劉 杰,周明順,翟立委,劉炯天,曹亦俊

(1.鞍鋼股份有限公司技術(shù)中心,遼寧鞍山114009;2.中國礦業(yè)大學,江蘇徐州221008)

2009年,我國鋼產(chǎn)量達到5.67億t,生鐵產(chǎn)量5.37億t,鐵礦石產(chǎn)量8.8億t,均達到世界第一位。面對國內(nèi)高速的經(jīng)濟發(fā)展,我國目前的鐵礦石產(chǎn)量仍難以滿足鋼鐵產(chǎn)業(yè)的需求。2009年我國進口的鐵礦石達到了6.28億t,鐵礦石的對外依存度達到69.62%。由于鐵礦石供求缺口的增大,導致鐵礦石價格暴漲,海運費用不斷攀升。對于鐵礦石進口依存度的提高,已成為我國鋼鐵工業(yè)經(jīng)濟安全的重大隱患。

我國鐵礦富礦儲量不到5%,平均含鐵品位僅有33%(國際上鐵礦出口大國品位在 55%～65%),95%以上的貧鐵礦需經(jīng)選礦富集后才能送高爐冶煉[1]。解決我國復雜難選鐵礦資源的開發(fā)與利用,必然成為當前與未來保證我國鋼鐵經(jīng)濟安全、緩解進口礦石的壓力、提高我國鐵礦資源保障程度的當務之急。

1 中國鐵礦床類型及復雜難選鐵礦石的分布

我國鐵礦床類型齊全,除前寒武紀硅鐵建造風化殼型鐵礦外,均探明了一定的儲量。我國目前具有工業(yè)意義的鐵礦床主要有:①沉積變質(zhì)鐵礦,以磁鐵礦為主,儲量約占全國總儲量的57.8%,具有“大、貧、淺、易 (選)”的特點,主要分布于吉林東南部、遼寧鞍山-本溪、冀東、北京密云、晉北、內(nèi)蒙古南部等地[2];②接觸交代-熱液鐵礦,又稱矽卡巖型礦床,其探明儲量約占全國探明總儲量的12.7%,其礦石以塊狀構(gòu)造為主,次為浸染狀、斑點狀、團塊狀和角礫狀構(gòu)造。主要分布于河北邯鄲-邢臺、鄂東、魯中和晉南等地區(qū);③巖漿晚期鐵礦,以鐵礦物中富含釩和鈦為特征,儲量約占全國探明總儲量的11.6%,主要分布于四川攀枝花和河北承德地區(qū);④沉積型鐵礦,以泥盆紀“寧鄉(xiāng)式”鐵礦和震旦紀“宣龍式”鐵礦為主,儲量約占全國儲量的8.7%,主要分布于湖北、湖南和河北宣化地區(qū),礦床具有“廣、薄、難”的特點;⑤火山巖型鐵礦,其儲量約占全國總儲量的4.7%,按火山噴發(fā)環(huán)境又分為陸相火山和海相火山侵入型鐵礦床,前者主要分布于南京和蕪湖地區(qū),后者主要分布于云南大紅山地區(qū);⑥風化淋濾鐵礦,其儲量約占全國總儲量的1.1%,礦床多為小型,主要分布于廣西、廣東、貴州、福建等地;⑦其他類型鐵礦,主要包括內(nèi)蒙古白云鄂博鐵礦和海南石碌鐵礦,其儲量約占全國總儲量的3.4%。

在當前技術(shù)條件下,具有工業(yè)利用價值的主要是磁鐵礦、赤鐵礦、鈦鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦等。其中褐鐵礦、菱鐵礦等弱磁性含鐵礦石和一些嵌布粒度較細的為較難選別的鐵礦石。

其中,“寧鄉(xiāng)式”鮞狀赤鐵礦主要分布于湖北西部、湖南中北部、廣西北部、江西西部和貴州東部,集中產(chǎn)出在鄂西宜昌、恩施地區(qū)?！靶埵健滨b狀赤鐵礦主要分布在河北宣化。菱鐵礦主要分布于湖北、四川、云南、貴州、新疆、陜西、山西、廣西、山東、吉林等省。褐鐵礦主要分布于廣東、廣西、山東、貴州、云南和福建。細粒嵌布赤鐵礦主要分布于遼寧、山西、云南、湖南等地。細粒嵌布磁鐵礦則主要分布于遼寧、河南、新疆等地。

