摘要
为了推动中国贫、细、杂难选铁矿石的有效开发与利用，针对国内铁矿石资源的特点和开发难点，详细描述了目前难选铁矿石的资源状况，概述了菱铁矿、褐铁矿、微细粒赤铁矿、超贫磁铁矿、复杂多金属铁矿的选矿技术方法及选矿科技工作者们的相关研究成果，最后对难选铁矿石的高效分选技术进行了展望，以期促进中国贫、细、杂难选铁矿的高效开发与利用。
作者及单位
张铃1,2， 路永森3， 薛晨1,2， 陈红兵4
1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司;2.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司;3.山东六邦实业有限公司;4.云南锡业股份有限公司卡房分公司
引用格式
张铃, 路永森, 薛晨等. 中国贫细杂难选铁矿分选技术研究进展[J]. 现代矿业, 2024(3):13-17，32.
正文
铁矿石是钢铁工业的基础原材料，是国家重要的战略金属资源之一。自1996 年起，中国一直是全球钢铁第一大生产国和消费国，钢铁产量已连续27 a稳居世界首位。虽然中国铁矿资源储量丰富，总保有储量居世界第5位，但铁矿资源中约有97%为铁品位低于30%的贫矿，整体利用水平偏低，铁矿石和铁精矿的供给量远远不能满足钢铁工业的需求。中国已连续20 a 成为世界第一大铁矿石进口国，2022年国内铁矿砂及铁精矿进口数量高达11.06 亿t。为强化中国铁矿资源保障能力，合理有效地开发利用铁矿石资源具有重要的战略意义。
针对铁矿石的工艺矿物学特性，其选别技术主要依赖于磁选方法。近年来，国内外对难选铁矿石开展了大量的研究，铁矿石选矿技术得到了长足的进步与发展。目前，新型的磁选工艺、浮选工艺和磁—浮联合工艺在铁矿石选别中的应用越来越广泛。为此，综述了国内学者在菱铁矿、褐铁矿、微细粒赤铁矿、超贫磁铁矿和复杂多金属铁矿取得的一些研究成果，并指出了难选铁矿石分选技术的主要发展方向。
1 中国铁矿石的资源特点
铁是重要的黑色金属，多以磁铁矿、赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿和黄铁矿等形式存在。据自然资源部统计，截至2022年底，中国铁矿石储量达162.46 亿t，辽宁、湖南和四川省的铁矿石储量位列前三。由此可见，中国铁矿资源并不匮乏，但大部分必须通过选别加工后才能利用。
1.1 铁矿石难选原因
铁矿石难选的原因主要包含以下几个方面。
(1)矿石类型及组成复杂，铁多与其他金属矿物和脉石矿物致密共生。其中，中国共伴生多组分铁矿石储量占全国探明铁矿石总储量的1/3，主要共伴生元素有钒、钛、稀土、萤石、铜等。
(2)矿石品位低，平均铁品位仅约34.50%，低于全球铁矿石平均品位10 个百分点，总体矿山铁品位为25%～40%，只有约1.5%的矿山铁品位为高品级。
(3)矿石嵌布粒度细，矿物难以单体解离，多数需经细磨才能实现铁分选。
(4)矿石碎磨过程中，矿泥的产生和罩盖是导致铁矿和有害杂质元素难分离的重要原因。
1.2 难选铁矿石资源状况
1.2.1 菱铁矿与褐铁矿
菱铁矿、褐铁矿属于难选铁矿石，中国比较典型的菱褐铁矿有武钢大冶铁矿、陕西大西沟铁矿、新疆阿图什菱褐铁矿、云南峨山菱褐铁矿和江苏南京梅山铁矿等。
菱铁矿的比磁化系数为(35～150)×10-9 m3/kg，其磁性较镜铁矿和赤铁矿弱，较褐铁矿强。纯菱铁矿的理论铁品位为48.27%，但通常与锰、镁元素等形成锰菱铁矿、镁菱铁矿、镁锰菱铁矿等类质同象矿物，其纯矿物铁品位为43.47%～48.20%。菱铁矿密度小(3.7～3.9)×103 kg/m3，莫氏硬度低(3.5～4.5)，在碎矿、磨矿过程中易泥化。
