復(fù)雜難選鐵礦石預(yù)處理方法的研究進(jìn)展

程翔宇 錢功明，2 蔡先炎 KONADU-YIADOM Ernest

（1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北 武漢 430081）

鋼鐵是工業(yè)基礎(chǔ)，鐵礦石是鋼鐵工業(yè)的“糧食”，但鐵礦石作為不可再生的一次資源，易于選別的高品位鐵礦石資源日益減少。為了保證可持續(xù)發(fā)展，儲(chǔ)量豐富的“貧、細(xì)、雜”難選鐵礦石資源成為了開(kāi)發(fā)利用的重點(diǎn)。但是這類鐵礦石因有用礦物嵌布粒度太細(xì)，且在鐵礦物中嵌布有微細(xì)粒脈石，導(dǎo)致礦物單體解離困難；或因礦物伴生關(guān)系復(fù)雜、有用礦物粗細(xì)粒度分布不均，使得不同礦物之間容易發(fā)生相互罩蓋而導(dǎo)致分選困難，是鐵礦選礦的一塊“硬骨頭”。如何實(shí)現(xiàn)其高效選別，有效合理的單體解離至關(guān)重要［1-4］。礦物單體解離是指在破碎、磨礦等外力作用下，使有用礦物由連生體變?yōu)閱误w的過(guò)程。選礦廠就是按照選前的準(zhǔn)備作業(yè)、選別作業(yè)以及選后的脫水作業(yè)的步驟來(lái)獲取精礦產(chǎn)品。而選別作業(yè)作為礦物分離、富集有用組分的過(guò)程，對(duì)礦物單體解離度有著很高的要求，有用礦物只有達(dá)到分選所需要的單體解離度時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)有效的分離與富集［5-9］，因此礦物的解離效果會(huì)直接對(duì)精礦回收率、品位等決定選礦廠經(jīng)濟(jì)效益的分選指標(biāo)造成影響。目前已有多種方法能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜難選鐵礦石的高效解離，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)其高效開(kāi)發(fā)利用。但是選前粉碎作業(yè)中，對(duì)礦物解離起主要作用的磨礦作業(yè)產(chǎn)生的成本，在選礦生產(chǎn)成本中占有很大的比例，這是復(fù)雜難選鐵礦石成為“硬骨頭”的非技術(shù)因素之一。

復(fù)雜難選鐵礦石難選的原因主要有兩種：一是嵌布關(guān)系復(fù)雜、嵌布粒度不均勻等導(dǎo)致的難解離；二是多種礦物混雜，性質(zhì)差別較小，難以選擇合適的工藝達(dá)到理想的分離指標(biāo)。本文主要從解決難解離的角度出發(fā)，對(duì)有效提高礦物解離度的預(yù)處理方法進(jìn)行論述，認(rèn)為詳細(xì)研究復(fù)雜難選鐵礦石中不同礦物存在的物理化學(xué)性質(zhì)差異，并選用合適的方法在宏觀上使其差異最大化，可實(shí)現(xiàn)高效解離，達(dá)到選擇性解離的目的。