2 復雜難選鐵礦的研究現(xiàn)狀

2.1 微細粒嵌布的鞍山式貧磁鐵礦石

微細粒嵌布的鞍山式貧磁鐵礦石嵌布粒度極細 (小于0.037mm的占90%),礦物單體解離和分選困難,目前無法在工業(yè)上大規(guī)模利用。

鞍鋼谷首峪鐵礦全鐵品位為31.90%,96.14%的鐵分布在磁鐵礦中,還有一部分以菱鐵礦、硅酸鐵和假象、半假象赤鐵礦形式存在。為此,谷首峪鐵礦主要的試驗流程見圖1。

試驗的最終結(jié)果為原礦品位31.90%,精礦品位65.53%,精礦產(chǎn)率27.07%,中礦品位59.74%,中礦產(chǎn)率14.34%,尾礦品位 9.55%,尾礦產(chǎn)率58.59%[3]。

對二段磨礦閉路,將三、四段細篩篩上返回三段磨礦進行連選試驗,結(jié)果表明,當原礦品位為31.72%時,精礦品位 65.05%,尾礦品位10.21%,金屬回收率80.43%。

河南舞陽礦業(yè)公司鐵古坑鐵礦主要鐵礦物為磁鐵礦,次為硅酸鐵和少量赤鐵礦,脈石礦物為碧玉、輝石,與磁鐵礦的分離較為困難[4]。近年由于入選礦石品位的降低,舞陽礦業(yè)公司提出了多段干式預選-多碎少磨-細篩-磁團聚提質(zhì)-尾礦中磁掃選的高效節(jié)能技術(shù)路線,廢石拋棄率可達25%左右,磨選車間年處理能力由74萬t提高到153萬t,年節(jié)省電能 810kW·h。精礦鐵品位由64.05%提高到67.5%以上,鐵回收率由64.49%提高到69%左右[5]。

圖1 鞍鋼谷首峪鐵礦選礦試驗流程

新疆某鐵礦床主要為磁鐵礦類型,鐵礦物主要為磁鐵礦,其次是碳酸鐵、赤鐵礦、褐鐵礦和黃鐵礦。礦石的嵌布粒度極細,使該礦極為難選。選廠采用三段磨礦、三次磁選、磁選精礦反浮選的工藝,在最終磨礦粒度在-0.043mm占90%,原礦品位 31.48%的條件下,可獲得產(chǎn)率為36.10%,鐵精礦品位為 62.05%,回收率為71.16%的選別指標。

吉林羚羊鐵礦石是一種成分、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造都十分復雜的以磁鐵礦為主的難選鐵錳礦石。采用磁化焙燒-磁選工藝處理吉林羚羊鐵礦在原礦品位在34.4%的情況下,可獲得精礦品位60%以上、回收率70%以上的指標[6]。

2.2 微細粒嵌布的鞍山式赤鐵礦石

微細粒嵌布的鞍山式赤鐵礦石粒度嵌布極細(小于0.037mm占90%),礦物的單體解離也十分困難。此類鐵礦石儲量較大,有近30億t,目前在工業(yè)上也較難以大規(guī)模利用。

保有儲量13多億t的太鋼袁家村鐵礦,礦石類型較多,結(jié)構(gòu)復雜,各種礦物嵌布粒度微細,礦石中金屬和脈石礦物粒度多在0.05mm以下,有部分極細者粒度在0.01mm以下。采用階段磨礦-弱磁-強磁-反浮選工藝,在原礦品位為33.66%的情況下,可以獲得精礦品位65.36%,回收率82.03%的指標[7]。

山西嵐縣某赤鐵礦儲量達10億t以上,礦石中大多數(shù)晶粒粒度在0.015～0.045mm。選廠采用一粗一掃兩精的陽離子反浮選流程,磨礦細度-0.043mm占80%,在鐵精礦品位為65.91%,產(chǎn)率為50.66%,獲得了鐵回收率為83.20%、尾礦品位13.67%的良好指標[8]。

