许 言，孙体昌，杨志超，刘占华

(北京科技大学,北京 100083)

鲕状赤铁矿多形成大型沉积铁矿床,如法国的洛林铁矿、美国的克林顿铁矿。鲕状赤铁矿因其鲕状构造,一般嵌布粒度极细。在地质成矿过程中,赤、褐铁矿与石英、黏土类脉石矿物一般是由鲕状颗粒中心向外呈不规则壳状层层包裹,形成多层状构造,铁矿物层与脉石层之间界限不是十分明显,而呈现过渡现象,同时此类铁矿中铁矿物和脉石矿物的嵌布粒度均较细。当铁矿物单体解离度85%时,矿物颗粒直径通常达到-20 μm左右。由于这一粒径范围已超过现行选矿工艺设备的极限而造成鲕状赤铁矿分选困难。

世界高磷铁矿石的主要产区在北美、北欧、澳大利亚、沙特阿拉伯和我国的长江流域。这些含磷弱磁性铁矿石主要有热液型和沉积型，热液型铁矿石中的磷主要以磷灰石形态存在，沉积型铁矿石中的磷主要以鲕粒状胶磷矿形态存在，与铁矿物等共生关系密切，多浸染于氧化铁矿物颗粒的边缘，或嵌布于石英或碳酸盐矿物中，少量赋存于铁矿物的晶格中。磷灰石晶体主要呈柱状、针状、集晶或散粒状嵌布于铁矿物及脉石矿物中，粒度较小，有时甚至在 2 μm 以下，不易分离，这种铁矿石属难选铁矿石[1-4]。

尼日利亚某高磷铁矿石是鲕状构造为主的沉积型铁矿。有用矿物主要为赤铁矿和褐铁矿。该铁矿石品位为50.08%,含磷0.72%。为配合尼日利亚高磷铁矿石的开发利用，对赤铁矿、褐铁矿型矿石的选矿工艺矿物学进行了研究分析,阐明了该铁矿中主要矿物的嵌布特征和磷在矿石中的赋存状态,为赤铁矿、褐铁矿提铁降磷工作提供基础资料和理论依据。

1 矿石的化学成分

表1是尼日利亚铁矿石(以下简称矿石)的多元素分析结果。可以看出，该矿石中铁的品位较高，达到了50.08%，同时磷的含量也较高，达到0.82%。杂质成分中硅的含量较低，但铝的含量较高。硫元素的含量较低，只有0.016%。矿石的自然碱度(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)=0.035为酸性矿石。

表1 矿石多元素分析结果

2 矿石中铁的化学物相分析

表2是铁的化学物相分析结果。可以看到，铁主要以赤(褐)铁矿的形式存在，占88.43%；硅酸铁的含量较高，占11.32 %；其他形存在的铁含量较少。

表2 铁的化学物相分析结果

注：“其他Fe”主要指硅酸盐矿物中的铁。

3 矿石的结构和构造

3.1 矿石构造

显微镜观察表明,矿石构造类型较为简单,主要为鲕状构造。矿石为红色,以赤铁矿和褐铁矿为主,由胶体形成的他形细粒集合体,赤铁矿、褐铁矿与脉石层间分布形成鲕状构造。从图1可以看出，鲕粒大都呈椭圆形，有的鲕粒呈团块状，矿体边界不清楚，不平整，参差不齐，呈姜结仁状；有的包裹较多的碎屑矿物，成为假鲕粒。鲕粒的大小不一，最小直径仅有0.3 mm，而最大直径可达1.5 mm，平均粒径约1 mm。鲕粒核心十分复杂，主要是石英砂粒、赤铁矿内碎屑以及黏土矿物。有的鲕粒则是无核心、无环带的铁质凝胶团粒。鲕粒的环带较为特殊，层数少且较不明显，大都是由呈微粒(粒径为1μm)半自形晶及包裹体形式的赤铁矿组成；还有部分环带是由赤铁矿、褐铁矿，脉石矿物等的胶结在一起组成的。鲕粒间基质为含铁矿物(褐铁矿、绿泥石)以及黏土矿物等的胶结物，少数为这些矿物的碎屑及石英碎屑。部分碎屑看上去像是残破的鲕粒，黏土矿物等填充于鲕粒间隙中。团粒状和鲕状的赤铁矿里，或者其边缘部分常包裹有小颗粒的石英碎屑。

