(東北大學(xué)冶金學(xué)院資源與環(huán)境工程研究所，遼寧沈陽，110167)

我國儲有非常豐富的釩鈦磁鐵礦資源，主要分布在四川攀枝花與河北承德等地區(qū)[1-3]。近年來，釩鈦磁鐵礦勘探取得較大進(jìn)步，在遼寧省朝陽地區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量的超貧釩鈦磁鐵礦，據(jù)估計儲量200億t 以上[4]。這類礦石的釩、鈦和鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與攀西地區(qū)的礦石相比較低[5-8]，但其磁選精礦中釩、鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，具有很高的開發(fā)利用價值[9-10]。朝陽地區(qū)某選廠仿照攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦的選別工藝在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行了生產(chǎn)試驗，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)指標(biāo)并不理想。該廠的鐵精礦產(chǎn)品TFe品位約為44%，TiO2品位為22%，無法單獨(dú)作為原料用于現(xiàn)行高爐煉鐵。為了查明其原因，改進(jìn)選別工藝，本文采用工藝礦物學(xué)參數(shù)自動分析系統(tǒng)(BPMA)[11-14]研究該鐵精礦的工藝礦物學(xué)特性。BPMA 是由北京礦冶研究總院研發(fā)的一套實驗室分析系統(tǒng)，它由掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜分析儀組成，通過軟件可以實現(xiàn)對目標(biāo)礦物的自動識別分析，得出礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與組成、礦物嵌布特征、礦物連生和解離情況等信息，以便對工藝礦物學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。

1 鐵精礦來源與性狀

該選廠生產(chǎn)試驗所用礦石埋藏較淺，風(fēng)化較嚴(yán)重[15-16]。礦石露天采挖后，在采礦場經(jīng)皮帶運(yùn)輸先后經(jīng)過錘碎和顎式破碎，破碎產(chǎn)品經(jīng)12 mm 篩孔篩分后，通過一段干式磁輥分選(磁場強(qiáng)度為0.3 T)后，拋掉約51%脈石礦物，獲得干選精礦。將干選精礦運(yùn)至選礦廠，經(jīng)過一段磨礦至細(xì)度低于0.075 mm 的礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～60%，然后采用滾筒磁選機(jī)回收磁鐵礦，粗選磁場強(qiáng)度為0.7 T，掃選磁場強(qiáng)度為1.0 T，整個選鐵流程見圖1[17-18]。

成分分選所得鐵精礦顆粒呈黑色，最大粒度約104 μm，平均粒度約21 μm。表1所示為該鐵精礦化學(xué)成分分析結(jié)果。從表1可以看出：該鐵精礦全鐵(TFe)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.75%，TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.54%，V 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.91%，還有少量含Ca，S，Mg 和Al 的礦物。與攀枝花鋼鐵公司以及承德鋼鐵公司生產(chǎn)的鐵精礦產(chǎn)品相比，朝陽地區(qū)生產(chǎn)的鐵精礦中V和TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，但TFe品位明顯偏低。

圖1 選鐵工藝流程Fig.1 Process flow of iron selection

2 鐵精礦礦物組成分析

鐵精礦XRD 分析圖譜見圖2，鐵精礦的礦物組成見表2。從圖2和表2可見：鐵精礦中的含鐵礦物主要是含鈦磁鐵礦、鈦鐵礦，脈石礦物主要包括榍石、閃石(陽起石等)、輝石(次透輝石、鐵次透輝石、普通輝石等)，另有微量的石英、長石、方解石、鐵白云石、云母等礦物。

圖2 鐵精礦XRD分析圖譜Fig.2 XRD analysis pattern of iron concentrate

表2 鐵精礦的礦物組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Mineral composition of iron concentrate %

2.1 含鈦磁鐵礦

圖3所示為含鈦磁鐵礦SEM與能譜分析結(jié)果。從圖3可見：該鐵精礦中含有一些磁鐵礦，這些磁鐵礦主要為含鈦磁鐵礦，質(zhì)量分?jǐn)?shù)略小于64%；含鈦磁鐵礦主要由O，F(xiàn)e，Ti和V組成，另外還檢出微量的Si和Ca(圖3(b))；含鈦磁鐵礦中鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較大，僅有微量礦物顆粒中鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低(圖3(c))；含鈦磁鐵礦顆粒普遍含V，V 質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般較低。

2.2 鈦鐵礦

該鐵精礦中有約15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鈦鐵礦，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅比含鈦磁鐵礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低。圖4所示為一單體鈦鐵礦的SEM與能譜分析結(jié)果，經(jīng)分析，該礦粒主要由Ti，F(xiàn)e和O組成，含微量Mn。