1 礦石解離的影響因素

影響礦石解離的因素有很多，總的來(lái)說(shuō)可以分為外部因素和內(nèi)部因素［10-16］。

外部因素包括機(jī)械設(shè)備和操作條件［10］。不同磨礦設(shè)備實(shí)現(xiàn)粉碎的作用方式及效果各有不同，例如球磨機(jī)中鋼球之間是點(diǎn)接觸，其沖擊力集中在鋼球與物料的接觸點(diǎn)上，因此其破碎力強(qiáng)、施力集中但選擇性較差，適用于硬度較大的礦石。棒磨機(jī)中鋼棒之間是線接觸，其沖擊力集中作用于鋼棒之間的粗礦粒并保護(hù)其中的細(xì)礦粒，因此其破碎作用具有選擇性且破碎粒度均勻，適用于嵌布粒度較粗的礦石。振動(dòng)磨機(jī)通過(guò)高頻振動(dòng)使物料受到來(lái)自不同方向的高頻沖擊，高頻沖擊能使礦物之間較為脆弱的交界處產(chǎn)生裂紋，因此其磨碎作用選擇性較好，適用于礦石細(xì)磨。在碎磨作業(yè)中使用的自磨機(jī)和半自磨機(jī)靠的是礦石之間及礦石與襯板之間的沖擊、研磨作用，適用于處理量較大的場(chǎng)合。不同操作條件對(duì)礦石解離和磨礦效率也會(huì)產(chǎn)生影響，需要根據(jù)礦石性質(zhì)探索最優(yōu)的操作條件。例如磨礦時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致礦石解離不充分，過(guò)長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致過(guò)粉碎，且會(huì)增加能耗；礦漿濃度過(guò)低會(huì)加速介質(zhì)與襯板的磨損，且礦粒與介質(zhì)的接觸概率較低，粉碎效率低下，過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致礦漿黏度增加，流動(dòng)性變差，阻力過(guò)大使得粉碎效率低下；介質(zhì)填充率過(guò)低會(huì)導(dǎo)致磨機(jī)生產(chǎn)能力過(guò)低，過(guò)高則會(huì)降低介質(zhì)的有效沖擊高度，降低磨礦效果；磨機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低會(huì)導(dǎo)致鋼球沖擊力不足，在球磨與棒磨機(jī)中，過(guò)高會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)做離心運(yùn)動(dòng)，失去磨礦作用。而在一些細(xì)磨與超細(xì)磨機(jī)中，通常需要很高的轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到磨礦效果。例如行星磨與離心磨依靠轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力磨礦，攪拌磨則通過(guò)筒內(nèi)攪拌裝置的快速旋轉(zhuǎn)來(lái)攪拌物料與磨礦介質(zhì)。

內(nèi)部因素受礦物自身性質(zhì)影響，包括與結(jié)構(gòu)有關(guān)的嵌布特征、嵌布粒度、表面形貌以及界面結(jié)合強(qiáng)度等［4］；與水有關(guān)的吸水性、抗凍性；與熱有關(guān)的導(dǎo)熱性、比熱容、熱膨脹系數(shù)、軟化點(diǎn)、閃點(diǎn)以及燃點(diǎn)等；與力有關(guān)的抗拉性能、抗壓性能、抗折性能、抗扭性能以及彈性模量等；與化學(xué)性質(zhì)有關(guān)的礦物組成、可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)等。這一系列影響因素都有可能對(duì)復(fù)雜難選鐵礦石的解離造成影響。所有解離（含輔助解離）方法除了都需要考慮礦物組成和結(jié)構(gòu)性質(zhì)外，選擇熱處理時(shí)還需要考慮與熱、力相關(guān)的性質(zhì)；微波處理過(guò)程中還需要考慮吸水性；基于安全考慮在高溫處理過(guò)程中還需要考慮可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，例如硫鐵礦高溫被氧化會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的二氧化硫；選擇超聲波處理時(shí)還需要考慮力學(xué)性質(zhì)與共振頻率；選擇助磨劑、酸浸處理時(shí)還需要考慮可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)；選擇冷凍處理時(shí)還需要考慮與熱、力、水相關(guān)的性質(zhì)等等。然而只要處理得當(dāng)，效果會(huì)非?？捎^，例如利用微波選擇性加熱鉬礦、方解石、磁鐵礦等［17-19］，均能促使礦石內(nèi)部產(chǎn)生大量裂紋并改變其嵌布特征，實(shí)現(xiàn)選擇性解離［20］。還有利用超聲波的高頻振動(dòng)粉碎礦石；或是利用助磨劑降低礦石的表面能、提高礦漿的流動(dòng)性；以及利用酸浸選擇性地與礦石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變礦石的表面形貌，促進(jìn)裂縫延展等，均可達(dá)到輔助礦石解離的效果。

2 復(fù)雜難選鐵礦石解離處理工藝研究現(xiàn)狀

目前，我國(guó)復(fù)雜難選鐵礦石有超貧磁鐵礦、微細(xì)粒鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦以及多金屬共生礦［2］。超貧磁鐵礦多用“多碎少磨”工藝；菱鐵礦與褐鐵礦，其焙燒后燒失較大而強(qiáng)化了精礦品位的提高，使焙燒磁選工藝成為處理該類礦石的最佳路徑；而微細(xì)粒鐵礦和多金屬共生礦，因其嵌布粒度極細(xì)、共生關(guān)系復(fù)雜而導(dǎo)致的選擇性解離困難問(wèn)題已成為研究的焦點(diǎn)。