鞍鋼關(guān)寶山鐵礦鐵礦石粗細分布不均勻,總儲量近5億t,采用兩段連續(xù)磨礦、中礦再磨、重選-強磁選-陰離子反浮選工藝,取得了較好的指標[9]。鞍鋼東鞍山鐵礦是我國大型紅鐵礦山,礦物品種多、結(jié)構(gòu)復雜、嵌布粒度細,可選性差。2001年以來,鞍鋼礦山研究所經(jīng)過大量的實驗室研究,提出了連續(xù)磨礦、粗細分選、中礦再磨、重選-磁選-陰離子反浮選工藝,在工業(yè)試驗的基礎(chǔ)上,2003年,實現(xiàn)原礦品位32.50%、精礦品位64.49%、尾礦品位17.17%、金屬回收率76.11%的技術(shù)指標[10-11]。鞍鋼東鞍山燒結(jié)廠的張明等人提出了分布浮選的工藝流程,經(jīng)過實驗室實驗,證明該工藝是可行的,為東鞍山燒結(jié)廠處理該類礦石提供了一條新的思路[12]。

礦石儲量在10億t以上的河北司家營鐵礦屬鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床,是尚未開發(fā)利用的國內(nèi)特大型鐵礦床之一。2002年,唐鋼委托鞍鋼集團礦業(yè)公司研究所進行了摸索實驗,并最終推薦了階段磨礦、粗細分級、重選-磁選-陰離子反浮選工藝為司家營紅鐵礦選礦方案[13-14]。

2.3 菱鐵礦石

我國菱鐵礦資源較為豐富,儲量居世界前列。已探明儲量 18.34億 t,占鐵礦石探明儲量的3.4%。菱鐵礦含鐵品位低,采、選、冶均較困難,且多數(shù)位于陜西、山西、貴州、甘肅和青海等西部缺水地區(qū),特別需要開發(fā)適合其自然條件的礦物加工技術(shù)[15]。菱鐵礦的理論鐵品位較低,經(jīng)常與鈣鎂錳呈類質(zhì)同象共生,用物理選礦方法鐵精礦品位很難達到45%以上,焙燒后因燒損品位可大幅提高[16]。菱鐵礦的理論品位為48.2%,部分菱鐵礦因M g2+和M n2+替代 Fe2+形成類質(zhì)同象而成為鎂、錳菱鐵礦,使理論品位常在32%～48%之間。由于冶煉困難,當配入量達到7%～8%時又會明顯影響燒結(jié)礦強度,故菱鐵礦通常需要通過磁化焙燒使 Fe3CO4轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe3O4,然后根據(jù)磁性回收。致使我國目前的菱鐵礦貧礦未得到利用。典型含菱鐵礦礦石的基本特征與可選性如表 1[17]所示。

表1 典型菱鐵礦資源的基本特征與可選性

大西溝菱鐵礦是我國低品位復雜難選鐵礦的典型代表,其中菱鐵礦與褐鐵礦的比例是6∶4左右。純菱鐵礦中鐵的理論品位是48.2%。由于原料性質(zhì)的變化,分選指標變差,大西溝礦業(yè)公司不得不對現(xiàn)有的工藝流程進行改造。一方面增加了精選作業(yè),延長了精選作業(yè)的時間,另一方面增大了捕收劑的用量,增加了回收機回收系統(tǒng)。經(jīng)過工業(yè)實踐證明,在原礦品位為29.25%時,可獲得精礦產(chǎn)率36.39%、TFe品位60.63%、回收率75.42%的良好指標[18]。

新疆鄯善菱鐵礦經(jīng)過豎爐焙燒,再經(jīng)過一粗一掃弱磁選流程,可獲得精礦品位60.37%,精礦產(chǎn)率80.28%,鐵回收率88.47%的鐵精礦。重慶大學材料科學與工程學院對低品位的菱鐵礦進行了氧化焙燒熱力學方面的研究,證明氧化焙燒技術(shù)不僅能有效的提高菱鐵礦的礦石品位,還可以脫除有害元素,脫硫率能夠達到99.99%[19]。

