鈦磁鐵礦選礦技術(shù)研究進展

陳超，張裕書，李瀟雨，劉能云

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所，四川 成都 610041；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

我國是鐵礦資源消費大國，2016~2018年連續(xù)三年進口鐵礦石超過10億t，鐵礦石對外依存度居高不下。四川攀枝花—西昌地區(qū)蘊藏著豐富的釩鈦磁鐵礦資源，目前已探明的資源儲量達100億t 以上[1]，鐵資源儲量占全國鐵礦資源儲量的10%[2]，另外承德地區(qū)、陜西地區(qū)、新疆地區(qū)、遼西地區(qū)等也有一定的釩鈦磁鐵礦。因此，針對巨量的釩鈦磁鐵礦，如何獲得優(yōu)質(zhì)的鈦磁鐵礦精礦對保障國內(nèi)鐵礦資源供給、降低鋼鐵行業(yè)能耗有重要意義。

1 鈦磁鐵礦工藝礦物學(xué)

鈦磁鐵礦是攀枝花釩鈦磁鐵礦可工業(yè)利用的復(fù)合鐵礦物，亦是鈦、釩、鉻、錳、鎵、鈷等組分的主要載體礦物。鈦磁鐵礦系固溶體分解作用形成的產(chǎn)物，固溶體中含量較多的溶劑組分所形成的礦物為主晶礦物即磁鐵礦，含量較少的溶質(zhì)組分形成的礦物稱客晶礦物，即鈦鐵晶石、鈦鐵礦、鎂鋁尖晶石。鈦磁鐵礦是由主晶礦物和客晶礦物組成的復(fù)合礦物，客晶礦物一般粒度0.005 ~0.05 mm，少數(shù)可達0.1 mm。客晶礦物的多寡和礦石的品級有一定關(guān)系，F(xiàn)e1至Fe4，客晶礦物的含量可從45%降至22%，攀枝花、白馬、太和、紅格四大礦區(qū)中鈦磁鐵礦含鐵量變化范圍分別為56.36%~61.36%、59.26%~60.60%、57.98%~61.87%和56.60%~62.32%[3]。羅金華等[4]對紅格釩鈦磁鐵礦的工藝礦物學(xué)研究表明，鈦磁鐵礦中Fe，Ti，V，Cr是其主要化學(xué)成分，其中Fe與V，Cr元素緊密正相關(guān)，F(xiàn)e與Ti緊密負(fù)相關(guān)；Ti與Fe，V，Cr呈負(fù)相關(guān)；V與Cr，F(xiàn)e呈正相關(guān)；而V-Ti負(fù)相關(guān)。姚江成等[5]對攀枝花、白馬礦區(qū)鈦磁鐵礦磁性研究結(jié)果表明，攀枝花和白馬鈦磁鐵礦合理的磁選場強分別為90.2 ~ 98.4 kA/m 和72.6 ~ 79.2 kA/m，它們-0.074 mm粒級合理的脫磁場強分別為63.24 ~88.55 kA/m和41 ~ 57.4 kA/m。李俊翰等[6]針對涼山州的釩鈦磁鐵礦工藝礦物學(xué)的研究結(jié)果表明，鈦磁鐵礦的礦物組成主要有鈦磁鐵礦（ 68% ~90%） 、鈦鐵礦( 8% ~ 30%) 、鈦鐵晶石( 1% ~5%) 、尖晶石( 0.5% ~ 1.5%) ?；瘜W(xué)組成主要為鐵和鈦，其次為釩、鉻和錳，還含有少量的鈣、鎂、鋁和硅，部分礦樣還含有微量的鈷和鎳。TFe含量大致為48% ~ 63%，TiO2為14% ~ 30%，V2O5約為1.0% ~ 1.5%，Cr2O3和MnO分別約為0.4%和0.5%。鈦和錳元素的含量均與鐵元素含量呈顯著的一元線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，釩和鉻均與鐵呈顯著的一元線性正相關(guān)關(guān)系。

