阿尔及利亚某高磷鲕状赤铁矿工艺矿物学研究-sup-①-_sup-_刘东泉.pdf

阿尔及利亚某高磷鲕状赤铁矿工艺矿物学研究 ① 刘东泉， 李文博， 韩跃新， 李艳军， 刘 杰 （东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819） 摘 要 以阿尔及利亚某高磷鲕状赤铁矿为研究对象，利用 X 射线荧光光谱、X 射线衍射、扫描电子显微镜、MLA 自动矿物分析等 分析手段探明了该矿石化学组成、物相组成、结构构造以及主要矿物的嵌布特征，并针对该矿物提出了选矿工艺建议。 结果表明， 该矿石组成复杂，矿物种类繁多，有用矿物与脉石矿物多以鲕状、胶结物及微细粒等形式相互结合，嵌布粒度较细，不易解离，需要 通过联合分选工艺才能达到较理想的选别效果。 关键词 鲕状赤铁矿； 磷； 工艺矿物学； 磁赤铁矿； 赋存状态； 嵌布特征 中图分类号 P572文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2020.04.016 文章编号 0253-6099（2020）04-0065-04 Process Mineralogy of High-Phosphorus Oolitic Hematite from Algeria LIU Dong-quan， LI Wen-bo， HAN Yue-xin， LI Yan-jun， LIU Jie （School of Resources Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， Liaoning， China） Abstract The chemical compositions， phase compositions， structure properties and dissemination characteristics of main minerals of a high-phosphorous oolitic hematite from Algeria were analyzed using X-ray fluorescence spectrometry， X-ray diffraction， scanning electron microscopy and MLA automatic analysis. The results show that the ore contains numerous types of minerals， with the complex compositions. Valuable minerals and gangue minerals are mostly intergrown with each other in s of oolitic and cementing matters and fine grains. Due to being finely disseminated， the minerals can hardly be liberated. A better separation perance can only be achieved by adopting a joint processing technique. Key wordsoolitichematite；phosphorus；processmineralogy；maghemite；occurrencestate；dissemination characteristics 鲕状赤铁矿是一种以鲕状集合体形式存在的沉积 型铁矿资源，其特点是物质组成复杂、嵌布粒度细，有 用矿物与脉石矿物层层包裹，呈同心环带状结构［1-2］。 部分该类型矿石还具有磷含量高（0.4％ ～1.8％）的特 点，称为高磷鲕状赤铁矿［3］。 由于世界范围内富铁矿 和易选的贫铁矿资源日益减少，同时世界各国对钢铁 的需求却越来越旺盛，因此开发以高磷鲕状赤铁矿为 代表的难选铁矿资源迫在眉睫。 该类矿石在我国储量 可观，分布地区广泛，典型的如宁乡式鲕状赤铁矿，已 探明储量达 37.2 亿吨，预测远景储量超过 100 亿吨， 而国外同样资源储量巨大且分布不均，仅欧洲中部法、 德等国、美国、澳大利亚、哈萨克斯坦、尼日利亚和阿尔 及利亚等国境内储量就达到数百亿吨［4-5］。 