DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.10.001

辽宁朝阳地区某钒钛磁铁矿中铁精矿的工艺矿物学研究

陈汪兴，梁海军，高子先，薛向欣

(东北大学 冶金学院 资源与环境工程研究所，辽宁 沈阳，110167)

摘要：为了查明辽宁朝阳地区某钒钛磁铁矿磁选铁精矿品位偏低、钛质量分数过高的原因，应用多晶X线衍射仪(XRD)和工艺矿物学参数自动分析系统(BPMA)等分析测试手段，对该铁精矿的化学成分、矿物组成、矿物嵌布特征、有价组分的粒度和赋存状态以及矿物解离度等进行研究。研究结果表明：该铁精矿TFe质量分数为43.75%，二氧化钛质量分数为21.54%；含钛磁铁矿质量分数为63.81%，钛铁矿质量分数为15.02%，两者是铁精矿的主要矿物，此外，还存在少量榍石、闪石、辉石和石英等脉石矿物；该铁精矿平均粒径为21 μm，其中一部分含钛磁铁矿和微细粒钛铁矿呈网格状或细脉状紧密连生，并且这2种矿物与脉石矿物之间均存在连生现象；含钛磁铁矿中钛质量分数高(TiO₂质量分数约10.99%)以及含钛磁铁矿解离度偏低(约67%)是导致该铁精矿品位偏低、钛质量分数过高的主要原因。该研究可为优化朝阳地区钒钛磁铁矿选铁工艺、实现该类资源的高效利用提供参考。

关键词：钒钛磁铁矿；铁精矿；工艺矿物学；嵌布特征；矿物解离度

中图分类号：TF63              文献标志码：A             开放科学(资源服务)标识码(OSID)

文章编号：1672-7207（2020）10-2681-08

Study on process mineralogy of vanadium-titanium magnetite concentrate in Chaoyang, Liaoning Province

CHEN　Wangxing, LIANG　Haijun, GAO　Zixian, XUE　Xiangxin

(Institute of Resources & Environmental Engineering, School of Metallurgy, Northeastern University,Shenyang 110167, China)

Abstract: In order to understand the causes of low grade of iron and high mass fraction of titanium in a magnetic separation iron concentrate from a vanadium-titanium magnetite in Chaoyang, Liaoning Province, a systematical investigation of process mineralogy, including the chemical composition, mineral composition, mineral dissemination characteristics, particle size distribution, occurrence state of valuable components and mineral dissociation degree of the iron concentrate, was carried out by the analysis of polycrystalline X-ray diffraction(XRD) and Bgrimm process mineralogy analyzing system(BPMA). The results show that the iron concentrate contains 43.75%(mass fraction) of total iron(TFe) and 21.54% of titanium dioxide(TiO₂), and the titaniferous magnetite and ilmenite are the main minerals, whose mass fractions are 63.81% and 15.02%, respectively. In addition, there are a small amount of gangue minerals in the concentrate, including titanite, amphibole, pyroxene and quartz. The average particle size of the iron concentrate is 21 μm. However, there is still a considerable amount of titaniferous magnetite interlocking with micro-fine ilmenite particles in a state of lattice or fine vein, and parts of the two minerals are also associated with some gangue minerals. The main reasons for the low grade of iron and too high mass fraction of titanium in the concentrate can be attributed to the high mass fraction of titanium(about 10.99% of TiO₂) of the titaniferous magnetite and its low dissociation degree(about 67%). The results can provide some valuable referances for optimizing the iron separation process of the vanadium-titanium magnetite in Chaoyang area so as to realize high efficiency utilization of this kind of resources.