劉洋等[7]對西北某釩鈦磁鐵礦的工藝礦物學(xué)研究結(jié)果表明，鈦磁鐵礦主要呈稀疏—星散浸染狀充填于脈石粒間，少數(shù)聚合成不規(guī)則團塊狀，沿邊緣或粒間可見粒狀鈦鐵礦，粒度較為細(xì)小，一般0.02 ~ 0.3 mm。礦石中鈦磁鐵礦次生變化較常見的是赤鐵礦化、綠泥石化和榍石化，主要表現(xiàn)為赤鐵礦、綠泥石或榍石沿鈦磁鐵礦的表面、邊緣、粒間、裂隙或解理縫充填交代，隨著蝕變程度的增強，鈦磁鐵礦可呈殘余狀分布。能譜微區(qū)成分分析結(jié)果顯示，礦石中鈦磁鐵礦晶體平均含F(xiàn)e3O492.91%、TiO26.54%、V2O50.55%。

許承寶[8]針對遼西地區(qū)低品位風(fēng)化型釩鈦磁鐵的研究表明，鈦磁鐵礦礦石形態(tài)較為規(guī)則，主要呈浸染狀零星散布在脈石中，部分與鈦鐵礦鑲嵌，內(nèi)部偶見極少量的微粒黃鐵礦分布，粒度一般為 0.02 ~ 0.3 mm。鈦磁鐵礦的次生變化較為強烈，絕大部分鈦磁鐵礦已發(fā)生不同程度的蝕變，主要蝕變類型有假象赤鐵礦化和榍石化。假象赤鐵礦的能譜微區(qū)成分分析結(jié)果顯示假象赤鐵礦中平均含 Fe2O390.74%、TiO25.21%、V2O50.59%、SiO20.48%。

李青翠等[9]對吉林釩鈦磁鐵礦工藝礦物學(xué)研究表明，鈦磁鐵礦包括均一的鈦磁鐵礦和磁鐵礦包裹鈦鐵礦、鈦鐵晶石固溶體晶片而成的鈦磁鐵礦。鈦磁鐵礦晶體最大超過3 mm，由于熔蝕鈦輝石而多形成海綿隕鐵結(jié)構(gòu)，并部分被鈦磁赤鐵礦交代，形成反應(yīng)邊結(jié)構(gòu)；鈦輝石析出的鈦磁鐵礦，礦物顆粒細(xì)小，呈乳滴狀、微脈條狀，粒徑一般小于0.074 mm，部分呈超微粒；堿性輝綠玢巖中的鈦磁鐵礦，顆粒較細(xì)，一般-0.05 mm，個別樣中小于0.01 mm，該礦物多呈骸晶狀，完整的顆粒見內(nèi)含鈦鐵晶石細(xì)微片晶。粒度統(tǒng)計結(jié)果表明，+0.074 mm 80.33%，-0.074 mm 19.67%。

以上研究表明，不同地區(qū)鈦磁鐵礦成分存在一定的差異，主要是因為不同地區(qū)鈦磁鐵礦成礦地質(zhì)條件不同，導(dǎo)致鈦磁鐵礦固溶體分離結(jié)構(gòu)存在差異，攀西地區(qū)鈦磁鐵礦理論含鐵量在56% ~62%左右，而北方地區(qū)鈦磁鐵礦的理論含鐵量可達65%左右。

2 鈦磁鐵礦選礦工藝

碎磨能耗占選礦廠總能耗的60% ~ 70%，而磨礦能耗占碎磨能耗的80% ~ 90%，多碎少磨可有效平衡磨礦能耗，磨前預(yù)選可大幅提高磨礦效率。但鈦磁鐵礦的磨前預(yù)選需同時考慮鈦鐵礦的回收率，利用傳統(tǒng)的濕式預(yù)選技術(shù)，鈦損失率較高。近幾年針對攀西釩鈦磁鐵礦，開發(fā)出一種新型外磁內(nèi)流式永磁筒式磁選機，針對磨前粗粒綜合預(yù)選進行了大量的技術(shù)探索與應(yīng)用。目前，國內(nèi)主要有長沙礦冶研究院礦冶裝備公司研制的ZCLA重磁拉選礦機和北京礦冶研究總院機械所研制的NLCT(G)外磁筒式磁選機[10]。這兩個磁選機可以在拋掉大量合格尾礦的同時，可確保鐵、鈦的回收率在90%左右，具有良好的預(yù)選拋尾性能[13-14]。