但国内外 对于矿石中主要有害元素磷的脱除方法尚无一致定 论，而磷含量高极易导致钢材发生“冷脆”现象［5］，所 以探明铁、磷等主要元素的赋存状态对于高磷鲕状赤 铁矿的大规模利用具有重要作用。 系统的工艺矿物学研究可以探明矿石中元素的赋 存状态及镶嵌关系，对于矿石高效分选利用具有重要 的指导意义，本文研究矿石来源于阿尔及利亚某高磷 鲕状赤铁矿（磷含量在 0.4％ ～1.2％之间），借助 X 射 线荧光光谱、X 射线衍射、扫描电子显微镜、MLA 自动 矿物分析等分析手段，进行了化学组成、矿物组成、矿 石结构构造和主要矿物嵌布特征等方面的研究，为后 续的选别工作奠定了良好基础［6-9］。 1 矿石化学元素分析 为确定原矿样品中各元素的含量，采用化学分析 ①收稿日期 2020-02-16 基金项目 国家自然科学基金面上项目（51974068）；中央高校基本业务科研费项目（N180115008） 作者简介 刘东泉（1994-），男，山西朔州人，硕士研究生，主要研究方向为鲕状赤铁矿提铁降磷及其机理研究。 通讯作者 李文博（1985-），男，内蒙古赤峰人，博士，讲师，硕士研究生导师，主要从事金属矿预处理分选及细粒弱磁性铁矿物回收工作。 第 40 卷第 4 期 2020 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №4 August 2020 ChaoXing 法与 X 射线荧光光谱分析法对其进行了化学组成分 析，结果见表 1。 表 1 原矿化学多元素分析结果（质量分数） / TFeFeO SiO2Al2O3 CaOMgOPS Cr2O3 55.6514.355.484.782.150.480.830.0420.123 MnOAsK2ONa2OZnONiOTiO2V2O5烧失 1.030.0180.070＜0.050.020＜0.010.380.1236.21 分析结果表明，矿石中主要的金属元素为 Fe；主 要杂质成分为 SiO2；有害元素 P 含量较高，S、As 含量 相对较低。 铁是矿石样品中的主要元素，同时也是主要的回 收成分，为了确定铁的赋存状态，对其进行了铁化学物 相分析，结果见表 2。 矿石中的铁主要以磁性铁中铁 的形式存在，其次是赤褐铁矿中铁，再次是碳酸铁中 铁，剩余极少量的铁分布在硫化铁和硅酸铁中。 表 2 原矿铁物相分析结果 铁物相含量/ ％分布率/ ％ 磁性铁中铁33.9960.11 赤褐铁矿中铁20.7336.66 碳酸铁中铁1.322.33 硫化铁中铁0.400.71 硅酸铁中铁0.110.19 合计56.55100.00 2 矿物组成分析 为确定矿石中的矿物组成，采用显微镜镜下鉴定、 X 射线衍射分析以及自动矿物分析（MLA）等分析检 测手段，重点查明铁和磷的元素赋存状态，并考察矿物 间共伴生情况。 矿石 X 射线衍射分析结果见图 1。 矿石中主要铁 矿物为赤铁矿和磁赤铁矿，其次为褐铁矿（包含针铁矿） 和磁铁矿，非金属矿物主要为鲕绿泥石、磷灰石等。 304010205070608090 2 / θ 赤铁矿 磁赤铁矿 褐铁矿 磁铁矿 鲕绿泥石 磷灰石 ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ● ● ● ● ●● ● ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ★ ★ ★ ★ 图 1 原矿 X 射线衍射分析结果 矿石 MLA 检测结果见表 3。 可见矿石中铁主要 赋存矿物为赤铁矿和磁赤铁矿，其次为磁铁矿和褐铁 矿，黄铁矿与钛铁矿相对较少。 脉石矿物中鲕绿泥石 含量最多，磷灰石作为磷的主要赋存矿物，独居石极少 见。 金属硫化物很少，偶见黄铁矿、闪锌矿。 其他脉石 矿物有石英、铁白云石、高岭石、方解石、锆石、重晶石、 斜长石等。 表 3 矿物组成及含量（质量分数） / 赤铁矿 磁赤铁矿 鲕绿泥石 磁铁矿 褐铁矿 黄铁矿 钛铁矿 磷灰石 独居石 34.0028.5014.0010.508.500.050.013.100.02 石英 铁白云石高岭石方解石 锆石 菱锰矿 重晶石 金红石 合计 0.540.290.180.170.040.050.040.01100.00 3 矿石结构构造 矿石显微镜图像如图 2 所示。 