预富集通常是指矿石进入磨矿作业之后, 用适宜的选矿方法预先分离出部分尾矿以提高入料矿石品位的选别作业^[1-3].为了提高入料矿石品位和后续分选效率, 近年国内外研究学者广泛采用预富集工艺, 并开展了相关应用基础研究^[4-6].基于复杂难选铁矿“预富集—悬浮磁化焙烧—磁选”新技术, 本文提出采用磁选方法对东鞍山贫铁矿石进行预富集行为研究.对低品位东鞍山铁矿石进行预富集, 一方面可以有效脱除矿泥和部分脉石, 降低脉石矿物和矿泥对后续悬浮磁化焙烧作业的影响^[6-8]; 同时获得粒度适宜(-0.5 mm)、质量均匀的预富集精矿, 改善物料在悬浮焙烧炉内的流动特性, 提高炉内物料的旋风分离效果; 另一方面可以提高入炉物料的铁品位, 大幅度降低后续悬浮磁化焙烧-磁选作业的处理量, 提高生产效率^[9-10].

实验原料为东鞍山贫铁矿石, 其化学成分(质量分数, %)为TFe 34.60, FeO 6.40, SiO₂ 43.34, Al₂O₃ 0.73, CaO 0.55, MgO 0.72, 主要有害元素P，S分别为0.04和0.06.矿石的矿物组成(质量分数, %)如表 1所示.矿石中主要回收矿物为赤铁矿和磁铁矿, 其质量分数分别为28.06%和12.68%.

表 1(Table 1)

表 1 矿石中矿物组成及含量(质量分数) Table 1 Mineral compositions and contents of the ore(mass fraction) % 赤铁矿 磁铁矿 褐铁矿 菱铁矿 黄铁矿 石英 绿泥石 透闪石 其他 28.06 12.68 3.94 4.62 0.21 40.3 4.3 2.13 3.76

表 1 矿石中矿物组成及含量(质量分数) Table 1 Mineral compositions and contents of the ore(mass fraction)

针对东鞍山铁矿石中含有铁磁性矿物磁铁矿、弱磁性矿物赤铁矿及其浸染粒度粗细不均等特点, 本文提出的具体预富集工艺流程为弱磁粗选—高梯度中磁扫选Ⅰ—高梯度强磁扫选Ⅱ.其中, 弱磁粗选作业主要是为了回收铁磁性的磁铁矿, 以消除或减弱其对后续高梯度磁选作业的影响, 如磁性夹杂、磁介质堵塞等; 高梯度中磁扫选Ⅰ及强磁扫选Ⅱ作业主要是为了回收粗粒及细粒弱磁性赤铁矿和菱铁矿等.具体工艺流程如图 1所示.

图 1(Fig. 1)

图 1 磁选预富集工艺原则流程图 Fig.1 Principle process flowsheet of magnetic pre-enrichment

实验过程中所使用的弱磁选机为RK/CGS-ϕ400×300, 滚筒转速为25 r/min, 磁场强度为120 mT; 立环脉动高梯度磁选机为SLon-500, 磁介质为ϕ2 mm棒介质, 脉动冲程为25 mm, 脉动冲次为150次/min, 立环转速为0.5 r/min.

在确定弱磁粗选磁场强度120 mT、磨矿细度-0.074 mm占60%(质量分数)的条件下, 考察了中磁扫选Ⅰ磁场强度200, 250, 300, 350及400 mT对矿石磁选分离效果的影响, 实验结果如图 2所示.当扫选Ⅰ磁场强度在200~250 mT之间时, 随着磁场强度的增加, 预富集精矿铁品位及回收率均升高; 继续增加扫选Ⅰ磁场强度, 预富集精矿铁回收率逐渐升高, 但品位开始下降.这可能是由于磁场强度的提高促进了弱磁性粗粒赤铁矿的回收, 铁品位及回收率均有所提升；但当磁场强度进一步升高时, 一些粗粒赤铁矿-石英贫连生体也能得到有效回收, 相应地降低了精矿铁品位.综合考虑, 选择适宜的高梯度扫选Ⅰ磁场强度为300 mT.

图 2(Fig. 2)

图 2 高梯度扫选Ⅰ磁场强度对矿石预富集效果的影响 Fig.2 Effect of magnetic field intensity for high-gradient magnetic scavenging Ⅰ on pre-enrichment of ore

在确定高梯度扫选Ⅰ磁场强度为300 mT的条件下, 考察了高梯度扫选Ⅱ磁场强度500, 600, 700, 800及900 mT对矿石磁选分离效果的影响, 实验结果如图 3所示.随着高梯度扫选Ⅱ磁场强度的增加, 预富集精矿的铁品位呈线性降低, 回收率则呈线性增加.这可能是由于随着扫选Ⅱ磁场强度的增加, 强化了微细粒赤铁矿、菱铁矿等弱磁性铁矿物的回收, 但磁性矿物颗粒之间的磁性夹杂现象明显, 石英等非磁性脉石矿物进入精矿的含量增多, 故铁回收率逐渐增加而品位逐渐降低.预富集的目的是在保证铁回收率的条件下, 应尽可能地提高后续入炉物料的铁品位.因此, 确定适宜的高梯度扫选Ⅱ磁场强度为800 mT.