除了鲕状构造外,还有浸染状构造和角砾状构造。赤铁矿主要呈星点状或不规则状矿物集合体分散在褐铁矿及脉石矿物构成的基质中,构成稀疏浸染状和星散浸染状构造。呈浸染状分布的赤铁矿粒度细小,与脉石矿物交织在一起,难以充分解离。部分铁矿物以较致密的集合体形态存在,呈破碎的角砾状构造。

图1 矿石鲕粒扫描电镜图(20X)

3.2 矿石结构

从图1、2可以看出，该矿石以他形粒状结构和包含结构为主,另外还有网脉、斑晶和压碎结构。

1)粒状结构。赤铁矿呈半自形、不规则他形集合体嵌布, 稀疏地浸染在矿石中。

2)包含结构。微细粒赤铁矿常包裹石英、绿泥石等脉石矿物等,构成包裹结构集中或零星的分散在褐铁矿基质中。这种结构形式的赤铁矿粒度很细,难以从脉石中充分解离。

3)网脉结构。一些脉石矿物沿褐铁矿的网脉裂隙充填交代呈网脉状。

4)压碎结构。可能是由铁矿石受到构造应力作用后被压碎成角砾状所形成的结构。

5)斑状结构。脉石矿物在较细粒的基质中呈巨大的斑晶，这些斑晶具有一定程度的自形。

图2 矿石结构扫描电镜图

4 矿石中主要矿物的特征及嵌布关系

图3是铁矿石的X射线衍射图。可以看出，矿石的组成比较简单，主要矿物为赤铁矿和褐铁矿，其他矿物成分很少，分辨不出单独的脉石矿物。X射线衍射图中只显示了铁矿物而未显示出脉石矿物，其主要原因是大部分脉石矿物结晶较差，且含量较低。

图3 矿石X射线衍射图

矿石中金属矿物主要有褐铁矿和赤铁矿，其他金属矿物的含量比较低。矿石中赤铁矿与褐铁矿共生密切，多数赤铁矿呈土状、鲕状与胶状褐铁矿一同嵌布在脉石矿物中。相比之下，褐铁矿的嵌布粒度较粗，而赤铁矿粒度细。

赤铁矿是矿石中主要的铁矿物之一。图4元素能谱分析图表明,赤铁矿常含有微细包裹体以及类质同象杂质Ti、Al、Mn、Ca、Mg。赤铁矿主要呈微粒(粒径为1 μm)半自形晶及包裹体形式，以集合体的形式赋存，集合体常呈同心圈层状物构成鲕粒。赤铁矿同心圈层间常分布绿泥石、褐铁矿的同心圈层,有时部分赤铁矿也分布于鲕粒间的褐铁矿胶结物中，另有部分微细针状赤铁矿则稠密浸染于脉石矿物中。

褐铁矿是矿石中主要的铁矿物之一。多由针铁矿、水针铁矿、纤铁矿、水纤铁矿、更富水的氢氧化铁胶凝体、铝的氢氧化物、泥质等混合组成，有时还有Mn、Cu、Pb、Ni、Co、Au等杂质，铁含量变化很大。褐铁矿主要以胶结物的形式分布于鲕粒之间构成鲕粒的基质，少部分褐铁矿与石英等脉石矿物胶结，呈块状结构或土状集合体分布于裂隙或孔洞中。

5 矿石中脉石矿物的研究

由于原矿的X射线衍射分析难以确定脉石矿物，且通过扫描电镜只能看到少量石英、绿泥石、黏土矿物等，其余大多是脉石矿物的集合体而不易单独辨别。因此，用磁选后的尾矿做X射线衍射，以便分析脉石矿物。

原矿弱磁选实验条件为：粒度-4 mm的铁矿石用棒磨机磨细至-200目，矿浆浓度50%，磁场强度2330 Oe，用磁选管进行磁选。最终获得产率40%、铁品位53.87%、含磷0.69%的铁精矿和产率60%、铁品位48.93%、含磷0.65%的铁尾矿。

分别将磁选获得的精矿和尾矿做X射线衍射(图5)和扫描电镜。结果表明，磁选效果差，精矿和尾矿差距不大，仍不能将铁矿物和脉石矿物有效的分选出来。原因是铁矿中的赤铁矿单晶颗粒极细, 难以解离进行选别；精矿中大都是赤铁矿集合体且胶结现象严重，而作为胶结物的一部分铁矿进入尾矿中。