由图 2 可见，该矿 石样品为鲕状赤铁矿矿石，具自形-半自形结构、鲕状 结构、碎屑结构，部分赤铁矿呈自形粒状分布，在矿石 中自形程度较好，与其他矿物有明显分界面，部分赤铁 矿与绿泥石等矿物镶嵌在一起，不具完整界面。 鲕粒 多为球状、椭球状、长条状等形态，赤铁矿、褐铁矿、铁 绿泥石、磷灰石及石英等成分交互生长，粒度大小介于 0.1～0.4 mm。 胶结物则以褐铁矿和铁绿泥石为主，其 次为碳酸盐矿物，高岭石等。 矿石呈角砾状构造、块状 图 2 矿石显微镜图像 （a） 自形程度较好的鲕状赤铁矿； （b） 赤铁矿与铁绿泥石等相互包裹； （c） 赤铁矿与绿泥石形成较完整鲕粒； （d） 绿泥石与赤铁矿呈同心鲕粒 1 赤铁矿鲕粒； 2 褐铁矿、铁绿泥石胶结物； 3 石英； 4 铁 绿泥石、碳酸盐及褐铁矿胶结物； 5 赤铁矿； 6 绿泥石； 7 碳 酸盐矿物 66矿 冶 工 程第 40 卷 ChaoXing 构造，部分赤铁矿呈致密块状，亦有部分赤铁矿片理不 佳，绿泥石、碳酸盐矿物等沿其破碎裂隙贯入，形成角 砾状构造。 4 矿石中主要矿物的嵌布特征 4.1 铁矿物嵌布特征 赤铁矿和褐铁矿主要由以下 3 种形式产出① 鲕 状赤褐铁矿，以赤铁矿为主，赤铁矿主要与铁绿泥石形 成鲕粒，其次与磷灰石、石英、碳酸盐矿物等形成部分 鲕粒。 大部分褐铁矿呈鲕粒内核，较为致密，被铁绿泥 石包裹，部分与铁绿泥石呈同心层状交互，构成具明显 鲕粒环带的结构，鲕粒环带数量不等，各环厚度不一， 疏密相间，也有小部分褐铁矿以包壳形式呈现，包裹铁 绿泥石、磷灰石、石英及碳酸盐矿物等形成鲕粒。 部分 褐铁矿相对疏松，呈细放射状、针柱状、球粒状及其集 合体，在其外圈形成不均匀的磁铁矿薄层；② 以胶结 物形式位于鲕粒或岩屑之间，分布于铁绿泥石、碳酸盐 矿物为主的胶结物中；③ 以微细粒形式浸染于岩屑或 角砾中，集合体粒径多小于 0.04 mm。 赤铁矿、褐铁矿 和磁铁矿的嵌布特征图像如图 3 所示。 图 3 赤铁矿、褐铁矿和磁铁矿的嵌布特征图像 （a） 赤铁矿与铁绿泥石交互呈同心圈层鲕粒； （b） 赤铁矿和褐铁矿紧密连生； （c） 赤铁矿为包壳，铁绿泥石呈内核； （d） 赤铁矿呈细针柱状及集合体与 铁绿泥石呈鲕粒； （e） 呈放射状褐铁矿，外圈为磁铁矿薄层； （f） 赤铁矿呈鲕粒，与褐铁矿连生； （g） 磁铁矿包裹磷灰石形成鲕粒； （h） 赤铁矿交代磁铁矿 1 赤铁矿； 2 铁绿泥石； 3 褐铁矿； 4 磁铁矿； 5 含锰褐铁矿； 6 磷灰石 磁铁矿能谱检测结果见表 4。 由表 4 可见，磁铁 矿化学成分变化较大，Fe 含量 65.11％ ～72.63％，平均 含铁 67.75％，其次主要含磷、硅、铝、铬等杂质。 表 4 磁铁矿能谱检测结果 测点 元素及含量/ ％ OAlSiPCrFe合计 133.191.220.000.480.0065.11100.00 233.001.090.000.220.0065.69100.00 333.071.020.000.430.0065.48100.00 433.820.990.000.000.0065.19100.00 532.691.160.000.430.0065.72100.00 626.710.450.320.000.6171.91100.00 725.460.000.000.001.9172.63100.00 829.770.000.000.000.0070.23100.00 平均30.960.740.040.200.3267.75100.00 结合扫描电镜观测结果，可推测铁含量高低与磁 铁矿产出形式有密切关系① 表 4 中测点 1～5，Fe 含 量 65.11％～65.72％，氧含量相对较高，根据图 3（e）、 （g）结果，这部分磁铁矿主要围绕褐铁矿鲕粒形成一 薄圈层，呈鲕粒外壳，或者不均匀、无规律地嵌布于褐铁 矿、鲕绿泥石鲕粒周围或附近，有的保留半自形晶形，粒 度均较细，大部分小于 0.02 mm。 