李耀明,郭文军,刘占途,安 海

(中钢集团天津地质研究院,天津300061)

0 引言

高磷矿石的降磷工艺在选矿领域一直是个难题。我国的锰矿资源中有相当多的锰矿石因为磷的含量较高而不能利用;澳大利亚的高磷铁矿目前也只是作为配矿销售。本次研究旨在通过对澳大利亚某地高磷铁矿石的脱磷工艺研究,在高磷矿石的脱磷工艺方面取得一些进展,以提高资源的利用价值。

1 高磷铁矿中磷的赋存状态研究

研究磷在铁矿石中的赋存状态是脱磷的基础,研究中采用了显微镜鉴定、扫描电镜能谱分析、选择性溶解、淘析、化学分析及X射线衍射分析等方法进行综合研究。

1.1 高磷铁矿的化学组成

铁矿石的主要组分分析结果见表1;铁矿石综合样的X射线能谱分析结果见图1。

表1显示,铁矿石的杂质是比较单一的,而且含量较低。主要的有害元素磷的含量较高,需要通过选矿进行降磷处理。

图1 铁矿综合样X射线能谱分析图谱Fig.1 Diagram of X-ray energy spectrum of a composite Fe ore sample

1.2 铁矿石结构构造及矿物组成

矿石中主要铁矿物有赤铁矿和褐铁矿两种,赤铁矿呈自形-半自形的粒状,为磁铁矿假象;褐铁矿则具有典型的胶体充填结构和胶状构造(图2)。

表1 铁矿石主要组分分析结果Table 1 Analysis of main components of the Fe ore

通过镜下反复地观察,未见有独立的磷矿物,主要由赤铁矿和针铁矿组成。抛光片的显微镜观察证明,褐铁矿的分布十分广泛,它不仅如图2所显示的那样存在于赤铁矿粒间和细裂隙中,在赤铁矿内部也常见有细粒褐铁矿的存在(图3,图4)。

1.3 磷在矿石中的赋存状态

1.3.1 褐铁矿中含磷的定性考查

首先用扫描电镜对铁矿石中两种铁矿物褐铁矿及赤铁矿中含磷的对比能谱进行分析,以定性地考查磷在两种矿物中的含量高低,结果发现绝大多数的褐铁矿中含磷及铝、硅,而赤铁矿在相同的测定条件下不能显示磷。扫描电镜能谱分析结果见图5,图6。

1.3.2 磷在不同粒级产品中的富集趋势

扫描电镜分析结果显示,矿石中的磷在褐铁矿中确有富集现象,这种现象在矿石中普遍存在。由于赤铁矿与褐铁矿的硬度差异较大,褐铁矿的硬度明显低于赤铁矿,在不同粒级产品中磷更趋向于在褐铁矿中富集。

图4 与图3b各分析点对应的X射线能谱谱线图Fig.4 X-ray energy spectrum diagram corresponding to analysis point of fig.3

图5 铁矿石抛光面的背散射电子图象Fig.5 Scatering SEM photo of polishod section of Fe ore

表2 经磨细-分级后不同粒级产品中磷的质量分数Table 2 P contents Fe ore in different grain size

实际上经磨矿-分级后所得各个粒级产品依然是赤铁矿和褐铁矿的混合物,但粗粒级产品中赤铁矿相对富集,而细粒级产品中则褐铁矿相对增加。表2显示,随着粒级变细,矿样中磷的质量分数逐渐增加,表明在褐铁矿中磷元素有富集的趋势。

2 高磷铁矿石的降磷试验研究

对高磷铁矿中磷的赋存状态研究,为降磷试验提供了基础。本次试验研究采用物理选矿和化学选矿两种方法。

2.1 物理选矿

2.1.1 重选试验

重选试验的设备采用摇床,试验结果见表3。

从表3看,细磨后用重选方法可降低磷含量,但精矿产率太低。这与物相研究结果吻合。铁矿石的磷主要赋存于褐铁矿中,而赤铁矿中则少见,且褐铁矿较赤铁矿硬度小,易磨细,重选时容易进入尾矿部分。

