研究高鋁褐鐵礦石的工藝礦物學特性及其對鋁鐵分離的影響。研究結果表明，鐵礦物主要為針鐵礦和赤鐵礦；鋁的載體礦物主要是以微細顆粒集合體被針鐵礦包裹的三水鋁石和以類質同象存在于針鐵礦中的鋁；鋁硅酸鹽礦物呈分散狀或浸染狀與針鐵礦共生，鐵鋁賦存關系十分復雜。強磁選、磁化焙燒-磁選不能有效破壞礦石中鋁、鐵細粒嵌布和類質同象結構，鋁鐵分離效果不明顯；鈉鹽焙燒－浸出工藝能有效實現高鋁褐鐵礦的鋁鐵分離，當原礦全鐵含量為48.92%，Al2O3含量為8.16%，SiO2含量為4.24%時，可獲得全鐵品位為62.84%，Al2O3含量為2.33%，SiO2含量為0.45%的鐵精礦，鐵的回收率為98.56%。
為有效降低褐鐵礦中Al2O3的含量，國內外就高鋁鐵礦的鋁鐵分離開展研究，已基本形成3種典型工藝：
1)先選別，后冶煉，即先采用物理選礦方法選出高品位的鋁精礦和鐵精礦，然后從各自的精礦中提取鋁和鐵。這種方法適用于處理結構簡單的含鋁鐵礦石，對于鋁鐵嵌布關系復雜，單體解離性能差的礦石作用不明顯；
2)先鋁后鐵，郎拜耳法溶出鋁一赤泥回收鐵工藝，該工藝要求礦中有效氧化鋁(AAl2O3)/活性氧化硅(RSiO2)高，同時赤泥回收鐵的經濟效益難以保證；
3)先鐵后鋁，即高爐或者電爐冶煉-爐渣浸出提鋁工藝，該工藝可有效實現鋁鐵分離，但存在能耗高、造渣困難、爐渣溶出困難等問題。
由此可見，由于高鋁褐鐵礦石內礦物嵌布關系復雜，目前又缺少系統地研究，因而尚未得到合理有效利用，基本屬于呆滯礦產資源。
隨著鋼鐵工業的發展，鐵礦供求矛盾日趨突出，低品位、難處理鐵礦的開發利用日益受到重視[1-3]。我國鐵礦資源儲量豐富，但大部分屬低品位礦，雜質Al2O3，S和P含量高，必須經過選礦除雜后才能有效地利用[4-6]。眾所周知，鐵礦石中Al2O3含量超過3%[7]，在煉鐵過程中將引起爐渣熔點升高，黏度增大，渣鐵分離困難，高爐利用系數降低[8-10]，因此，我國廣西、安徽等地以及毗鄰的東南亞國家儲量豐富的含鋁鐵礦石尚未得到有效利用。隨著現有可利用的優質鐵礦資源逐漸減少，充分開發利用這類資源，實現鐵鋁的高效分離，對緩解我國鐵礦資源嚴重短缺的壓力具有重要現實意義。目前，國內外針對鋁鐵分離的研究基本以鋁土礦和赤泥為對象，主要方法分為選礦法和冶煉法。選礦法包括物理選礦、化學選礦和生物選礦。國內外對高鋁黏土、鋁土礦和赤泥開展的磁選、浮選等物理選礦分離鋁鐵的研究取得了一定的進展，但是，物理法用于鋁鐵嵌布關系復雜的礦石鋁鐵分離，效率低[11-12]；化學法中，以鹽酸法及氯化法研究最多，鋁鐵分離效果好，如能開發廉價高效的分離劑，解決環境污染問題，將具有廣闊的應用前景[13]；生物法造成的環境污染小，但是，也存在反應時間較長，礦漿濃度過低，不利于大批量處理等問題。冶煉法基本以赤泥為對象，主要有熔煉法和直接還原法，將含鋁赤泥在高爐或電爐內熔煉制備生鐵，或者進行煤基直接還原—磨選獲得直接還原鐵粉[14-17]。
由于目前對高鋁鐵礦石的性質尚缺乏系統研究，加之鋁與鐵的地球化學及晶體化學性質相近，容易形成類質同象替代，導致礦石內部鋁鐵賦存關系復雜，還沒有一種經濟合理的技術有效地實現高鋁鐵礦石鋁鐵分離。在此，本文作者研究某高鋁褐鐵礦工藝礦物學特性及其對鋁鐵分離的影響。
1 工藝礦物學研究
試驗所用原料為一種氧化鋁含量較高的褐鐵礦，該礦石鐵品位較低，僅為48.92%；燒損較高，其含量為11.33%；雜質主要是Al2O3，其含量高達8.16%，SiO2含量為4.24%，其他雜質硫、磷、鈉、鉀、鈣含量均低于0.1%。因此，對這種礦石，必須降低氧化鋁含量，提高鐵品位，才能滿足煉鐵工業生產的要求。
采用X射線衍射技術研究含鋁褐鐵礦的礦物組成，結果如圖1所示。XRD結果表明，礦石中鐵礦物以針鐵礦和赤鐵礦為主，還有少量磁鐵礦；鋁礦物主要以三水鋁石形式存在，硅礦物以石英形式存在。
