白云鄂博西礦含鐵巖選礦工藝試驗研究

唐紹義，李彥鑫

（內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司巴潤礦業分公司，內蒙古 包頭 041010）

鐵素資源在全產業鏈中極度依賴海外進口，資源安全保障不足，已經成為中國鋼鐵工業最為突出的“卡脖子”問題。隨著我國對鐵資源需求的日益增加，以及選冶技術的不斷進步和選礦設備的不斷革新，對低貧、超貧鐵礦石資源的深度探索研究和資源化利用成為了必然趨勢[1-8]。

白云鄂博礦床是舉世聞名的集鐵、稀土、鈮等為一體的綜合性多金屬共生礦床[9-10]，其中，白云鄂博西礦是白云鄂博礦床中最大的礦體群。由于西礦礦體群獨特的組成結構，在礦床、巖石交界處蘊藏著儲量巨大的TFe 品位13%～16%的含鐵圍巖（以下簡稱“含鐵巖”）[11]，經過地勘估算，磁性率≥55%的白云石型含鐵巖儲量高達2.7 億t。若這部分含鐵資源得以回收利用，則可減少排巖占地面積，在減輕生態環境破壞的同時延長礦山服務年限。本文以白云鄂博西礦含鐵巖為研究對象，借助多種現代檢測手段對其礦物性質進行研究，并通過系統的選礦試驗使其磨前粗精礦TFe 品位達到20%的邊界品位[12]，最終精礦TFe 品位達到65%以上的合格指標，試驗研究結果可為其下一步高效資源化利用提供科學的理論依據。

1 礦石性質研究

1.1 原礦化學成分及礦物組成分析

白云鄂博西礦含鐵巖的主要化學成分及礦物組成見表1 和表2，鐵物象分析結果見表3，含鐵巖XRD 分析結果如圖1 所示。由表1 可知，含鐵巖具有鈣鎂高、鋁硅低的特點，堿性系數為（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3）=11.34，屬于白云石型原生堿性礦石范疇，而且硫、磷含量偏高。含鐵巖中可供選礦回收的主要元素是鐵，但品位較低，為13.14%，達到超貧鐵礦石范疇。由圖1、表2、表3 可知，含鐵巖中鐵礦物主要為磁鐵礦，稀土礦物為獨居石，金屬硫化物主要為黃鐵礦，脈石礦物以白云石為主，其次為角閃石、螢石及石英、長石、云母、重晶石等。鐵主要賦存在磁鐵礦中，分布率為52.28%，鐵在赤褐鐵礦中分布率僅為2.36%，其余主要分布在碳酸鹽中，分布率高達33.56%，是不可回收的部分，因此采用單一弱磁工藝選礦理論上只能回收52%左右的鐵。

圖1 含鐵巖XRD 圖譜Fig.1 XRD pattern of iron bearing rock

表1 含鐵巖的主要化學成分（質量分數）Table 1 Main chemical composition of iron bearing rock（mass fraction） 單位：%

表2 含鐵巖主要礦物含量（質量分數）Table 2 Main minerals content of iron bearing rock（mass fraction） 單位：%

表3 含鐵巖鐵物相分析結果（質量分數）Table 3 Iron phase analysis of iron bearing rock（mass fraction） 單位：%

1.2 鐵礦物嵌布特征

利用顯微鏡和電子掃描鏡對含鐵巖進行鏡下檢測，檢測結果如圖2 所示。由圖2 可知，礦物結晶較好，沒有明顯的氧化蝕變現象。磁鐵礦形態多呈自形粒狀、半自形粒狀，少量為不規則狀。嵌布粒度總體較為細小，一般介于0.02～0.50 mm 之間，細粒者小于0.01 mm，個別粗粒者可達0.50 mm 以上，表明若要取得較好的選礦指標，需要進行細磨處理。磁鐵礦在礦石中呈疏密不等的浸染狀嵌布，一般為中等稠密浸染狀（圖2（a））和稀疏浸染狀（圖2（b）），少量為星散狀分布（圖2（c）），較稠密的磁鐵礦常呈集合體狀聚集。嵌布的基底脈石主要為白云石，并常有菱鐵礦、角閃石、螢石、磷灰石、獨居石等礦物混雜嵌布（圖2（d）和圖2（e））；少量磁鐵礦與黃鐵礦嵌布緊密。較粗粒的磁鐵礦中有時包裹有難以磨礦解離的細小脈石及黃鐵礦（圖2（f）），對提高鐵精礦鐵品位有一定影響。