褐铁矿包括针铁矿、水针铁矿、纤铁矿、水纤铁矿和水赤铁矿等。褐铁矿富含结晶水，比磁化系数为(20～80)×10-6 m3/kg，密度为(3.0～4.2)g/cm3，莫氏硬度为1.0～5.5，在碎矿、磨矿过程中较易泥化，其泥化增加了磨矿能耗和药剂用量的同时，会降低选别指标，并造成资源浪费。
1.2.2 微细粒赤铁矿
赤铁矿的化学成分为α-Fe2O3，属六方晶系的氧化物矿物，与等轴晶系的磁赤铁矿(γ-Fe2O3)成同质多象，莫氏硬度为5.5～6.5。中国的铁矿资源中，赤铁矿占据相当大的比例，其具有分布广、储量大、品位低等特点。赤铁矿与磁铁矿相比，矿物嵌布粒度细，含泥量高，选矿难度较大。
微细粒铁矿石是重要的铁矿资源。根据矿石的磁分离效果，通常把0～56 μm 的磁铁矿和0～74 μm 的赤铁矿称为细粒铁矿，0～30 μm 的磁铁矿及0～45 μm的赤铁矿称为微细粒铁矿。铁品位小于25%，铁矿物细磨至30 μm以下时，单体解离度才能达到95%以上的赤铁矿称为微细粒贫赤铁矿。
1.2.3 超贫磁铁矿
超贫磁铁矿是指磁性铁含量低于边界品位要求，在现有技术经济条件下能够开发利用的含铁岩石。中国超贫磁铁矿资源主要分布在河北、辽宁等地，其中，河北省超贫钒钛磁铁矿预测储量接近100 亿t，辽宁省超贫磁铁矿储量预计约107 亿t。
1.2.4 复杂多金属铁矿
多金属共生铁矿石中伴生着多种有价元素，如铜、铅、锌、钛、钴、稀土矿物和重晶石等。在中国已开发的十大铁矿石资源基地中，有四大矿区均为多金属共生铁矿床，包括大冶矿区、攀西矿区、白云鄂博矿区和宁芜矿区。根据铁矿石中伴生元素的赋存状态和矿物的可选性特点，多金属共生铁矿石以4种类型存在：①伴生稀土、萤石等矿物的铁矿石;②伴生钛铁矿的铁矿石;③伴生多金属硫化物的铁矿石;④伴生硼镁石、重晶石和磷等矿物的铁矿石。
2 难选铁矿石选矿技术
2.1 菱铁矿与褐铁矿
由于菱铁矿、褐铁矿密度变化较大，采用单一重选或浮选工艺金属损失量大，选别效果不理想，通常采用磁选、磁化焙烧、浮选和重选及其联合工艺。磁化焙烧—磁选是处理菱铁矿、褐铁矿类弱磁性矿物的主要有效选别方法。
王威等对江西某主要含褐铁矿的铁尾矿进行了磁化焙烧—磁选工艺研究，铁尾矿经磁化焙烧—两段磨矿—1 粗1 精弱磁选，产品再经两段磨矿、1 粗2 精弱磁选或1 粗3 精弱磁选，分别获得了铁品位为55.75%、铁回收率为78.50%和铁品位为56.24%、铁回收率为74.81%的铁精矿。陈泽宗等在小型静态焙烧试验的基础上，对某主要含赤褐铁矿和假象赤铁矿的铁尾矿进行了回转窑动态连续试验，试验结果表明，尾矿全铁品位从45.36%下降至10.00%以下。
由于回转窑磁化焙烧—单一选铁工艺的能耗及生产成本较高，资源综合利用水平低等问题日益凸显，现已逐步衍生出了闪速磁化焙烧、流态化磁化焙烧和悬浮磁化焙烧等新技术。此外，部分铁矿选厂应用絮凝脱泥—反浮选技术进行褐铁矿的选矿。
闪速磁化焙烧技术具有热交换效率及还原率高等优势。刘小银等针对湖北黄梅某选厂难选弱磁性菱铁矿、褐铁矿石，采用闪速(流态化)磁化焙烧工艺，获得了精矿铁品位57.52%、铁回收率90.24%、SiO2 含量4.76%的选矿指标，并有效降低了选矿成本。李家林等针对大西沟菱铁矿的矿石性质，制订了预选抛尾—干式磨矿—闪速磁化焙烧—选铁—综合回收铜与云母—尾矿建材化的全流程方案，最终获得了铁精矿全铁品位60.49%、铁回收率83.81%的良好指标，同时获得了铜精矿、云母精矿和次级云母精矿等产品，实现了无尾矿山的目标。