圖1 原礦X射線衍射分析結果
Fig.1 XRD pattern of raw ore
采用光學顯微鏡研究高鋁褐鐵礦鐵礦物、鋁礦物之間的嵌布關系，結果如圖2和圖3所示。從圖2可以看出，三水鋁石(A)以及少量的一水硬鋁石以細小顆粒或微細顆粒組成集合體，呈包裹體嵌布在針鐵礦(B)中，形成與鐵礦物包裹交生的嵌連關系，粒度為5~30 μm。從圖3左上角可以看到硅酸鹽礦物呈分散狀與針鐵礦交生，與鐵礦物構成復雜的斑雜狀嵌連關系；部分黏土礦物與微細粒針鐵礦混雜交生，形成針鐵礦(A)、鐵質黏土(B)至黏土(C)的過渡關系。
圖2 原礦三水鋁石顯微結構
Fig.2 Microstructure of gibbsite in raw ore
圖3 硅酸鹽黏土礦物顯微結構
Fig.3 Microstructure of silicate and clay mineral
為進一步確定原礦中鋁的賦存狀態及鋁礦物與鐵礦物的嵌布關系，采用JSM-5310掃描電鏡及能譜儀對原礦進行分析，結果如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中可知，鋁顆粒中存在鐵的同晶替代(圖4)，鐵顆粒中有鋁的同晶替代(圖5)，構成了礦石內部鋁鐵類質同象的嵌布關系。結果表明，原礦中鋁礦物除了呈單獨顆粒集合體被包裹在針鐵礦中外，還以類質同象形式存在于針鐵礦中，與鐵礦物形成了緊密復雜的嵌布關系，導致鋁鐵分離困難。
(a) 背散射電子像；(b) EDX
圖4 含鋁礦物EDX成分分析結果
Fig.4 EDX analysis of aluminium-bearing mineral
(a) 背散射電子像；(b) EDX
圖5 鐵礦物EDX成分分析結果
Fig.5 EDX analysis of iron mineral
2 鋁鐵分離研究
原礦工藝礦物學特性表明，礦石中鐵礦物以針鐵礦和赤鐵礦為主，鋁礦物除了呈單獨微細顆粒集合體被包裹在褐鐵礦中外，還以類質同象形式存在于針鐵礦中，構成鋁鐵同晶替代的嵌布關系；硅酸鹽礦物呈分散狀與針鐵礦交生，與鐵礦物構成復雜的斑雜狀嵌連關系。由此可見，礦石內部鐵礦物、鋁礦物之間的嵌布關系極其復雜。
2.1 強磁選工藝
礦石中鐵礦物以磁性較弱的針鐵礦和赤鐵礦為主，采用強磁選的方法研究磁場強度、磨礦細度對鋁鐵分離的影響，在磁感應強度為1.2 T，粒度小于0.074 mm的礦石含量占90%的條件下，鋁鐵分離效果最好，結果如表1所示。
由表1可見，強磁選所得的精礦鐵品位有所升高，Al2O3含量有所降低，但幅度均不大，鐵品位僅從原礦的48.92%提高到49.34%，Al2O3含量從8.16%降低到7.36%。這是由于鋁主要以微細粒嵌布或以類質同象形式存在鐵礦物中，導致無法有效地實現單體解離，大部分鋁在磁選過程中與鐵礦物一起進入磁性物，導致精礦Al2O3含量仍然較高，而且鐵品位提高幅度不大，分選效果不明顯。
表1 強磁選對鋁鐵分離的影響
Table 1 Effect of strong-magnetic separation on iron-aluminium separation w/%
2.2 磁化焙燒-磁選工藝
由于礦石中鐵礦物以針鐵礦和赤鐵礦為主，因此，采用磁化焙燒-磁選工藝，系統研究了焙燒溫度、焙燒時間、還原劑、磨礦及磁場對鋁鐵分離的影響。在焙燒時間為60 min，還原氣為8% CO，粒度小于0.074 mm粒子占90%的磨礦細度及磁感應強度為0.1 T的條件下，不同焙燒溫度對鋁鐵分離的影響如圖6和圖7所示。
圖6 焙燒溫度對精礦鐵品位及鐵回收率的影響
Fig.6 Effects of roasting temperature on iron grade in concentrate and iron recovery
