于长江， 徐月和

(中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038)



稀贵金属

包头混合稀土矿开发利用过程中Th元素走向与分布研究

于长江， 徐月和

(中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038)

通过对包头混合稀土矿开发利用过程系统考察，以放射性核素Th作为特征因子，按照采选、钢铁冶炼、稀土冶炼三大流程研究Th的走向与分布，形成包头混合稀土矿开发利用Th平衡图。

Th； 混合稀土矿； 白云鄂博； 分布

0 前言

白云鄂博矿是一个富含铁、稀土、铌和放射性元素钍的大型综合矿床，钍的含量高达22万t，约占全国总储量的77.3%[1]。随着铁和稀土资源的开发，含有放射性元素钍的废气、废水、废渣对包头周边地区产生了不容忽视的环境影响。与此同时，钍资源的有效利用率几乎为零。目前，尚缺乏对采选、钢铁冶炼、稀土冶炼全流程的Th分配系统考察。因此，查明包头混合稀土矿开发利用全过程中Th的走向和分布，有助于钍资源的针对性利用，从而减轻放射性环境污染。

1 包头混合稀土矿地质资源特征

白云鄂博稀土铁矿床距内蒙古包头市135 km，是目前世界上最大的稀土矿床。矿区东西长约18 km，南北宽约2～3 km，主要由三个矿体组成：东矿、主矿和西矿。该矿位于内蒙古地台和蒙古海西褶皱带之间的过渡带内，矿床形成于裂谷构造环境[2]。

白云鄂博矿床呈薄层状和透镜体状产于陡倾斜的白云岩中。主要的铁矿石矿物是磁铁矿、镜铁矿和赤铁矿，稀土矿物与它们互成夹层。该矿床的稀有、稀土矿物多达41种，分布较广者为独居石、氟碳铈矿、氟碳钡铈矿、褐帘石、铌铁矿、烧绿石、铌金红石、铌易解石- 钛易解石系列、褐钇铌矿- 褐铈铌矿系列等。各类矿石中REE的赋存状态是、约60%～95%的REO以独立REE矿物的形式存在，5%～40%的REO以分散状态赋存于其他矿物中[3]。

白云鄂博矿床中铌稀土铁矿石中钍含量平均值596×10-6、铀含量平均值2.5×10-6，钍是引起白云鄂博矿放射性的主要元素。矿床中钍的存在形式主要有两种：一种是钍的独立矿物，如方钍石、铁钍石、铀钍石和菱铁钙铀钍石等；另一种是类质同象矿物，如易解石、独居石等；另有少量的钍呈分散状态存在于各种矿石矿物和脉石矿物中。主矿体ThO2平均含量为0.038%，东矿体ThO2平均含量为0.038%[4]。

2 包头混合稀土矿采选工艺及Th平衡

白云鄂博主东矿为露天开采，联合运输开拓，主采场矿岩采用汽车—采场外转载—铁路联合运输方式；东采场矿石采用汽车—采场外转载—铁路联合运输方式。根据收集的多年平均数据，铁矿石原矿产量1 200万t左右，其中氧化矿600万t，磁铁矿600万t。

图1 包头混合稀土矿采选Th平衡图

包钢选矿厂现有8个生产系列，2个外购精矿再磨再选生产系列，采用3种选别工艺，1、2、4、5系列处理白云鄂博主、东矿中贫氧化矿矿石，6、7、8、9系列处理白云鄂博主、东矿磁铁矿矿石，3和10系列为外购铁精矿再磨再选系列。主、东矿氧化矿矿石的选矿工艺为：弱磁-强磁-反浮选-正浮选。主、东矿磁铁矿矿石选矿工艺为：弱磁-反浮选。稀土矿物富集于氧化矿强磁选的强磁中矿和强磁尾矿中，其矿物组成为稀土矿物、含铁硅酸盐矿物和萤石等，该矿浆进入稀土选矿厂再选。

稀土的选矿采用混合浮选- 重选- 浮选联合流程，该工艺的实质是利用矿物可浮性的差异，在矿浆pH=9～10的条件下，采用氧化石蜡皂为捕收剂，水玻璃为抑制剂进行混合浮选，使稀土、萤石、重晶石等易浮矿物进入泡沫产品。对泡沫产品进行重选，以便脱除矿泥和药剂的不利影响，并排出方解石、萤石等轻矿物，得到含REO为25%～30%的低品位稀土精矿。对这种低品位精矿，在矿浆pH=8～9的条件下，采用水玻璃为抑制剂，H205为捕收剂进行稀土浮选，可得到含REO为60%的稀土精矿[4]。包钢稀选厂产出的混合稀土精矿品位在50%左右。

