房启家 张 强 孙永峰

(1.山东理工大学资源与环境工程学院,山东 淄博 255000;2.山东钢铁集团矿业有限公司,山东 济南 250101;3.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819)

对矿石进行工艺矿物学分析可以了解矿石中元素的赋存状态、矿物组成及共生关系,对矿石的有效分选具有重要意义。铁矿石是提取金属铁的主要来源,中国铁矿石储量位居世界第四,但仅占世界总储量的8%左右[1-4]。中国铁矿石资源禀赋差,每年需要大量进口以满足国内钢铁行业的生产需求[5-6]。从长远来看,铁矿石对外依存度过高是对中国经济健康运行的严重威胁,综合考虑,进一步开发国内低品位铁矿石资源势在必行。

山东某地铁矿资源储量丰富,全铁品位为21.64%～27.80%,平均铁品位为23.99%,拥有很高的开采价值[7]。矿石中主要铁矿物为磁铁矿,主要的脉石矿物为石英和普通角闪石[7]。矿石结构致密,有用矿物嵌布粒度细,选别困难。为开发该铁矿石,通过化学成分分析、X射线衍射分析、铁物相分析和光学显微镜等探究了该矿石的工艺矿物学特征,从而为其开发利用提供理论基础。

1 矿石物质组成分析

1.1 化学成分分析

矿石的化学成分分析结果如表1所示。

表1 矿石化学成分分析结果Table 1 Chemical composition analysis results of the ore%

从表1可以看出:铁是矿石中的主要有价元素,TFe品位仅为27.18%;有害元素S和P的含量不高,主要杂质 CaO、MgO、SiO2和 Al2O3的含量分别为3.31%、2.40%、51.44%和3.41%。由m(CaO+MgO)∶m(SiO2+Al2O3)=0.10可知矿石属于酸性矿石。

1.2 矿物组成分析

采用光学显微镜对矿石进行观察,确定矿石的矿物组成及含量,结果如表2所示。

表2 矿石矿物组成及其含量Table 2 Mineral composition and content of the ore

从表2可以看出∶矿石中主要有用铁矿物为磁铁矿,含量为22.96%;主要脉石矿物为石英、角闪石和云母,含量分别为29.65%、27.29%和10.58%;其余矿物含量较低。

1.3 铁物相分析

为了解矿石中铁矿物的物相组成,对矿石进行了铁物相分析,结果如表3所示。

表3 矿石铁物相分析结果Table 3 Iron phase analysis results of the ore %

从表3可以看出:矿石中的铁矿物主要为磁铁矿,分布率为 60.69%;二是硅酸铁,分布率为30.03%,然而,硅酸铁难以回收利用;其他铁矿物含量较少。因此,矿石中磁铁矿是主要回收矿物。

2 矿石结构与构造

2.1 矿石构造

矿石主要有4种构造,如图1所示。

图1 矿石主要构造Fig.1 Main structure of the ore

矿石中磁铁矿以集合体形式产出,形成块状构造。磁铁矿与石英交互组成层状构造。脉石矿物与铁矿物交互组成条带状构造。脉石矿物呈细脉状充填于铁矿物中形成网脉状构造。

2.2 矿石结构

矿石中矿物颗粒的结构影响着矿物的解离和选别[8]。采用显微镜对矿石进行镜下观察,矿石主要有以下几种结构。

粒状结构:磁铁矿呈自形、半自形粒状及他形粒状嵌布。褐铁矿、石英、磁黄铁矿、辉石和石榴子石呈不规则细粒状嵌布。黄铁矿呈自形、半自形粒状或他形粒状嵌布。碳酸盐呈自形晶粒状嵌布。

