刘东泉， 李文博， 韩跃新， 李艳军， 刘 杰

（东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110819）

鲕状赤铁矿是一种以鲕状集合体形式存在的沉积型铁矿资源，其特点是物质组成复杂、嵌布粒度细，有用矿物与脉石矿物层层包裹，呈同心环带状结构［1-2］。部分该类型矿石还具有磷含量高（0.4%～1.8%）的特点，称为高磷鲕状赤铁矿［3］。 由于世界范围内富铁矿和易选的贫铁矿资源日益减少，同时世界各国对钢铁的需求却越来越旺盛，因此开发以高磷鲕状赤铁矿为代表的难选铁矿资源迫在眉睫。 该类矿石在我国储量可观，分布地区广泛，典型的如宁乡式鲕状赤铁矿，已探明储量达37.2 亿吨，预测远景储量超过100 亿吨，而国外同样资源储量巨大且分布不均，仅欧洲中部法、德等国、美国、澳大利亚、哈萨克斯坦、尼日利亚和阿尔及利亚等国境内储量就达到数百亿吨［4-5］。 但国内外对于矿石中主要有害元素磷的脱除方法尚无一致定论，而磷含量高极易导致钢材发生“冷脆”现象［5］，所以探明铁、磷等主要元素的赋存状态对于高磷鲕状赤铁矿的大规模利用具有重要作用。

系统的工艺矿物学研究可以探明矿石中元素的赋存状态及镶嵌关系，对于矿石高效分选利用具有重要的指导意义，本文研究矿石来源于阿尔及利亚某高磷鲕状赤铁矿（磷含量在0.4%～1.2%之间），借助X 射线荧光光谱、X 射线衍射、扫描电子显微镜、MLA 自动矿物分析等分析手段，进行了化学组成、矿物组成、矿石结构构造和主要矿物嵌布特征等方面的研究，为后续的选别工作奠定了良好基础［6-9］。

1 矿石化学元素分析

为确定原矿样品中各元素的含量，采用化学分析法与X 射线荧光光谱分析法对其进行了化学组成分析，结果见表1。

表1 原矿化学多元素分析结果（质量分数）/%

分析结果表明，矿石中主要的金属元素为Fe；主要杂质成分为SiO2；有害元素P 含量较高，S、As 含量相对较低。

铁是矿石样品中的主要元素，同时也是主要的回收成分，为了确定铁的赋存状态，对其进行了铁化学物相分析，结果见表2。 矿石中的铁主要以磁性铁中铁的形式存在，其次是赤褐铁矿中铁，再次是碳酸铁中铁，剩余极少量的铁分布在硫化铁和硅酸铁中。

表2 原矿铁物相分析结果

2 矿物组成分析

为确定矿石中的矿物组成，采用显微镜镜下鉴定、X 射线衍射分析以及自动矿物分析（MLA）等分析检测手段，重点查明铁和磷的元素赋存状态，并考察矿物间共伴生情况。

矿石X 射线衍射分析结果见图1。 矿石中主要铁矿物为赤铁矿和磁赤铁矿，其次为褐铁矿（包含针铁矿）和磁铁矿，非金属矿物主要为鲕绿泥石、磷灰石等。

图1 原矿X 射线衍射分析结果

矿石MLA 检测结果见表3。 可见矿石中铁主要赋存矿物为赤铁矿和磁赤铁矿，其次为磁铁矿和褐铁矿，黄铁矿与钛铁矿相对较少。 脉石矿物中鲕绿泥石含量最多，磷灰石作为磷的主要赋存矿物，独居石极少见。 金属硫化物很少，偶见黄铁矿、闪锌矿。 其他脉石矿物有石英、铁白云石、高岭石、方解石、锆石、重晶石、斜长石等。

表3 矿物组成及含量（质量分数）/%

3 矿石结构构造

矿石显微镜图像如图2 所示。 由图2 可见，该矿石样品为鲕状赤铁矿矿石，具自形-半自形结构、鲕状结构、碎屑结构，部分赤铁矿呈自形粒状分布，在矿石中自形程度较好，与其他矿物有明显分界面，部分赤铁矿与绿泥石等矿物镶嵌在一起，不具完整界面。 鲕粒多为球状、椭球状、长条状等形态，赤铁矿、褐铁矿、铁绿泥石、磷灰石及石英等成分交互生长，粒度大小介于0.1～0.4 mm。 胶结物则以褐铁矿和铁绿泥石为主，其次为碳酸盐矿物，高岭石等。 矿石呈角砾状构造、块状构造，部分赤铁矿呈致密块状，亦有部分赤铁矿片理不佳，绿泥石、碳酸盐矿物等沿其破碎裂隙贯入，形成角砾状构造。

图2 矿石显微镜图像

4 矿石中主要矿物的嵌布特征

4.1 铁矿物嵌布特征

赤铁矿和褐铁矿主要由以下3 种形式产出：①鲕状赤褐铁矿，以赤铁矿为主，赤铁矿主要与铁绿泥石形成鲕粒，其次与磷灰石、石英、碳酸盐矿物等形成部分鲕粒。 大部分褐铁矿呈鲕粒内核，较为致密，被铁绿泥石包裹，部分与铁绿泥石呈同心层状交互，构成具明显鲕粒环带的结构，鲕粒环带数量不等，各环厚度不一，疏密相间，也有小部分褐铁矿以包壳形式呈现，包裹铁绿泥石、磷灰石、石英及碳酸盐矿物等形成鲕粒。 部分褐铁矿相对疏松，呈细放射状、针柱状、球粒状及其集合体，在其外圈形成不均匀的磁铁矿薄层；②以胶结物形式位于鲕粒或岩屑之间，分布于铁绿泥石、碳酸盐矿物为主的胶结物中；③以微细粒形式浸染于岩屑或角砾中，集合体粒径多小于0.04 mm。 赤铁矿、褐铁矿和磁铁矿的嵌布特征图像如图3 所示。