在這“難解難分”中最具代表性的就是鮞狀赤鐵礦［21-22］和釩鈦磁鐵礦［23-25］。鮞狀赤鐵礦作為我國(guó)儲(chǔ)量豐富的鐵礦資源，其結(jié)構(gòu)為鮞粒結(jié)構(gòu)，一顆顆大小不一的鮞粒膠結(jié)在一起，鮞粒內(nèi)部則由赤鐵礦、膠磷礦以及鮞綠泥石等礦物呈環(huán)帶狀相互包裹而成。其存在嵌布粒度極細(xì)、嵌布關(guān)系復(fù)雜等問(wèn)題，使其在磨礦過(guò)程中難以有效解離。若僅通過(guò)磨礦使其單體解離，則需要磨至30 μm以下［26］，甚至達(dá)到幾個(gè)微米的級(jí)別。在此過(guò)程中產(chǎn)生的能耗是大多數(shù)選礦廠難以接受的，且能量有效利用率極低［27］，還會(huì)引起過(guò)磨，使后續(xù)選別難度增大［28-30］，導(dǎo)致其難以被開(kāi)發(fā)利用。

釩鈦磁鐵礦作為多金屬共生礦，其有用組分多，且釩、鈦、鉻等元素都是較為寶貴的資源，使其綜合利用的價(jià)值極高。但釩鈦磁鐵礦存在鈦鐵致密共生，釩、鈦、鉻等元素取代磁鐵礦中的鐵使礦物呈類質(zhì)同象存在等問(wèn)題，這也使其在磨礦過(guò)程中難以有效解離，致使后續(xù)有價(jià)組分分選及綜合利用受到限制。目前攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦選礦主要回收鐵和鈦，處理工藝基本流程為強(qiáng)磁選—分級(jí)—粗粒重選—細(xì)粒浮選［2］。但由于后續(xù)冶煉流程采用的是“高爐—轉(zhuǎn)爐”工藝，使得其在較好地回收了鐵和釩的同時(shí)流失了大量的鈦進(jìn)入未被利用起來(lái)的高爐渣中，以及存在微細(xì)粒鈦鐵礦難以回收利用的問(wèn)題，導(dǎo)致釩鈦磁鐵礦中鈦的回收率較低，難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

因此，想要很好地利用這些復(fù)雜難選鐵礦石，必須得解決其難以解離的問(wèn)題。

3 輔助鐵礦石解離的預(yù)處理方法

礦物解離一般需要通過(guò)磨礦來(lái)實(shí)現(xiàn)，而磨礦作業(yè)的能力則決定了選礦廠的處理能力。若在物料入磨前對(duì)物料進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，通過(guò)改變礦石性質(zhì)，起到輔助鐵礦石解離的作用，以提高后續(xù)磨礦過(guò)程中的粉碎效率并降低功耗，有望在不影響原有設(shè)備與工藝的情況下有效地解決鐵礦石難解離的問(wèn)題。

3.1 熱處理法

熱處理法是利用有用礦物與脈石礦物之間熱膨脹性能的差異，使有用礦物與脈石礦物在熱處理過(guò)程中因膨脹而相互擠壓，產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力大小超過(guò)礦石內(nèi)部能夠承受的極限時(shí)，礦石內(nèi)部會(huì)發(fā)生斷裂，產(chǎn)生裂縫，使礦石強(qiáng)度降低，有助于提高磨礦效率［31］。

熱處理按照設(shè)備與方法分為傳統(tǒng)熱處理和微波熱處理。傳統(tǒng)熱處理一般使用馬弗爐作為處理設(shè)備，其方法是將礦石置于其中加熱到設(shè)定溫度后保溫一段時(shí)間，取出后立即水淬冷卻防止裂縫重新閉合，強(qiáng)化熱處理效果。國(guó)內(nèi)外選礦學(xué)者已將這一方法應(yīng)用于鐵礦石預(yù)處理。例如，對(duì)鮞狀赤鐵礦進(jìn)行傳統(tǒng)熱處理后，發(fā)現(xiàn)磨礦產(chǎn)品平均粒度降低且更加均勻，孔隙率增大［31-32］；另外利用熱處理煅燒菱鐵礦過(guò)程中可放出大量的CO2并使菱鐵礦轉(zhuǎn)化為大孔隙率、高比表面積的磁赤鐵礦［33］；而利用熱處理煅燒黃鐵礦，會(huì)使其發(fā)生熱分解轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫谞顟B(tài)的磁黃鐵礦［34］；以及利用熱處理煅燒針鐵礦，針鐵礦會(huì)脫羥基轉(zhuǎn)化為大孔隙率、高比表面積的赤鐵礦［35］。上述研究表明，采用傳統(tǒng)熱處理的方式處理鐵礦石，能夠增大其孔隙率和比表面積，降低磨礦產(chǎn)品粒度?？紫堵屎捅缺砻娣e的提升可以間接證明礦石內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生，磨礦產(chǎn)品粒度降低則可以說(shuō)明磨礦過(guò)程中的破碎效率提高且產(chǎn)品的單體解離度提高，解離更充分。