2.1.2 磁选试验

采用湿式强磁选机进行磁选试验,试验结果见表4。

表4显示,磁选方法难以进行有效分选,主要原因是磷与铁矿物紧密共生,这与物相分析认为磷呈胶体状态产出而没有独立矿物存在的结论相吻合。

2.2 化学选矿试验

化学选矿试验主要采用酸浸方法。首先进行铁矿石破碎粒度试验,之后进行焙烧-酸浸试验。

2.2.1 铁矿石粒度对酸浸试验的影响

把铁矿石磨到粒度为-200目占66.8%和97.6%时,在室温下用5%和10%的硫酸和盐酸进行浸出,矿浆浓度25%,并进行搅拌,试验结果见表5。

从表5可以看出,不管是浸出介质的种类变化(硫酸或盐酸),浸出时间的长短,还是铁矿样品粒度的差别,试验结果中的磷与原矿样相比,基本上无明显变化。

图6 能谱分析谱线图(与图5中标注各分析点相对应)Fig.6 Energy spectral line diagram

表3 铁矿石摇床重选试验结果Table 3 Results of table concentrator of Fe ore

表4 铁矿石磁选试验结果Table 4 Magnetic concentration results of Fe ore

2.2.2 焙烧-酸浸试验

(1)焙烧温度及浸出介质综合试验。焙烧在马弗炉中进行,焙烧处理可以使含铁矿物烧结不易溶解,通过焙烧可以去除部分结晶水,增加矿样的孔隙度。

把粒度-200目占97.6%的铁矿样用马弗炉焙烧2 h,焙烧温度分别为500℃和700℃,浸出介质为10%的硫酸、盐酸、硝酸及乙酸,矿浆浓度为25%,浸出环境为95℃的水浴,浸出时间为2 h,试验结果见表6。

表5 铁矿石酸浸试验结果表Table 5 Results of acid-leaching test of Fe ore

浸出的介质条件以硫酸为最好,而焙烧温度则800℃的效果要优于600℃。

(2)焙烧温度试验。把粒度-200目占97.6%的铁矿样用马弗炉焙烧2 h,温度分别为500℃,700℃,800℃和900℃,其他条件不变,浸出结果见表7。

表6 焙烧-酸浸试验结果表Table 6 Roasting-leaching results

表7 不同焙烧温度下铁矿样浸出效果对比Table 7 Leaching rate of Fe at different temperature

从表7数据可以看出,随焙烧温度的提高,降磷效果越来越明显;同时产品的产率也随之增加。受条件所限,没有进行更高温度的试验,但推测温度过高会导致矿物的烧结,反而会影响浸出的效果。

(3)铁矿样粒度试验。在其他条件不变的情况下,改变铁矿样的粒度进行试验,其浸出结果见表8。

表8表明,不同粒度铁矿样的浸出效果变化不是特别明显,产品产率的变化也不大。在生产中应选择增加矿样粒度,这样既节省费用又便于生产操作。

(4)浸出时间试验。采用粒度的-2 mm铁矿样进行了浸出时间对降磷效果的试验研究。在其他条件不变的情况下,分别浸出2h,3h,4 h。试验表明,浸出时间的变化对浸出效果的影响不是很明显(表 9)。

表8 不同铁矿样粒度浸出结果对比表Table 8 Leaching rate of different-size ore

表9 不同浸出时间铁矿样浸出结果对比表Table 9 Leaching rate at different leaching periods

3 结论

(1)澳大利亚某地高磷铁矿石主要由赤铁矿和褐铁矿组成,而褐铁矿的成因与铁的胶体沉淀过程有关。在铁矿石中没有发现磷的独立矿物,但扫描电镜探查证实褐铁矿普遍含磷,而在赤铁矿中不存在这种现象,认为褐铁矿在形成过程中带正电的氢氧化铁胶体从介质中吸附了磷。通过磨矿-分级,磷在较细级别中相对富集,而在粗粒级中贫化,故而判断磷在褐铁矿中呈富集趋势。

(2)试验研究表明,物理选矿方法很难降低铁矿石中磷的质量分数。而采用焙烧-酸浸的化学选矿方法可有效降低磷在铁矿中的含量,原样中磷的质量分数为0.15%,试验中最好的浸出产品中磷的质量分数只有0.03%,降磷效果非常明显。

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