微波技术在冶金行业已得到广泛应用，其具有加热迅速、可选择性加热以及高效环保的优点。刘旭等对包子铺褐铁矿石采用微波悬浮磁化焙烧—磁选工艺，获得了精矿铁品位和铁回收率分别为57.91%和90.07%的选别指标，显著增强了赤、褐铁矿的饱和磁化强度和比磁化系数。周廷波等针对陕西省柞水县典型菱铁矿石，采用微波磁化焙烧技术，获得了铁品位61.62%、铁回收率82.87%的铁精矿。相关检测结果表明，在焙烧过程中，菱铁矿按照由颗粒外部至内部的空间顺序转化为磁铁矿。
菱铁矿具有自磁化特性，在不通入还原气体的条件下进行焙烧即可生成强磁性磁铁矿。根据菱铁矿的自磁化特性，提出了磁化技术，包括碱浸磁化、生物磁化、电化学处理磁化和磁种磁化。其中，碱浸磁化和物种磁化研究较多。艾永亮等利用菱铁矿和赤铁矿在酸性条件下的溶解特性，在不添加任何含铁物质作为磁种的条件下，磁选回收率提高了16.8 个百分点，实现了菱铁矿和褐铁矿的自磁化。伍喜庆等对含菱铁矿、赤铁矿的细粒弱磁性人工混合矿石进行了自磁化—疏水絮凝—磁选研究，试验结果表明，通过自磁化和疏水絮凝的联合作用后再磁选的试验结果比直接磁选效果好，同时发现磁化的菱铁矿对赤铁矿有协同磁化的作用。
氢基矿相转化技术是将含铁矿粉在流态化状态下加热，通入还原气体(H2浓度>55%或H2 与CO 体积比大于1.5)使赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等弱磁性矿物转变为强磁性磁铁矿或磁赤铁矿，焙烧后物料经磁选可获得高品质铁精矿。东北大学针对海南矿业石碌铁矿石开展了预选脱硫—氢基矿相转化—磁选技术研究，试验结果表明，较原工艺相比，铁精矿品位提高了3 个百分点，铁回收率提高了20 个百分点。
菱褐铁矿由于矿石本身的结构特性，决定了其开发利用困难，采用常规选矿工艺无法获得较好的经济指标。目前，工业上应用最为广泛的是回转窑磁化焙烧、弱磁—强磁—反浮选技术等，但上述技术存在选别效率低、成本高和不利于环保等问题。近年来，选矿科技工作者们针对菱褐铁矿磁化焙烧—磁选技术开展了大量的研究及实践工作，通过创新融合磁化焙烧方式和不断改善磁化焙烧条件，先后研发了闪速磁化焙烧、流态化磁化焙烧、悬浮磁化焙烧和氢基矿相转化等新技术，极大限度地提高了菱褐铁矿的回收利用率。
2.2 微细粒赤铁矿
在易选磁铁矿资源日益贫乏的情况下，提高贫赤铁矿石的选别指标意义重大。目前，阶磨阶选和磁—浮联合工艺在微细粒铁矿和铁尾矿的回收利用中应用得较为普遍。
白丽梅等针对张家口地区微细粒嵌布、结构复杂的难选鲕状赤铁矿进行了还原焙烧—弱磁选工艺试验研究，最终获得了铁品位63.06%、铁回收率86.05%的铁精矿。程绍凯等为强化回收东鞍山烧结厂弱磁尾矿中的微细粒铁矿物，采用桥联团聚—强磁选工艺，以交联玉米淀粉为聚团药剂，水玻璃为分散剂，得到了铁品位46.70%、铁回收率72.66%的铁精矿，与直接磁选结果相比，铁品位降低了0.93 个百分点，铁回收率提高了7.59个百分点。