图 3(Fig. 3)

图 3 高梯度扫选Ⅱ磁场强度对矿石预富集效果的影响 Fig.3 Effect of magnetic field intensity for high-gradient magnetic scavenging Ⅱ on pre-enrichment of ore

在确定高梯度扫选Ⅰ磁场强度300 mT、扫选Ⅱ磁场强度800 mT的条件下, 考察了原料磨矿细度对矿石磁选分离效果的影响, 实验结果如图 4所示.随着磨矿细度-0.074 mm粒级质量分数由50%增加至70%时, 预富集精矿铁品位迅速升高, 回收率则急剧下降; 进一步提高矿石磨矿细度, 精矿铁品位逐渐增加, 回收率缓慢降低.这可能是由于原料粒度越细, 有用铁矿物的单体解离度越高, 预富集精矿铁品位越高; 但原料粒度过细, 一些微细粒赤铁矿、菱铁矿等弱磁性铁矿物受到的磁性捕获力不足，容易损失在尾矿中, 造成铁回收率下降; 此外, 原料粒度过细容易造成磨矿过程能耗的增加.因此, 确定适宜的磨矿细度为-0.074 mm粒级质量分数为70%, 此时尾矿铁品位只有6.94%, 抛尾率达23.94%.

图 4(Fig. 4)

图 4 磨矿细度对矿石预富集效果的影响 Fig.4 Effect of grinding fineness on pre-enrichment of ore

为探明东鞍山铁矿石中赤铁矿、磁铁矿和菱铁矿等有用铁矿物在弱磁粗选-高梯度扫选工艺中的预富集行为规律, 对工艺过程中不同阶段产品如弱磁粗选精矿、高梯度扫选Ⅰ精矿、扫选Ⅱ精矿及尾矿进行了XRD及铁的化学物相分析, 结果如图 5及表 2所示.

图 5(Fig. 5)

图 5 预富集不同阶段产品的X射线衍射图谱 Fig.5 XRD pattern of products for pre-enrichment process

表 2(Table 2)

表 2 预富集不同阶段产品中铁的化学物相分析 Table 2 Chemical phases of iron for products of pre-enrichment process % 产品 铁的含量 Fe的分布 磁铁矿中铁 赤铁矿中铁 菱铁矿中铁 硫化铁中铁 硅酸铁中铁 全铁 弱磁选精矿 质量分数占比 47.49 3.53 1.51 0.51 0.29 53.33 89.05 6.62 2.83 0.96 0.54 100 扫选Ⅰ精矿 质量分数占比 1.10 37.28 2.56 0.16 0.10 41.20 2.67 90.49 6.21 0.39 0.24 100 扫选Ⅱ精矿 质量分数占比 0.29 29.54 2.34 0.21 0.10 32.48 0.89 90.95 7.20 0.65 0.31 100 尾矿 质量分数占比 0.05 5.44 0.67 0.49 0.29 6.94 0.72 78.39 9.65 7.06 4.18 100

表 2 预富集不同阶段产品中铁的化学物相分析 Table 2 Chemical phases of iron for products of pre-enrichment process

结合图 5与表 2可知, 弱磁粗选精矿中铁主要赋存于磁铁矿(89.05%)中, 说明在弱磁选作业中得到有效回收的为磁铁矿; 高梯度扫选Ⅰ及扫选Ⅱ精矿中铁主要赋存于赤铁矿中, 其分布率分别为90.49%和90.95%, 其次以菱铁矿的形式存在(分布率分别为6.21%和7.20%), 说明在高梯度扫选过程中得到有效富集的铁矿物为赤铁矿和菱铁矿; 尾矿中的铁主要以赤铁矿(78.39%)的形式存在, 表明尾矿中丢失的铁矿物主要为赤铁矿.

图 6为预富集不同阶段产品的扫描电镜图像.由图 6a可知, 粗粒或细粒磁铁矿由于磁性强均能在弱磁(120 mT)粗选作业中得到有效的富集; 扫选Ⅰ精矿颗粒的平均尺寸明显大于扫选Ⅱ精矿颗粒(见图 6b和图 6c), 说明粗粒赤铁矿主要富集于高梯度中磁(300 mT)扫选Ⅰ作业中, 细粒赤铁矿(平均粒度约20~40 μm)在高梯度强磁(800 mT)扫选Ⅱ作业中能够得到有效的富集; 如图 6d所示, 尾矿中损失的铁矿物主要为微细粒(﹤10 μm)赤铁矿, 这部分赤铁矿由于粒度细、受到的磁性捕收力弱无法被磁极吸引而丢失于尾矿中.此外, 粗选和扫选精矿中均含有一定量的石英, 这可能是由于磁性或机械夹杂现象引起的.

图 6(Fig. 6)

图 6 预富集不同阶段产品的SEM图像 Fig.6 SEM images of products for pre-enrichment process (a)—弱磁粗选精矿；(b)—扫选Ⅰ精矿；(c)—扫选Ⅱ精矿；(d)—尾矿.

1) 针对东鞍山贫铁矿石中同时含有铁磁性矿物磁铁矿、弱磁性矿物赤铁矿及其浸染粒度粗细不均等特点, 提出了弱磁粗选—高梯度中磁扫选Ⅰ—高梯度强磁扫选Ⅱ预富集工艺流程.在原料磨矿细度-0.074 mm粒级质量分数70%、弱磁粗选磁场强度120 mT、高梯度扫选Ⅰ磁场强度300 mT及高梯度扫选Ⅱ磁场强度800 mT的条件下, 可获得预富集精矿Fe质量分数42.67%，回收率95.45%的优异指标.同时, 尾矿铁品位只有6.94%, 抛尾率达23.94%.

2) 矿石中的磁铁矿富集在弱磁粗选作业中, 粗粒赤铁矿和菱铁矿主要在高梯度中磁扫选Ⅰ中得到回收, 高梯度强磁扫选Ⅱ作业强化了细粒赤铁矿和菱铁矿的回收, 但部分微细粒赤铁矿(﹤10 μm)由于受到的磁性捕获力弱无法被磁极吸引而损失于尾矿中.