2.3 榍石

榍石是精礦中主要含鈦硅酸鹽礦物，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為6%，圖5所示為榍石與鈦鐵礦的SEM圖。由圖5可知榍石主要由Si，Ca 和Ti 組成，含少量Fe和Mg。

2.4 鐵和鈦的賦存狀態(tài)

該鐵精礦中TFe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.75%，含鈦磁鐵礦和鈦鐵礦是鐵的主要載體礦物。鐵精礦中鐵、鈦的分布率見表3。由表3可以看出，含鈦磁鐵礦中的鐵質(zhì)量約占總鐵質(zhì)量的83%；約13%的鐵存在于鈦鐵礦中，少量的鐵存在于榍石、輝石、閃石等脈石礦物中；TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在該鐵精礦中高達(dá)21.54%，Ti 是鈦鐵礦、含鈦磁鐵礦、榍石的主要組成元素；鐵精礦中較多的Ti 賦存于含鈦磁鐵礦中，其Ti 質(zhì)量約占Ti 總質(zhì)量的51%；其余的Ti大部分賦存于鈦鐵礦中，約占鈦總質(zhì)量的38%；此外，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約11%的Ti 分布于榍石中，其他脈石礦物中的鈦分布率均很小。

綜合以上分析可知，該鐵精礦鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)約44%，含鈦磁鐵礦是主要含鐵礦物，也是精礦中礦物量最大的礦物，精礦的鐵品位既取決于該礦物在精礦中的占比，也與含鈦磁鐵礦中的Fe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)。一方面，該鐵精礦中鈦磁鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%，而鈦鐵礦和其他脈石礦物占比分別達(dá)15%和21%，鈦鐵礦和脈石礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高是該鐵精礦鐵品位偏低、鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高的主要原因之一；另一方面，由鐵精礦中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表1)與鈦在含鈦磁鐵礦中的分布率(表3)可知，含鈦磁鐵礦中的TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10.99%，這部分Ti 主要賦存于磁鐵礦晶格中，難以通過選礦方法分離，這是導(dǎo)致鐵精礦鐵品位偏低和鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高的另一個重要原因。

圖3 含鈦磁鐵礦SEM圖與能譜分析結(jié)果Fig.3 SEM image and energy spectrum analysis of titaniferous magnetite

圖4 鈦鐵礦SEM圖與能譜分析結(jié)果Fig.4 SEM image and energy spectrum analysis of ilmenite

圖5 榍石SEM圖與能譜分析結(jié)果Fig.5 SEM image and energy spectrum analysis of titanite

表3 鐵精礦中鐵、鈦的分布率Table 3 Distribution of iron and titanium in iron concentrate respectively %

3 鐵精礦的粒度與解離度分析

表4所示為該鐵精礦中顆粒粒度分布以及含鈦磁鐵礦、鈦鐵礦和榍石在各粒級中質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測結(jié)果。從4可以看出：精礦中的含鈦磁鐵礦、鈦鐵礦、榍石的粒度基本相同，平均粒徑都在21～23 μm之間。

鐵精礦中各礦物的解離度是通過BPMA 直接測量計算得到的。計算時，該系統(tǒng)按照目標(biāo)礦物在每一個礦石顆粒中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將其統(tǒng)計在11個解離等級中，例如某個顆粒中含鈦磁鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%，則會被統(tǒng)計在含鈦磁鐵礦“30

從表6和表7可見：含鈦磁鐵礦與鈦鐵礦之間的連生比較多，16.80%的含鈦磁鐵礦與鈦鐵礦連生，而鈦鐵礦中與含鈦磁鐵礦連生的礦物顆粒占總量的34.36%，這一部分鈦鐵礦多是以網(wǎng)格狀(見圖6(a))或者細(xì)脈狀(見圖6(b)和圖6(c))生長在含鈦磁鐵礦中，呈固溶體分解結(jié)構(gòu)，少量與含鈦量較少的磁鐵礦相鄰產(chǎn)出，形成連晶顆粒(見圖6(d))。這些與含鈦磁鐵礦嵌布共生的鈦鐵礦粒度非常小，一般在10 μm左右，并且網(wǎng)格狀與細(xì)脈狀生長的鈦鐵礦寬度只有2 μm，與含鈦磁鐵礦結(jié)合十分緊密，在常規(guī)磨礦細(xì)度下很難將這2種礦物分開，導(dǎo)致磁選精礦鐵品位較低、Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高。

