張 鑫，崔麗娜，李文濤，龔 亮，王文娟，趙 強(qiáng)，胡慧英

(1. 中冶長天國際工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007； 2. 長沙有色金屬設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410007)

0 前 言

根據(jù)USGS(美國地質(zhì)調(diào)查局)2017年的全球錳礦普查結(jié)果，目前世界上已探明錳礦資源儲(chǔ)量約為5.7億t，中國已探明錳礦資源約占世界的7.7%[1]。我國是錳礦的主要生產(chǎn)國，也是全球最大錳礦石進(jìn)口國，2020年全年進(jìn)口錳礦石3166萬t[2]，主要來自加蓬、南非、加納、巴西四個(gè)國家。目前，全球錳礦產(chǎn)品的集中度非常高，海外幾乎全部的高品位大型錳礦山把持在澳大利亞必和必拓(BHP)、OM公司、南非阿斯芒(Assmange)、加蓬的艾赫曼—康密勞(Eramet Comilog)，以及巴西淡水河谷(Vale)手中，5家公司占全球錳礦市場(chǎng)份額的40%[3]。

國內(nèi)，中大型錳礦山主要集中在湖南、貴州、廣西3個(gè)省份，大部分均得到了有效的開發(fā)利用，目前大型錳礦僅剩貴州松桃地區(qū)的超深錳礦尚未開發(fā)。新興錳礦加工企業(yè)跟隨國家一帶一路政策開發(fā)海外錳礦山的趨勢(shì)不可避免。

南美洲北部區(qū)由于海底火山活動(dòng)、板塊抬升、構(gòu)造變形、紅土風(fēng)化與流水侵蝕等多重因素影響，具備形成大型、超大型錳礦的先決條件，推測(cè)遠(yuǎn)景儲(chǔ)量約12 000～20 000萬t[4]。但是，該區(qū)域已發(fā)現(xiàn)的錳礦礦床由于成礦因素復(fù)雜，原礦品位相對(duì)較低，僅為12.50%，主要礦石為軟錳礦、水(褐)錳礦、錳結(jié)核、菱錳礦，主要脈石為硅、鐵、鋁類粘土礦物以及少量鈉長石、綠泥石等。同時(shí)，脈石中含有鐵、鋁，礦石與脈石磁性較為接近，并含有大量塑性指數(shù)高的礦泥，在海外礦山中，其開采與利用價(jià)值偏低。

目前，國內(nèi)處理這類低品位錳礦石主流的選礦工藝有濕式強(qiáng)磁，跳汰，強(qiáng)磁—跳汰的組合工藝3種[5]。但是，采用濕式強(qiáng)磁選需要將礦石破碎至-10 mm或細(xì)磨，降低了礦石綜合經(jīng)濟(jì)效益。采用跳汰工藝處理-30 mm礦石時(shí)，沖程需要達(dá)到80～110 mm，才能獲得40.00%品位的錳精礦，國產(chǎn)跳汰機(jī)很難實(shí)現(xiàn)，需要采用昂貴的進(jìn)口設(shè)備。

HMS重介質(zhì)分選工藝是煤礦中常用的選礦技術(shù)，其分選精度高，精煤與矸石密度差達(dá)到0.1 t/m3即可實(shí)現(xiàn)有效分離；單機(jī)處理量大，單臺(tái)重介質(zhì)旋流器處理能力可達(dá)500 t/h[6]。

因此，結(jié)合原礦性質(zhì)，本研究以該錳礦為對(duì)象，旨在對(duì)探索HMS重介質(zhì)分選工藝低成本、高效率的處理該復(fù)合型錳礦，為開發(fā)中低品位錳礦提供技術(shù)支持。

1 礦石性質(zhì)

1.1 礦石理化分析

原礦化學(xué)多元素及燒損分析結(jié)果見表1，原礦物理性質(zhì)分析結(jié)果見表2。

表1 原礦礦化學(xué)多元素

表2 原礦物理性質(zhì)分析

表1～2分析結(jié)果表明：該錳礦原礦平均品位為12.50%，密度、硬度相對(duì)較低，硅、鋁含量較高，為46.20%，含泥達(dá)59.80%。

1.2 原礦礦石特征及礦物組成

原礦礦相分析結(jié)果見表3，原礦顯微鏡分析結(jié)果見圖1。

圖1 原礦顯微鏡分析

表3 錳物相分析

通過顯微鏡觀察并進(jìn)行色差分析，結(jié)果顯示，大部分礦石與脈石解離程度高，原礦-30 mm粒級(jí)中，錳礦石與脈石已經(jīng)自然分離，少部分脈石與礦石形成連生體。+30 mm礦石化驗(yàn)結(jié)果顯示，其多為原生菱錳礦，通過破碎洗礦即可以獲得45%品位的精礦。由于其在原礦重占比僅為5.16%，加工工藝簡單，因此，本試驗(yàn)重點(diǎn)研究-30 mm礦石的可選性。