包头混合稀土矿采选Th平衡图见图1。

原矿中的Th主要随选矿工艺流程富集在稀土尾矿、磁铁尾矿和泡沫尾矿3种尾矿中，在稀土精矿和铁精矿中均有一定的分布，极少量随粗碎及细碎粉尘外排。从采选工艺Th平衡来看，原矿中的Th总量为4 800 t/a，经选矿后稀土精矿中Th占比13%，铁精矿中Th占比11.6%，混合尾矿中Th占比75.5%，粗碎和细碎粉尘中合计Th占比2.5×10-6。

3 包头稀土精矿冶炼工艺及Th平衡

包头稀土精矿的处理目前普遍采用第三代硫酸法工艺，工艺流程为浓硫酸分解—水浸出—P204萃取转型—混合氯化稀土。在300 ℃以下，精矿中的氟碳铈矿、独居石、萤石、铁矿石、二氧化硅等主要成分即可被硫酸分解，稀土转化为可溶性硫酸盐；以磷酸盐存在的钍也被分解为可溶性硫酸盐；随着温度的升高，在超过500 ℃时，钍转变为难溶的焦磷酸钍[6]。焙烧矿直接用自来水进行调浆，并在常温下进行搅拌浸出即可得到稀土硫酸盐溶液。用P204作萃取剂将硫酸溶液中的稀土全部萃入有机相，然后用盐酸反萃，即可将硫酸稀土溶液转化为氯化稀土溶液。在萃取过程中可从萃余液中排除钙、镁、铁等杂质，并通过控制反萃剂的浓度和流量得到高浓度的氯化稀土溶液。随后对得到的氯化稀土溶液进行分离或直接制成混合氯化稀土、碳酸稀土的产品。稀土精矿中的Th主要以焦磷酸钍的形式存在于水浸后的水浸渣中，少量分布在废水处理产生的中和渣中，极少量分布在焙烧烟尘和外排废水中。从Th平衡来看，稀土精矿经过浓硫酸高温焙烧后97.38%进入水浸渣，2.25%进入中和渣，0.12%进入焙烧烟尘，0.27%进入废水中。

4 包钢铁精矿冶炼工艺及Th平衡

包钢钢铁产业目前具有年产1 000万t钢的综合产能，形成了板、管、轨、线(棒)四大系列钢铁产品生产线。依据多年统计数据，包钢集团公司年生产生铁976万t、粗钢1 030万t、钢坯1 020万t、商品钢材963万t。包钢外购铁精矿300万t/a，自产铁精矿430万t/a。包钢共有四个烧结车间，烧结机7台，设计烧结能力1 400万t/a，实际烧成率0.91，烧结矿产量1 264万t/a。球团矿产量299万t/a。公司拥有2 200 m3高炉3 座，1 800 m3高炉1 座，1 500 m3高炉1座，2 500 m3高炉1 座。高炉渣率0.36 t渣/t生铁，因生铁产量976万t/a，故高炉渣产量351万t/a。自产铁精矿中的Th主要经烧结工序和高炉冶炼工序进入高炉渣，微小数量的Th通过烧结烟尘和高炉烟尘外排。从Th平衡来看，铁精矿经过高炉冶炼后绝大部分Th进入高炉渣，约占99.96%，其余烧结烟尘和高炉烟尘中的Th合计占比0.04%。

5 包头混合稀土矿开发利用过程中的Th平衡

综上所述，通过对包头混合稀土矿采矿、选矿、稀土冶炼、钢铁冶炼(相关部分)工艺的系统分析，重点考察特征污染物Th的走向及分布。

表1为包头混合稀土矿开发利用过程中的Th平衡表。

白云鄂博混合稀土矿原矿多年平均产量1 200万t，按矿石中钍平均品位0.04%计算，共计含钍量4 800 t/a。白云矿开采剥离后，经粗碎和选厂细碎，产生含有放射性物质的粉尘。其中白云破碎站的废气产生量为7万m3/h，粉尘浓度约10 mg/m3，粉尘年排放量5.54 t，含钍量2.49 kg/a；选厂细碎车间废气产生量为7万m3/h，粉尘浓度约40 mg/m3，破碎粉尘年排放量22 t，含钍量9.68 kg/a。经包钢选厂及稀选厂精选后，放射性核素钍富集于稀土精矿、铁精矿和尾矿。其中稀土精矿含钍量624 t/a，占总钍量的13%；铁精矿含钍量559 t/a，占总钍量的11.6%；尾矿含钍量3 626 t/a，占总钍量的75.5%。