阴离子反浮选工艺的应用，使赤铁矿石具有较好的浮选效果。在阴离子反浮选过程中，淀粉、氢氧化钠、氧化钙和捕收剂等4种药剂发挥了至关重要的作用。孙炳泉等针对国外某磁赤铁矿石铁品位低和铁矿物嵌布粒度微细的特点，在实验室试验结果的基础上，开展了扩大连选试验，反浮选以NaOH为调整剂、MY-1 为捕收剂，经两段阶段磨矿(-0.074 mm 90%)—弱磁选—反浮选—反浮选尾矿脱水后再磨(-0.038 mm95%)再选流程，最终获得了铁品位68.12%、SiO2含量4.59%、铁回收率70.02%、磁性铁回收率96.83%的铁精矿。徐淑安等针对云南文山铝业拜耳法赤泥嵌布微细的问题，以六偏磷酸钠为矿泥分散剂，油酸煤油为絮凝剂，采用选择性疏水絮凝—磁种磁选工艺回收赤泥中的微细粒弱磁性矿物。细粒赤褐铁矿通过选择性疏水絮凝，凝结成颗粒较大且磁性较强的絮团，再加入磁种磁化后，通过1粗1精磁选试验流程，实现了赤褐铁矿的有效回收。
通过分析研究微细粒赤铁矿相关絮凝浮选行为发现，添加药剂调浆产生的铁矿物絮团可增大颗粒表观尺寸，有效回收矿样中的微细粒赤铁矿。根据矿物颗粒聚团机理的差异，主要分为高分子桥联团聚、磁团聚与磁种团聚、疏水团聚和复合团聚。其中，有机高分子桥联团聚技术应用较为广泛，有机高分子聚团药剂主要为多糖淀粉类和聚丙烯酰胺。
颗粒尺寸小、嵌布粒度细是微细粒矿石资源开发利用难的主要原因。近年来，微细粒赤铁矿的选别研究主要集中在低能耗实现矿物单体解离和减小矿泥对选别过程的影响等方面。赤铁矿主要的生产工艺流程包括连续磨矿、弱磁选—强磁选一阴离子反浮选流程，阶段磨矿或连续磨矿、粗细分选、重选—弱磁选—高梯度磁选—阴离子反浮选流程，焙烧、阶段磨矿—高效磁选—阳离子反浮选流程等联合流程。
2.3 超贫磁铁矿
现阶段，中国铁矿石供不应求，为降低中国钢铁工业对进口铁矿石的过度依赖，合理开发利用全铁品位为10%～20%、磁性铁品位≥5%的超贫磁铁矿资源是当前亟需解决的难题。
超贫磁铁矿石的回收利用存在品位低、选矿比大、适配设备少、尾矿量大和生产成本较高等障碍，采用常规的选矿工艺无法实现经济高效地分选。目前，超贫磁铁矿石的回收主要围绕能抛早抛、能收早收、多碎少磨、节能降耗几个原则进行。
高压辊磨超细碎—预选抛尾工艺可对贫磁铁矿石中的铁资源进行有效回收利用。矿石预选旨在提高矿石的入选品位，减少磨矿量，降低后续磨选作业能耗和生产成本。矿石预选的难易程度主要取决于矿物的嵌布粒度、单体解离度、预选工艺与目的矿物的匹配程度等。常用的铁矿石预选抛尾工艺有粗粒预选、细粒预选和大块磁铁矿石的干式预选。
薛忠言针对某低品位钒钛磁铁矿，通过干式磁滑轮抛尾、粉矿干式抛尾、粗粒湿式磁选抛尾3 种工艺流程的对比试验，结合矿区实际生产中的选矿工艺流程，提出了高压辊磨超细碎+粗粒湿式磁选抛尾的新工艺。试验结果表明，矿石品位提高了8～12个百分点，铁回收率可达到60%～70%。
陈于海等针对安徽某超贫磁铁矿进行了高压辊磨粉碎—分级—粗粒抛尾和细粒抛尾—超细碎粗精矿阶磨阶选—淘洗机深度精选工艺试验。研究结果表明，高压辊磨机粗粒抛尾抛出了21.53%的石子，细粒抛尾抛出了34.45%的细砂，大幅减少了入磨矿石量，入磨矿石铁品位提高至30%以上。
杨任新对攀西红格低品位钒钛磁铁矿进行了选矿试验研究，根据低品位难选磁铁矿的矿物学特性，采用高压辊磨—粗粒湿式磁选抛尾—阶段磨矿—阶段弱磁选工艺流程，获得了铁品位为57.41%，铁回收率为52.88%的铁精矿，有效减少了34.18%的入磨矿量。
李丽匣等对某地超贫磁铁矿开展了高压辊磨机超细碎—干式、湿式预选—磁选试验研究，最终获得的铁精矿产率为2.93%，铁品位为64.52%，铁回收率为22.93%。预选试验结果表明，干式预选与湿式预选的指标相近，但干式预选应用于缺水地区，对于超贫磁铁矿石的预选优势明显。
国内大量学者通过研究表明，高压辊磨超细碎—预选工艺流程可在入磨前抛除大量合格尾矿，提高物料入磨铁品位，实现贫磁铁矿石的高效预选。其中，高压辊磨超细碎—干式分级—干式弱磁选工艺因用水量少、占地面积小、后续成本低等优势，特别适用于干旱缺水地区选厂低品位矿石的回收利用。高压辊磨超细碎—预选工艺是超贫磁铁矿高效利用的重要手段，在节能降耗和优化选别指标方面作用显著。