图3 赤铁矿、褐铁矿和磁铁矿的嵌布特征图像

磁铁矿能谱检测结果见表4。 由表4 可见，磁铁矿化学成分变化较大，Fe 含量65.11%～72.63%，平均含铁67.75%，其次主要含磷、硅、铝、铬等杂质。

表4 磁铁矿能谱检测结果

结合扫描电镜观测结果，可推测铁含量高低与磁铁矿产出形式有密切关系：①表4 中测点1 ～5，Fe 含量65.11%～65.72%，氧含量相对较高，根据图3（e）、（g）结果，这部分磁铁矿主要围绕褐铁矿鲕粒形成一薄圈层，呈鲕粒外壳，或者不均匀、无规律地嵌布于褐铁矿、鲕绿泥石鲕粒周围或附近，有的保留半自形晶形，粒度均较细，大部分小于0.02 mm。 这种磁铁矿可能形成相对较晚，与褐铁矿关系密切，且含磷；②测点6～8，Fe含量70.23%～72.63%，氧含量相对较低，不含磷。

4.2 鲕绿泥石嵌布特征

鲕绿泥石的能谱检测结果见表5。 由表5 可见，鲕绿泥石普遍含铁量较高，约为31%左右，表明其与赤铁矿和褐铁矿等铁矿物结合较为紧密。 结合图2 可知，鲕绿泥石主要以胶结物形式存在，呈细鳞片状、细纤维状及其集合体，与碳酸盐矿物等位于褐铁矿鲕粒或岩屑之间；其次由图3（a）、（c）、（d）可知，鲕绿泥石与赤铁矿形成同心层、交互层状鲕粒，或呈鲕粒内核，或呈包壳外层。

表5 鲕绿泥石能谱检测结果

4.3 磷灰石嵌布特征

磷灰石主要有两种产出形式：①呈鲕粒内核位于磁铁矿包壳内，与其包裹连生形成鲕粒结构（见图4（a））；也有的呈鲕粒外圈层包裹赤铁矿，或与铁绿泥石、褐铁矿一起形成同心层状鲕粒（见图4（b）和（c））；②呈半自形-自形柱状，无规律包裹于褐铁矿颗粒中（见图4（d））。

图4 磷灰石嵌布特征图像

5 对于选矿工艺的建议

除技术条件和设备以外，矿石性质可以说是影响并制约选矿工艺与流程制定的最根本因素，从微观层面上了解矿石，寻找其固有特性，梳理其组成关系，对于各类矿石尤其是难选矿石的分选具有重要的指导意义。

工艺矿物学研究表明，该高磷鲕状赤铁矿矿石成分多样，共生关系复杂，磷灰石与赤铁矿等铁的主要赋存矿物以多种形式相互结合，嵌镶关系紧密且多样，解离难度较大，因此需要细磨以促进解离。 同时主要矿物赤铁矿、褐铁矿、鲕绿泥石及磷灰石等嵌布粒度均较细，采用单一的传统选矿方法和手段使该矿石得到合理分选的可行性较低，主要有害元素磷的脱除更是难以实现，因此应充分考虑并结合磁化焙烧、磁选、酸浸等工艺技术手段。

综上所述，提出以下建议：①尽可能地优化磨矿工艺以促进解离；②高效利用各种提铁降磷的有效手段并促其形成联合工艺，同时在后续试验基础上确立合理的选矿工艺指标，以期达到理想的选别效果。

6 结 论

1） 该高磷鲕状赤铁矿矿石组成较为复杂，矿物种类繁多，主要有用矿物为赤铁矿、磁赤铁矿和磁铁矿，脉石矿物为鲕绿泥石、磷灰石。 铁主要赋存于赤铁矿和磁赤铁矿中，少量赋存于褐铁矿、磁铁矿中，主要有害元素磷大部分赋存于磷灰石中，极少量赋存于独居石中。 金属硫化物很少，偶见黄铁矿、闪锌矿等。

2） 该矿石结构主要为自形-半自形结构、鲕状结构和碎屑结构，或呈自形粒状分布，或为半自形结构，不具完整晶面，鲕粒多为球状、椭球状、长条状等形态，主要由赤褐铁矿与绿泥石、磷灰石、石英等结合而成，粒度介于0.1 ～0.4 mm 之间，胶结物则以褐铁矿和铁绿泥石为主。 在构造方面矿石主要呈角砾状构造与块状构造。

3） 矿石中主要矿物嵌布粒度均较细，不利于有用矿物与脉石矿物的充分解离，增加了选别难度。 赤铁矿和褐铁矿主要以鲕状、胶结物以及微细粒形式存在，与铁绿泥石、磷灰石、石英及碳酸盐矿物等密切结合。磁铁矿含铁量差异较大，平均含铁67%左右，其次含磷、硅、铝、铬等杂质。 鲕绿泥石主要以胶结物形式存在，呈细鳞片状、细纤维状及其集合体，其次以鲕粒形式存在。 磷灰石主要与褐铁矿、铁绿泥石等结合形成鲕粒结构，部分呈半自形-自形柱状，无规律包裹于褐铁矿颗粒中。

4） 该矿石采用单一的传统选矿方法难以实现有用矿物与脉石矿物的有效分离，从而难以实现铁元素的富集和磷元素的有效脱除，应结合焙烧、酸浸等方法形成联合工艺，达到综合有效回收利用的目的。