1.3 鐵礦物粒度分布特征

利用光學顯微鏡測定磁鐵礦的嵌布粒度，鏡下測定結果如圖3 所示。由圖3 可知，礦石中磁鐵礦總體屬細粒嵌布的范疇，其中，+0.21 mm 的中粒部分占43.96%，大部分為0.21 mm 以下的細粒礦物，且粒度分布不均勻，表明原礦需要細磨才能分選出較高品位的鐵精礦。從嵌布粒度分布來看，欲使90%以上的磁鐵礦獲得解離，需將含鐵巖細磨至?0.052 mm 含量95%較為適宜。

2 磨前預選試驗研究

白云鄂博西礦選礦廠破碎系統現采用“三段一閉路”的工藝流程，粗破碎采用Superior MK-II54-75型旋回破碎機，破碎產品粒度?250 mm，中碎采用CH880 型圓錐破碎機，破碎產品粒度?70 mm，細碎采用CH880EFX 型圓錐破碎機，破碎產品粒度?25 mm，檢查篩分篩下粒度為?12 mm。由于含鐵巖屬白云石型礦石范疇，品位較低而且較硬，直接進行磨礦磁選會增加大量的磨礦成本。因此，對含鐵巖進行?70 mm、?25 mm、?12 mm、?6 mm 和?3 mm 不同粒度條件下的干式預選試驗，探索最佳的預選條件參數，為破碎流程改造提供指導依據。

2.1 ?70 mm 含鐵巖預選試驗

利用顎式破碎機將含鐵巖破碎至?70 mm，采用磁場強度為0.35 T 的Φ300 mm 永磁磁滑輪，調節擋板距離80 mm，在不同線速度條件下的預選試驗結果見表4。

表4 線速度條件試驗結果（?70 mm 含鐵巖）Table 4 Condition test results with different line speed（?70 mm iron bearing rock）

由表4 可知，隨著調節磁輥筒轉速可以拋除產率為12.98%～44.82%、TFe 品位為8.44%～10.52%的尾礦。當線速度為1.03 m/s，尾礦產率僅為12.98%時，尾礦中磁性鐵品位1.75%，隨著線速度增大，尾礦產率增加的同時尾礦中磁性鐵品位和回收率逐步升高，預選效果變差。綜合考慮拋尾產率及磁性鐵品位，含鐵巖破碎至?70 mm，在線速度為1.10 m/s 的條件下拋出18.16%的尾礦較為合適。但在該粒度條件粗精礦TFe 品位僅為14.12%，鐵品位提高不明顯，需進一步破碎拋尾。

2.2 ?25 mm 含鐵巖預選試驗

在同樣條件下利用顎式破碎機對含鐵巖破碎后（?25 mm）進行第二次線速度干式拋尾試驗，調節擋板距離30 mm，場強0.15 T，采用LILO 干式磁選機，試驗結果見表5。

表5 線速度條件試驗結果（?25 mm 含鐵巖）Table 5 Condition test results with different line speed（?25 mm iron bearing rock）

由表5 可知，隨著線速度的減小，尾礦產率減少，尾礦中磁性鐵品位降低，磁性鐵回收率也隨之降低，當線速度為1.10 m/s 時，拋出產率為20.50%的尾礦，尾礦中磁性鐵品位0.94%，磁性鐵回收率2.79%，拋尾效果較好。為了增加拋尾產率，提升拋尾效果，在線速度為1.73 m/s、擋板距離30 mm 時，進行更高磁場強度下的拋尾試驗，結果見表6。

表6 磁場強度條件試驗結果（?25 mm 含鐵巖）Table 6 Condition test results with different magnetic field intensity（?25 mm iron bearing rock）

