齐大山铁尾矿工艺矿物学研究

李 瑾 倪 文 范敦城 李 媛 伏程红

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

齐大山铁尾矿工艺矿物学研究

李 瑾1,2倪 文1,2范敦城1,2李 媛1,2伏程红1,2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

齐大山铁尾矿的提铁研究是国家高技术研究发展计划(863计划)铁尾矿高效提铁技术研究子项的一部分。为圆满完成深度还原给料铁品位≥30%、铁回收率≥80%，还原铁粉铁品位≥90%的任务目标，对齐大山铁尾矿开展了工艺矿物学研究。结果表明：试样中的铁矿物主要以贫连生体的形式存在，且在-0.038 mm粒级有明显的富集现象，主要铁矿物为赤褐铁矿和硅酸铁，磁铁矿次之，这些铁矿物粒度微细，平均粒度分别为0.022、0.009、0.011 mm，单体解离度分别为61.78%、42.86%、45.64%，铁矿物与脉石矿物共生关系密切；基于上述工艺矿物学特征，推荐了磨矿—弱磁选—强磁选的预富集工艺流程。

铁尾矿 工艺矿物学 预富集 深度还原

随着钢铁工业的快速发展，铁尾矿在我国大宗工业固体废弃物中所占的比例快速上升至51%左右，仅2007—2011年，我国铁尾矿累计堆存量就超过61亿t。然而，我国铁尾矿综合利用率却很低，2011年仅占17%，且以充填采空区为主，从尾矿中提取有价组分仅占尾矿利用总量的3%[1]。因此，尾矿中有价组分回收的提升空间十分巨大。

与新采出矿石相比，虽然绝大多数尾矿中有用组分含量较低，但受粗放型生产方式和生产工艺技术水平等因素所限，现存的尾矿不同程度具有再回收价值。虽然对有有用组分流失的老工艺系统实施重大改造非常困难，且再回收系统利润相对微薄，企业目前的积极性不高，但从尾矿中回收有用组分的意义重大：一方面，由于矿产资源属不可再生资源，国内采出矿石仍将逐步贫、细、杂化[2]，再利用尾矿资源，可以在保障国民经济建设需要的前提下延缓资源品质下滑速度；另一方面，从尾矿中回收有用组分不但不会对生态环境造成新的破坏，而且具有减小环境危害的效果。

随着资源性产品价值的回归，以及建设和谐矿山、绿色矿山的国家战略的实施，开展尾矿有用组分回收和尾矿综合利用研究已成为矿业科技工作者的新课题，也取得了一些成果[3-7]。与一次资源的开发利用相比，二次资源的开发利用基于其工艺矿物研究成果而展开的十分鲜见。尾矿的工艺矿物学研究与原矿石的工艺矿物学研究有所不同，前者经过破碎、磨矿作业，原矿石的结构构造已被破坏，许多矿物学特征已残缺，矿物嵌布特征数据不完整。因此，应更加注意矿物嵌布粒度及单体解离度对再磨再选的影响，从而为工艺流程的确定提供基础依据。

齐大山铁矿是鞍钢的主要原料基地之一，其铁矿石是以磁铁石英岩为主的红矿石，属极难选铁矿石。经过40余a的开发，目前尾矿堆存量已超过2亿t，早期尾矿铁品位较高，达20%左右，随着选矿工艺技术的进步，目前的尾矿铁品位仍达12%以上，具有较大的潜在回收价值[8-10]。该尾矿的开发利用研究是国家863计划项目——铁尾矿高效提取铁技术研究专题的一部分。

根据以往的研究成果，确定鞍钢齐大山铁尾矿的的开发利用技术路线是：尾矿预富集至铁品位为30%以上—深度还原出微米级金属铁—磨矿—弱磁选获得铁品位90%以上的还原铁粉。

1 试验设备及试验方法

用Olympus BH2-UMA型显微镜测定主要矿物的嵌布粒度、单体解离度及含量。用CAMBRIDGE公司的S-360扫描电子显微镜进行矿物嵌布特征分析。XRD分析采用日本理学Rigaku D/Max-RD粉晶X射线衍射仪。尾矿主要化学成分分析采用721原子吸收分光光度计和EDTA溶解法测定。用原子吸收分光光度计法和滴定法测定铁物相。

2 试样成分分析

2.1 试样主要化学成分分析

试验用试样为鞍钢齐大山铁矿选矿分厂的尾矿，主要化学成分分析结果见表1。

表1 试样主要化学成分分析结果

Table 1 Main chemical composition of the sample %

成 分SiO2Fe2O3FeOAl2O3CaOK2O含 量75.4615.252.411.651.700.34成 分Na2OMnOTiO2SP烧失量含 量0.320.130.0590.100.031.17

