基于原料矿物学基因特性的超级铁精矿制备评价体系

孙永升 曹 越 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)

超级铁精矿是指含铁量高、脉石含量低的铁精矿，既是选矿的深加工产品，又是一种具有发展潜力的新型功能材料。超级铁精矿主要分为2类：一类称为高纯铁精矿，其TFe品位高于70.00%，二氧化硅含量小于0.25%，其他杂质含量小于2.00%，主要用于生产直接还原铁(DRI)；另一类称为超纯铁精矿，其TFe品位高于71.50%，二氧化硅含量小于0.25%，其他杂质含量(酸不溶物)小于0.20%，是粉末冶金、磁性材料的重要原料[1]。国外关于超级铁精矿的研究始于20世纪60年代，前苏联、加拿大、美国、挪威、日本等国先后开展了相关的研究工作，并形成了一定的生产规模，生产出的超级铁精矿铁品位接近72.00%，二氧化硅含量小于0.50%[2-3]。而我国大约在20世纪60年代开始生产优质铁精矿，并用其制备磁性材料[4]。

近年来，随着粉末冶金、直接还原、高端钢材及3D打印等技术的高速发展，对超级铁精矿的需求日益增多，超级铁精矿生产厂家和产量也不断增加[5]。国内相关科研人员围绕超级铁精矿的制备开展了大量的技术研究工作，超级铁精矿制备的工艺方法主要有浮选、磁选、重选以及各种选别方法的有效联合等[6-9]。目前，超级铁精矿的制备技术主要通过选矿试验予以确定。然而，有些铁矿资源经过大量试验研究后，最终发现以其为原料并不能加工获得超级铁精矿，造成了人力、物力、财力的极大浪费。

孙传尧院士提出了基因矿物加工的全新学术理念，即以矿床成因、矿石性质、矿物物性等矿物加工的“基因”特性测试为基础，快捷、高效、精准地选择选矿工艺技术和装备。超级铁精矿制备成功与否与铁矿石的性质密切相关。如果能够揭示二者之间的内在联系，可实现超级铁精矿原料的高效、快速、便捷筛选。基于上述认识，本文创新性地提出了建立基于工艺矿物学基因特性的超级铁精矿制备评价体系的新思路。即在系统的矿物学特性和分选试验基础上，揭示原料矿物学特性与分选指标的内在联系，形成超级铁精矿制备评价体系。该体系的建立有助于快速判断普通铁精矿是否可以作为制备超级铁精矿的原料，可大幅减少生产试验成本、提高生产实践效率、缩短研发周期。

1 研究方法

目前，制备超级铁精矿的原料主要为磁铁矿石经选矿获得的普通铁精矿。因此，本文选取国内6种典型的普通磁铁精矿作为研究对象。首先，利用化学分析和光学显微分析技术查明各磁铁精矿中铁化学物相组成、磁铁矿与脉石矿物连生的特征类型、各类连生体的含量、磁铁矿结晶粒度等矿物学基因特性；之后，针对6种磁铁精矿开展系统的分选试验，确定获得超纯铁精矿的流程结构、参数及分选技术指标；最后，将普通铁精矿连生体的类型、含量、磁铁矿结晶粒度等矿物学特性与超级铁精矿制备流程及技术指标有机结合加以分析，探明二者之间的内在联系和规律，建立基于原料矿物学基因特性的超级铁精矿制备评价体系。

2 试验结果与讨论

2.1 铁精矿矿物学基因特性

针对6种普通磁铁精矿进行了铁化学物相组成分析，结果如表1所示。

表1 6种普通磁铁精矿的铁化学物相组成Table 1 Composition of iron chemical phase of six selected magnetite concentrate %

由表1可知：6种普通磁铁精矿铁品位介于65.63%～69.85%范围内；铁元素主要以磁性铁的形式存在，铁在磁性铁中分布率均在98%以上；氧化铁、碳酸铁、硫化铁、硅酸铁的含量相对较少。

将普通铁精矿镶嵌抛光，采用光学显微分析技术对其进行了检测分析。由分析结果可知，铁精矿中铁矿物主要为磁铁矿，主要脉石矿物为石英。磁铁矿单体解离度较高，但仍有部分以连生体形式存在。磁铁矿连生体的含量及结合特征是影响最终精矿质量的重要因素。据统计，铁精矿中连生体结合类型可分为以下3种：

