于長江， 徐月和

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

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稀貴金屬

包頭混合稀土礦開發(fā)利用過程中Th元素走向與分布研究

于長江， 徐月和

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

通過對包頭混合稀土礦開發(fā)利用過程系統(tǒng)考察，以放射性核素Th作為特征因子，按照采選、鋼鐵冶煉、稀土冶煉三大流程研究Th的走向與分布，形成包頭混合稀土礦開發(fā)利用Th平衡圖。

Th； 混合稀土礦； 白云鄂博； 分布

0 前言

白云鄂博礦是一個(gè)富含鐵、稀土、鈮和放射性元素釷的大型綜合礦床，釷的含量高達(dá)22萬t，約占全國總儲量的77.3%[1]。隨著鐵和稀土資源的開發(fā)，含有放射性元素釷的廢氣、廢水、廢渣對包頭周邊地區(qū)產(chǎn)生了不容忽視的環(huán)境影響。與此同時(shí)，釷資源的有效利用率幾乎為零。目前，尚缺乏對采選、鋼鐵冶煉、稀土冶煉全流程的Th分配系統(tǒng)考察。因此，查明包頭混合稀土礦開發(fā)利用全過程中Th的走向和分布，有助于釷資源的針對性利用，從而減輕放射性環(huán)境污染。

1 包頭混合稀土礦地質(zhì)資源特征

白云鄂博稀土鐵礦床距內(nèi)蒙古包頭市135 km，是目前世界上最大的稀土礦床。礦區(qū)東西長約18 km，南北寬約2～3 km，主要由三個(gè)礦體組成：東礦、主礦和西礦。該礦位于內(nèi)蒙古地臺和蒙古海西褶皺帶之間的過渡帶內(nèi)，礦床形成于裂谷構(gòu)造環(huán)境[2]。

白云鄂博礦床呈薄層狀和透鏡體狀產(chǎn)于陡傾斜的白云巖中。主要的鐵礦石礦物是磁鐵礦、鏡鐵礦和赤鐵礦，稀土礦物與它們互成夾層。該礦床的稀有、稀土礦物多達(dá)41種，分布較廣者為獨(dú)居石、氟碳鈰礦、氟碳鋇鈰礦、褐簾石、鈮鐵礦、燒綠石、鈮金紅石、鈮易解石- 鈦易解石系列、褐釔鈮礦- 褐鈰鈮礦系列等。各類礦石中REE的賦存狀態(tài)是、約60%～95%的REO以獨(dú)立REE礦物的形式存在，5%～40%的REO以分散狀態(tài)賦存于其他礦物中[3]。

白云鄂博礦床中鈮稀土鐵礦石中釷含量平均值596×10-6、鈾含量平均值2.5×10-6，釷是引起白云鄂博礦放射性的主要元素。礦床中釷的存在形式主要有兩種：一種是釷的獨(dú)立礦物，如方釷石、鐵釷石、鈾釷石和菱鐵鈣鈾釷石等；另一種是類質(zhì)同象礦物，如易解石、獨(dú)居石等；另有少量的釷呈分散狀態(tài)存在于各種礦石礦物和脈石礦物中。主礦體ThO2平均含量為0.038%，東礦體ThO2平均含量為0.038%[4]。

2 包頭混合稀土礦采選工藝及Th平衡

白云鄂博主東礦為露天開采，聯(lián)合運(yùn)輸開拓，主采場礦巖采用汽車—采場外轉(zhuǎn)載—鐵路聯(lián)合運(yùn)輸方式；東采場礦石采用汽車—采場外轉(zhuǎn)載—鐵路聯(lián)合運(yùn)輸方式。根據(jù)收集的多年平均數(shù)據(jù)，鐵礦石原礦產(chǎn)量1 200萬t左右，其中氧化礦600萬t，磁鐵礦600萬t。

