陳杏婕 倪 文 范敦城 李 瑾

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083)

我國目前處于工業(yè)化中期階段，礦產(chǎn)資源消耗量大，對外依存度較高，已成為我國鋼鐵工業(yè)經(jīng)濟安全的重大隱患。加強國內(nèi)難選鐵礦的高效開發(fā)利用研究，提高我國鐵礦資源的利用效率意義重大［1-3］。白云鄂博礦是一座特大型鐵、稀土、鈮等多金屬共生礦床，已發(fā)現(xiàn)有71 種元素、172 種礦物，具有綜合利用價值的元素有26 種［4］?，F(xiàn)已探明鐵礦石資源儲量為14.6 億t;稀土資源(RE2O3)遠(yuǎn)景儲量1.35 億t，工業(yè)儲量4 360 萬t，居世界第1 位;鈮資源(Nb2O5)儲量占國內(nèi)總儲量的95%以上，居世界第2 位;釷資源(ThO2)儲量約為22 萬t，居世界第2 位;該礦還蘊藏著豐富的鈧、螢石、富鉀板巖等資源［4-7］。

國內(nèi)外50 多a 來針對白云鄂博礦的綜合利用進行了大量的研究，但選礦過程中鐵礦物和稀土礦物的回收率均不夠理想。迄今為止，只有鐵回收率達(dá)71%，少量稀土得以回收利用，鈮、釷、鈧、鉀、氟、磷等其他有價元素基本沒有利用。尾礦和高爐渣內(nèi)的大量放射性元素、生產(chǎn)廢水和廢渣對周圍環(huán)境造成了嚴(yán)重污染［8］。做好白云鄂博難選氧化礦的工藝礦物學(xué)基礎(chǔ)研究，突破傳統(tǒng)選礦—燒結(jié)—高爐冶煉理念，通過深度還原，將礦石中的鐵礦物還原為金屬鐵顆粒，同時不同程度還原稀土礦物、鈮礦物，再對深度還原物料進行分選，從而提高白云鄂博難選氧化礦的分選效率，具有重要的理論和實際意義。

1 礦石的成分

礦石主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，主要礦物分析結(jié)果見圖1，顯微鏡下測定的各礦物含量見表2。

表1 礦石主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Main chemical composition analysis of Bayan Obo ore %

圖1 礦石的XRD 圖譜Fig.1 X-ray diffraction patterns of baiyun ebo ore

表2 礦石主要礦物組成及相對含量Table 2 Mineral composition and relative content of Bayan Obo ore %

從表1 可以看出，礦石主要化學(xué)成分為鐵，占31.40%，其中FeO 占9.04%;稀土氧化物(REO)含量較高，占7.14%;Nb2O5含量占0.127%;有害元素氟、磷、硫及鈉、鉀的含量較高。

從圖1 可以看出，鐵礦物主要有磁鐵礦、假象—半假象赤鐵礦、原生赤鐵礦;稀土礦物以氟碳鈰礦為主;脈石礦物主要有螢石、石英、鈉輝石、方解石、長石等。

化學(xué)分析和XRD 分析結(jié)果表明，可供回收的主要有用礦物有鐵礦物、稀土礦物、鈮礦物。

從表2 可以看出，礦石中的主要礦物磁鐵礦、螢石含量較高，其次是石英與長石、鈉輝石與鈉閃石、假象—半假象赤鐵礦、白云石與方解石、氟碳鈰礦等，其他礦物含量均較低。

2 鐵相態(tài)

礦石鐵物相分析結(jié)果見表3。

表3 礦石鐵物相分析結(jié)果Table 3 Fe phase analysis of Baiyun Ebo ore %

從表3 可以看出，礦石中的鐵主要為磁性鐵、占總鐵的64.49%，有9.78%的鐵以赤褐鐵礦形式存在，另有多達(dá)21.97%的鐵存在于硅酸鹽礦物中，碳酸鐵和硫化鐵分別占總鐵的2.71%和1.05%。

3 主要礦物的嵌布特征

3.1 鐵礦物

礦石中的有用鐵礦物有磁鐵礦、赤鐵礦。磁鐵礦粗顆粒較少，主要以碎屑狀及角礫狀形式存在，占礦石中磁鐵礦總量的70%以上，磁鐵礦塊狀集合體也偶見，見圖2;磁鐵礦多呈半自形和他形粒狀結(jié)構(gòu)，與脈石礦物的界面不平整，也常包裹其他礦物，在白云石型礦石中，磁鐵礦同時與鈳鐵礦、磷灰石、獨居石、重晶石共生，見圖3;塊狀構(gòu)造鐵礦石常為富鐵礦石，鐵礦物集合體緊密鑲嵌，顆粒間有少量的脈石礦物嵌布，但單體解離較容易，見圖4;礦石中的赤鐵礦多緊密鑲嵌在碎屑狀及角礫狀磁鐵礦中構(gòu)成鐵礦物集合體(見圖5)，在磨礦時無需實現(xiàn)彼此的解離即可實現(xiàn)赤鐵礦的高效、低成本回收。

