.3 主要礦物的粒度特征和解離度

鈦粗精礦中的鈦鐵礦和(鈦)赤鐵礦粒度分析見圖4。

圖4 鈦粗精礦的粒度篩析結果

結果表明，鈦粗精礦中的鈦鐵礦和(鈦)赤鐵礦主要以中細粒為主，屬于易選范圍；鈦鐵礦和(鈦)赤鐵礦+0.080 mm粒級累計產率84.56%。鈦粗精礦的解離度按照大于0.150 mm和小于0.150 mm兩個粒級進行分析，分析結果見表5。

表5 主要礦物的解離度測定 /%

結果表明，粒度對鈦鐵礦和赤鐵礦解離度影響不大，且鈦鐵礦和赤鐵礦解離度高，鈦赤鐵礦解離度較低。

表6 鈦粗精礦中鐵和鈦元素在不同場強磁性產物中分布情況 /%

3 選礦工藝流程的確定

3.1 鈦鐵礦磁性分析

采用WCF-3電磁分選儀分析了鈦粗精礦中鐵和鈦礦物的磁性分布情況，結果見表6。

結果表明，鈦粗精礦中0.10～0.42 T場強為赤鐵礦、鈦赤鐵礦和鈦鐵礦的共存磁性段，隨著場強增加，TiO2含量增加，Fe含量降低；0.42～0.52 T場強為脈石等其他礦物磁性段，TiO2和Fe含量均降低。

3.2 流程

由于赤鐵礦與鈦鐵礦磁性、密度和電性相似，導致鈦粗精礦中鐵、鈦分離困難，主要影響因素有：(1)赤鐵礦和鈦赤鐵礦存在共存磁性段，磁選難以分離鈦鐵礦和赤鐵礦單體；(2)鈦鐵礦與磁鐵礦或赤鐵礦共生形成貧連生體；(3)鈦鐵礦赤鐵化和鈦赤鐵礦單體的影響，鈦粗精礦采用一般的選礦方式難以分離鈦、鐵。

在馬拉維含難分離赤鐵礦的鈦鋯粗精礦工藝礦物學及分離新技術的研究[1]試驗基礎上，采取還原焙燒—磁選工藝將赤鐵礦和鈦赤鐵礦還原成為具強磁性的磁鐵礦和鈦磁鐵礦，利用磁鐵礦和鈦磁鐵礦場強與赤鐵礦和鈦鐵礦場強存在明顯差異[1]，采用弱磁選將磁鐵礦和鈦磁鐵礦等強磁性、含鐵量高的物質單獨回收，達到高效分離鐵、鈦的效果。

4 試驗結果及討論

4.1 焙燒方式對比試驗

為了比較鈦粗精礦通過不同的焙燒方式焙燒后磁選回收效果，主要進行了不焙燒、氧化焙燒和還原焙燒對比試驗。(1)還原焙燒：礦樣40 g，裝入50 mL鎳坩堝中，加入5%還原炭粉混合均勻后，放入875 ℃馬弗爐中保溫15 min后，水淬脫炭。(2)氧化焙燒：礦樣40 g，裝入50 mL鎳坩堝中，放入800 ℃馬弗爐中保溫30 min后，水淬。然后分別采用筒式磁選在0.15 T磁場強度下進行鈦、鐵礦物分離。試驗結果見表7。

結果表明，鈦粗精礦直接濕式磁選，在0.15 T磁場強度下，鐵精礦產率僅為0.02%，說明鈦鐵混合粗精礦中基本不含強磁性礦物。鈦粗精礦通過氧化焙燒和還原焙燒后，礦物磁性均發生了改變：其中氧化焙燒得到的鈦精礦 TiO2品位僅43.08%，提高幅度很小；還原焙燒得到鈦精礦TiO2品位達到48.07%，TiO2回收率為80.25%，還原焙燒后的鈦、鐵礦物分選效果明顯優于氧化焙燒效果。因此，以下試驗焙燒方式均采用還原焙燒方式，不再采用氧化焙燒或氧化—還原焙燒方式。