包钢自产铁精矿与外购铁精矿混合后进入包钢钢铁厂冶炼，通过烧结和高炉冶炼两个工序，放射性核素钍主要富集于高炉渣，高炉渣351万t/a，含钍量558.8 t/a，占总钍量的11.6%。在此过程中，产生烧结烟尘2 023 t/a，含钍量80.92 kg/a；产生高炉出铁口烟尘1 094 t，含钍量97.37 kg/a。

稀土精矿26万t/a，其中15万t/a精矿外送到其它地区进行冶炼分离，另外11万t/a精矿供包头本市的三家稀土冶炼企业生产稀土氧化物。稀土精矿经高温焙烧及水浸后，放射性核素钍主要富集于水浸渣及中和渣，水浸渣6.27万t/a，含钍量257 t/a，占总钍量的5.3%；中和渣1.21万t/a，含钍量5.9 t/a，占总钍量的0.1%。其余微量的钍主要分布于焙烧烟尘及废水中，含钍量分别为317.24 kg/a和713.79 kg/a。

包头混合稀土矿开发利用过程中的Th平衡图见图2。

表1包头混合稀土矿开发利用过程中的Th平衡表

序号工艺物料名称产量/t·a-1Th品位/%Th含量/t·a-1相对比例1选矿原矿120000000.0404800100%白云粗碎5.50.0452.48×10-35×10-7选厂破碎220.0449.68×10-32×10-6粉矿120000000.0404800100%稀土精矿2600000.24062413%铁精矿43000000.01355911.65%稀土尾矿24400000.04097620.33%铁选尾矿50000000.053265055.21%2钢铁冶炼铁精矿43000000.013559100%烧结烟尘20230.00480.92×10-31.5×10-4高炉烟尘10940.00997.37×10-31.5×10-4高炉渣35100000.017558.899.97%3稀土冶炼稀土精矿(供外地)1500000.240360—稀土精矿(供本市)1100000.240264100%焙烧烟尘396.60.080317.24×10-30.12%废水32800002.2×10-5713.79×10-30.26%水浸渣627000.4125797.38%中和渣121000.0495.92.25%

图2 包头混合稀土矿开发利用过程中的Th平衡图

6 结语

综上所述，包头混合稀土矿原矿中的放射性核素钍除随部分稀土精矿输送到外省(约7.5%)，其余主要分布于选矿尾矿(约75.5%)、高炉渣(约11.6%)、水浸渣(约5.3%)及中和渣(约0.1%)4种固体废物中，微量分布于各类烟粉尘中和废水中。从包头混合稀土矿开发利用全过程来看，包头钢铁采选及冶炼对钍排放的贡献占比达66.7%，而稀土选矿及冶炼分离对钍排放的贡献占比25.8%，外部性输出贡献占比7.5%。

[1] 徐光宪.白云鄂博矿钍资源开发利用迫在眉睫[J].稀土信息，2005,(5)：4-5.

[2] 徐光宪.稀土(第二版)[M].北京：冶金工业出版社，1995.

[3] 陈德潜.实用稀土元素地球化学 [M]. 北京：冶金工业出版社，1990.

[4] 赵长有.白云鄂博的钍与铀(一)[J].稀土信息，2006,(7)：12-15.

[5] 池汝安.稀土选矿与提取技术 [M].北京：科学出版社，1996.

[6] 吴文远.稀土冶金技术 [M].北京：科学出版社，2012.

Study on Th trend and distribution in the development of Baotou rare earth mine

YU Chang-jiang， XU Yue-he

By systematic investigation on development of Bayan Obo rare earth, the balance graph of Th for development of the rare earth is formed based on Th trend and distribution in mining and separation, steel smelting and rare earth smelting with radionuclide Th as characteristic factor.

Th; rare earth; Bayan Obo; distribution

于长江(1981—)，男，辽宁沈阳人，硕士，工程师，主要从事有色环保及节能工作。

2012年度环保部环保公益性行业科研专项“典型地区稀土开发与生产环境风险评估与监管技术研究”中的课题——“典型区域稀土开发相关污染源清单研究”

2016-01-22

TF845.2

B

1672-6103(2016)03-0039-04