(1)毗连型：磁铁矿与脉石矿物连生边界平直，边界线呈线性弯曲状，如图1(a)所示。

(2)包裹型：磁铁矿以包裹体形式嵌镶于脉石矿物中，其中磁铁矿包裹体粒径大于10 μm，属细粒包裹，小于10 μm为微细包裹，如图1(b)所示。

(3)反包裹型：磁铁矿中包裹微细粒的脉石矿物，这种类型连生体中的脉石矿物因粒径细小，难以从铁矿物中解离出来，影响铁精矿的品位，如图1(c)所示。

图1 磁铁矿连生体类型Fig.1 Category of magnetite intergrowthMt—磁铁矿；G—脉石

对6种磁铁精矿中磁铁矿连生体的结合类型进行了统计，结果如表2所示。

表2 磁铁矿连生体结合类型统计结果Table 2 Statistical results of magnetite combination combined type

由表2可知：1#样品中磁铁矿连生体类型主要为毗连型和细粒包裹型，含量分别为49.02%和35.29%；2#和3#样品中磁铁矿连生体主要为毗连型；4#样品中磁铁矿连生体主要为毗连型和反包裹型；5#样品中磁铁矿连生体主要为毗连型和微细包裹型；6#样品中磁铁矿连生体主要为包裹型，其中细粒包裹型含量为41.34%，微细包裹型含量为32.17%；6种铁精矿中各类磁铁矿连生体含量各有不同，表明样品具有充足的代表性。

矿物的结晶粒度直接影响着分选行为和精矿质量，因此对铁精矿样品中磁铁矿的结晶粒度进行了统计，结果如表3所示。

表3 磁铁矿结晶粒度统计结果Table 3 Measured results of magnetite grain size

由表3可知，1#样品中磁铁矿主要分布在0.010～0.038 mm粒级；2#样品中磁铁矿主要分布在0.010～0.053 mm粒级；3#样品中磁铁矿主要分布在 +0.038 mm粒级；4#和6#样品中磁铁矿主要分布在 -0.053 mm粒级；5#样品中磁铁矿主要分布在 +0.075 mm和-0.010 mm粒级。

2.2 铁精矿分选试验

以获得超级铁精矿为目标，针对上述6种普通铁精矿开展了分选试验，最终确定的分选工艺和精矿产品的技术指标如表4所示。

表4 超级铁精矿制备试验结果Table 4 Experimental results of producing high purified iron concentrate

由表4可知，1#、2#和3#样品经分选后，获得的精矿产品铁品位大于71.5%、SiO2含量小于0.25%、酸不溶物含量小于0.20%，满足超纯铁精矿的要求；4#、5#和6#样品分选所得精矿产品铁品位大于70.0%、SiO2含量小于2.0%，满足高纯铁精矿的要求，然而不能满足超纯铁精矿的要求。

3 超级铁精矿制备评价体系

将6种铁精矿工艺矿物学特征与分选试验结果有机结合加以分析，可知二者之间存在着内在的联系。1#、2#和3#样品中磁铁矿微细包裹型和反包裹型连生体含量较少，且-0.010 mm粒级的磁铁矿含量较少，3种样品经分选后均可获得超纯铁精矿；4#、5#和6#样品中磁铁矿微细包裹型和反包裹型连生体含量较高，且-0.010 mm粒级的磁铁矿含量较高，3种样品经分选后均可获得高纯铁精矿，难以获得超纯铁精矿。进一步分析1#、2#和3#样品可知，1#样品中磁铁矿连生体主要为毗连型和细粒包裹型，而2#和3#样品中磁铁矿连生体主要为毗连型；以1#样品为原料制备超纯铁精矿需两段磨矿，而2#和3#样品仅需一段磨矿。因此，磁铁矿连生体的类型及磁铁矿结晶粒度是决定普通铁精矿能否制备超级铁精矿的关键因素。基于上述分析，建立了基于原料工艺矿物学基因特性的超级铁精矿制备评价体系，如表5所示。该评价体系可用于快速判断普通铁精矿是否可以作为制备超级铁精矿的原料。

表5 超级铁精矿制备评价体系Table 5 Evaluation system of producing high purified iron concentrate

4 结 论

(1)选取的普通铁精矿铁品位介于65.63%～69.85%范围内，铁元素主要以磁铁矿的形式存在，磁铁矿单体解离度较高，脉石矿物主要为石英，磁铁矿连生体的类型可分为毗连型、包裹型、反包裹型3种。

(2)铁矿物的结晶粒度、脉石矿物的种类、铁矿物与脉石矿物的共生和嵌镶关系等矿物学基因特性，都影响着最终超级铁精矿的铁品位和酸不溶物的含量。磁铁矿连生体的类型及磁铁矿结晶粒度是决定普通铁精矿能否制备超级铁精矿的关键因素。铁精矿中微细包裹型和反包裹型连生体含量越少、 -0.010 mm粒级磁铁矿的含量越少，越容易制备超级铁精矿。

(3)基于铁矿石工艺矿物学的超级铁精矿制备的可行性评价体系，可以实现超级铁精矿原料的高效、快速、便捷筛选。

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