圖1 包頭混合稀土礦采選Th平衡圖

包鋼選礦廠現(xiàn)有8個(gè)生產(chǎn)系列，2個(gè)外購精礦再磨再選生產(chǎn)系列，采用3種選別工藝，1、2、4、5系列處理白云鄂博主、東礦中貧氧化礦礦石，6、7、8、9系列處理白云鄂博主、東礦磁鐵礦礦石，3和10系列為外購鐵精礦再磨再選系列。主、東礦氧化礦礦石的選礦工藝為：弱磁-強(qiáng)磁-反浮選-正浮選。主、東礦磁鐵礦礦石選礦工藝為：弱磁-反浮選。稀土礦物富集于氧化礦強(qiáng)磁選的強(qiáng)磁中礦和強(qiáng)磁尾礦中，其礦物組成為稀土礦物、含鐵硅酸鹽礦物和螢石等，該礦漿進(jìn)入稀土選礦廠再選。

稀土的選礦采用混合浮選- 重選- 浮選聯(lián)合流程，該工藝的實(shí)質(zhì)是利用礦物可浮性的差異，在礦漿pH=9～10的條件下，采用氧化石蠟皂為捕收劑，水玻璃為抑制劑進(jìn)行混合浮選，使稀土、螢石、重晶石等易浮礦物進(jìn)入泡沫產(chǎn)品。對泡沫產(chǎn)品進(jìn)行重選，以便脫除礦泥和藥劑的不利影響，并排出方解石、螢石等輕礦物，得到含REO為25%～30%的低品位稀土精礦。對這種低品位精礦，在礦漿pH=8～9的條件下，采用水玻璃為抑制劑，H205為捕收劑進(jìn)行稀土浮選，可得到含REO為60%的稀土精礦[4]。包鋼稀選廠產(chǎn)出的混合稀土精礦品位在50%左右。

包頭混合稀土礦采選Th平衡圖見圖1。

原礦中的Th主要隨選礦工藝流程富集在稀土尾礦、磁鐵尾礦和泡沫尾礦3種尾礦中，在稀土精礦和鐵精礦中均有一定的分布，極少量隨粗碎及細(xì)碎粉塵外排。從采選工藝Th平衡來看，原礦中的Th總量為4 800 t/a，經(jīng)選礦后稀土精礦中Th占比13%，鐵精礦中Th占比11.6%，混合尾礦中Th占比75.5%，粗碎和細(xì)碎粉塵中合計(jì)Th占比2.5×10-6。

3 包頭稀土精礦冶煉工藝及Th平衡

包頭稀土精礦的處理目前普遍采用第三代硫酸法工藝，工藝流程為濃硫酸分解—水浸出—P204萃取轉(zhuǎn)型—混合氯化稀土。在300 ℃以下，精礦中的氟碳鈰礦、獨(dú)居石、螢石、鐵礦石、二氧化硅等主要成分即可被硫酸分解，稀土轉(zhuǎn)化為可溶性硫酸鹽；以磷酸鹽存在的釷也被分解為可溶性硫酸鹽；隨著溫度的升高，在超過500 ℃時(shí)，釷轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶的焦磷酸釷[6]。焙燒礦直接用自來水進(jìn)行調(diào)漿，并在常溫下進(jìn)行攪拌浸出即可得到稀土硫酸鹽溶液。用P204作萃取劑將硫酸溶液中的稀土全部萃入有機(jī)相，然后用鹽酸反萃，即可將硫酸稀土溶液轉(zhuǎn)化為氯化稀土溶液。在萃取過程中可從萃余液中排除鈣、鎂、鐵等雜質(zhì)，并通過控制反萃劑的濃度和流量得到高濃度的氯化稀土溶液。隨后對得到的氯化稀土溶液進(jìn)行分離或直接制成混合氯化稀土、碳酸稀土的產(chǎn)品。稀土精礦中的Th主要以焦磷酸釷的形式存在于水浸后的水浸渣中，少量分布在廢水處理產(chǎn)生的中和渣中，極少量分布在焙燒煙塵和外排廢水中。從Th平衡來看，稀土精礦經(jīng)過濃硫酸高溫焙燒后97.38%進(jìn)入水浸渣，2.25%進(jìn)入中和渣，0.12%進(jìn)入焙燒煙塵，0.27%進(jìn)入廢水中。