傳統(tǒng)熱處理是最常用的熱處理法，處理量大，但存在處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，效果不夠顯著的缺點(diǎn)。微波處理則具有處理時(shí)間短、能選擇性加熱有用礦物、效果顯著的特點(diǎn)［36-44］，適用于有用礦物與脈石礦物的吸波性能及熱膨脹性能差別較大的礦物，其作用機(jī)理如圖1所示。微波作為一種電磁波，能夠被吸波性強(qiáng)的礦物吸收后轉(zhuǎn)化為熱能，使礦物內(nèi)部溫度升高。鐵礦中有用礦物作為易吸波組分，在微波作用下短時(shí)間內(nèi)溫度迅速升高，而脈石礦物則多為透波或微吸波組分，在微波作用下溫度變化不明顯，這就加劇了有用礦物與脈石礦物之間的溫差，由于礦石內(nèi)部最脆弱的位置為不同組分之間的交界處［45］，使得交界處更易發(fā)生斷裂，產(chǎn)生晶界裂縫，促進(jìn)礦物有效解離，提高礦物單體解離度，以有利于礦物分選，提高有價(jià)成分的利用率。

微波處理近年來(lái)也被國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用于各種鐵礦石的研究，對(duì)釩鈦磁鐵礦及鈦鐵礦的微波處理研究發(fā)現(xiàn)，礦石經(jīng)微波加熱后內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量晶界裂縫，且磨礦產(chǎn)品的平均粒度減小，單體解離度增加［37，40-42］；運(yùn)用SEM分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)微波處理后鮞狀赤鐵礦的鮞粒與基體礦物邊界及鮞粒內(nèi)部都產(chǎn)生大量晶界裂縫，使內(nèi)部環(huán)帶斷裂而被打開(kāi)［38-39］；值得注意的是，微波處理需要選擇合適的頻率與處理時(shí)間才能獲得高效的選擇性解離，否則會(huì)適得其反［46］。水是強(qiáng)吸波成分，在微波處理過(guò)程中，礦物中的水分會(huì)優(yōu)先吸收微波，進(jìn)而影響處理效果，因此在微波處理之前需要將礦物烘干。雖然目前微波處理方法存在設(shè)備較貴、處理量小的缺點(diǎn)，難以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，但其選擇性極強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)使學(xué)者們?nèi)詫?duì)其工業(yè)化保持信心。

總的來(lái)說(shuō)，熱處理方法的使用也是有選擇性的，若礦石內(nèi)部組分中存在熱膨脹系數(shù)較大但吸波性能較差的組分以及熱膨脹系數(shù)較小但吸波性能較好的組分使其膨脹或者收縮變形一致，則會(huì)導(dǎo)致微波熱處理無(wú)法使兩者之間產(chǎn)生足夠的熱應(yīng)力而失效，此時(shí)選用傳統(tǒng)熱處理效果會(huì)更好；而礦石內(nèi)部組分熱膨脹系數(shù)較為接近但吸波性能差異較大時(shí)，選用微波熱處理效果更好；但也會(huì)存在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力大小在礦石內(nèi)部的彈性限度之內(nèi)，小于礦石界面結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致礦石內(nèi)部裂紋無(wú)法產(chǎn)生的情況，此時(shí)則最好采用其他預(yù)處理方法。