由表6 可知，隨著磁場強度的降低，拋尾產率增加，尾礦中磁性鐵品位升高，回收率增加。當場強為0.45 T 時，拋出尾礦產率18.09%，尾礦中磁性鐵品位0.74%，回收率1.95%，拋尾效果較好。因此，含鐵巖在?25 mm 粒度下拋出20%以內的尾礦較為合適，此時尾礦磁性鐵品位低于1.00%，磁性鐵回收率低于3.50%，有利于保證磁性鐵的回收率，但是粗精礦中的TFe 品位小于15%，為了使TFe 品位提高至20%以上，需要將礦石破碎至更細的粒度，為此進行?12 mm 粒度條件下的干式預選試驗。

2.3 ?12 mm 含鐵巖預選試驗

同樣利用顎式破碎機將含鐵巖破碎至?12 mm，采用LILO 磁選機，在線速度1.73 m/s、擋板距離16 mm 的條件下，進行磁場強度條件預選試驗，結果見表7。

表7 磁場強度條件試驗結果（?12 mm 含鐵巖）Table 7 Condition test results with different magnetic field intensity（?12 mm iron bearing rock）

由表7 可知，隨著調節磁輥筒磁場強度可以拋除產率為24.05%～39.37%、品位為7.53%～8.25%的尾礦。隨著磁場強度的降低，尾礦產率逐漸增大，當場強為0.25 T 時，拋出尾礦產率39.37%，尾礦中磁性鐵品位1.06%，回收率6.07%，拋尾效果較好。但是粗精礦中TFe 品位小于16.27%，較原礦品位僅提高3.16%，表明現有破碎系統生產工藝無法使預選精礦TFe 品位達到20%。根據前期試驗結果表明，預選精礦品位與拋尾粒度存在一定線性關系，為獲得更好選別指標，繼續將干選粒度破碎至?6 mm。

2.4 ?6 mm 含鐵巖預選試驗

利用大顎式破碎機、小顎式破碎機將含鐵巖破碎至?6 mm，調節擋板距離至10 mm，在線速度1.73 m/s 條件下進行不同磁場強度條件干式預選試驗，結果見表8。

表8 干選場強條件試驗結果Table 8 Condition test results with different magnetic field intensity

由表8 可知，在不同磁場強度條件下，含鐵巖可拋除產率24.75%～49.81%，品位6.93%～7.49% 的尾礦。綜合考慮拋尾產率及磁性鐵回收率，在0.15 T的條件下可拋出49.81%的尾礦，且尾礦中磁性鐵品位僅為0.65%，磁性鐵回收率4.74%，拋尾效果非常好。此時的粗精礦TFe 品位為18.69%，為進一步提升干選精礦質量指標，需開展超細碎干式預選試驗。

2.5 ?3 mm 含鐵巖預選試驗

通過大量試驗研究表明，高壓輥磨相較于常規破碎設備具有更高的能量利用效率，其破碎產品中會有大量微細粒和微粒[13-15]的產生，有利于磁鐵礦與脈石礦物的解離和降低磨礦能耗。為進一步提高預選選別效果，降低后續磨礦負荷和濕尾礦產量，分別將含鐵巖在常規（顎式）破碎和高壓輥磨破碎條件下開展?3 mm 預選對比試驗。

高壓輥磨機選用型號為CLM25-10，在工作壓力10.0 MPa、輥縫寬度2.2 mm、轉速20 r/min 的條件下將含鐵巖破碎至?3 mm，與常規破碎產品（粒度?3 mm）在最佳預選條件下（線速度1.73 m/s、磁場強度0.15 T、擋板距離6.0 mm），采用LILO 干式磁選機進行預拋尾對比試驗，對比結果見表9。