2.4 复杂多金属铁矿
中国铁矿石资源组成复杂，铁矿床除含铁外，常伴生有其他金属或非金属有用组分。对复杂多金属铁矿进行选别，并对其伴生的有价金属进行富集分离，是实现矿产资源综合利用的关键。
自1950 年以来，诸多研究单位针对白云鄂博铁矿进行了多种选矿工艺流程的研究，可归纳为以下3种工艺流程：①富氧化矿石采用反浮选分选出萤石、稀土;②中贫氧化矿石先采用焙烧磁选，磁选精矿再采用反浮选分选出稀土等矿物;③原生磁铁矿石采用磁选分出粗精矿，再采用反浮选分选出稀土、萤石等。
曹佳宏针对白云鄂博铁矿主东矿体中的贫氧化矿，论证了弱磁选—强磁选—浮选联合工艺流程综合回收稀土、铁、铌金属的合理性。温贵等在白云鄂博铁矿磁铁矿的选矿工艺研究中，采用高压辊磨机代替细碎作业，采用阶段磨矿、中矿再磨工艺代替原连续磨选工艺，实现了精矿品位和回收率的双提升，进一步验证了主东矿选矿厂磁铁矿采用阶段磨矿—细筛筛分—中矿再磨—阶段弱磁选—反浮选工艺的合理性和可行性。白娟等考察了宝山矿业公司选铁尾矿-5 μm微细粒级的含量及浓度对稀土浮选指标的影响。试验结果表明，在-5 μm 微细粒级含量占21.80%，浮选浓度为45%的最佳条件下，采用1 粗4精工艺，闭路试验获得了稀土品位为66.62%，回收率为89.51%的稀土精矿，满足了清洁冶炼的原料要求。
中国钒钛磁铁矿资源储量丰富，位居世界第三。钒钛磁铁矿中的钒主要以类质同象的形式存在于钛磁铁矿中，其有用矿物主要为钛磁铁矿、钛铁矿、黄铁矿和磁黄铁矿。钒钛磁铁矿资源的综合利用，通常采用弱磁选工艺选铁，选铁尾矿经重选、磁选、浮选、电选或几种工艺的联合流程选钛，目前以弱磁—强磁—浮选工艺或选-冶联合工艺为主。杨永涛等对四川某钒钛磁铁矿选铁尾矿进行选钛试验研究，采用强磁选预先抛掉大部分尾矿，提高入选钛物料的品位，再对磁精矿进行分级—再磨，再磨产品浮选采用H2SO4活化脱硫，1 粗3 精3 扫流程选钛，最终获得了TiO2品位48.87%、作业回收率85.30%的指标。
近年有研究提出，磁化焙烧—低强度磁选工艺可以实现含钒钛赤铁矿的钒钛分离，有效提高资源的回收利用。陈司宇等采用硫酸铵焙烧法提取原矿，产品经直接还原—磁选处理后，获得的磁选渣提取钛，磁选尾矿中Ti、Fe、Al 和Mg 的浸出率分别为80.56%、50.36%、39.83%、43.09%，有效回收利用了原矿中的钛。
3 结 语
(1)针对菱铁矿、褐铁矿类弱磁性矿物，加强高效焙烧技术与装备的研发工作，选择适配的焙烧工艺及焙烧条件是实现该类矿石高效回收的重点。
(2)针对微细粒赤铁矿，合理优化磨选作业段数，研发絮凝分选新技术、聚团药剂、高效环保新型反浮选捕收剂和铁矿物抑制剂，是实现微细粒铁矿物单体解离，减少矿泥影响及降低生产成本的重要手段。
(3)针对超贫磁铁矿，节能降耗，提高入选品位，降低磨矿成本，是这类矿石综合开发利用的重要方向。加强高压辊磨超细碎—预选抛尾技术与装备、高效强磁选技术与装备的研发工作十分必要。
(4)针对复杂多金属铁矿，制定适合多金属矿石特点的复合选矿和选冶联合工艺，是实现其伴生稀贵金属分离富集的重要保障，且关键在于磁选—阴离子反浮选工艺的优化，高效磁选技术装备的研制，以及高效环保正反浮选药剂的研发。
参考文献(略)
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