含鈦磁鐵礦與脈石嵌布關(guān)系如圖7所示。含鈦磁鐵礦與脈石的連生同樣也較多，約占總量的16%。圖7(a)中，礦物顆粒是一個粒度大含鈦磁鐵礦與輝石的連生體，這一類連生體可以通過細(xì)磨使它們解離；而含鈦磁鐵礦中還含有微細(xì)粒脈石礦物包體(見圖7(b))，實現(xiàn)二者的單體解離難度較大，該鐵精礦中鈦鐵礦有51.44%是以單體形式存在的。圖7(c)中礦物顆粒是粒度小的鈦鐵礦與解離開的透閃石。鈦鐵礦與脈石礦物也存在連生現(xiàn)象，與榍石的連生邊界十分復(fù)雜(見圖7(d))，而且在該種礦粒中鈦鐵礦占較小，分離較困難。

表4 鐵精礦中主要礦物的粒度分布Table 4 Grain size distribution of main minerals in iron concentrate

表5 鐵精礦中主要礦物的解離度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 5 Dissociation degree of main minerals in iron concentrate(mass fraction) %

礦物解離度檢測結(jié)果進(jìn)一步表明，造成該鐵精礦中含鈦磁鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低的原因在于含鈦磁鐵礦的單體解離度不高，一部分鈦鐵礦和脈石礦物以連生體形式進(jìn)入鐵精礦，并且這部分連生的鈦鐵礦和脈石礦物與含鈦磁鐵礦共生關(guān)系非常密切，在常規(guī)磨礦細(xì)度下難以實現(xiàn)分離。但在該鐵精礦中存在一部分鈦鐵礦和脈石礦物呈單體解離狀態(tài)，從鐵精礦中鈦鐵礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(見表2)與鈦鐵礦的單體解離度(見表7)可以得出，呈單體解離狀態(tài)的鈦鐵礦顆粒質(zhì)量占其總質(zhì)量的7.72%，通過改進(jìn)磁選分離工藝，將這些鈦鐵礦和脈石礦物分離，可以有效提高該鐵精礦的Fe 品位，降低TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表6 鐵精礦中含鈦磁鐵礦的連生狀態(tài)(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表征)Table 6 Interlocking status of titaniferous magnetite in iron concentrate %

表7 鐵精礦中鈦鐵礦的連生狀態(tài)(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表征)Table 7 Interlocking status of ilmenite in iron concentrate %

圖6 含鈦磁鐵礦與鈦鐵礦嵌布關(guān)系圖Fig.6 Dissemination relationship between titaniferous magnetite and ilmenite

圖7 含鈦磁鐵礦與脈石嵌布關(guān)系圖Fig.7 Dissemination relationship between titaniferous magnetite and gangue mineral

4 結(jié)論

1)試驗所用鐵精礦來自遼寧朝陽地區(qū)某選廠兩段磁選精礦，最大粒度約為104 μm，平均粒度約為21 μm。該鐵精礦TFe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.75%，含二氧化鈦21.54%，含釩0.91%。

2)該鐵精礦中含鈦磁鐵礦是主要的含鐵礦物，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.81%，其中含TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10.99%，這部分Ti 主要賦存于磁鐵礦晶格中，難以通過選礦方法分離。

3)該鐵精礦中鈦鐵礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為15%，鈦鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高是導(dǎo)致該鐵精礦品位較低、TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高的主要原因之一，但其中一部分鈦鐵礦呈單體解離狀態(tài)，鈦鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為7.72%。通過改進(jìn)磁選分離工藝，可以將其從鐵精礦中分離，從而提高Fe品位，降低TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

4)該鐵精礦中其他脈石礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為21.19%，其中不僅存在少量粒度相對較大的單體脈石礦物，如石英、透閃石、長石等，而且有與含鈦磁鐵礦連生不緊密的的細(xì)粒脈石，這些脈石礦物可以通過改進(jìn)分選工藝如細(xì)磨后磁選進(jìn)行分離，從而提高鐵精礦品位。但含鈦磁鐵礦內(nèi)部存在少量微細(xì)粒脈石礦物包體，這類脈石被包裹在磁鐵礦內(nèi)部，很難分離。

5)含鈦磁鐵礦內(nèi)部存在細(xì)脈狀和棋盤格狀鈦鐵礦，形成固溶體分離結(jié)構(gòu)，嵌布關(guān)系密切，這是該鐵精礦品位較低、TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高的另一個原因。由于鐵精礦中含鈦磁鐵礦的粒度很小，粒度小于10 μm的鈦磁鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為37%，通過再磨礦實現(xiàn)含鈦磁鐵礦和鈦鐵礦以及其他礦物單體解離，難以達(dá)到理想的效果。