碳酸鐵主要以類質(zhì)同象的形式存在于白云石中，硫化鐵主要以黃鐵礦形式存在，硅酸鐵主要存在于鈉閃石、鈉輝石中。

3.2 稀土礦物

圖2 磁鐵礦集合體Fig.2 Magnetite aggregates

圖3 白云石型礦石中磁鐵礦與多種礦物共生的SEM 圖片F(xiàn)ig.3 SEM photograph of magnetite coexisting with other minerals in dolomite ores

圖4 塊狀構(gòu)造礦石中的磁鐵礦Fig.4 Magnetite in massive structure ores

圖5 碎屑狀及角礫狀磁鐵礦中緊密鑲嵌的赤鐵礦Fig.5 Hematite in fragmental and breccia magnetite

礦石中分布最廣泛的稀土礦物為獨居石，呈粒狀，與周邊其他礦物緊密共生，界面不平整，形成較為復(fù)雜的鑲嵌關(guān)系，見圖6;螢石、鈉輝石型礦石中的稀土礦物常與鐵礦物呈條帶狀共生，鐵礦物、稀土礦物、螢石及鈉輝石各自形成寬窄不一的條帶，這些條帶相間排列呈集合體，圖7 為磁鐵礦條帶所夾的稀土礦物集合體條帶。由于稀土礦物和鐵礦物均主要為他形粒狀結(jié)構(gòu)，與其他礦物不規(guī)則鑲嵌，因此，單體解離較困難。

圖6 獨居石在礦石中嵌布的SEM 圖片F(xiàn)ig.6 SEM photograph of monazite in ores

圖7 夾在磁鐵礦條帶中的稀土礦物條帶Fig.7 Banding rare earth minerals in banding magnetite

3.3 脈石礦物

(1)螢石。螢石是白云鄂博礦床中分布最廣、生成時間延續(xù)最長的一種脈石礦物，部分螢石包裹有稀土礦物細(xì)小顆粒見圖8。

圖8 包裹有稀土礦物的螢石Fig.8 Fluorite encapsulating rare earth minerals

(2)鈉輝石。鈉輝石是白云鄂博礦的典型礦物之一，呈不規(guī)則他形粒狀(碎屑狀)，與螢石、獨居石、磁鐵礦共生關(guān)系密切，見圖9。

圖9 與螢石、獨居石、磁鐵礦緊密共生的鈉輝石Fig.9 Aegirite＇s coexistence with fluorite，monazite and magnetite

(3)方解石。方解石主要存在于晚期白云巖中，呈不規(guī)則粒狀，見圖10。

圖10 方解石的嵌布特征Fig.10 Calcite in ores

(4)重晶石與石英。重晶石主要呈不規(guī)則他形粒狀、條帶狀分布，與多種礦物共生，鑲嵌關(guān)系極為復(fù)雜;石英在礦石中含量不高，多與重晶石共生，形狀不規(guī)則，見圖11。

圖11 與重晶石等緊密共生的石英SEM 圖片F(xiàn)ig.11 SEM photograph of quartz＇s coexistence with barite

4 鐵礦物的嵌布粒度分析

鐵礦物是礦石中的主要回收礦物，因此，采用顯微鏡下過尺線法對鐵礦物的嵌布粒度進行了測定，磁鐵礦、赤鐵礦的篩上正累計曲線見圖12。

圖12 礦石中鐵礦物的正累計產(chǎn)率Fig.12 Positive cumulative yields of iron minerals

從圖11 可以看出，磁鐵礦的篩上正累計曲線在赤鐵礦的上方，且磁鐵礦和赤鐵礦的篩上正累計曲線在細(xì)粒級區(qū)均很陡，而在粗粒級區(qū)均較平緩，說明礦石中磁鐵礦的嵌布粒度較赤鐵礦粗，且鐵礦物嵌布粒度均以微細(xì)粒為主，嵌布粒度大于10 μm 的赤鐵礦、磁鐵礦分別僅占40%和54%，大于30 μm 的赤鐵礦、磁鐵礦更是僅有9.7%和25.4%。

5 礦石的可選性分析

工藝礦物學(xué)研究表明，礦石成分復(fù)雜、共生關(guān)系密切，鐵礦物、稀土礦物作為主要有用礦物，嵌布粒度微細(xì)且不均勻，直接采用先磨后選工藝回收有用成分相當(dāng)困難，且難以獲得較高的回收效率。大量的研究表明，宜采用深度還原焙燒再分選工藝回收鐵和稀土。礦石中的主要脈石礦物螢石是表面活性物質(zhì)，在進行深度還原焙燒時，具有降低燒結(jié)熔點、黏度和表面張力的效果。

