中国复杂难选铁矿的研究现状

刘 杰,周明顺,翟立委,刘炯天,曹亦俊

(1.鞍钢股份有限公司技术中心,辽宁鞍山114009;2.中国矿业大学,江苏徐州221008)

2009年,我国钢产量达到5.67亿t,生铁产量5.37亿t,铁矿石产量8.8亿t,均达到世界第一位。面对国内高速的经济发展,我国目前的铁矿石产量仍难以满足钢铁产业的需求。2009年我国进口的铁矿石达到了6.28亿t,铁矿石的对外依存度达到69.62%。由于铁矿石供求缺口的增大,导致铁矿石价格暴涨,海运费用不断攀升。对于铁矿石进口依存度的提高,已成为我国钢铁工业经济安全的重大隐患。

我国铁矿富矿储量不到5%,平均含铁品位仅有33%(国际上铁矿出口大国品位在 55%～65%),95%以上的贫铁矿需经选矿富集后才能送高炉冶炼[1]。解决我国复杂难选铁矿资源的开发与利用,必然成为当前与未来保证我国钢铁经济安全、缓解进口矿石的压力、提高我国铁矿资源保障程度的当务之急。

1 中国铁矿床类型及复杂难选铁矿石的分布

我国铁矿床类型齐全,除前寒武纪硅铁建造风化壳型铁矿外,均探明了一定的储量。我国目前具有工业意义的铁矿床主要有:①沉积变质铁矿,以磁铁矿为主,储量约占全国总储量的57.8%,具有“大、贫、浅、易 (选)”的特点,主要分布于吉林东南部、辽宁鞍山-本溪、冀东、北京密云、晋北、内蒙古南部等地[2];②接触交代-热液铁矿,又称矽卡岩型矿床,其探明储量约占全国探明总储量的12.7%,其矿石以块状构造为主,次为浸染状、斑点状、团块状和角砾状构造。主要分布于河北邯郸-邢台、鄂东、鲁中和晋南等地区;③岩浆晚期铁矿,以铁矿物中富含钒和钛为特征,储量约占全国探明总储量的11.6%,主要分布于四川攀枝花和河北承德地区;④沉积型铁矿,以泥盆纪“宁乡式”铁矿和震旦纪“宣龙式”铁矿为主,储量约占全国储量的8.7%,主要分布于湖北、湖南和河北宣化地区,矿床具有“广、薄、难”的特点;⑤火山岩型铁矿,其储量约占全国总储量的4.7%,按火山喷发环境又分为陆相火山和海相火山侵入型铁矿床,前者主要分布于南京和芜湖地区,后者主要分布于云南大红山地区;⑥风化淋滤铁矿,其储量约占全国总储量的1.1%,矿床多为小型,主要分布于广西、广东、贵州、福建等地;⑦其他类型铁矿,主要包括内蒙古白云鄂博铁矿和海南石碌铁矿,其储量约占全国总储量的3.4%。

在当前技术条件下,具有工业利用价值的主要是磁铁矿、赤铁矿、钛铁矿、褐铁矿和菱铁矿等。其中褐铁矿、菱铁矿等弱磁性含铁矿石和一些嵌布粒度较细的为较难选别的铁矿石。

其中,“宁乡式”鲕状赤铁矿主要分布于湖北西部、湖南中北部、广西北部、江西西部和贵州东部,集中产出在鄂西宜昌、恩施地区。“宣龙式”鲕状赤铁矿主要分布在河北宣化。菱铁矿主要分布于湖北、四川、云南、贵州、新疆、陕西、山西、广西、山东、吉林等省。褐铁矿主要分布于广东、广西、山东、贵州、云南和福建。细粒嵌布赤铁矿主要分布于辽宁、山西、云南、湖南等地。细粒嵌布磁铁矿则主要分布于辽宁、河南、新疆等地。

2 复杂难选铁矿的研究现状

2.1 微细粒嵌布的鞍山式贫磁铁矿石

微细粒嵌布的鞍山式贫磁铁矿石嵌布粒度极细 (小于0.037mm的占90%),矿物单体解离和分选困难,目前无法在工业上大规模利用。

鞍钢谷首峪铁矿全铁品位为31.90%,96.14%的铁分布在磁铁矿中,还有一部分以菱铁矿、硅酸铁和假象、半假象赤铁矿形式存在。为此,谷首峪铁矿主要的试验流程见图1。

试验的最终结果为原矿品位31.90%,精矿品位65.53%,精矿产率27.07%,中矿品位59.74%,中矿产率14.34%,尾矿品位 9.55%,尾矿产率58.59%[3]。

对二段磨矿闭路,将三、四段细筛筛上返回三段磨矿进行连选试验,结果表明,当原矿品位为31.72%时,精矿品位 65.05%,尾矿品位10.21%,金属回收率80.43%。