由于鈦磁鐵礦中的鈦鐵晶石粒度過于微細(xì)，用機械磨礦方法不易解離出來[15]，以鈦磁鐵礦的復(fù)合礦物相作為選別目標(biāo)，主要目的礦物結(jié)晶粒度較粗，因此鈦磁鐵礦階段磨礦-階段選別工藝一直鈦磁鐵礦選礦工藝的研究重點。廖祥文等[16]針對攀西某含TFe24.44%、TiO26.76%的低品位礦石開展了多種選鐵工藝流程的比較實驗研究，結(jié)果表明：若不考慮鈦鐵礦的回收利用，同時考慮生產(chǎn)過程易行，采用3 ~ 0 mm的粗粒拋尾工藝是選鐵的較佳工藝流程；若要綜合利用鈦鐵礦，則以原礦一段球磨磨至-0.074 mm 65%左右的兩段球磨磁選選鐵工藝為較佳選鐵工藝流程。為充分利用礦石中釩鈦磁鐵礦具有較高的剩磁和較強的矯頑力，有利于采用無外加磁場的剩磁團聚重選法這個特點，張裕書[17]采用磁團聚重選工藝對白馬芨芨坪混合礦開展了小型實驗和擴大連續(xù)實驗，當(dāng)最終精礦粒度為-0.076 mm 40%時，獲得了TFe品位57%以上，回收率為69%左右的高質(zhì)量鐵精礦。李紅玲等[18]針對某含TFe 18.43%、TiO28.63%低品位釩鈦磁鐵礦，進行了原礦磨礦-磁選工藝和粗粒拋尾-階段選別工藝的對比實驗。由實驗結(jié)果表明粗粒拋尾-階段選別工藝更適合該礦石。對粗粒拋尾所得的精礦進行了細(xì)磨-弱磁精選工藝和粗磨-磁團聚工藝的對比實驗，實驗結(jié)果表明采用粗磨-磁團聚工藝更經(jīng)濟、更合理。隨著開采深度的增加，攀西地區(qū)采出礦石輝長巖、輝石巖含量逐漸降低，而橄輝巖含量逐漸提高，導(dǎo)致企業(yè)采用原工藝無法獲得合格的鐵精礦產(chǎn)品，為給紅格中深部難選橄輝巖型釩鈦磁鐵礦石合理選礦工藝確定提供依據(jù)，楊耀輝等[19]對TFe品位為14.75%、TiO2含量為5.59%的紅格中深部釩鈦磁鐵礦，破碎至-3 mm經(jīng)濕式預(yù)選拋尾，可以獲得TFe品位為21.05%、回收率為83.61%的預(yù)選精礦，預(yù)選精礦經(jīng)磨礦-弱磁選-攪拌磨再磨-弱磁粗選-磁團聚重選機精選，可以獲得TFe品位為57.25%、回收率為46.54%的精礦，鐵精礦TiO2含量為9.55%。

高壓輥磨機由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、磨碎比大、占地面積小、高效、節(jié)能等一些細(xì)碎設(shè)備所不能比擬的優(yōu)點，近年來成了處理釩鈦磁鐵礦的研究熱點。楊任新[20]針對攀西紅格低品位釩鈦磁鐵礦采用原礦高壓輥磨-粗粒濕式磁選拋尾-階段磨礦、階段弱磁選選鐵，獲得了鐵品位為57.41%、鐵回收率為52.88%的鐵精礦，通過采用高壓輥磨技術(shù)，可使選鐵過程磨選量減少34.18%。李麗匣等[21]對攀西釩鈦磁鐵礦進行了高壓輥磨超細(xì)碎及其選別實驗，當(dāng)P 80為1.55 mm時，采用“鐵鈦平行分選”工藝對高壓輥磨超細(xì)碎的-3.2 mm攀西釩鈦磁鐵礦進行了選別實驗，選鐵流程在磨礦細(xì)度在-0.074 mm 45%時，鐵精礦TFe品位可達55.05%，回收率70.64%。王凡[22]對高壓輥磨實驗粒度進行了篩分實驗，結(jié)果表明，原礦經(jīng)過高壓輥磨機后，細(xì)粒級含量大幅度提高，可以篩分出部分合格粒級，降低球磨入料量，符合“多破少磨”的選礦思想，還對其相對可磨度進行了研究，在入磨粒度為6 ~ 0 mm 時，經(jīng)高壓輥磨后磨礦效率得到了顯著提高。

