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浮选磁黄铁矿以生产硫含量低于0.05%w/w的磁铁矿精矿
摘要：北国资源矿业公司正在北欧开发多种磁铁矿资源。其中Tapuli，Sahavaara和Pellivuoma矿山位于瑞典；Hannukainen矿山位于芬兰。这三个地方的铁矿石都需要通过浮选除去原矿中98%以上的硫，使磁铁矿精矿的硫含量低于0.05%，最后得以出售。这些铁矿石中有害的含硫矿物为单斜晶系磁黄铁矿，其去除需要浮选。秘鲁的一个磁铁矿选厂，通过浮选将磁黄铁矿浮出，只要求磁铁矿精矿中的硫含量低于0.4%即可。但是据目前发布的研究结果，还没发现将磁铁矿精矿中硫降至0.05%以下的案例。在实验室内对Sahavaara，Pellivuoma和Hannukainen的矿样进行了大量的试验后，我们发现弱磁选对这三个地方磁铁矿的脱硫效果都差不多。每种磁铁矿的最终药剂制度和浮选环境会因各自的矿物工艺特性以及磨矿粒度的差异而不同。浮选需要大量黄药作为捕收剂及较长的浮选时间，矿浆浓度在45%～50%，pH范围为4～7，在之后的工厂试验中会根据实际情况对浮选药剂制度及条件作出相应调整，以进一步优化浮选过程。
1 引言
北国资源正在开发个磁铁矿资源。其中三项资源（Tapuli，Sahavaara和Pellivuoma）位于瑞典，另外一个（Hannukainen）位于芬兰。图1显示了它们的位置，表1显示了这些资源与瑞典Kaunisvaara的距离。
8 km
SWEDEN
Tapuli
Sahavaara
Hannukainen
FINLAND
Kaunisvaara process plant
Kolari
Pellivuoma
Muonio River
Pajala
Fig.1.磁铁矿矿山、 Kaunisvaara 选厂以及Pajala 和Kolari周边城镇的分布地图
Table 1
矿石所在地到Kaunisvaara村庄的距离
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矿床 |
矿石所在地到Kaunisvaara的距离 |
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Tapuli |
1 |
|
Sahavaara |
5 |
|
Pellivuoma |
18 |
|
Hannukainen |
30 |
笔者在2013年初撰写本文时，Tapuli铁矿正在Kaunisvaara选厂进行加工。处理 Sahavaara和Pellivuoma处铁矿的第二条生产线尚未建成。Hannukainen项目仍处于研究阶段。
Tapuli，Sahavaara和Pellivuoma三处矿床的铁矿经处理后可得到一种磁铁矿精矿。Hannukainen矿床的主要有价产品是一种含次级黄铜矿精矿的磁铁矿精矿。表2列出了四种矿床所要求的磁铁矿精矿品质参数。
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铁品位 (% w/w) |
最低68% |
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硫含量 (% w/w) |
低于0.05% |
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MgO含量 (% w/w) |
低于2.7% |
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SiO2含量 (% w/w) |
低于1% |
|
SiO2 plus Al2O3 (% w/w) |
低于2% |
表2
要求的精矿品质参数
Tapuli矿床中的硫含量相当低，平均硫含量为0.2% w/w。实验室试验表明，矿石经过自磨产生的较粗颗粒送去磁选，然后进行细磨和三级磁选精选可以得到合格的磁铁矿精矿。
Sahavaara，Pellivuoma和Hannukainen矿床平均硫含量分别为2.18% w/w，0.54% w/w和2.35% w/w。有害的含硫矿物主要是单斜磁黄铁矿，它不能通过磁选与磁铁矿分离，因为这两种矿物质都具有铁磁性，均会进入铁磁性精矿产品中。