浸染状结构:部分磁铁矿和赤铁矿呈细粒、微细粒浸染状嵌布在脉石中。

交代结构:磁铁矿被赤铁矿交代,形成假象或半假象赤铁矿。

包含结构:石英呈粒状集合体形成斑状,斑晶中包裹细粒铁矿物。碳酸盐呈不规则粒状集合体嵌布,其中包裹细粒铁矿物和石英。

层状结构:石英呈粒状集合体形成脉状,与碳酸盐和铁矿物互层嵌布。

纤维状结构:角闪石呈纤维状集合体嵌布。

片状、鳞片状结构:角闪石呈片状集合体嵌布,并与铁矿物紧密共生。黑云母呈鳞片状集合体嵌布,并与铁矿物、石英紧密共生。

3 矿石中主要矿物嵌布特征及共生关系

3.1 主要含铁矿物

3.1.1 磁铁矿

磁铁矿为矿石中主要的有用铁矿物,主要有图2所示的4种产出形式。磁铁矿主要呈自形、半自形粒状嵌布于脉石矿物中(图2(a)),其中部分磁铁矿结晶粒度较细,呈浸染状嵌布于脉石矿物中,粒度主要分布在50μm以下。部分磁铁矿呈不规则他形粒状与脉石矿物共生嵌布(图2(b))。部分磁铁矿呈细粒、微细粒浸染状嵌布于脉石矿物中,粒度主要分布在10μm以下(图2(c))。少量磁铁矿被赤铁矿交代,形成假象或半假象矿赤铁矿,具交代结构(图2(d))。

图2 磁铁矿嵌布特征Fig.2 Dissemination characteristics of magnetite

3.1.2 赤铁矿

矿石中赤铁矿含量较少,嵌布粒度较细,主要分布在20μm以下。赤铁矿主要交代磁铁矿,形成假象或半假象赤铁矿,呈不规则粒状嵌布(图2(d)和图3(a)),赤铁矿仍保留了磁铁矿晶形特征,并且在空间分布上与磁铁矿关系密切。还有部分赤铁矿呈细粒、微细粒浸染状嵌布于脉石矿物中(图3(b))。

图3 赤铁矿嵌布特征Fig.3 Dissemination characteristics of hematite

3.1.3 黄铁矿

黄铁矿为矿石中主要的硫化物,含量较低,而且嵌布粒度较细,主要分布在20μm以下。黄铁矿主要呈网眼状嵌布,网眼中充填细粒脉石矿物,具网眼状结构(图4(a))。部分黄铁矿呈自形、半自形粒状或他形粒状嵌布,具粒状结构(图4(b)),少量黄铁矿呈细脉状穿插于赤铁矿和脉石矿物中,具脉状结构(图4(c))。

图4 黄铁矿嵌布特征Fig.4 Dissemination characteristics of pyrite

3.2 主要脉石矿物

3.2.1 石 英

石英是矿石中主要的脉石矿物,也是含量最高的矿物。石英主要呈粒状集合体形成斑状,斑晶中包裹细粒铁矿物(图5(a))。部分石英呈不规则粒状与铁矿物、角闪石共生嵌布(图5(b))。部分石英呈不规则粒状集合体嵌布,与碳酸盐矿物紧密共生(图5(c))。少量石英呈粒状集合体形成脉状,与碳酸盐和铁矿物互层嵌布(图5(d))。

图5 石英嵌布特征Fig.5 Dissemination characteristics of quartz

3.2.2 角闪石

角闪石是矿石中主要的硅酸盐矿物,以铁闪石为主,另有少量镁铁闪石和普通角闪石。角闪石主要呈纤维状集合体嵌布(图6(a))。部分角闪石呈片状集合体嵌布,并与铁矿物紧密共生(图6(b))。少量角闪石呈柱状集合体与石英、铁矿物共生嵌布(图6(c))。