Key words: vanadium titanium magnetite; iron concentrate; process mineralogy; dissemination characteristic; mineral dissociation degree

我国储有非常丰富的钒钛磁铁矿资源，主要分布在四川攀枝花与河北承德等地区^[1-3]。近年来，钒钛磁铁矿勘探取得较大进步，在辽宁省朝阳地区发现了大量的超贫钒钛磁铁矿，据估计储量200亿t以上^[4]。这类矿石的钒、钛和铁的质量分数与攀西地区的矿石相比较低^[5-8]，但其磁选精矿中钒、钛质量分数较高，具有很高的开发利用价值^[9-10]。朝阳地区某选厂仿照攀西地区钒钛磁铁矿的选别工艺在当地进行了生产试验，发现生产指标并不理想。该厂的铁精矿产品TFe品位约为44%，TiO₂品位为22%，无法单独作为原料用于现行高炉炼铁。为了查明其原因，改进选别工艺，本文采用工艺矿物学参数自动分析系统(BPMA)^[11-14]研究该铁精矿的工艺矿物学特性。BPMA是由北京矿冶研究总院研发的一套实验室分析系统，它由扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪组成，通过软件可以实现对目标矿物的自动识别分析，得出矿物质量分数与组成、矿物嵌布特征、矿物连生和解离情况等信息，以便对工艺矿物学参数进行统计。

1  铁精矿来源与性状

该选厂生产试验所用矿石埋藏较浅，风化较严重^[15-16]。矿石露天采挖后，在采矿场经皮带运输先后经过锤碎和颚式破碎，破碎产品经12 mm筛孔筛分后，通过一段干式磁辊分选(磁场强度为0.3 T)后，抛掉约51%脉石矿物，获得干选精矿。将干选精矿运至选矿厂，经过一段磨矿至细度低于0.075 mm的矿物质量分数为50%～60%，然后采用滚筒磁选机回收磁铁矿，粗选磁场强度为0.7 T，扫选磁场强度为1.0 T，整个选铁流程见图1^[17-18]。

成分分选所得铁精矿颗粒呈黑色，最大粒度约104 μm，平均粒度约21 μm。表1所示为该铁精矿化学成分分析结果。从表1可以看出：该铁精矿全铁(TFe)质量分数为43.75%，TiO₂质量分数为21.54%，V质量分数为0.91%，还有少量含Ca，S，Mg和Al的矿物。与攀枝花钢铁公司以及承德钢铁公司生产的铁精矿产品相比，朝阳地区生产的铁精矿中V和TiO₂质量分数较高，但TFe品位明显偏低。

图1　选铁工艺流程

Fig. 1　Process flow of iron selection

表1　铁精矿的主要化学成分(质量分数)

Table 1　Main chemical constituents of iron concentrate      %

2  铁精矿矿物组成分析

铁精矿XRD分析图谱见图2，铁精矿的矿物组成见表2。从图2和表2可见：铁精矿中的含铁矿物主要是含钛磁铁矿、钛铁矿，脉石矿物主要包括榍石、闪石(阳起石等)、辉石(次透辉石、铁次透辉石、普通辉石等)，另有微量的石英、长石、方解石、铁白云石、云母等矿物。

图2　铁精矿XRD分析图谱

Fig. 2　XRD analysis pattern of iron concentrate

表2　铁精矿的矿物组成(质量分数)

Table 2　Mineral composition of iron concentrate    %

2.1　含钛磁铁矿

图3所示为含钛磁铁矿SEM与能谱分析结果。从图3可见：该铁精矿中含有一些磁铁矿，这些磁铁矿主要为含钛磁铁矿，质量分数略小于64%；含钛磁铁矿主要由O，Fe，Ti和V组成，另外还检出微量的Si和Ca(图3(b))；含钛磁铁矿中钛质量分数变化较大，仅有微量矿物颗粒中钛质量分数很低(图3(c))；含钛磁铁矿颗粒普遍含V，V质量分数一般较低。

2.2　钛铁矿

该铁精矿中有约15%(质量分数)的钛铁矿，其质量分数仅比含钛磁铁矿的质量分数低。图4所示为一单体钛铁矿的SEM与能谱分析结果，经分析，该矿粒主要由Ti，Fe和O组成，含微量Mn。

