超贫磁铁矿选矿新技术应用及发展趋势

苑仁财

（中冶沈勘工程技术有限公司）

我国是世界第一钢铁生产大国及消费大国。世界钢铁协会公开信息显示，2020年我国粗钢产量达10.53亿t，占世界粗钢总产量的56.5%。铁矿石作为钢铁生产的基础原料，是关系国家发展的重要资源，我国铁矿石资源对外依存度连续多年超过80%。同时，随着近年来国际局势多变，更是加剧了铁矿石资源供应不稳定的局面，且已威胁到我国钢铁工业的健康有序发展以及国家经济安全与社会稳定。我国铁矿石资源富矿少、贫矿多，具有贫、细、杂的资源禀赋特征［1-3］。随着传统铁矿石资源富矿的不断减少，开发和利用超贫磁铁矿对我国钢铁工业及国家安全具有重要意义［4］，且已成为铁矿资源找矿及选矿研究的热点之一。本文根据近年的相关文献和超贫磁铁矿选矿实例，总结国内超贫磁铁矿选矿新技术的特点及应用现状，探讨超贫磁铁矿选矿发展趋势，为国内新建及改扩建类似超贫磁铁矿选矿厂提供参考。

1 超贫磁铁矿的资源特征

1.1 超贫磁铁矿的定义

根据《超贫磁铁矿勘察技术规程》（暂行）中规定，超贫磁铁矿边界品位要求MFe品位≥6%，工业品位要求MFe品位≥8%，但目前各省国土资源部门对超贫磁铁矿边界品位及工业品位的确定不尽相同。在实际开采中，企业根据技术经济条件确定矿石的可采品位［5］。有文献显示，部分超贫磁铁矿MFe品位下限达1.5%，仍具备开发利用价值［6］。

1.2 超贫磁铁矿特点

超贫磁铁矿品位极低，主要有用矿物为磁铁矿，伴生有用矿物有钒、钛、磷等；开采和选矿成本高，经济风险大，易受市场和政策影响；选矿比高，一般达10以上，废石、尾矿排放量大，对环境破坏严重。

1.3 超贫磁铁矿资源分布

我国超贫磁铁矿主要分布在河北、辽宁、内蒙古等地，全国其他地区也广泛分布着此类可利用的超贫磁铁矿资源，如河南、山东、黑龙江等地［7］。河北省超贫磁铁矿查明资源储量55亿t，预测资源储量接近110亿t，主要分布于承德、张家口、秦皇岛、石家庄及保定等部分地区。以河北承德地区的超贫磁铁矿为例，其主要为产于基性超基性岩体中的超贫磁铁矿，一般全铁品位10%～20%，MFe品位5%～6%，除含铁以外，一般还含有钛、钒、磷［8］。辽宁超贫磁铁矿资源总量预计为107亿t，主要分布于建平—喀左地区、海城—弓长岭区、新城子—铁岭区等地［9］。内蒙古自治区呼和浩特、阿拉善、白云鄂博等地区也存在大量的超贫磁铁矿，其MFe品位较低，平均8%～11%，资源储量达数亿吨，属易采、易选超贫磁铁矿［10-12］。

2 超贫磁铁矿选矿新设备及工艺应用现状

2.1 超贫磁铁矿选矿新设备

2.1.1 高压辊磨机

高压辊磨机（图1）是采用层压破碎原理进行挤压破碎的设备，其由固定辊及活动辊2个挤压辊组成，待破碎物料经过高压辊磨机上方的缓冲仓以一定的料柱压力自流给入两辊之间，随着辊面的滚动，物料被挤压破碎的同时，物料之间也产生磨剥作用，从而实现粉碎。与传统破碎设备相比，高压辊磨机具有明显的选择性破碎效果，物料以沿解理面粉碎为主，细粒级含量高，同时具有处理能力大、占地面积小、操作及控制简单、粉磨功耗低等优点［13］，其在超贫磁铁矿选矿领域的应用取得了巨大的经济效益。

一般情况下，破碎、磨矿的能耗和钢耗占选矿厂生产成本的60%～70%，而破碎仅为磨矿能耗的12%～25%，并且破碎的效率也高于磨矿。有文献表明，破碎机的能效比为35%～40%，球磨机为20%～25%。推进“多碎少磨”理念，降低磨机的入磨粒度，是超贫磁铁矿选矿厂设计的基本原则之一［2，14］，尤其是高压辊磨机的应用，可显著降低入磨最大粒度及平均粒度，同时显著降低磨矿功指数，磨机产能可提高30%以上［2］。