3.2 超聲波法

超聲波作為一種頻率高于20 000 Hz的聲波，具有方向性好、穿透力強(qiáng)、能量集中的特點(diǎn)［47-48］。超聲波碎礦是用超聲波發(fā)生裝置產(chǎn)生高頻振動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率接近礦石的固有頻率，利用共振使礦石內(nèi)部產(chǎn)生極大的動(dòng)應(yīng)力而破碎。通過(guò)這種方法得到的產(chǎn)品粒度較為均勻，不易發(fā)生過(guò)磨且粉碎時(shí)間短，但選擇性較差。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲波碎礦也頗有研究［49-52］，超聲波振動(dòng)碎巖屬于振動(dòng)頻率高、振動(dòng)力小的高周疲勞破碎，其集中的交變應(yīng)力能夠加劇巖石內(nèi)部的損傷程度，且越接近巖石的固有頻率效果越好，最終發(fā)生共振時(shí)效果激增［49-50］。其應(yīng)力大小與礦石疲勞壽命的關(guān)系可通過(guò)模擬與公式推導(dǎo)得出［51］。另有研究［52］發(fā)現(xiàn)，在超聲波處理過(guò)程中，隨著礦石內(nèi)部裂隙延展、增多，其固有頻率會(huì)變小。若在超聲波碎礦過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生裝置給礦石施加一個(gè)頻率由大到小的變頻激勵(lì)，使振動(dòng)頻率一直與礦石的固有頻率相匹配，就能夠使礦石一直處在共振狀態(tài)直至破碎。且有研究［53-57］表明，將超聲波發(fā)生設(shè)備與其他磨礦/粉碎設(shè)備組合成的超聲波磨礦/粉碎設(shè)備，能將礦石磨碎至微米粒級(jí)，足以使大部分磨礦產(chǎn)品單體解離。總的來(lái)說(shuō)，超聲波碎礦需要通過(guò)不斷引發(fā)共振來(lái)達(dá)到最好的粉碎效果，對(duì)設(shè)備有一定的要求。

值得一提的是，超聲波在液相中還會(huì)發(fā)生空化作用［58］，其作用機(jī)理如圖2所示。超聲波在液體中發(fā)生的機(jī)械振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量微小氣泡，氣泡隨著超聲波縱向傳播形成的正負(fù)壓區(qū)收縮與成長(zhǎng)，當(dāng)氣泡受到壓縮超出承受極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生爆炸，向周圍放出熱量并放出巨大的瞬時(shí)壓力波。有研究發(fā)現(xiàn)［59-67］，赤鐵礦/針鐵礦在礦漿脫泥前經(jīng)較短時(shí)間的超聲波處理后，脫泥產(chǎn)品的鐵品位與回收率均有所提高，但超聲波處理時(shí)間有一個(gè)閾值，超過(guò)閾值時(shí)間，超聲波處理效率會(huì)顯著降低。另有研究發(fā)現(xiàn)［68］，空化作用在液體與礦石的接觸面上發(fā)生得最劇烈，無(wú)數(shù)的氣泡爆炸沖擊在礦石的表面與裂縫中，使礦石中的組分由軟到硬層層破碎。因此，超聲波在鐵礦預(yù)處理中還可以用于鐵礦脫泥，除去礦漿中的氧化鋁、二氧化硅、磷等雜質(zhì)并富集鐵礦物。

3.3 助磨劑

助磨劑作為磨礦過(guò)程中用于微粉碎或超微粉碎時(shí)添加的化學(xué)藥劑［69-70］，具有降低礦漿黏度、提高磨機(jī)生產(chǎn)能力、提高磨礦產(chǎn)品細(xì)度以及提高磨礦效率等作用［71-72］。助磨劑的作用機(jī)理國(guó)內(nèi)外學(xué)者給出了很多解釋［70，73-75］，其中較受認(rèn)可的說(shuō)法是“吸附降低硬度”理論、和“礦漿流變學(xué)”理論。

“吸附降低硬度”理論認(rèn)為助磨劑分子吸附于礦粒表面并滲透進(jìn)礦粒自身存在的微小縫隙中（圖3），降低礦粒表面能并改變近表面層礦粒晶格結(jié)構(gòu)，從而降低礦粒的強(qiáng)度與硬度。且助磨劑能很快吸附于磨礦過(guò)程中礦粒產(chǎn)生的新生表面上，阻止新生裂縫閉合，促進(jìn)裂紋延展、擴(kuò)張，最終發(fā)生斷裂。