图3　含钛磁铁矿SEM图与能谱分析结果

Fig. 3　SEM image and energy spectrum analysis of titaniferous magnetite

图4　钛铁矿SEM图与能谱分析结果

Fig. 4　SEM image and energy spectrum analysis of ilmenite

2.3　榍石

榍石是精矿中主要含钛硅酸盐矿物，其质量分数约为6%，图5所示为榍石与钛铁矿的SEM图。由图5可知榍石主要由Si，Ca和Ti组成，含少量Fe和Mg。

图5　榍石SEM图与能谱分析结果

Fig. 5　SEM image and energy spectrum analysis of titanite

2.4　铁和钛的赋存状态

该铁精矿中TFe质量分数为43.75%，含钛磁铁矿和钛铁矿是铁的主要载体矿物。铁精矿中铁、钛的分布率见表3。由表3可以看出，含钛磁铁矿中的铁质量约占总铁质量的83%；约13%的铁存在于钛铁矿中，少量的铁存在于榍石、辉石、闪石等脉石矿物中；TiO₂的质量分数在该铁精矿中高达21.54%，Ti是钛铁矿、含钛磁铁矿、榍石的主要组成元素；铁精矿中较多的Ti赋存于含钛磁铁矿中，其Ti质量约占Ti总质量的51%；其余的Ti大部分赋存于钛铁矿中，约占钛总质量的38%；此外，质量分数约11%的Ti分布于榍石中，其他脉石矿物中的钛分布率均很小。

表3　铁精矿中铁、钛的分布率

Table 3　Distribution of iron and titanium in iron concentrate respectively                         %

综合以上分析可知，该铁精矿铁质量分数约44%，含钛磁铁矿是主要含铁矿物，也是精矿中矿物量最大的矿物，精矿的铁品位既取决于该矿物在精矿中的占比，也与含钛磁铁矿中的Fe质量分数相关。一方面，该铁精矿中钛磁铁矿质量分数为64%，而钛铁矿和其他脉石矿物占比分别达15%和21%，钛铁矿和脉石矿物质量分数较高是该铁精矿铁品位偏低、钛质量分数过高的主要原因之一；另一方面，由铁精矿中TiO₂质量分数(表1)与钛在含钛磁铁矿中的分布率(表3)可知，含钛磁铁矿中的TiO₂质量分数约为10.99%，这部分Ti主要赋存于磁铁矿晶格中，难以通过选矿方法分离，这是导致铁精矿铁品位偏低和钛质量分数过高的另一个重要原因。

3  铁精矿的粒度与解离度分析

表4所示为该铁精矿中颗粒粒度分布以及含钛磁铁矿、钛铁矿和榍石在各粒级中质量分数检测结果。从4可以看出：精矿中的含钛磁铁矿、钛铁矿、榍石的粒度基本相同，平均粒径都在21~23 μm之间。

铁精矿中各矿物的解离度是通过BPMA直接测量计算得到的。计算时，该系统按照目标矿物在每一个矿石颗粒中的质量分数，将其统计在11个解离等级中，例如某个颗粒中含钛磁铁矿质量分数为35%，则会被统计在含钛磁铁矿“30

从表6和表7可见：含钛磁铁矿与钛铁矿之间的连生比较多，16.80%的含钛磁铁矿与钛铁矿连生，而钛铁矿中与含钛磁铁矿连生的矿物颗粒占总量的34.36%，这一部分钛铁矿多是以网格状(见图6(a))或者细脉状(见图6(b)和图6(c))生长在含钛磁铁矿中，呈固溶体分解结构，少量与含钛量较少的磁铁矿相邻产出，形成连晶颗粒(见图6(d))。这些与含钛磁铁矿嵌布共生的钛铁矿粒度非常小，一般在10 μm左右，并且网格状与细脉状生长的钛铁矿宽度只有2 μm，与含钛磁铁矿结合十分紧密，在常规磨矿细度下很难将这2种矿物分开，导致磁选精矿铁品位较低、Ti质量分数过高。

表4　铁精矿中主要矿物的粒度分布

Table 4　Grain size distribution of main minerals in iron concentrate

表5　铁精矿中主要矿物的解离度(质量分数)

Table 5　Dissociation degree of main minerals in iron concentrate(mass fraction)                           %

表6　铁精矿中含钛磁铁矿的连生状态(以质量分数表征)

Table 6　Interlocking status of titaniferous magnetite in iron concentrate                                   %