6 結(jié) 論

(1)白云鄂博鐵礦石的主要化學(xué)成分為鐵，占31.40%，其次為稀土氧化物，占7.14%，Nb2O5含量占0.127%;有害元素氟、磷、硫含量較高。鐵礦物主要有磁鐵礦、假象—半假象赤鐵礦、赤鐵礦;稀土礦物以氟碳鈰礦為主;脈石礦物主要有螢石、石英、鈉輝石、方解石、長石等。

(2)礦石中的鐵以磁性鐵為主，占總鐵的64.49%，9.78%的鐵以赤褐鐵形式存在，另有多達(dá)21.97%的鐵存在于硅酸鹽礦物中，碳酸鐵和硫化鐵分別占總鐵的2.71%和1.05%。磁鐵礦主要以碎屑狀及角礫狀形式存在，占磁鐵礦總量的70%以上，這些磁鐵礦常與鈳鐵礦、磷灰石、獨居石、重晶石等脈石礦物緊密共生、界面不平整，偶見粗粒塊狀磁鐵礦集合體;礦石中的赤鐵礦多緊密鑲嵌在碎屑狀及角礫狀磁鐵礦中構(gòu)成鐵礦物集合體;碳酸鐵主要以類質(zhì)同象的形式存在于白云石中，硫化鐵主要以黃鐵礦形式存在，硅酸鐵主要存在于鈉閃石、鈉輝石中。

(3)礦石中分布最廣泛的稀土礦物為獨居石，呈粒狀，與周邊其他礦物緊密共生，界面不平整，形成較為復(fù)雜的鑲嵌關(guān)系。

(4)礦石中的脈石礦物均呈不規(guī)則狀或他形粒狀，脈石礦物間以及脈石礦物與有用礦物間嵌布關(guān)系均非常密切，螢石是分布最廣的脈石礦物，是細(xì)小稀土礦物顆粒的包裹礦物之一。

(5)礦石中鐵礦物的嵌布粒度均非常細(xì)小，磁鐵礦較赤鐵礦略粗，嵌布粒度大于10 μm 的赤鐵礦、磁鐵礦分別僅占40%和54%，大于30 μm 的赤鐵礦、磁鐵礦更是僅有9.7%和25.4%。

(6)由于礦石成分復(fù)雜，有用礦物稀土礦物和鐵礦物均主要為半自行或他形粒狀結(jié)構(gòu)，與其他礦物不規(guī)則鑲嵌，且嵌布關(guān)系密切，單體解離較困難，直接采用先磨后選工藝回收有用成分相當(dāng)困難，且難以獲得較高的回收效率。因此，宜采用深度還原焙燒再分選工藝回收鐵和稀土。

［1］ Zhang J，Wang G S.Energy saving technologies and productive efficiency in the Chinese iron and steel sector［J］. Energy，2008(4):525-537.

［2］ 羅冰生.堅持科學(xué)發(fā)展觀，實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展［J］. 冶金管理，2006(11):4-7.

Luo Bingsheng. Adhere to the scientific concept of development，achieve sustainable steel industrial development［J］.China Steel Focus，2006(11):4-7.

［3］ 郭 華，張?zhí)熘?中國鋼鐵與鐵礦石資源需求預(yù)測［J］. 金屬礦山，2012(1):5-9.

Guo Hua，Zhang Tianzhu.Prediction of Demand for China Steel and Iron Ore Resources［J］.Metal Mine，2012(1):5-9.

［4］ 張 鑒.白云鄂博共生礦選礦技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］. 包鋼科技，2005(4):1-5.

Zhang Jian.Present situation and prospect of ore dressing technology in dealing with the Baiyunebo inter grown ores［J］.Science＆Technology of Baotou Steel(Group)Corporation，2005(4):1-5.

［5］ Kanazawa Y，Kamitani M. Rare earth minerals and resources in the world［J］.Journal of Alloys and Compounds，2006(9):1339-1343.

［6］ 余永富.白云鄂博礦稀土、鈮資源綜合利用研究意義重大［J］.稀土信息，2007(8):8-9.

Yu Yongfu. Signality study on comprehensive utilization of Baiyun Ebo rare earth and niobium resources［J］. Rare Earth Information，2007(8):8-9.

［7］ 徐光憲，師昌緒，等. 關(guān)于保護白云鄂博礦釷和稀土資源，避免黃河和包頭受放射性污染的緊急呼吁［J］.中國科學(xué)院刊，2005(6):448-450.

Xu Guangxian，Shi Changxu，et al. Urgent call for the protection of the Baiyun Ebo thorium and rare earth resources and preventing Baotou and the Yellow River from radioactive contamination［J］. Bulletin of Chinese Academy of Sciences，2005(6):448-450.

［8］ 張利成，白麗娜，王靈秀.白云鄂博礦開發(fā)利用中放射性廢渣對環(huán)境的污染及防治［J］.稀土信息，2001(2):17-19.

Zhang Licheng，Bai Lina，Wang Lingxiu. Environmental pollution and prevention of radioactive solid waste in Baiyunerbo Mine［J］.Rare Earth Information，2001(2):17-19.