这种磁铁矿可能形成 相对较晚，与褐铁矿关系密切，且含磷；② 测点 6～8，Fe 含量 70.23％～72.63％，氧含量相对较低，不含磷。 4.2 鲕绿泥石嵌布特征 鲕绿泥石的能谱检测结果见表 5。 由表 5 可见， 鲕绿泥石普遍含铁量较高，约为 31％左右，表明其与 赤铁矿和褐铁矿等铁矿物结合较为紧密。 结合图 2 可 知，鲕绿泥石主要以胶结物形式存在，呈细鳞片状、细 纤维状及其集合体，与碳酸盐矿物等位于褐铁矿鲕粒 或岩屑之间；其次由图 3（a）、（c）、（d）可知，鲕绿泥石 与赤铁矿形成同心层、交互层状鲕粒，或呈鲕粒内核， 或呈包壳外层。 76第 4 期刘东泉等 阿尔及利亚某高磷鲕状赤铁矿工艺矿物学研究 ChaoXing 表 5 鲕绿泥石能谱检测结果 测点 元素及含量/ ％ OMgAlSiCaFe合计 145.043.8410.3812.790.5327.42100.00 246.861.5110.6311.060.0029.94100.00 346.991.539.2711.100.0031.11100.00 442.931.348.429.960.0037.35100.00 平均45.462.069.6811.230.131.46100.00 4.3 磷灰石嵌布特征 磷灰石主要有两种产出形式① 呈鲕粒内核位于 磁铁矿包壳内，与其包裹连生形成鲕粒结构（见图4（a））； 也有的呈鲕粒外圈层包裹赤铁矿，或与铁绿泥石、褐铁矿 一起形成同心层状鲕粒（见图4（b）和（c））；② 呈半自形- 自形柱状，无规律包裹于褐铁矿颗粒中（见图4（d））。 图 4 磷灰石嵌布特征图像 （a） 磷灰石呈鲕粒内核与磁铁矿包裹连生； （b） 磷灰石呈外圈层包裹赤 铁矿形成鲕粒； （c） 铁绿泥石、磷灰石及褐铁矿形成同心鲕粒； （d） 褐铁 矿中包裹针柱状磷灰石 1 磷灰石； 2 磁铁矿； 3 赤铁矿； 4 铁绿泥石； 5 褐铁矿 5 对于选矿工艺的建议 除技术条件和设备以外，矿石性质可以说是影响 并制约选矿工艺与流程制定的最根本因素，从微观层 面上了解矿石，寻找其固有特性，梳理其组成关系，对于 各类矿石尤其是难选矿石的分选具有重要的指导意义。 工艺矿物学研究表明，该高磷鲕状赤铁矿矿石成 分多样，共生关系复杂，磷灰石与赤铁矿等铁的主要赋 存矿物以多种形式相互结合，嵌镶关系紧密且多样，解 离难度较大，因此需要细磨以促进解离。 同时主要矿 物赤铁矿、褐铁矿、鲕绿泥石及磷灰石等嵌布粒度均较 细，采用单一的传统选矿方法和手段使该矿石得到合 理分选的可行性较低，主要有害元素磷的脱除更是难 以实现，因此应充分考虑并结合磁化焙烧、磁选、酸浸 等工艺技术手段。 综上所述，提出以下建议① 尽可能地优化磨矿 工艺以促进解离；② 高效利用各种提铁降磷的有效手 段并促其形成联合工艺，同时在后续试验基础上确立 合理的选矿工艺指标，以期达到理想的选别效果。 6 结 论 1） 该高磷鲕状赤铁矿矿石组成较为复杂，矿物种 类繁多，主要有用矿物为赤铁矿、磁赤铁矿和磁铁矿， 脉石矿物为鲕绿泥石、磷灰石。 铁主要赋存于赤铁矿 和磁赤铁矿中，少量赋存于褐铁矿、磁铁矿中，主要有 害元素磷大部分赋存于磷灰石中，极少量赋存于独居 石中。 金属硫化物很少，偶见黄铁矿、闪锌矿等。 2） 该矿石结构主要为自形-半自形结构、鲕状结 构和碎屑结构，或呈自形粒状分布，或为半自形结构， 不具完整晶面，鲕粒多为球状、椭球状、长条状等形态， 主要由赤褐铁矿与绿泥石、磷灰石、石英等结合而成， 粒度介于 0.1～0.4 mm 之间，胶结物则以褐铁矿和铁 绿泥石为主。 在构造方面矿石主要呈角砾状构造与块 状构造。 3） 矿石中主要矿物嵌布粒度均较细，不利于有用 矿物与脉石矿物的充分解离，增加了选别难度。 赤铁 矿和褐铁矿主要以鲕状、胶结物以及微细粒形式存在， 与铁绿泥石、磷灰石、石英及碳酸盐矿物等密切结合。 磁铁矿含铁量差异较大，平均含铁 67％左右，其次含 磷、硅、铝、铬等杂质。 鲕绿泥石主要以胶结物形式存 在，呈细鳞片状、细纤维状及其集合体，其次以鲕粒形 式存在。 磷灰石主要与褐铁矿、铁绿泥石等结合形成 鲕粒结构，部分呈半自形-自形柱状，无规律包裹于褐 铁矿颗粒中。 4） 该矿石采用单一的传统选矿方法难以实现有 用矿物与脉石矿物的有效分离，从而难以实现铁元素 的富集和磷元素的有效脱除，应结合焙烧、酸浸等方法 形成联合工艺，达到综合有效回收利用的目的。 