表9 對比試驗結果Table 9 Results of comparison test

由表9 可知，在破碎粒度為?3 mm 的情況下，常規破碎與高壓輥磨破碎產品預選粗精礦的TFe 品位均可達到鐵礦石邊界鐵品位20%以上，品位提升效果明顯。但高壓輥磨產品較常規破碎產品多拋尾礦3.78 個百分點，尾礦中磁性鐵品位低0.07 個百分點；精礦TFe 品位高1.5 個百分點；磁性鐵品位高1.46 個百分點，回收率高出0.33 個百分點。高壓輥磨產品拋尾效果優于常規破碎產品拋尾效果，表明高壓輥磨機更適合應用于低、貧礦超細碎破碎選別中，這為西礦含鐵巖的下一步回收利用規劃和選礦廠破碎系統工藝改造指明了方向。

2.6 流程試驗

根據上述不同粒度的拋尾探索試驗結果，在?70 mm 拋尾效果不明顯的情況下，依照“能拋早拋”的原則，先將原礦破碎至?25 mm，采用LILO 干式磁選機（磁場強度0.45 T、線速度1.73 m/s、擋板距離30 mm）拋出18%～20%的尾礦，將得到的?25 mm 粗精礦再破碎至?3 mm，采用LILO 干式磁選機在磁場強度0.15 T、線速度1.73 m/s、擋板距離6 mm 的條件下進行拋尾試驗，結果見表10。

表10 流程試驗結果Table 10 Results of process test

由表10 可知，含鐵巖經過階段破碎階段干選后，可 獲 得 產率43.99%、TFe 品 位20.62%、 回 收率69.19%的預選精礦，預選精礦TFe 品位較原礦品位提升7.51%，尾礦拋除產率較一次性破碎至?3 mm 多11.06 個百分點，細碎工序處理量減少18.65%，有效降低破碎能耗。

2.7 含鐵巖利用工藝改造技術方案

由含鐵巖拋尾試驗結果可知，若要預選精礦TFe 品位大于20%，含鐵巖需要破碎至?3 mm。而白云鄂博西礦破碎系統現有工藝設備的最終產品細度為?12 mm，因此，必須采用高壓輥磨設備才能達到細度要求。目前，高壓輥磨在破碎流程中有兩種配置：一是作為第三段破碎設備；二是作為“三段一閉路”破碎后面的超細碎設備。經調研，采用高壓輥磨機作為第三段破碎設備的主要鐵礦山企業見表11，采用高壓輥磨機作為第四段超細碎破碎設備的主要鐵礦山企業見表12。

表11 采用高壓輥磨機作為三段細碎設備的礦山企業Table 11 Mining enterprises using high-pressure roller mills as three-stage fine crushing equipment

表12 采用高壓輥磨機作為四段細碎設備的礦山企業Table 12 Mining enterprises using high-pressure roller mills as four-stage fine crushing equipment

由表11 可知，毛公鐵礦和傲牛鐵礦高壓輥磨機均采用較小的給礦粒度，但同時也加大了第二段中碎的負荷，其中，毛公鐵礦中碎采用了三臺圓錐破碎機，中碎的破碎比達到了8～9。而司家營二期、龍匯礦業以及白石聯營鐵礦均采用較大的高壓輥磨機給礦粒度，其中，司家營二期實際應用中，排料粒度達到了12 mm，白石聯營鐵礦排礦粒度達到?10 mm，兩者破碎比都低至5～6，而龍匯礦業則采用增大高壓輥磨機循環負荷，將最終的輥磨粒度控制在3 mm 以下。

在采用高壓輥磨機作為四段細碎設備的礦山企業中，馬鋼凹山鐵礦選礦廠最為典型，是國內第一個采用高壓輥磨機提產改造的冶金礦山選礦廠，該項目2006 年建成投產，已穩定生產超過十年。此后新建的和尚橋鐵礦和張莊鐵礦均采用了高壓輥磨機作為超細碎設備，且給料粒度均選擇為?16 mm。由表12可知，高壓輥磨機作為超細碎設備時給料粒度大都在?30 mm 左右，而采用?16 mm 給礦應該是從能耗分配等多方面考慮的結果。重鋼西昌礦業采用?40 mm 最大給礦粒度，排料粒度則增加至?10 mm，大大降低了高壓輥磨的碎磨優勢，加大磨礦能耗?？紤]到含鐵巖的采出粒度在1 000 mm 左右，如果高壓輥磨機作為三段細碎設備、給礦粒度30 mm，則中碎的最大給料粒度為300 mm 左右，最大排礦粒度30 mm，破碎比將近10，遠超圓錐破碎機最佳能耗和效率的破碎比范圍，將會大大增加圓錐破碎機的磨損件的耗損。