“礦漿流變學(xué)”理論認(rèn)為粉磨過(guò)程中，礦粒受到不同應(yīng)力的作用，導(dǎo)致化學(xué)鍵斷裂，產(chǎn)生大量不飽和價(jià)鍵，不飽和價(jià)鍵之間會(huì)為了達(dá)到飽和而相互吸引。且隨著粉磨過(guò)程的進(jìn)行，礦粒會(huì)越磨越細(xì)，礦漿黏度隨之升高。助磨劑的加入就可以提供外來(lái)不飽和價(jià)鍵，與斷鍵結(jié)合達(dá)到飽和使其穩(wěn)定，以減少礦粒間的黏附聚集，降低礦漿黏度，增加流動(dòng)性，提高分散性，防止礦粒黏附于磨機(jī)內(nèi)壁與磨礦介質(zhì)表面，增大因礦漿黏度增加而降低的磨礦介質(zhì)沖擊力。

上述兩種理論都有自己的側(cè)重點(diǎn)，“吸附降低硬度”理論側(cè)重礦粒破碎過(guò)程，而“礦漿流變學(xué)”理論側(cè)重礦漿的流動(dòng)性，這兩種觀點(diǎn)代表了磨礦過(guò)程的不同階段，因此可以認(rèn)為這兩種理論是互補(bǔ)的。在磨礦過(guò)程中，這兩種作用機(jī)理同時(shí)存在，只是在不同的磨礦條件下，兩種作用機(jī)理存在主次之分。吳明珠［76］認(rèn)為，“吸附降低硬度”理論在粗磨時(shí)占據(jù)主導(dǎo)地位，而“礦漿流變學(xué)”理論在細(xì)磨時(shí)占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，粗磨時(shí)加入偏向于降低礦粒硬度的藥劑效果更好，細(xì)磨時(shí)加入偏向于調(diào)節(jié)礦漿黏度的藥劑效果更好。

隨著我國(guó)復(fù)雜難選鐵礦石的開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視，助磨劑應(yīng)用于復(fù)雜難選鐵礦石的研究也隨之增多。研究表明，六偏磷酸鈉和三聚磷酸鈉能夠降低鄂西高磷鮞狀赤鐵礦的礦漿黏度［71］；NM-3、乙酸銨和焦磷酸鈉三種藥劑混合復(fù)配的混合助磨劑能夠提升赤鐵礦的磨礦效果［77］；六偏磷酸鈉、無(wú)水碳酸鈉以及兩者混合的藥劑能夠提升攀枝花釩鈦磁鐵礦的磨礦效果［78］；DY-1#、DY-2#、多聚磷酸鈉、AMPC、馬來(lái)酐、木質(zhì)素磺酸鹽和聚丙烯酸鈉能夠提升大冶鐵礦銅鐵礦石磨礦效果且DY系列助磨劑對(duì)后續(xù)作業(yè)無(wú)不良影響［79］。

總的來(lái)說(shuō)，助磨劑具有用量少、效果好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地促進(jìn)復(fù)雜難選鐵礦石的解離，但需要考慮對(duì)后續(xù)選別的影響，例如木質(zhì)素磺酸鹽會(huì)影響銅鐵礦石尾礦沉降［79］；ZJ-02助磨劑用量較高時(shí)對(duì)微細(xì)粒赤鐵礦浮選存在抑制作用［80］。因此，在選擇助磨劑時(shí)不能選擇對(duì)后續(xù)選別作業(yè)影響很大的藥劑，且不能添加過(guò)量的助磨劑。這都會(huì)導(dǎo)致后續(xù)選別效果變差且成本變高。

3.4 酸浸

傳統(tǒng)酸浸工藝是利用酸溶液作為浸出劑，選擇性地與礦石中的某些組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使其溶解，以提取礦石中的有用組分達(dá)到富集效果，或是溶解礦石中的有害成分達(dá)到除雜效果。但在鐵礦石的預(yù)處理中多使用低濃度的稀酸來(lái)與礦石中的某些組分反應(yīng)使其溶解，以擴(kuò)大裂隙、降低礦石機(jī)械強(qiáng)度，達(dá)到促進(jìn)解離的效果。