表7　铁精矿中钛铁矿的连生状态(以质量分数表征)

Table 7　Interlocking status of ilmenite in iron concentrate                                               %

图6　含钛磁铁矿与钛铁矿嵌布关系图

Fig. 6　Dissemination relationship between titaniferous magnetite and ilmenite

图7　含钛磁铁矿与脉石嵌布关系图

Fig. 7　Dissemination relationship between titaniferous magnetite and gangue mineral

含钛磁铁矿与脉石嵌布关系如图7所示。含钛磁铁矿与脉石的连生同样也较多，约占总量的16%。图7(a)中，矿物颗粒是一个粒度大含钛磁铁矿与辉石的连生体，这一类连生体可以通过细磨使它们解离；而含钛磁铁矿中还含有微细粒脉石矿物包体(见图7(b))，实现二者的单体解离难度较大，该铁精矿中钛铁矿有51.44%是以单体形式存在的。图7(c)中矿物颗粒是粒度小的钛铁矿与解离开的透闪石。钛铁矿与脉石矿物也存在连生现象，与榍石的连生边界十分复杂(见图7(d))，而且在该种矿粒中钛铁矿占较小，分离较困难。

矿物解离度检测结果进一步表明，造成该铁精矿中含钛磁铁矿质量分数偏低的原因在于含钛磁铁矿的单体解离度不高，一部分钛铁矿和脉石矿物以连生体形式进入铁精矿，并且这部分连生的钛铁矿和脉石矿物与含钛磁铁矿共生关系非常密切，在常规磨矿细度下难以实现分离。但在该铁精矿中存在一部分钛铁矿和脉石矿物呈单体解离状态，从铁精矿中钛铁矿的质量分数(见表2)与钛铁矿的单体解离度(见表7)可以得出，呈单体解离状态的钛铁矿颗粒质量占其总质量的7.72%，通过改进磁选分离工艺，将这些钛铁矿和脉石矿物分离，可以有效提高该铁精矿的Fe品位，降低TiO₂质量分数。

4  结论

1) 试验所用铁精矿来自辽宁朝阳地区某选厂两段磁选精矿，最大粒度约为104 μm，平均粒度约为21 μm。该铁精矿TFe质量分数为43.75%，含二氧化钛21.54%，含钒0.91%。

2) 该铁精矿中含钛磁铁矿是主要的含铁矿物，质量分数为63.81%，其中含TiO₂质量分数约为10.99%，这部分Ti主要赋存于磁铁矿晶格中，难以通过选矿方法分离。

3) 该铁精矿中钛铁矿的质量分数约为15%，钛铁矿质量分数偏高是导致该铁精矿品位较低、TiO₂质量分数过高的主要原因之一，但其中一部分钛铁矿呈单体解离状态，钛铁矿质量分数约为7.72%。通过改进磁选分离工艺，可以将其从铁精矿中分离，从而提高Fe品位，降低TiO₂质量分数。

4) 该铁精矿中其他脉石矿物质量分数约为21.19%，其中不仅存在少量粒度相对较大的单体脉石矿物，如石英、透闪石、长石等，而且有与含钛磁铁矿连生不紧密的的细粒脉石，这些脉石矿物可以通过改进分选工艺如细磨后磁选进行分离，从而提高铁精矿品位。但含钛磁铁矿内部存在少量微细粒脉石矿物包体，这类脉石被包裹在磁铁矿内部，很难分离。

5) 含钛磁铁矿内部存在细脉状和棋盘格状钛铁矿，形成固溶体分离结构，嵌布关系密切，这是该铁精矿品位较低、TiO₂质量分数过高的另一个原因。由于铁精矿中含钛磁铁矿的粒度很小，粒度小于10 μm的钛磁铁矿质量分数约为37%，通过再磨矿实现含钛磁铁矿和钛铁矿以及其他矿物单体解离，难以达到理想的效果。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期： 2020 -02 -13; 修回日期： 2020 -04 -28

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(U1908226) (Project(U1908226) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：薛向欣，博士，教授，从事钒钛磁铁矿研究；E-mail：xuexx@mail.neu.cn