目前菱鐵礦的主要的應用技術(shù)有。焙燒-磁選技術(shù)、強磁選和相關(guān)分選技術(shù)以及浮選及聯(lián)合分選技術(shù)。根據(jù)我國菱鐵礦發(fā)展的現(xiàn)狀,合理利用菱鐵礦資源,開發(fā)大型磁化還原焙燒設(shè)備的精確控制焙燒過程,以及節(jié)能高效的燃燒系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計是未來發(fā)展的關(guān)鍵。

2.4 褐鐵礦石

褐鐵礦是含水氧化鐵礦石,由其他礦石風化后生成,在自然界中分布最為廣泛。一般褐鐵礦石含鐵量為37%～55%,有時含磷較高,成分不穩(wěn)定。褐鐵礦的吸水性很強,一般都吸附大量水分。這些都會造成碎磨過程中的過粉碎現(xiàn)象。褐鐵礦屬于極難選鐵礦石。褐鐵礦的礦床主要包括沉積型礦床、風化淋濾型及殘余型礦床。我國已探明的褐鐵礦儲量有12.3億t,占全國探明儲量的2.3%,主要分布于云南、山東、廣東、廣西、和江西等地。我國褐鐵礦探明儲量一覽見表2。

表2 全國褐鐵礦探明儲量一覽

目前,工業(yè)上褐鐵礦的分選流程主要為單一選別流程和聯(lián)合選礦流程兩大類。

江西鐵坑褐鐵礦于2005年10月投產(chǎn),工藝流程為磨礦-強磁-再磨強磁-反浮選。經(jīng)過一系列的技術(shù)與設(shè)備的改造,從2007年6月份開始,在原礦處理量 (50萬t/a)不變的情況下,精礦品位提高 0.5%,達到 54.5%,金屬回收率達到48%[20-21]。

云南化念褐鐵礦采用一次粗選、一次精選的干式磁選拋尾技術(shù)可實現(xiàn)褐鐵礦的有效磁選,不僅能獲得品位大于50%,回收率大于80%的精礦,還能實現(xiàn)選廠尾礦的潔凈生產(chǎn)[22]。

為開發(fā)云南某高磷褐鐵礦,昆明理工大學經(jīng)過一系列的探索試驗,提出了反浮選-磁化還原焙燒-超細磨磁絮凝的工藝流程。經(jīng)實驗室的全流程試驗,獲得了鐵品位為69.57%、回收率71.62%、鐵精礦含磷為0.20%、含硫為0.17%、含硅為5.75%的良好指標,同時提高了微細粒級鐵礦物的回收,為難選高磷鐵礦石提鐵降雜提供了一種新的方法[23]。

此外,武漢理工大學進行了褐鐵礦的風選試驗[24],取得了不錯的試驗指標。

2.5 鮞狀赤鐵礦石

鮞狀赤鐵礦嵌布粒度極細,且常與菱鐵礦、鮞綠泥石和含磷礦物共生或相互包裹。因此,鮞狀赤鐵礦石是目前國內(nèi)外公認的最難選的鐵礦石類型。我國高磷鮞狀赤鐵礦主要分布在湖北、湖南、云南、四川、貴州、廣西、江西和甘肅等地。此類鐵礦儲量高達30億～50億t,占我國鐵礦總儲量的10%。

鮞狀赤鐵礦的研究目前大多數(shù)都還處在實驗室的研究階段,采用的選礦工藝一般為焙燒、磁選和反浮選等聯(lián)合工藝。盡管我國在這方面做了大量的研究工作,但離真正的工業(yè)化大規(guī)模利用還有距離。進一步研究鮞狀赤鐵礦的超細磨、新型脫磷技術(shù)和反浮選藥劑的開發(fā)、新材料和新工藝的運用都將是未來研究的重點。

3 結(jié)論

我國是鐵礦石生產(chǎn)大國,也是進口大國,但選礦工藝水平還有待進一步的提高。合理的利用現(xiàn)有的礦石資源,開展難選礦石的技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新,已然成為選礦者的重任。今后研究重點應為:

1)加強難選礦石的工藝礦物學研究,為選礦工藝的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2)加強分選工藝流程的研究,對工藝流程不斷完善與創(chuàng)新。

3)加強新設(shè)備的研發(fā),尤其是超細磨設(shè)備、高壓輥磨機和浮選柱等的研究。

4)加強磁化焙燒技術(shù)和基礎(chǔ)理論的研究。

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