从表1可见，试样中主要成分为SiO2，含量高达75.46%，其次是Fe2O3和FeO，含量分别为15.25%和2.41%，折算的TFe品位为12.54%，有害元素S 、P含量很低。由此可见，该试样为高硅、低硫磷型铁尾矿。

2.2 试样主要矿物成分分析

试样主要矿物组成及含量见表2，XRD分析结果见图1。

表2 试样主要矿物组成及相对含量

Table 2 Main mineral composition and their content of the sample %

矿 物赤铁矿磁铁矿褐铁矿黄铁矿石 英含 量7.413.861.840.3171.08矿 物角闪石绿泥石绢云母其 他合 计含 量5.864.532.612.50100.00

图1 试样的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of the samples1—石英；2—赤铁矿；3—磁铁矿；4—绿泥石；5—角闪石

从表2、图1可见，试样中主要有用矿物为赤铁矿、磁铁矿，其次是褐铁矿；主要脉石矿物为石英，其次是角闪石、绿泥石、绢云母等。

角闪石和绿泥石均为含铁硅酸盐矿物，含铁量达20%以上，具有弱磁性，选矿中应考虑对它们进行富集。

2.3 试样铁物相分析

试样铁物相分析结果见表3。

表3 试样铁物相分析结果

Table 3 Iron phase analysis of the samples %

铁相态含 量分布率赤褐铁5.1240.79磁性铁2.2718.13硅酸铁4.6837.31碳酸铁0.393.10硫化铁0.080.67总 铁12.54100.00

从表3可见，试样中的铁主要以赤褐铁、硅酸铁、磁性铁的形式存在，是主要回收对象，这些铁占总铁量的96%以上，碳酸铁、硫化铁含量较低。

3 试样筛分分析

试样筛分分析结果见表4。

从表4可以看出，粒级越细，铁品位越高，表明铁矿物在细粒级有明显的富集现象，-0.038 mm粒级铁品位最高，达18.81%，对应的铁分布率达32.25%。

表4 试样筛分分析结果Table 4 The result of sizing analysis on the sample

进一步的研究表明，63.40%的赤铁矿、81.11%的磁铁矿分布在-0.038 mm粒级；82.23%的赤铁矿、93.92%的磁铁矿分布在-0.050 mm粒级。可见现场工艺对微细粒赤褐铁矿及磁铁矿回收效果不理想。

4 试样主要矿物的嵌布特征

4.1 主要铁矿物与脉石矿物的嵌布关系

图2为试样的扫描电镜照片(浅色区域为铁矿物聚集区，深色区域为石英等脉石矿物)，图3为各主要矿物间的嵌布关系。

图2 试样扫描电镜照片Fig.2 SEM analysis of the sample

从图2可见，试样中铁矿物单体颗粒极少，铁矿物富连生体颗粒也不多见，脉石矿物单体颗粒较普遍；从铁矿物连生体看，铁矿物与脉石矿物镶嵌关系复杂，大部分铁矿物边部镶嵌或中间包裹有脉石矿物，以铁矿物的贫连生体为主。

从图3可见，试样中的主要脉石矿物石英多呈半自形和他形结构，包裹着细小的磁铁矿颗粒(见图3(a))；有的铁矿物与脉石矿物界面不平整，呈港湾状嵌镶，接触边界多弯曲，形成错综复杂的嵌镶关系(见图3(b))；部分赤铁矿、褐铁矿以极细或微细不规则他形粒状(碎屑状、角砾状、熔蚀状、块状)、集合体状及浸染状嵌生在石英中，同时还有部分较粗的赤铁矿以骸晶状、蜂窝状存在，孔缝内填充有石英等杂质，单体解离难度极大(见图3(c))；磁铁矿主要呈他形粒状，偶见半自形晶，抛光表面显微镜下不干净，常充填有脉石矿物，少数磁铁矿被赤铁矿沿解理处交代成网格状结构，有的完全交代成假象赤铁矿，多数情况下赤铁矿沿磁铁矿周边紧密共生(见图3(d))。

图3 显微镜下主要矿物的嵌布关系Fig.3 Dissemination of major minerals at microscope image Q—石英；Mag—磁铁矿；Hem—赤铁矿；Lim—褐铁矿

4.2 铁尾矿嵌布粒度特征

试样中主要矿物的嵌布粒度见图4。

图4 试样中主要矿物的嵌布粒度分析结果Fig.4 Dissemination of major minerals of the sample◆—赤褐铁矿；■—磁铁矿；●—石英；▲—硅酸铁