礦物分析結(jié)果表明：礦石中錳以軟錳礦、水(褐)錳礦為主，其占比為86.99%，原礦中還含有少量錳結(jié)核與原生菱錳礦，含量分別為7.85%，5.16%。

1.3 重液分層分析

重液分層試驗(yàn)可判斷錳礦石與脈石受密度影響的情況，能為進(jìn)一步開展跳汰重選及HMS重介質(zhì)重選試驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。試驗(yàn)采用四溴乙烷(2.967 g/mL)作為重液，以無水酒精作為配置不同密度重液的溶劑[7]，配置成密度2.2，2.3，2.4，2.5，2.6，2.7 g/mL重液后分別投入容積為2 000 mL的燒杯中，然后將洗凈后的-30～+0.85mm礦石投入重液中，攪拌后靜置分層，用有孔的專用取樣器對(duì)每層礦石取樣，樣品經(jīng)洗滌、烘干、研磨后化驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 重液分層試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：錳礦石品位隨著重液密度的增加而增加，當(dāng)重液密度為2.5 g/mL時(shí)，可獲得品位43.66%，回收率63.12%的錳精礦。同時(shí)，該礦石與脈石的分離受密度變化影響明顯，適用于采用跳汰、HMS重介質(zhì)選礦工藝。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)方法

針對(duì)該錳礦的構(gòu)成復(fù)雜，有用礦石種類多以及重液分層分析結(jié)果，為了進(jìn)一步提高重選分選效果，決定采用窄級(jí)別分級(jí)重選工藝。

制定的試驗(yàn)流程為：將原礦中+30 mm高品位菱錳礦撿出，剩下的礦石經(jīng)破碎篩分洗礦后濕篩分級(jí)，篩分成-30～+8 mm、-0.85～+8 mm、-0.85 mm 3個(gè)粒級(jí)，其中-0.85 mm作為含泥尾礦丟棄，其他粒級(jí)干燥后分別用于開展跳汰及HMS重介質(zhì)選礦試驗(yàn)。其中HMS重介質(zhì)選礦試驗(yàn)采用錳礦石(ρ=1.92 t/m3)和鈦磁鐵礦(ρ=1.92 t/m3)配置成2.43，2.46，2.49，2.52 g/mL的懸浮液，HMS產(chǎn)出的中礦與精礦匯合，簡化流程，以探索最優(yōu)工藝參數(shù)。試驗(yàn)流程如圖3所示，試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)流程

圖4 試驗(yàn)設(shè)備

2.2 原礦洗礦試驗(yàn)

洗礦試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 原礦洗礦試驗(yàn)結(jié)果

圖6 原礦洗礦前后對(duì)比照片

洗礦對(duì)該錳礦有富集作用，洗礦脫泥后，錳礦石與脈石的界限十分明顯，單體解離度高。但是，礦石整體風(fēng)化程度高，含泥量大，簡單沖洗并不能脫除礦石中夾帶的礦泥，必須通過延長洗礦時(shí)間來保證原礦脫泥效果，攪拌洗礦時(shí)間超過30 min后，錳品位顯著提高，達(dá)到40 min時(shí)，礦石品位從12.50%提高到26.83%，繼續(xù)延長洗礦時(shí)間，由于礦石表面磨蝕，錳品位出現(xiàn)下降趨勢(shì)。洗礦后，鐵含量緩慢提高，增幅并不明顯；硅、鋁通過洗礦后快速降低后趨于平穩(wěn)。僅通過洗礦，并不能實(shí)現(xiàn)脈石與礦石的完全分離，還需要通過進(jìn)一步選別來提高品位。

2.3 跳汰重選探索試驗(yàn)

脫泥后的錳礦石采用分級(jí)跳汰重選工藝進(jìn)行了探索試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 跳汰試驗(yàn)結(jié)果

從表4看出:采用跳汰工藝可分別獲得產(chǎn)率為42.66%，品位38.51%，回收率72.38%的錳塊精礦，以及產(chǎn)率為32.71%，品位36.04%，回收率63.70%的錳粉精礦，但是整體技術(shù)指標(biāo)并不十分理想，精礦品位、回收率偏低，大量錳礦進(jìn)入尾礦中無法得到有效的回收。

2.4 重介質(zhì)選礦試驗(yàn)

為了提高精礦品位、回收率，驗(yàn)證HMS選礦工藝用于錳礦石選別的可行性，進(jìn)行了HMS重介質(zhì)旋流器懸浮液密度、給礦壓力條件試驗(yàn)，以考察最優(yōu)指標(biāo)。

2.4.1 HMS懸浮液密度試驗(yàn)

1)-30～+8 mm粒級(jí)HMS懸浮液密度試驗(yàn)

由圖7分析知：將-30～+8 mm錳礦石與鈦磁鐵礦配置成不同密度的漿料進(jìn)行重介質(zhì)旋流器分選試驗(yàn)，當(dāng)懸浮液密度為2.43 g/mL時(shí)，精礦品位為40.45%，回收率75.31%。繼續(xù)提高懸浮液密度，精礦品位增速放緩，但回收率快速下降，此時(shí)精礦品位已接近礦石理論品位，進(jìn)一步提高懸浮液密度意義不大。