因此，經綜合風險因素和國內外高壓輥磨機應用經驗，選擇高壓輥磨機作為第四段超細碎設備。結合白云鄂博西礦生產實際，以設計和生產管理更簡單為目的，本著“能拋早拋”的原則，從中碎產品處開始拋尾，進入高壓輥磨粒度為?12 mm，推介工藝改造技術方案原則流程如圖4 所示。

圖4 含鐵巖綜合利用原則流程圖Fig.4 Flow chart of comprehensive utilization principles for iron bearing rock

3 含鐵巖可選性試驗研究

為了查明含鐵巖的可選性，為其回收利用提供科學依據，對?3 mm 粗精礦進行詳細的磨礦-弱磁選細度試驗，磁場強度選擇0.18 T，試驗結果如圖5 所示。由圖5 可知，隨磨礦細度?0.074 mm 含量由64.30%提高至98.20%，鐵精礦TFe 品位與磁性鐵品位逐步升高至61.9% 和59.91%，鐵精礦的鐵回收率在磨礦細度達到?0.074 mm 含量96.0% 以后隨磨礦細度的提高基本呈持平狀態，表明該磨礦細度已達到鐵精礦的解離細度，繼續增加磨礦細度不能進一步提高鐵的回收率，只會增加成本浪費。

圖5 磨礦細度試驗結果Fig.5 Results of grinding fineness tests

為進一步提高鐵精礦的TFe 品位，在上述磨礦試驗基礎上，分別在?0.074 mm 含量96.0%、98.2%的磨礦細度條件下對預選精礦進行連續兩段弱磁選試驗，磁場強度0.18 T，試驗結果見表13。

表13 弱磁選連選試驗結果Table 13 Test results of continuous low intensity magnetic separation

由表13 可知，經過兩次連續弱磁選試驗后，可進一步拋除1.6%以上的尾礦，當細度磨至?0.074 mm含量98.2%（?0.045 mm 85.8%）以上時，經過一次粗選一次精選可以得到TFe 品位65.10%、磁性鐵品位63.65%、TFe 回收率72.62%、磁性鐵回收率98.68%的選礦指標。結合表10 中預選精礦TFe 回收率69.19%、磁性鐵回收率94.27% 的選礦指標，通過綜合應用階段破碎預選拋尾-磨礦-連續弱磁選流程可以得到TFe 品位65.10%、磁性鐵品位63.65%、相對原礦TFe 回收率50.25%、磁性鐵回收率93.03%的合格鐵精礦，表明含鐵巖具有回收價值。

4 結 論

1）白云鄂博西礦含鐵巖屬白云石型堿性低品位原生礦鐵礦石，可供選礦回收的主要組分是鐵，含鐵巖中鐵礦物主要為磁鐵礦，分布率占全鐵52.28%；磁鐵礦總體屬細粒嵌布，欲使90%以上的磁鐵礦獲得解離，磨礦細度需達到?0.052 mm 含量95%。

2）經過干式預選試驗，確定白云鄂博西礦含鐵巖需破碎至?3 mm 時才能獲得TFe20% 以上的預選精礦，且采用階段破碎-分級預選工藝流程，可獲得預選精礦TFe 品位20.62%、磁性鐵品位14.80%、TFe 回收率69.19%、磁性鐵回收率94.27%。將高壓輥磨應用于第四段破碎工序，造推介采用三段破碎-兩級預選-高壓輥磨超細碎拋尾的原則流程作為破碎系統改造方案。

3）通過可選性試驗，預選粗精礦在?0.045 mm 含量85.80%的粒度條件下，經過連續兩段弱磁選可以獲得TFe 品位65.10%、TFe 回收率50.25%，磁性鐵回收率93.03%的合格鐵精礦，為含鐵巖下一步的規劃利用提供參考依據。