河南舞阳矿业公司铁古坑铁矿主要铁矿物为磁铁矿,次为硅酸铁和少量赤铁矿,脉石矿物为碧玉、辉石,与磁铁矿的分离较为困难[4]。近年由于入选矿石品位的降低,舞阳矿业公司提出了多段干式预选-多碎少磨-细筛-磁团聚提质-尾矿中磁扫选的高效节能技术路线,废石抛弃率可达25%左右,磨选车间年处理能力由74万t提高到153万t,年节省电能 810kW·h。精矿铁品位由64.05%提高到67.5%以上,铁回收率由64.49%提高到69%左右[5]。

图1 鞍钢谷首峪铁矿选矿试验流程

新疆某铁矿床主要为磁铁矿类型,铁矿物主要为磁铁矿,其次是碳酸铁、赤铁矿、褐铁矿和黄铁矿。矿石的嵌布粒度极细,使该矿极为难选。选厂采用三段磨矿、三次磁选、磁选精矿反浮选的工艺,在最终磨矿粒度在-0.043mm占90%,原矿品位 31.48%的条件下,可获得产率为36.10%,铁精矿品位为 62.05%,回收率为71.16%的选别指标。

吉林羚羊铁矿石是一种成分、结构与构造都十分复杂的以磁铁矿为主的难选铁锰矿石。采用磁化焙烧-磁选工艺处理吉林羚羊铁矿在原矿品位在34.4%的情况下,可获得精矿品位60%以上、回收率70%以上的指标[6]。

2.2 微细粒嵌布的鞍山式赤铁矿石

微细粒嵌布的鞍山式赤铁矿石粒度嵌布极细(小于0.037mm占90%),矿物的单体解离也十分困难。此类铁矿石储量较大,有近30亿t,目前在工业上也较难以大规模利用。

保有储量13多亿t的太钢袁家村铁矿,矿石类型较多,结构复杂,各种矿物嵌布粒度微细,矿石中金属和脉石矿物粒度多在0.05mm以下,有部分极细者粒度在0.01mm以下。采用阶段磨矿-弱磁-强磁-反浮选工艺,在原矿品位为33.66%的情况下,可以获得精矿品位65.36%,回收率82.03%的指标[7]。

山西岚县某赤铁矿储量达10亿t以上,矿石中大多数晶粒粒度在0.015～0.045mm。选厂采用一粗一扫两精的阳离子反浮选流程,磨矿细度-0.043mm占80%,在铁精矿品位为65.91%,产率为50.66%,获得了铁回收率为83.20%、尾矿品位13.67%的良好指标[8]。

鞍钢关宝山铁矿铁矿石粗细分布不均匀,总储量近5亿t,采用两段连续磨矿、中矿再磨、重选-强磁选-阴离子反浮选工艺,取得了较好的指标[9]。鞍钢东鞍山铁矿是我国大型红铁矿山,矿物品种多、结构复杂、嵌布粒度细,可选性差。2001年以来,鞍钢矿山研究所经过大量的实验室研究,提出了连续磨矿、粗细分选、中矿再磨、重选-磁选-阴离子反浮选工艺,在工业试验的基础上,2003年,实现原矿品位32.50%、精矿品位64.49%、尾矿品位17.17%、金属回收率76.11%的技术指标[10-11]。鞍钢东鞍山烧结厂的张明等人提出了分布浮选的工艺流程,经过实验室实验,证明该工艺是可行的,为东鞍山烧结厂处理该类矿石提供了一条新的思路[12]。

矿石储量在10亿t以上的河北司家营铁矿属鞍山式沉积变质铁矿床,是尚未开发利用的国内特大型铁矿床之一。2002年,唐钢委托鞍钢集团矿业公司研究所进行了摸索实验,并最终推荐了阶段磨矿、粗细分级、重选-磁选-阴离子反浮选工艺为司家营红铁矿选矿方案[13-14]。

2.3 菱铁矿石

我国菱铁矿资源较为丰富,储量居世界前列。已探明储量 18.34亿 t,占铁矿石探明储量的3.4%。菱铁矿含铁品位低,采、选、冶均较困难,且多数位于陕西、山西、贵州、甘肃和青海等西部缺水地区,特别需要开发适合其自然条件的矿物加工技术[15]。菱铁矿的理论铁品位较低,经常与钙镁锰呈类质同象共生,用物理选矿方法铁精矿品位很难达到45%以上,焙烧后因烧损品位可大幅提高[16]。菱铁矿的理论品位为48.2%,部分菱铁矿因M g2+和M n2+替代 Fe2+形成类质同象而成为镁、锰菱铁矿,使理论品位常在32%～48%之间。由于冶炼困难,当配入量达到7%～8%时又会明显影响烧结矿强度,故菱铁矿通常需要通过磁化焙烧使 Fe3CO4转变为 Fe3O4,然后根据磁性回收。致使我国目前的菱铁矿贫矿未得到利用。典型含菱铁矿矿石的基本特征与可选性如表 1[17]所示。