图6 角闪石嵌布特征Fig.6 Dissemination characteristics of amphibole

3.2.3 云 母

矿石中的云母主要为黑云母,一般呈鳞片状集合体嵌布,并与铁矿物、石英紧密共生(图7)。另外少量黑云母发生绿泥石化,两者共生嵌布。

图7 云母嵌布特征Fig.7 Dissemination characteristics of mica

3.2.4 碳酸盐

矿石中的碳酸盐矿物主要为白云石、菱铁矿。碳酸盐主要呈不规则粒状集合体嵌布,集合体中包裹细粒铁矿物和石英(图8(a)),其中菱铁矿一般呈粒状集合体嵌布,并与石英、铁矿物紧密共生(图8(b))。部分碳酸盐呈自形晶粒状嵌布,具粒状结构(图8(c))。

图8 碳酸盐嵌布特征Fig.8 Dissemination characteristics of carbonate

4 主要矿物工艺粒度及解离度分析

对矿石中的主要有用铁矿物磁铁矿以及主要脉石矿物石英、角闪石和云母进行工艺粒度分析,详见表4。结果表明:有用铁矿物磁铁矿结晶粒度总体较细,主要分布在-0.07 mm,分布率为65.07%。主要脉石矿物石英的结晶粒度相对较粗,主要分布在+0.07 mm,分布率为62.33%,主要硅酸盐矿物角闪石、云母的结晶粒度也较粗,主要分布在+0.07 mm,分布率为67.51%。

表4 主要矿物工艺粒度分析结果Table 4 The analysis results of process particle size of the main minerals

基于有用矿物和脉石矿物在粒度分布上的差异,可以通过干式磁选预先脱除粒度较粗的脉石[9]。采用干式磁选对矿石进行预先抛尾后,对预选精矿不同磨矿细度产品中磁铁矿和脉石矿物的解离度进行了测定,分析结果见表5。

表5 预选精矿不同磨矿细度产品解离度分析结果Table 5 Liberation degree analysis results of products with different grinding fineness of preconcentration concentrate

表5表明,在相同的磨矿细度下,脉石矿物的单体解离度明显高于磁铁矿,当一段磨矿-0.076 mm含量为85%时,磁铁矿的解离度仅有76.25%,而＞3/4的富连生体还有16.04%,与脉石解离较差,因此需要进行二段磨矿,这有利于磁铁矿的解离。

5 选矿工艺推荐

由主要矿物工艺粒度分析可知,应采用干式磁选对其预先抛尾,同时考虑尽可能提高预选抛尾量,减少细粒湿尾的采空区充填量并简化工艺流程,可使用高压辊磨和湿式磁选进一步抛除尾矿,从而获得预选精矿[10-11]。为提高磁铁矿的解离度,提高选别效果,推荐使用两段磨矿,进行阶段磨矿阶段选别[12]。经过磨矿后,采用弱磁选进行粗选,然后使用磁选柱精选,并对磁选中矿进行再磨再选[13-14]。为简化工艺流程,实现节能减排,推荐“常规破碎—干式磁选—高压辊磨—湿式磁选预选—两段阶段磨矿—弱磁选—磁选柱精选—中矿再磨再选”作为该铁矿石的选矿原则工艺流程。

6 结 论

(1)山东某铁矿石全铁品位为27.18%,有害元素S和P的含量较低。铁矿物主要为磁铁矿,分布率为60.69%,其次是硅酸铁,分布率为30.03%。主要脉石矿物为石英、角闪石和云母。

(2)矿石中磁铁矿结晶粒度总体较细,主要呈自形、半自形粒状嵌布于脉石矿物中,其中部分磁铁矿结晶粒度较细,呈浸染状嵌布于脉石矿物中。主要脉石矿物石英、角闪石和云母的结晶粒度相对较粗。脉石矿物结晶粒度普遍大于铁矿物,这种粒度上的差异有利于在选矿流程中采用阶段磨选粗粒抛尾工艺。

(3)根据工艺矿物学分析,结合低品位铁矿石选矿技术的发展,以简化工艺流程和节能减排为目标,推荐“常规破碎—干式磁选—高压辊磨—湿式磁选预选—两段阶段磨矿—弱磁选—磁选柱精选—中矿再磨再选”的选矿原则工艺流程。