2.1.2 新型预选设备

（1）量恒式干选机。量恒式干选机（图2）是山西三沅重工有限公司研发的新型干式磁选设备，具有全粒级分选、恒定精矿品位、自然分级等特点，特别适合于高压辊磨细碎产品的预选作业，其独特的中矿返回设计可减去高压辊磨产品闭路筛分作业的配置，同时具备预选分级作用［15-16］。承德天宝矿业集团铁泰选矿厂4 500万t/a高压辊磨干选项目大量使用该设备，取得了良好的效果，干选甩废率达80%，尾矿磁性铁品位可控制在0.8%以下。

（2）X射线分选机（XRT）。X射线分选机是光电选领域中发展较为成熟的产品，其工作原理（图3）是采用X射线对矿石和围岩进行照射，激发产生特征X射线，再根据每种矿物元素的特征X射线的唯一性，以确定矿石和脉石，然后由相应的执行机构快速、准确地将矿石和脉石相分离，从而达到分选的目的［17］。酒钢桦树沟铁矿采用XNDT-104射线智能分选机对入选原矿进行预选抛废，结果显示抛废率达13%，尾矿全铁品位小于10%，磁性铁回收率大于96%，入磨原矿品位提升3.6个百分点以上［18］。

X射线分选机技术具有工艺系统简单、运行成本低、易于实现自动化、智能化等优点，目前其主要发展瓶颈在于单台设备处理量低，限制了其在超贫磁铁矿领域的广泛应用。

2.1.3 搅拌磨机

搅拌磨机的原理是通过搅拌螺旋的旋转、提升，将筒体内充填的磨矿介质进行搅动，使筒体内物料发生自转运动和循环运动，在此过程中被磨物料受到挤压、剪切、磨剥等多重作用，最终实现磨矿［19］。有研究显示，当粉碎产品中-0.075 mm含量超过70%时，球磨机磨矿效率迅速下降［20］，导致磨矿能耗增高，与球磨机相比，搅拌磨机采用小直径陶瓷球作为磨矿介质，能量传递效率高，节能可达30%以上，且具有较低的钢球和衬板消耗，更适合细磨作业。塔磨机结构见图4。

弓长岭选矿厂进行了粗精矿搅拌磨再磨试验，拟采用搅拌磨代替二、三段球磨，试验最终推荐球磨+搅拌磨两段磨矿工艺流程，简化了原三段闭路磨矿流程，具有较好的节能效果［21］。河北钢铁集团矿业有限公司庙沟铁矿采用Verti立式搅拌磨机替换原三段球磨机，磨矿细度从-0.045 mm71%～73%提高到-0.045 mm88%～90%，电能节约30%，钢球消耗降低60%，开机作业率高达98%，且衬板使用寿命增加，日常维护成本降低［22］。

2.2 选矿新设备及新工艺的应用

2.2.1 高压辊磨+磨前预选工艺

高压辊磨+磨前预选工艺相当于高压辊磨机用作第四段超细碎或第一段磨矿取代一段球磨机，实现多碎少磨达到节能降耗的目的，其更适合现有选矿厂的碎磨系统改造，可充分利用原有三段闭路破碎系统，减小改造工程量，大幅提升碎磨回路的效果。

内蒙古温更铁矿选矿厂采用中细碎后筛上块矿干选、高压辊磨湿式闭路筛分、筛上干选、筛下湿式预磁选工艺，入磨矿量降至35%，入磨粒度减小至-3 mm，实现了多碎少磨，能抛早抛，大幅度降低了选矿加工成本［14］。

承德天宝集团滦平铁泰矿业有限公司于2016—2017年对选矿厂进行技术改造，应用高压辊磨+干式预选新技术，将原矿处理量由1 200万t/a提高到2 000万t/a，铁精粉产能由80万t/a提高到171万t/a。其采用三段一闭路破碎+干式预选+高压辊磨+干式再选+阶段磨矿阶段磁选工艺流程，技改方案在原工艺流程中增加了高压辊磨机超细碎及量恒式干选机再选环节，破碎辊磨产品粒度由-12 mm降至-3 mm，入磨量降至19%，经济效益显著。