篩分是提高鐵精礦品位及降低磨礦粒度的有效手段之一。鐘君[23]針對攀西某釩鈦磁鐵礦選礦工藝流程存在的原流程中旋流篩篩分效率低、效果差，已單體解離的礦物再次進入2次磨礦循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生過磨，造成2次循環(huán)量大，影響精礦品位和回收率的提高且制約1次磨機臺時能力提高等一系列問題，采用GPS1410-3型高頻振動細(xì)篩替代原旋流篩進行2段磨礦分級，改造后篩分量效率平均達72.70%，質(zhì)效率達53.34%，最終過濾精礦TFe品位達54.78%，有效降低了入磨量。

磁場篩是在盡量均勻設(shè)置的磁場中，將入選磁性物磁化連接成平行于磁力線的鏈狀磁聚體，同時用盡量平行于磁力線設(shè)置的篩面將未磁化的分散顆粒雜質(zhì)篩除，它可有效的清除磁性產(chǎn)品中的連生體雜質(zhì)，并可分選粒度范圍較寬的物料[24]。付冠文[25]針對太和一段精礦再磨前直接經(jīng)磁篩精選，可預(yù)先獲得一部分鐵品位為56%以上的合格精礦，且減少約60%的再磨量。劉長淼等[26]針對云南安益鈦磁鐵礦，采用“弱磁粗選-磁篩精選”流程，控制磨礦細(xì)度為-0.074 mm 50%，可獲得TFe品位55.85%、回收率為59.16%的鈦磁鐵礦精礦。

3 鈦磁鐵礦精礦提鐵降雜

提高釩鈦磁鐵礦鐵精礦鐵品位對降低高爐渣量、提高高爐產(chǎn)率、降低焦比有著顯著的效果[27]。2004 年攀鋼礦業(yè)公司實施了階磨階選改造，將攀精礦的品位由52.5% 全部提高到54.0%以上，分析表明，采用高品位精礦替代進口礦、增加中品位加工粉配比方案，燒結(jié)原料成本下降7.7 元/t，煉鐵原料成本下降12元/t[28]。因此，對鐵精礦的提質(zhì)降雜具有重要意義。吳雪紅[29]通過對密地選廠七段階磨階選的極限探索實驗，最終將鐵精礦TFe品位提高至接近其理論品位，達到57.30%。李國平等[30]應(yīng)用SXCT濕式高頻諧波磁場磁選機，通過產(chǎn)生高頻磁擾動來打破磁團聚，大幅提高分選精度，經(jīng)工業(yè)考察可實現(xiàn)TFe品位提高1.85%、鐵回收率達96.12%。陳超等[31]針對攀枝花鐵精礦分別采用細(xì)磨深選、粗細(xì)粒級分別分選、復(fù)合力場分選（包括新型提鐵降雜磁選機磁選、磁選柱分選、磁場篩分選）等工藝進行了提鐵降雜實驗研究，結(jié)果表明，無論采用何種磁選工藝，均可有效提高攀枝花鐵精礦品位2個百分點以上，且能保證回收率在97%以上。庫建剛[32]研究了鈦磁鐵礦磁選行為及磁鏈形成機理，針對鈦磁鐵礦粗細(xì)粒級磁性的差異，提出了粗細(xì)粒級分別磁選的工藝，結(jié)合不同粒級磁選行為的差異，建立了單個礦粒模型和磁鏈模型，并運用磁鏈模型較好地解釋了磁團聚對磁選精礦指標(biāo)的影響。