表1 典型菱铁矿资源的基本特征与可选性

大西沟菱铁矿是我国低品位复杂难选铁矿的典型代表,其中菱铁矿与褐铁矿的比例是6∶4左右。纯菱铁矿中铁的理论品位是48.2%。由于原料性质的变化,分选指标变差,大西沟矿业公司不得不对现有的工艺流程进行改造。一方面增加了精选作业,延长了精选作业的时间,另一方面增大了捕收剂的用量,增加了回收机回收系统。经过工业实践证明,在原矿品位为29.25%时,可获得精矿产率36.39%、TFe品位60.63%、回收率75.42%的良好指标[18]。

新疆鄯善菱铁矿经过竖炉焙烧,再经过一粗一扫弱磁选流程,可获得精矿品位60.37%,精矿产率80.28%,铁回收率88.47%的铁精矿。重庆大学材料科学与工程学院对低品位的菱铁矿进行了氧化焙烧热力学方面的研究,证明氧化焙烧技术不仅能有效的提高菱铁矿的矿石品位,还可以脱除有害元素,脱硫率能够达到99.99%[19]。

目前菱铁矿的主要的应用技术有。焙烧-磁选技术、强磁选和相关分选技术以及浮选及联合分选技术。根据我国菱铁矿发展的现状,合理利用菱铁矿资源,开发大型磁化还原焙烧设备的精确控制焙烧过程,以及节能高效的燃烧系统的开发与设计是未来发展的关键。

2.4 褐铁矿石

褐铁矿是含水氧化铁矿石,由其他矿石风化后生成,在自然界中分布最为广泛。一般褐铁矿石含铁量为37%～55%,有时含磷较高,成分不稳定。褐铁矿的吸水性很强,一般都吸附大量水分。这些都会造成碎磨过程中的过粉碎现象。褐铁矿属于极难选铁矿石。褐铁矿的矿床主要包括沉积型矿床、风化淋滤型及残余型矿床。我国已探明的褐铁矿储量有12.3亿t,占全国探明储量的2.3%,主要分布于云南、山东、广东、广西、和江西等地。我国褐铁矿探明储量一览见表2。

表2 全国褐铁矿探明储量一览

目前,工业上褐铁矿的分选流程主要为单一选别流程和联合选矿流程两大类。

江西铁坑褐铁矿于2005年10月投产,工艺流程为磨矿-强磁-再磨强磁-反浮选。经过一系列的技术与设备的改造,从2007年6月份开始,在原矿处理量 (50万t/a)不变的情况下,精矿品位提高 0.5%,达到 54.5%,金属回收率达到48%[20-21]。

云南化念褐铁矿采用一次粗选、一次精选的干式磁选抛尾技术可实现褐铁矿的有效磁选,不仅能获得品位大于50%,回收率大于80%的精矿,还能实现选厂尾矿的洁净生产[22]。

为开发云南某高磷褐铁矿,昆明理工大学经过一系列的探索试验,提出了反浮选-磁化还原焙烧-超细磨磁絮凝的工艺流程。经实验室的全流程试验,获得了铁品位为69.57%、回收率71.62%、铁精矿含磷为0.20%、含硫为0.17%、含硅为5.75%的良好指标,同时提高了微细粒级铁矿物的回收,为难选高磷铁矿石提铁降杂提供了一种新的方法[23]。

此外,武汉理工大学进行了褐铁矿的风选试验[24],取得了不错的试验指标。

2.5 鲕状赤铁矿石

鲕状赤铁矿嵌布粒度极细,且常与菱铁矿、鲕绿泥石和含磷矿物共生或相互包裹。因此,鲕状赤铁矿石是目前国内外公认的最难选的铁矿石类型。我国高磷鲕状赤铁矿主要分布在湖北、湖南、云南、四川、贵州、广西、江西和甘肃等地。此类铁矿储量高达30亿～50亿t,占我国铁矿总储量的10%。

鲕状赤铁矿的研究目前大多数都还处在实验室的研究阶段,采用的选矿工艺一般为焙烧、磁选和反浮选等联合工艺。尽管我国在这方面做了大量的研究工作,但离真正的工业化大规模利用还有距离。进一步研究鲕状赤铁矿的超细磨、新型脱磷技术和反浮选药剂的开发、新材料和新工艺的运用都将是未来研究的重点。

3 结论

我国是铁矿石生产大国,也是进口大国,但选矿工艺水平还有待进一步的提高。合理的利用现有的矿石资源,开展难选矿石的技术研发与创新,已然成为选矿者的重任。今后研究重点应为:

1)加强难选矿石的工艺矿物学研究,为选矿工艺的开发奠定基础。

2)加强分选工艺流程的研究,对工艺流程不断完善与创新。

3)加强新设备的研发,尤其是超细磨设备、高压辊磨机和浮选柱等的研究。

4)加强磁化焙烧技术和基础理论的研究。

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