从图4可以看出，试样中脉石矿物石英粒度明显较铁矿物粗大，赤褐铁矿粒度普遍比磁铁矿粒度粗大。加权平均计算的石英、赤褐铁矿、磁铁矿和硅酸铁的粒度分别为0.052、0.022、0.011、0.009 mm。根据本研究的技术路线，要获得较高品位的深度还原原料，强磁预富集前需通过磨矿来提高铁矿物的解离度。

5 主要铁矿物的解离特征

试样中赤褐铁矿、磁铁矿、硅酸铁的单体解离度测定结果见表5。

表5 试样中赤铁矿、磁铁矿、硅酸铁的单体解离度Table 5 Liberation degree of hematite， magnetite and siderite of the sample

从表5可以看出，粗粒级中铁矿物单体解离度较低，细粒级中铁矿物单体解离度较高；赤褐铁矿的单体解离度高于磁铁矿，硅酸铁的单体解离度最低，这在较粗粒级表现得尤其明显；赤褐铁矿的单体解离度为61.78%，磁铁矿为45.64%，硅酸铁为42.86%。

6 试样预富集方案建议

国家“863”计划对该研究项目确定了深度还原给矿铁品位≥30%、铁回收率≥80%，还原铁粉铁品位≥90%的任务指标。

上述工艺矿物学研究表明，试样呈现强磁性铁矿物含量低、弱磁性铁矿物含量高、单体铁矿物和富连生体含量低、铁矿物贫连生体含量高等特点。若直接对试样进行预富集，铁矿物贫连生体，尤其是弱磁性铁矿物贫连生体往往难以回收，影响铁回收率的提高，因此建议首先对试样进行磨矿，尽量提高铁矿物的解离度、释放出较粗脉石颗粒包裹的铁矿物，改善铁矿物的回收效果。

根据探索试验推荐的预富集流程见图5。

7 结 论

(1)齐大山铁尾矿中主要矿物为石英，占矿物总量的71.08%，铁矿物以赤褐铁矿和硅酸铁为主，分别占总铁的40.79%和37.31%，磁铁矿次之，占总铁的18.13%；试样中硫磷含量较低。因此，试样为高硅、低硫磷铁尾矿，采用常规选矿方法难以完成国家“863”计划任务目标。

图5 推荐的预富集流程Fig.5 Recommended pre-concentration process

(2)试样中铁矿物粒度非常细，赤褐铁矿、磁铁矿和硅酸铁的平均粒度分别为0.022、0.011、0.009 mm，赤褐铁矿、磁铁矿和硅酸铁的单体解离度分别为61.78%、45.64%、42.86%，铁矿物贫连生体含量较高，且铁矿物与脉石矿物紧密共生，嵌布关系复杂，要高效回收其中的铁矿物，必须使铁矿物充分解离，尤其要减少弱磁性铁矿物贫连生体的含量。因此，预富集前必须先磨矿。

(3)试样中铁矿物在-0.038 mm粒级有明显的富集现象，预富集前的磨矿会使铁矿物粒度越来越细。因此，应强化对微细粒铁矿物的回收。

(4)推荐的预富集工艺流程为磨矿—弱磁选—强磁选流程。

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(责任编辑 罗主平)

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(1.CivilandEnvironmentalEngineeringInstitute，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.KeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMines，MinistryofEducation，Beijing100083，China)

Iron extracting from Qidashan iron ore tailings is a subproject of State High-technology Research and Development Program (863 Program)，to efficiently concentrate iron from iron ore tailings.Mineralogy technology research on Qidashan iron ore tailings was carried out in order to make deep reduction raw materials of iron grade higher than 30%，iron powder of iron recovery higher than 80% and iron grade over 90%.The results showed that iron concentrated obviously at grain sizes of -0.038 mm，and the main iron minerals are hematite-limonite，siderite and followed by magnetite.Those minerals are extremely fine disseminated with average particle sizes of 0.022，0.009，0.011 mm and liberation degree of 61.78%，42.86%，45.64% respectively.Iron minerals are closely associated with gangues.The pre-concentration process of grinding-low intensity magnetic separation-high intensity magnetic separation was recommended，based on the process mineralogy of the iron ore tailings above.

Iron ore tailings，Process mineralogy，Pre-concentration，Deep reduction

2013-11-22

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(编号：2012AA062401)。

李 瑾(1988—)，女，硕士研究生。

TD912，TD926.4

A

1001-1250(2014)-01-158-05