4 包鋼鐵精礦冶煉工藝及Th平衡

包鋼鋼鐵產(chǎn)業(yè)目前具有年產(chǎn)1 000萬t鋼的綜合產(chǎn)能，形成了板、管、軌、線(棒)四大系列鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)線。依據(jù)多年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包鋼集團(tuán)公司年生產(chǎn)生鐵976萬t、粗鋼1 030萬t、鋼坯1 020萬t、商品鋼材963萬t。包鋼外購鐵精礦300萬t/a，自產(chǎn)鐵精礦430萬t/a。包鋼共有四個(gè)燒結(jié)車間，燒結(jié)機(jī)7臺，設(shè)計(jì)燒結(jié)能力1 400萬t/a，實(shí)際燒成率0.91，燒結(jié)礦產(chǎn)量1 264萬t/a。球團(tuán)礦產(chǎn)量299萬t/a。公司擁有2 200 m3高爐3 座，1 800 m3高爐1 座，1 500 m3高爐1座，2 500 m3高爐1 座。高爐渣率0.36 t渣/t生鐵，因生鐵產(chǎn)量976萬t/a，故高爐渣產(chǎn)量351萬t/a。自產(chǎn)鐵精礦中的Th主要經(jīng)燒結(jié)工序和高爐冶煉工序進(jìn)入高爐渣，微小數(shù)量的Th通過燒結(jié)煙塵和高爐煙塵外排。從Th平衡來看，鐵精礦經(jīng)過高爐冶煉后絕大部分Th進(jìn)入高爐渣，約占99.96%，其余燒結(jié)煙塵和高爐煙塵中的Th合計(jì)占比0.04%。

5 包頭混合稀土礦開發(fā)利用過程中的Th平衡

綜上所述，通過對包頭混合稀土礦采礦、選礦、稀土冶煉、鋼鐵冶煉(相關(guān)部分)工藝的系統(tǒng)分析，重點(diǎn)考察特征污染物Th的走向及分布。

表1為包頭混合稀土礦開發(fā)利用過程中的Th平衡表。

白云鄂博混合稀土礦原礦多年平均產(chǎn)量1 200萬t，按礦石中釷平均品位0.04%計(jì)算，共計(jì)含釷量4 800 t/a。白云礦開采剝離后，經(jīng)粗碎和選廠細(xì)碎，產(chǎn)生含有放射性物質(zhì)的粉塵。其中白云破碎站的廢氣產(chǎn)生量為7萬m3/h，粉塵濃度約10 mg/m3，粉塵年排放量5.54 t，含釷量2.49 kg/a；選廠細(xì)碎車間廢氣產(chǎn)生量為7萬m3/h，粉塵濃度約40 mg/m3，破碎粉塵年排放量22 t，含釷量9.68 kg/a。經(jīng)包鋼選廠及稀選廠精選后，放射性核素釷富集于稀土精礦、鐵精礦和尾礦。其中稀土精礦含釷量624 t/a，占總釷量的13%；鐵精礦含釷量559 t/a，占總釷量的11.6%；尾礦含釷量3 626 t/a，占總釷量的75.5%。

包鋼自產(chǎn)鐵精礦與外購鐵精礦混合后進(jìn)入包鋼鋼鐵廠冶煉，通過燒結(jié)和高爐冶煉兩個(gè)工序，放射性核素釷主要富集于高爐渣，高爐渣351萬t/a，含釷量558.8 t/a，占總釷量的11.6%。在此過程中，產(chǎn)生燒結(jié)煙塵2 023 t/a，含釷量80.92 kg/a；產(chǎn)生高爐出鐵口煙塵1 094 t，含釷量97.37 kg/a。