研究發(fā)現(xiàn)，酸會(huì)優(yōu)先與高磷鐵礦石中的磷灰石以及高磷鮞狀赤鐵礦中的膠磷礦反應(yīng)，能夠選擇性地浸出鐵礦石中的磷，使其轉(zhuǎn)化為可溶性磷酸鹽［81-82］。只要酸的用量控制得當(dāng)，就可以除去礦石中的大部分磷而不會(huì)損失太多鐵。有研究表明［83］，利用酸浸處理鮞狀赤鐵礦，酸會(huì)進(jìn)入礦石裂縫溶解膠磷礦，使裂縫延展變寬，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更多缺陷從而降低礦石機(jī)械強(qiáng)度，增加礦石可磨性。且酸浸能使礦粒表面粗糙程度增加，在后續(xù)磨礦過(guò)程中可提高礦漿分散性，降低礦漿黏度。值得一提的是，在鹽酸、硫酸和硝酸三種酸中，硫酸和硝酸更容易與鐵氧化物發(fā)生反應(yīng)，且用硫酸浸出過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生硫酸鈣膠體阻礙反應(yīng)進(jìn)一步發(fā)生［84］。因此在處理高磷鮞狀赤鐵礦時(shí)，鹽酸的處理效果最好。

總的來(lái)說(shuō)，酸浸能夠使鮞狀赤鐵礦中的裂縫延展變寬降低其機(jī)械強(qiáng)度，促進(jìn)礦物單體解離，而且能夠有效降低礦石中的磷含量。

3.5 組合方法

我國(guó)鐵礦具有貧、細(xì)、雜的特點(diǎn)，因此在處理成分復(fù)雜、解離困難的復(fù)雜難選鐵礦時(shí)，通常需要根據(jù)實(shí)際情況聯(lián)合使用多種預(yù)處理方法，才能使礦石得到高效解離。不同預(yù)處理方式的應(yīng)用組合如表1所示。

這些方法都結(jié)合了各種預(yù)處理方法的優(yōu)點(diǎn)，使之產(chǎn)生協(xié)同作用以加強(qiáng)預(yù)處理效果，促進(jìn)礦物單體解離，提高后續(xù)磨礦效率。例如微波酸浸法［83，87］，可先用微波處理鮞狀赤鐵礦，使之內(nèi)部產(chǎn)生大量晶界裂縫，增大酸液與礦石的接觸面積，有助于促進(jìn)礦石裂縫的延展變寬，進(jìn)一步降低礦石強(qiáng)度。這種1+1>2的協(xié)同作用在處理復(fù)雜難選鐵礦石時(shí)非常重要，有利于在后續(xù)磨礦過(guò)程中提高礦物的單體解離度、磨礦產(chǎn)品的品位與回收率，增加經(jīng)濟(jì)效益與利用價(jià)值。

3.6 冷凍處理

3.6.1 可行性分析

冷凍處理的作用機(jī)理如圖4所示。將鐵礦石浸泡在水中達(dá)到飽水狀態(tài)，使其孔隙與原始裂隙中充滿水，水經(jīng)冷凍劑急冷凍結(jié)成冰，體積膨脹9%左右，同時(shí)礦物內(nèi)部顆粒受到急冷體積收縮。礦石內(nèi)部這兩種相反的體積變化形成較強(qiáng)的拉應(yīng)力使礦石內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，降低礦石強(qiáng)度。冷凍處理完成后利用沸水浸泡形成一個(gè)淬冷后急熱的效果，進(jìn)一步降低礦石強(qiáng)度，多次重復(fù)淬冷—急熱過(guò)程可以強(qiáng)化這一效果。通過(guò)磨礦，可使裂縫延展、變寬，最終斷裂，使有用礦物和脈石礦物分離，提高有用礦物的單體解離度。鮞狀赤鐵礦主要組分物理性質(zhì)如表2所示［88］。從表2可以看出，赤鐵礦與其他脈石組分的線性膨脹系數(shù)差距較大，能夠在淬冷—急熱過(guò)程中產(chǎn)生較強(qiáng)的熱應(yīng)力。采用液氮冷凍處理鮞狀赤鐵礦的研究表明［89］，該方法具有較好的促進(jìn)解離的效果。冷凍處理可以采用液氮、液體二氧化碳、干冰等作為冷凍劑，具體選用哪種介質(zhì)需要根據(jù)礦石原料、經(jīng)濟(jì)成本等進(jìn)行綜合考慮。