参考文献 ［1］ 闵 程，胡向梅，张汉泉. 复配阴离子捕收剂在高磷鲕状赤铁矿反 浮选中的应用［J］. 矿冶工程， 2017（2）49-53. ［2］ 王成行. 云南某难选鲕状赤铁矿磁化焙烧试验研究［D］. 昆明昆 明理工大学国土资源工程学院， 2009. ［3］ Wu J， Wen Z J， Cen M J. 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Steel Res Int， 2011，82（5） 494-500. （下转第 74 页） 86矿 冶 工 程第 40 卷 ChaoXing 表 12 阶磨阶选流程试验结果 工艺流程 矿样 名称 原矿品位 / ％ 精矿产率 / ％ 品位/ ％ 精矿尾矿 回收率 / ％ 最终 磨矿细度 2-328.6619.0765.3020.0343.45 -0.038 mm 95％ 两段阶磨-三次弱磁阶选10-127.7922.6065.4516.7953.23-0.019 mm 90％ 11-430.0419.7165.4821.3442.96 -0.019 mm 90％ 2-130.4134.8259.5514.8468.20 -0.045 mm 95％ 两段阶磨-弱磁选-强磁选-反浮选2-234.5642.0663.1013.8476.79-0.045 mm 95％ 11-132.9434.3059.3019.1861.74 -0.045 mm 95％ 2-328.6622.9663.9418.2751.22 -0.025 mm 95％ 阶磨-弱磁选-强磁选-焙烧-再磨-弱磁选10-127.7926.8064.7114.4962.40-0.019 mm 90％ 11-430.0429.7061.2317.0660.54 -0.019 mm 90％ 2-130.4137.7865.649.1781.55 -0.025 mm 85％ 2-234.5644.7566.388.9485.95 -0.025 mm 85％ 磨矿-弱磁选-强磁选-焙烧-再磨-弱磁选11-132.9441.5063.1412.2179.55-0.025 mm 95％ 11-227.6132.2762.6911.1273.27 -0.025 mm 95％ 11-327.8235.7755.8312.5871.78 -0.025 mm 95％ 2-1、2-2、11-1、11-2、11-3、11-4等 6 个矿样可配成 综合样，采用焙烧-弱磁选工艺处理；矿样 2-3、10-1和 11-4可以经过预选作为闪石型原生矿的配矿；矿样 11-3的试验指标最差，只适宜焙烧或考虑堆存处理。 参考文献 ［1］ 王永章，罗良飞. 太钢袁家村难选铁矿石选矿工艺研究［J］. 矿冶 工程， 2016（5）53-56. ［2］ 罗良飞. 袁家村闪石型磁铁矿选矿技术开发［J］. 矿产保护与利 用， 2018（1）61-65. ［3］ 罗良飞. 袁家村闪石型氧化矿选矿技术开发研究报告［R］. 长沙 长沙矿冶研究院， 2019. ［4］ 罗良飞，陈 雯，严小虎，等. 太钢袁家村铁矿选矿技术开发及 2200 万吨/ 年选厂工业实践［J］. 矿冶工程， 2018（1）60-63. ［5］ 罗良飞，余永富，陈 雯，等. 某含铁浸金渣闪速焙烧磁选试验研 究［J］. 矿冶工程， 2009（3）26-28. 引用本文 王英姿，罗良飞，罗俊凯. 袁家村铁矿闪石型氧化矿选矿工 艺技术研究［J］. 矿冶工程， 2020，40（4）69-74. （上接第 68 页） ［4］ 张裕书，丁亚卓，龚文琪. 宁乡式鲕状赤铁矿选矿研究进展［J］. 金属矿山， 2010（8）92-96. ［5］ 张媛媛. 直接还原高磷铁矿铁磷分离工艺基础研究［D］. 北京北 京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室， 2018. ［6］ Hope G A， Woodsy R， Munce C G. 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