表7 焙燒方式對比試驗結果 /%

4.2 冷卻方式對比試驗

為了考察不同冷卻方式對還原效果的影響，采用40 g的鈦粗精礦在焙燒和磁選條件不變情況下，選擇了自然冷卻和水淬兩種方式進行冷卻方式試驗，試驗結果見表8。

表8 還原焙燒的冷卻方式對比試驗結果 /%

結果表明：在保持還原氣氛下自然冷卻，冷卻時間較短，與水淬效果相差不大。為了還原焙燒后礦樣中礦物性質盡量保持不變，本試驗均采用水淬方式進行后續試驗。

4.3 還原焙燒條件對比試驗

在鈦粗精礦精選分離試驗[1]基礎上，固定其他試驗條件不變，分別調整各還原焙燒的還原劑種類(表9)、還原劑用量(圖5)、還原溫度(圖6)和還原時間(圖7) 進行條件對比試驗，將礦樣從40 g擴大至1.1 kg后進行擴大試驗還原時間(圖8) 條件對比試驗，水淬后分別用筒式磁選在0.15 T磁場強度下進行鈦、鐵礦物分離。

表9 還原焙燒的還原劑種類試驗結果 /%

圖5 炭粉用量試驗結果

圖6 還原焙燒溫度試驗結果

圖7 還原焙燒時間試驗結果

結果表明，鈦粗精礦還原焙燒過程中，還原劑種類中炭粉、細粒無煙煤、粗粒無煙煤和褐煤粉的還原效果依次變差，同時隨著炭粉用量從2.5%增加到5%，鈦精礦品位升高；炭粉用量超過5%后，還原效果相差不大。 還原溫度在750 ℃到875 ℃區間，隨著還原溫度的提高，鈦精礦產率隨之降低，TiO2含量增高；當溫度達到900 ℃時，鈦精礦產率又開始上升、TiO2含量開始降低，鈦鐵礦過還原現象生成了沒有磁性的富氏體FeO。在還原溫度為875 ℃條件下，還原時間從10 min到12.5 min時，鈦精礦產率降低、TiO2品位提升；當還原時間超過12.5 min后，出現過還原現象。將礦樣從40 g擴大到1.1 kg后，還原時間從10 min到55 min時，鈦精礦產率降低、TiO2品位提升；當還原時間超過55 min后，出現過還原現象。 通過單因素條件試驗確定了還原焙燒工藝參數：還原劑種類為炭粉，炭粉用量為5%，還原溫度為875 ℃，還原時間為12.5 min，擴大試驗還原時間為55 min 。

4.4 磁選條件對比試驗

4.4.1 干式和濕式磁選對比試驗

永磁筒式磁選機分為干式和濕式兩種，為了考察兩種磁選機對磁選的影響，其他條件不變情況下開展對比試驗，結果見表10。

表10 干式和濕式弱磁選機對比試驗結果 /%

結果表明，干式和濕式弱磁選機分選本試驗物料效果接近，但濕式永磁筒式弱磁選機具有處理能力大、磁選成本低、容易操作維護、生產環保的優點，因此，后續試驗采用濕式磁選。

4.4.2 磁選機型對比試驗

固定還原焙燒條件，采用順流和逆流兩種不同濕式鼓筒磁選機型對比試驗，結果見表11。

結果表明：逆流式滾筒磁選機和順流式滾筒磁選機的磁選的效果差別不大，從能耗和處理量能力角度考慮，試驗采用順流型磁選機進行。

表11 磁選機機型試驗結果 /%

4.4.3 掃選磁場強度試驗

固定還原焙燒條件進行鈦粗精礦焙燒后水淬，采用濕式筒式磁選通過一次粗選(0.15 T)和一次掃選磁選，采用不同掃選磁場強度對比試驗，結果見表12。

表12 掃選磁場強度試驗結果 /%

結果表明，0.15 T場強條件下磁選所獲得的非磁產品中含少量鈦磁鐵礦或鈦赤鐵礦連生體，其磁性主要分布于0.3～0.45 T磁場強度之間，掃選磁場強度為0.45 T時，可獲得TiO2含量49%以上鈦精礦，因此，本次試驗選擇掃選磁場強度為0.45 T。