圖7 -30～+8 mm粒級(jí)HMS懸浮液密度試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

2)-8～+0.85 mm粒級(jí)HMS懸浮液密度試驗(yàn)

由圖8分析知：-8～+0.85 mm錳礦石其重介質(zhì)選別效果相對(duì)較差。當(dāng)懸浮液密度為2.49 g/mL時(shí)，才能獲得品位40.85%，回收率64.71%的錳精礦，繼續(xù)提高懸浮液密度，由于部分連生體礦石被選入尾礦，回收率開始快速下降。

圖8 -8～+0.85 mm粒級(jí)重介質(zhì)選礦試驗(yàn)結(jié)果

2.4.2 給礦壓力試驗(yàn)

重介質(zhì)旋流器中的流體運(yùn)動(dòng)是一個(gè)較為復(fù)雜的漩渦流運(yùn)動(dòng)，切向速度是旋流器內(nèi)三維速度中最重要的一個(gè)，是實(shí)現(xiàn)旋流器內(nèi)不同物料有效分離的重要因素。切向速度越大，分離能力越強(qiáng)。

1)-30～+8 mm粒級(jí)HMS給礦壓力試驗(yàn)

給礦壓力試驗(yàn)結(jié)果見圖9，當(dāng)入料壓力0.04 MPa時(shí)，由于切向速度不足，精礦品位、回收率均較低，大部分礦石直接進(jìn)入尾礦中，未得到有效分離。當(dāng)入料壓力為0.08 MPa時(shí)，錳塊精礦品位提高40.45%。繼續(xù)提高給礦壓力，錳精礦品位進(jìn)一步提高，但是回收率下降至74.16%，并且有加速降低的趨勢(shì)，從流場(chǎng)穩(wěn)定、減少旋流器內(nèi)壁磨損以及保證回收率綜合考慮，確定選取壓力值為0.08 Mpa。

圖9 -30～+8 mm粒級(jí)HMS給礦壓力試驗(yàn)結(jié)果

2)-8～+0.85 mm粒級(jí)HMS給礦壓力試驗(yàn)

由圖10分析知：錳粉精礦品位隨給礦壓力增大而提高，當(dāng)給料壓力從0.04 MPa增長到0.10 Mpa時(shí)，精礦品位從36.67%提升至41.77%。錳粉精礦回收率隨著給礦壓力的增大，呈現(xiàn)先增高后快速降低的走勢(shì)，在0.07MPa時(shí)達(dá)到峰值66.09%，品位當(dāng)給礦壓力為0.10 MPa時(shí)，回收率降低至60.51%。試驗(yàn)結(jié)果表明:-8～+0.85 mm粒級(jí)礦石，含有相對(duì)較多的未完全解離礦石，當(dāng)給礦壓力不高時(shí)，HMS旋流器的分選精度相對(duì)不高，這部分含有雜質(zhì)的礦石隨旋流器底流進(jìn)入精礦，當(dāng)給料壓力增大時(shí)，切向速度相應(yīng)增快，分選精度提高，由于密度微小的差異，這部分未完全解離的礦石從溢流口排出，造成回收率快速下降。

圖10 -8～+0.85 mm粒級(jí)HMS給礦壓力試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

1)該錳礦床由于海底火山活動(dòng)、板塊抬升、構(gòu)造變形、紅土風(fēng)化與流水侵蝕等多重因素影響，錳礦種類多，含錳礦物包含軟錳礦、水(褐)錳礦、錳結(jié)核、菱錳礦等，其中軟錳礦與水(褐)錳礦比為86.99%；

2)原礦含有大量礦泥，采用浸泡洗滌40 min時(shí)，礦石脫泥效果相對(duì)最好；

3)采用跳汰重選工藝可獲得品位38.51%，回收率72.38%的錳塊精礦，以及品位36.04%，回收率63.70%的錳粉精礦，但是整體指標(biāo)略低；

4)-30～+8 mm錳礦石，在懸浮液密度為2.43 g/mL，給礦壓力為0.08 MPa時(shí)，可獲得品位40.45%，回收率75.31%的錳塊精礦；

5)-8～+0.85 mm錳礦石，在懸浮液密度為2.49 g/mL時(shí)，給礦壓力為0.07 MPa時(shí)，錳粉精礦品位為40.31%，回收率為66.09%；

6)試驗(yàn)結(jié)果表明該錳礦石能通過煤礦選礦工藝中的HMS重介質(zhì)重選設(shè)備獲得合格的錳精礦，且相關(guān)技術(shù)指標(biāo)全面優(yōu)于跳汰重選工藝；

7)HMS重介質(zhì)旋流器單機(jī)處理能力大，綜合投資低，生產(chǎn)過程不需要添加化學(xué)試劑，適合環(huán)保要求高的大型海外錳礦山。