稀土精礦26萬t/a，其中15萬t/a精礦外送到其它地區(qū)進(jìn)行冶煉分離，另外11萬t/a精礦供包頭本市的三家稀土冶煉企業(yè)生產(chǎn)稀土氧化物。稀土精礦經(jīng)高溫焙燒及水浸后，放射性核素釷主要富集于水浸渣及中和渣，水浸渣6.27萬t/a，含釷量257 t/a，占總釷量的5.3%；中和渣1.21萬t/a，含釷量5.9 t/a，占總釷量的0.1%。其余微量的釷主要分布于焙燒煙塵及廢水中，含釷量分別為317.24 kg/a和713.79 kg/a。

包頭混合稀土礦開發(fā)利用過程中的Th平衡圖見圖2。

表1包頭混合稀土礦開發(fā)利用過程中的Th平衡表

序號工藝物料名稱產(chǎn)量/t·a-1Th品位/%Th含量/t·a-1相對比例1選礦原礦120000000.0404800100%白云粗碎5.50.0452.48×10-35×10-7選廠破碎220.0449.68×10-32×10-6粉礦120000000.0404800100%稀土精礦2600000.24062413%鐵精礦43000000.01355911.65%稀土尾礦24400000.04097620.33%鐵選尾礦50000000.053265055.21%2鋼鐵冶煉鐵精礦43000000.013559100%燒結(jié)煙塵20230.00480.92×10-31.5×10-4高爐煙塵10940.00997.37×10-31.5×10-4高爐渣35100000.017558.899.97%3稀土冶煉稀土精礦(供外地)1500000.240360—稀土精礦(供本市)1100000.240264100%焙燒煙塵396.60.080317.24×10-30.12%廢水32800002.2×10-5713.79×10-30.26%水浸渣627000.4125797.38%中和渣121000.0495.92.25%

圖2 包頭混合稀土礦開發(fā)利用過程中的Th平衡圖

6 結(jié)語

綜上所述，包頭混合稀土礦原礦中的放射性核素釷除隨部分稀土精礦輸送到外省(約7.5%)，其余主要分布于選礦尾礦(約75.5%)、高爐渣(約11.6%)、水浸渣(約5.3%)及中和渣(約0.1%)4種固體廢物中，微量分布于各類煙粉塵中和廢水中。從包頭混合稀土礦開發(fā)利用全過程來看，包頭鋼鐵采選及冶煉對釷排放的貢獻(xiàn)占比達(dá)66.7%，而稀土選礦及冶煉分離對釷排放的貢獻(xiàn)占比25.8%，外部性輸出貢獻(xiàn)占比7.5%。

[1] 徐光憲.白云鄂博礦釷資源開發(fā)利用迫在眉睫[J].稀土信息，2005,(5)：4-5.

[2] 徐光憲.稀土(第二版)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

[3] 陳德潛.實(shí)用稀土元素地球化學(xué) [M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1990.

[4] 趙長有.白云鄂博的釷與鈾(一)[J].稀土信息，2006,(7)：12-15.

[5] 池汝安.稀土選礦與提取技術(shù) [M].北京：科學(xué)出版社，1996.

[6] 吳文遠(yuǎn).稀土冶金技術(shù) [M].北京：科學(xué)出版社，2012.

Study on Th trend and distribution in the development of Baotou rare earth mine

YU Chang-jiang， XU Yue-he

By systematic investigation on development of Bayan Obo rare earth, the balance graph of Th for development of the rare earth is formed based on Th trend and distribution in mining and separation, steel smelting and rare earth smelting with radionuclide Th as characteristic factor.

Th; rare earth; Bayan Obo; distribution

于長江(1981—)，男，遼寧沈陽人，碩士，工程師，主要從事有色環(huán)保及節(jié)能工作。

2012年度環(huán)保部環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“典型地區(qū)稀土開發(fā)與生產(chǎn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估與監(jiān)管技術(shù)研究”中的課題——“典型區(qū)域稀土開發(fā)相關(guān)污染源清單研究”

2016-01-22

TF845.2

B

1672-6103(2016)03-0039-04