4.5 鐵粗精礦磨礦細度試驗

MLA及顯微鏡檢測結果表明，鐵精礦中主要礦物為磁鐵礦和鈦磁鐵礦，其中鈦磁鐵礦大多以包裹或連生微細粒的形式存在，導致鐵精礦中Fe含量較低。對還原焙燒—兩次磁選工藝中弱磁鐵粗精礦和中磁鐵精礦合并，對合并鐵粗精礦進行磨礦—弱磁選—中磁選試驗，試驗結果見表13。

表13 合并鐵粗精礦磨礦細度試驗結果 /%

結果表明，鐵粗精礦通過再磨磁選，鐵精礦品位可提高7.27百分點，次鈦精礦回收率為23.76%。

4.6 全流程擴大試驗

在鈦粗精礦試料擴大試驗中，還原溫度875 ℃，炭粉用量5%，進行了還原時間試驗(圖8)，最終確定擴大試驗還原時間為55 min。還原焙燒后磁選流程為一次粗選(0.15 T)和一次掃選(0.45 T)，試驗流程見圖9，試驗結果見表14。

圖8 擴大試驗中還原時間對鈦精礦的影響

圖9 全流程試驗

表14 全流程試驗結果 /%

4.7 產品分析

4.7.1 鈦精礦產品分析

鈦精礦產品的化學分析結果見表15，鏡下礦物觀察見圖10，礦物物相分析結果見表16。

表15 鈦精礦的化學分析 /%

圖10 掃描電鏡下的鈦精礦

表16 鈦精礦礦物組成分析結果 /%

鈦精礦的化學分析結果表明，鈦精礦各雜質含量均滿足人造金紅石、鈦鐵合金和高鈦渣五級品標準要求, 滿足鈦白用二級品標準二類產品要求。物相分析結果結合顯微鏡觀察表明，鈦精礦主要是磁性脈石礦物影響鈦精礦品位提高，鈦精礦產品中鈦鐵礦含量高達92.869%，赤鐵礦和鈦赤鐵礦含量低至0.634%，少數富鐵鈦鐵礦白鈦石化，脈石可見石榴石，還可見角閃石與鈦鐵礦連生。

4.7.2 鐵精礦產品分析

鐵精礦產品的化學分析結果見表17。

表17 鐵精礦的化學分析 /%

結果表明，鐵精礦各成分含量均滿足燒結用鐵礦粉一級品標準要求。由顯微鏡下分析可知，鐵精礦中主要含部分鈦磁鐵礦而影響鐵精礦品位。

5 結論

(1) 鈦粗精礦主要含鐵和鈦兩種有用元素，主要礦物是鈦鐵礦、鈦赤鐵礦和赤鐵礦，其含量分別為79.49%、11.09%和5.24%，解離度分別為84.87%、91.00%和10.76%，脈石礦物主要為石榴石、角閃石、輝石和石英等。

(2)鈦鐵礦中鈦、鐵固熔分離和氧化還原蝕變導致鈦鐵礦赤鐵礦化，部分形成鈦赤鐵礦。鈦鐵礦赤鐵礦化中的赤鐵礦片晶定向分布，鈦赤鐵礦中以赤鐵礦占主體，為鈦鐵礦與赤鐵礦固熔體分離形成的連晶或片晶，也可見微細粒鈦鐵礦呈定向排列。鈦鐵礦、赤鐵礦和鈦赤鐵礦通過常規的磁選、電選和重選等選礦方法均難以有效分離。

(3)根據鐵鈦礦物以上礦物性質特點，試驗針對TiO2含量42%左右的鈦粗精礦進行了詳細的條件試驗，優化出了較佳還原條件和磁選條件，采用還原焙燒—磁選工藝流程選別，使鈦粗精礦中鈦鐵礦與鈦赤鐵礦和赤鐵礦有效分離。試驗結果：鈦精礦中TiO2含量49.10%，回收率為77.57%。鐵粗精礦(焙砂經弱磁粗選和中磁掃選得到的產品合并)再磨至-0.045 mm占90%時，磁選可得到鐵精礦 ，其Fe含量56.71%、回收率19.16%。