承德京城集团旗下选矿厂采用三段一闭路破碎+干选+高压辊磨+湿式筛分+磨前湿式预选技术，将入磨粒度降至-3 mm，磨前抛废量达60%以上，预选尾矿MFe品位在0.8%以下，经济效益显著。

2.2.2 高压辊磨串联工艺

以现阶段高压辊磨工艺的发展来看，高压辊磨机闭路粉碎产品粒度下限为-3 mm，继续降低粉碎产品粒度下限，将会导致高压辊磨机循环负荷显著增加，进而导致系统设备规格增加或数量增多。2台高压辊磨机串联配置与单台高压辊磨机配置相比，可降低辊磨粒度下限，同时不增加高压辊磨循环负荷，减少相关辅助设备的规格或数量，提高效能比。

马钢某矿对采用两段高压辊磨串联工艺处理现场三段一闭路破碎产品的方案进行了试验研究，其一段闭路辊压产品粒度-8 mm，筛下和筛上均采用干式磁选抛尾，二段闭路辊压产品粒度取-2，-1，-0.5 mm，筛下采用湿式磁选抛尾，筛上采用干式磁选抛尾，二段辊压最终产品-0.074 mm含量达29.22%～48.78%，接近国内铁选矿厂一段磨矿细度，表明两段串联高压辊磨流程可以基本取代一段磨矿，简化磨选流程，降低磨选成本［23］。

巴西Serra Azul铁矿拟采用2台高压辊磨串联配置作为碎磨流程中的第四段粉碎和第五段粉碎，其中第四段粉碎采用开路粉碎工艺，第五段粉碎采用湿筛闭路粉碎工艺，其粉碎产品粒度P80可达0.38 mm［24］。

2.2.3 高压辊磨+搅拌磨工艺

研究表明，当高压辊磨机产品P80为1.5 mm时，可直接给入搅拌磨进行细磨。黑龙江某选矿厂采用高压辊磨机与搅拌磨机直接配置方案对原选矿工艺进行了技术改造，高压辊磨机与弛张筛组成闭路机组，筛下-1 mm产品直接给入塔磨机与旋流器组成的磨矿分级系统，最终获得-0.074 mm85%的磨矿产品，与原生产工艺相比，缩短了破碎磨矿流程，大幅降低了破磨能耗［25］。

陈波等［26］对高压辊磨+搅拌磨工艺进行了试验研究，并结合傲牛铁矿现场实际生产数据，提出以塔磨机替代现场球磨机，高压辊磨闭路产品直接入塔磨机的技改方案，对技改前后工艺能耗进行了对比计算，技改后预计节约能耗36.24%，节能效果非常显著。

3 超贫磁铁矿选矿技术发展趋势

超贫磁铁矿的开发与利用对我国钢铁工业发展具有重要意义，为保证我国铁精矿供应安全及经济发展做出了极大的贡献。随着技术的进步和发展，超贫磁铁矿企业对市场变化、抗风险的能力得到大幅提高，获得了较好的经济效益。

经过多年的生产实践，超贫磁铁矿资源开发利用思路已逐渐明晰，高压辊磨及干式、湿式磨前预选技术已发展成熟，搅拌磨机的应用越来越广泛，推广碎磨新工艺流程，发展大型化设备，进一步节能降耗，提高生产自动化水平及积极开展尾矿资源的综合利用成为超贫磁铁矿选矿技术的发展趋势。

4 结论

（1）对于已建成选矿厂的技术改造升级来讲，采用三段一闭路破碎+干式预选+高压辊磨闭路超细碎+干式、湿式再选工艺，在建设投资、节能降耗、提产增效等方面效果显著。

（2）新建选矿厂应充分发挥高压辊磨超细碎效能，加强高效干式分选机和-3 mm细粒级干式筛分设备的研究，推广两段高压辊磨机串联工艺以及立式搅拌磨机、艾砂磨机替代球磨工艺的应用。

（3）矿山企业应进一步加强矿山整合及产业技术升级，淘汰落后产能，优化开采、选矿、排废布置，优先考虑在采场附近集中建设破碎干选中心，进一步降低矿石运输及排废成本。

（4）超贫磁铁矿的开采与选矿对自然环境会造成很大的破坏，在向自然索取资源的同时，应加强环境保护及矿山生态修复，实现绿色发展。