有研究表明 (e.g. Chang et al., 1954; Cline et al., 1974;Iwasaki, 1999)，用浮选可以除去磁铁矿中的磁黄铁矿。然而，在已公布的关于实际生产的数据仅表明通过浮选，可将铁精矿产品中硫含量降低0.4％以下（Cline等人，1974）以及0.1%以下（ David et al. 2011）。但是，他们没有详细说明这是如何实现的。
为了生产北国资源公司需要的硫含量低于0.05% w/w的磁铁矿精矿。这需要去除原料中超过98% w/w的硫。先通过实验室试验找到生产这种高质量磁铁矿精矿的商业可行技术路线，再通过中试验证了处理Sahavaara和Pellivuoma矿石的技术方案的可行性。
本文描述的从磁铁矿中去除磁黄铁矿的浮选方案给出了能生产出规定硫含量磁铁矿精矿产品的药剂制度和其他浮选条件。
2 文献综述
磁黄铁矿（Fe1-xS）以单斜晶系和六方晶系两种晶体结构形式存在。单斜磁黄铁硫含量高于六方晶系磁黄铁矿（Iwasaki，1988），天然磁黄铁矿的铁磁性随着硫含量的增加而增加（Gronvold and Haraldson，1952）。在单一矿物体系中，用弱磁选机（LIMS）不能回收六方晶系磁黄铁矿，而单斜磁黄铁矿却能得到不同程度地回收。然而，在磁铁矿存在的情况下，由于磁铁矿基体的整体效应，单斜晶系磁黄铁矿更容易进入磁性产品中（Cline et al., 1974）。因此，磁黄铁矿不能通过磁选与磁铁矿完全分离。
浮选作为从磁铁矿中除去磁黄铁矿的方法，已经成功地应用于实际生产。一些针对磁黄铁矿浮选的早期研究表明，磁黄铁矿在碱性矿浆回路、淀粉(Taggart, 1945)、长充气时间(McLach-lan, 1930; Plaskin, 1945)、氧化剂(Herkenhoff, 1984)等因素的作用下容易被抑制。在之后的研究中（e.g. Adam and Iwasaki, 1984;
Houot and Duhamet, 1990; Martin et al., 1991）发现影响磁黄铁矿浮选的相互作用因素如下：
- 矿石的矿物学特性.
- 磨矿介质及磨机衬板的金属相特性.
- 矿浆含氧量.
- 矿浆中不同物质之间的电化学相互作用.
- 矿浆Ph.
- 所用捕收剂的类型及组成成分.
Chang等人对磁黄铁矿的可浮性进行了研究。考虑到其他矿物的存在会影响其表面性质，他们想用目前可制取的最高品位的磁黄铁矿作为试验原料。然而，单一晶体的磁黄铁矿是不存在的，大规模的热液矿床通常含有大量的黄铜矿。因此，Chang等人（1954）准备了来自明尼苏达州Aitkin附近的硫化物矿床中的磁黄铁矿精矿，用于他们的实验。他们发现氧化会对一些硫化物矿物的浮选产生负面影响，而磁黄铁矿较其他硫化矿更易氧化，所以这种效应在磁黄铁矿浮选中更加明显。
Chang等人（1954）提出空气或氧气对磁黄铁矿表面作用可能会生成氢氧化铁或者氢氧化亚铁。这些氢氧化物可能会覆盖矿物表面，抑制捕收剂在磁黄铁矿表面的吸附，从而降低其可浮性（Chang等，1954）。后来 Adam等人（1984）经过研究认为这种覆盖层也可能包括铁的氧化物和硫酸盐。Adam等人1984）进一步提出，根据图2所示的两种反应形成这种覆盖层：
frac12; O2 H2O 2e- = 2OH-
FeS = Fe2 S2-
SO42-
Fe2O(OH)3 or FeOOH 4
Fe(OH)SO
Fig. 2.矿物表面亲水层的形成 (Adam et al., 1984).
形成的氢氧化物层在扩散氧的状态下是稳定的（Adam等，1984）。
铁离子存在于磁黄铁矿和磁铁矿中。Cline等人 （1974）认为，磁黄铁矿的难浮特性源于在磁铁矿存在下磁黄铁矿表面的电化学反应（氧化）。他们分别在磁黄铁矿-石英体系和磁黄铁矿-磁铁矿体系做了浮选试验，发现磁黄铁矿在磁黄铁矿-磁铁矿体系中的浮选速率明显较低。还原剂的使用没有改善浮选，这表明磁黄铁矿和磁铁矿之间的相互作用是复杂的（Cline et al，1974）。由于电化学反应的性质，在磁铁矿存在下，磁黄铁矿在磨矿后暴露的新鲜表面具有更快的反应速率。因此，Cline等人 （1974年） 建议必须迅速去除磁黄铁矿。
铁离子也可以通过研磨介质和研磨机衬板引入到矿浆中。Cline等人 （197
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