图4 赤铁矿和褐铁矿能谱图

6 磷的赋存状态的初步研究

磷在矿石中含量为0.82%，但X射线衍射与扫描电镜中均未发现主要的含磷独立矿物。单一的岩矿鉴定的方法难于确定磷的状态，因此通过选择性溶解法和扫描电镜能谱共同分析研究磷的赋存状态。

6.1 选择性溶解法

胶磷矿是一般沉积型铁矿石中磷的主要存在形式，故首先测定铁矿石中是否含有胶磷矿，方法为用10%的HAC选择性溶解胶磷矿[5]。

磷灰石在HCl、HNO3中极易溶解，可溶于10 %以上热醋酸中。含磷量18.5%的胶磷矿标本20 mg进行溶解试验:室温下用10%的醋酸在不断搅拌下溶解60 min,胶磷矿溶解完全，其磷的溶解率达100%。为此用10%的醋酸在常温下进行胶磷矿的选择性溶解实验。

在室温下，分别取5 g粒度小于0.074 mm的铁矿石加入100 mL 10 %的HAC，搅拌浸取不同时间，过滤，分别测定滤液中磷的含量(图6)。可以看出，磷的溶解量非常少，只能达到0.1%左右，大部分的磷仍然在残渣中。试验证明，此矿石中只有极少量以胶磷矿形式存在的磷。

图6 矿石浸出时间与浸出率关系图

6.2 扫描电镜分析

对矿石进行扫描电镜能谱分析,由测定结果可知，矿石中铁和磷关系紧密，铁与磷含量成正比。大部分的磷都高度分散在赤铁矿、褐铁矿之中。将描电镜图片放大倍数到3000倍时,赤铁矿、褐铁矿的矿物颗粒看上去并不纯(图7)，其中均匀地分布着磷,以及机械混入的Al2O3,SiO2等成分。这部分磷元素以类质同像和极细的机械混入物的形式存在铁矿中,仅通过机械选矿的方法无法使其和铁分离。

矿石中含磷的独立矿物含量较少，通过扫描电镜观察，发现只有极少量的磷灰石、磷铝石、纤磷钙铝石等。这些含磷矿物呈不规则的粒状、团状或被铁矿物包裹充填于赤铁矿、褐铁矿基质及鲕粒缝隙之中，与它们呈紧密共生关系。

图7 褐铁矿颗粒扫描电镜图(3000 X)

7 结论

1)尼日利亚铁矿石属以赤铁矿、褐铁矿为主的高磷铁矿石,铁品位为50.08%，脉石矿物含量较少，且胶结在一起难以确定。有害元素磷的含量高达0.82%,磷的独立矿物较少，杂质磷主要以类质同像和极细的机械混入物的形式存在铁矿中,仅通过机械选矿的方法无法使其和铁分离。部分含磷的独立矿物随着磨矿细度增加部分可剔除,但由于和铁矿物关系紧密,仍会有部分连生体进入精矿而影响选矿效果。

2)矿石以鲕状构造为主, 鲕粒的环带较为特殊，层数少且较不明显，大都是由呈微粒(粒径为1 μm)半自形晶及包裹体形式的赤铁矿组成。还有部分是由赤铁矿、褐铁矿，脉石矿物等的胶结在一起组成的环带。

3)铁矿物嵌布粒度细且胶结现象严重,磨矿作业时集合体中的矿物难以单体解离,这是该类型矿石难选的重要原因之一。

[1] 周乐光.工艺矿物学[M].北京:冶金工业出版社, 2007.

[2] 许时.矿石可选性研究[M].北京:冶金工业出版社, 2007.

[3] 何洋,王化军.惠民高磷铁矿石还原焙烧同步脱磷工艺研究[J].金属矿山，2011(3)：60-62.

[4] 郝先耀,戴惠新,赵志强.高磷铁矿石降磷的现状与存在问题探讨[J].金属矿山，2007(7)：7-10.

[5] 左士瑜，吴瑞端. 化学物相分析法研究赤铁矿中微量磷的赋存状态[J].矿冶工程，1993(8)：68-70.