攀枝花地區(qū)釩鈦磁鐵礦普遍分布有硫化物。硫化物的礦物量，不同礦區(qū)不同層位有差別，攀枝花礦區(qū)8.72% ~ 0.05%；白馬礦區(qū)2.59% ~ 0.4%；太和礦區(qū)4.03% ~ 0.34%，紅格礦區(qū)7.15% ~ 0.13%。硫化物的礦物種類很多，主要是磁黃鐵礦，占硫化物總數(shù)的80%以上，在選礦過程中，進入鐵精礦中的硫化物以磁黃鐵礦為主，黃鐵礦次之，兩者占硫化物總量的25% ~ 30%[33-34]。隨著攀西地區(qū)開采深度的加深，其硫含量也越來越高，甚至部分已經(jīng)影響到了鐵精礦的后續(xù)利用，現(xiàn)階段攀枝花密地選廠鐵精礦含S0.8%左右，白馬選廠鐵精礦含S0.5%左右，且有升高的趨勢。普通高爐冶煉釩鈦磁鐵礦，因其高鈦型爐渣冶煉的特殊性，爐渣脫硫能力低，致生鐵含硫偏高[35]，因此，對冶煉原料提出了更高的要求。

陳超等[36]針對攀枝花鐵精礦開展了磨礦-磁選-浮選提鐵降雜實驗，TFe品位從53.65%提高到了56.60%，S含量從0.81%降低到了0.32%，鐵回收率在95%左右，提鐵降雜效果明顯。熊濤等[37]對云南某鈦磁鐵礦進行了磁選提鐵和精礦反浮選降硫?qū)嶒灒色@得鐵品位67.04% 、S含量0.11%的優(yōu)質(zhì)鈦磁鐵礦精礦。謝美芳等[38]針對TFe含量53.52%的鈦磁鐵礦精礦，經(jīng)磁選-浮選后獲得了TFe品位57.17%，S含量0.26%的鐵精礦，鐵回收率為89.94%。由此可以看出，鈦磁鐵礦精礦中的硫通過常規(guī)浮選，可有效降低鐵精礦中的硫含量。

陳超等[39]針對某低品位釩鈦磁鐵礦采用干式預(yù)選拋尾-階段磨礦階段選別，獲得了TFe品位60.57%的鐵精礦，還研究了主要元素在選鐵過程中的走向，經(jīng)過干式粗粒拋尾以后，鐵、鈦、釩、鉻、鈧、鈷、鎳等元素皆主要在粗拋精礦中富集；經(jīng)過濕式磁選以后，鐵精礦中釩、鉻得到了較好的富集，鈷、鎳有一定程度的富集，而鈧主要富集在弱磁選尾礦中，硫在干式尾礦中含量較低，在鐵精礦中有一定程度富集。羅金華等[40]研究了紅格釩鈦磁鐵礦在選礦過程中的元素分布，紅格釩鈦磁鐵礦屬高鈦高鉻型磁鐵礦，其化學(xué)成分主要含有 Fe、Ti、V、Cr、Si、Mg、Ca、Al、Cu、Co、Ni、Mn、S 等元素。Fe、Ti、V、Cr在鈦磁鐵礦中的分配率分別為77.274%、42.228%、83.362%、95.527%，F(xiàn)e、V、Cr主要賦存在鈦磁鐵礦中。鐵精礦中Fe、Ti、V、Cr的品位分別為56.44%、 11.96%、0.82%、1.76%。

5 結(jié)論與建議

目前鈦磁鐵礦選礦技術(shù)較為成熟，針對鈦磁鐵礦的選礦主要集中在預(yù)選技術(shù)、多碎少磨和階段磨礦階段選別工藝的開發(fā)。提鐵降雜近年來鐵礦選礦研究的熱點，近十多年實施的“提鐵降雜”戰(zhàn)略主要聚焦于提高鈦磁鐵礦精礦中的鐵品位，且取得了顯著的成效。今后應(yīng)重點關(guān)注鐵精礦中有害組分的脫除和有價組分的綜合利用，因此在鈦磁鐵礦選別過程中，需尤為注意各元素的分布與走向，盡可能的綜合利用其中的有價元素，同時降低有害組分對后續(xù)工藝的影響。