3.6.2 應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

目前，用冷凍處理促進(jìn)鐵礦石解離的方法報(bào)道較少［88］，多為利用液氮處理巖石［90-91］、煤［92-93］等物料，以及用于細(xì)胞破碎［94-96］，回收廢舊塑料、橡膠、金屬、電子廢棄物［97-98］等。研究發(fā)現(xiàn)［91，94］，向飽水巖石中倒入液氮，利用水凍結(jié)成冰體積膨脹與巖石經(jīng)急冷收縮這兩種相反的體積變化所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，可以使巖石內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，降低巖石強(qiáng)度；將靈芝孢子冷凍處理后投入沸水浴中解凍，多次重復(fù)這種淬冷—急熱過(guò)程，利用熱應(yīng)力破壞孢子壁可以釋放出其中的內(nèi)容物。

值得注意的是，研究發(fā)現(xiàn)［95-96］，用液氮將細(xì)胞冷凍的過(guò)程中利用超聲波振動(dòng)輔以攪拌、研磨的處理方法，效果顯著優(yōu)于未使用超聲波的液氮研磨法。這主要是因?yàn)槌暡ǖ募尤氤四軌蚴辜?xì)胞劇烈振動(dòng)破碎之外，還能夠在液氮中發(fā)生空化作用，進(jìn)一步提高了細(xì)胞的破碎效率。這種組合方法理論上也可以應(yīng)用于復(fù)雜難選鐵礦石的預(yù)處理：利用冷凍處理使鐵礦變脆并降低礦石強(qiáng)度，在處理過(guò)程中利用超聲波振動(dòng)及空化作用協(xié)同強(qiáng)化冷凍處理效果，使礦石由軟到硬層層破碎。這也使得冷凍處理今后在復(fù)雜難選鐵礦石的預(yù)處理中可能存在巨大的應(yīng)用潛力。

同時(shí)未來(lái)人類并不會(huì)僅僅滿足于地球地表資源，因?yàn)楹５滓约霸虑蛏弦灿胸S富的鐵礦儲(chǔ)量，尤其是月球上的月海玄武巖中蘊(yùn)含了豐富的鈦鐵礦資源［99-103］，且月球表面的溫度環(huán)境較為極端，最高溫差可達(dá)313℃，如此大的溫差所產(chǎn)生的熱應(yīng)力若能夠加以利用，可能會(huì)對(duì)未來(lái)的月球礦物加工提供便利。

4 結(jié)論與展望

總的來(lái)說(shuō)，隨著易選高品位鐵礦石資源日益減少，儲(chǔ)量豐富的復(fù)雜難選鐵礦石終將被人們利用起來(lái)。如何處理好這塊“硬骨頭”，實(shí)現(xiàn)高效解離、選擇性解離，預(yù)處理方法是其中至關(guān)重要的一環(huán)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，不同種類的復(fù)雜難選鐵礦石成分差別較大，需要根據(jù)礦石性質(zhì)來(lái)選擇合適的預(yù)處理方法，且需要通過(guò)大量試驗(yàn)來(lái)確定最優(yōu)處理?xiàng)l件。此外，在現(xiàn)有的復(fù)雜難選鐵礦石預(yù)處理方法中，傳統(tǒng)熱處理具有方法簡(jiǎn)單、處理量大的優(yōu)點(diǎn)，但處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、效果不夠顯著；微波熱處理具有選擇性強(qiáng)、處理時(shí)間短及效果顯著的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備較貴、處理量小，目前難以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)；超聲波法具有處理時(shí)間短、不易發(fā)生過(guò)磨且得到的產(chǎn)品粒度較為均勻的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)設(shè)備具有一定的要求且選擇性較差；助磨劑具有用量少、效果好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但需要考慮對(duì)后續(xù)選別的影響；酸浸能夠有效地延展礦石裂縫并降低礦石強(qiáng)度，但由于酸浸會(huì)產(chǎn)生酸性廢水，因此會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染問(wèn)題；冷凍處理具有操作簡(jiǎn)單、處理量大以及效果好等優(yōu)點(diǎn)，但目前冷凍劑較為昂貴，成本較高。在組合方法中，微波-酸浸聯(lián)合處理是最有潛力的一種，但目前該方法還處在試驗(yàn)階段，要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)還存在許多問(wèn)題，且鮮有與之匹配的能夠精確控制處理過(guò)程的大型化設(shè)備。在未來(lái)，易于開(kāi)發(fā)的鐵礦資源會(huì)更加緊缺，對(duì)更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效以及適用性廣的預(yù)處理技術(shù)與處理設(shè)備的開(kāi)發(fā)需求將會(huì)更加迫切。