圖7 焙燒溫度對精礦Al2O3含量及Al2O3脫除率的影響
Fig.7 Effects of roasting temperature on Al2O3 content in concentrate and removal of Al2O3
從圖6和圖7可以看到，隨著磁化焙燒溫度從700 ℃逐漸升高到850 ℃，精礦鐵品位從60.56%逐漸升高到63.28%，鐵的回收率從55.59%逐漸升高到75.65%；但精礦中Al2O3含量隨焙燒溫度相應地由9.05%升高到10.3%，鋁的脫除率則從50.41%急劇下降到29.9%。與強磁選工藝相比，磁化焙燒-磁選能夠較大幅度地提高鐵品位，但是，Al2O3也同時富集，磁化焙燒-磁選工藝亦無法有效地實現高鋁褐鐵礦的鋁鐵分離。
為進一步揭示磁化焙燒-磁選對鋁鐵分離的影響，采用掃描電鏡對磁化焙燒制備的鐵精礦中磁鐵礦含鋁情況進行線掃描分析，結果如圖8所示，掃描曲線突出部位表示鐵精礦中鋁含量較高，反之，鋁含量較低。從圖8可知，鐵精礦中有2種磁鐵礦，鋁含量較高者稱為富鋁磁鐵礦，另一種為正常磁鐵礦。圖9和圖10所示為磁鐵礦的EDX結果，磁鐵礦主要成分如表2所示。從表2可知，富鋁磁鐵礦含鋁6.58%。
圖8 磁化焙燒-磁選精礦中鋁的線掃描圖
Fig.8 Line-scanning of aluminum in iron concentrate obtained by magnetization roasting-magnetic separation
圖9 磁化焙燒-磁選精礦中正常磁鐵礦的EDX圖譜
Fig.9 EDX analysis of normal magnetite in iron concentrate obtained by magnetization roasting-magnetic separation
圖10 磁化焙燒-磁選精礦中富鋁磁鐵礦的EDX圖譜
Fig.10 EDX analysis of Al-bearing magnetite in iron concentrate obtained by magnetization roasting-magnetic separation
表2 磁化焙燒-磁選精礦中磁鐵礦主要成分
Table 2 Main chemical composition of magnetite in iron concentrate obtained by magnetization roasting-magnetic separation w/%
可見，由于原礦中部分鋁以類質同象形式存在于鐵礦物中，磁化焙燒中形成富鋁磁鐵礦，而且正常磁鐵礦多呈粒度不等的細小顆粒嵌布在富鋁磁鐵礦中，由此導致磁選時不能分離鋁、鐵，這是鐵精礦中鋁含量較高的1個因素。
采用光學顯微鏡進一步對鐵精礦中鋁礦物的顯微結構特性進行分析，結果如圖11所示。從圖11可知，鐵精礦中存在單獨鋁顆粒，其礦物成分主要是剛玉(A, α-Al2O3)，它是原礦所含的少量一水硬鋁石在高于450 ℃時脫水轉變而成的，呈細粒包裹體嵌布在磁鐵礦中，它們很難通過磁選與鐵礦物分離，這是導致精礦鋁含量較高的另一個因素。此外，對精礦中鐵、鋁面掃描分析結果(如圖12所示)還發現，精礦中剛玉顆粒中比較均勻地嵌布著細小的磁鐵礦顆粒，使其原來不具磁性的剛玉具有一定磁性，在磁選過程中與鐵礦物一同進入磁性部分，這是導致精礦Al2O3含量較高的第3個因素[18]。
以上試驗結果表明，磁化焙燒不能破壞礦石中鋁、鐵緊密嵌布的結構，精礦中鋁礦物除了呈剛玉包裹體嵌布在磁鐵礦中或剛玉中嵌布細小磁鐵礦顆粒外，還與磁鐵礦共生形成富鋁磁鐵礦，在磁選過程中與鐵礦物一同進入磁性部分，導致精礦Al2O3含量較高，鋁鐵分離效果不明顯。
圖11 鐵精礦中剛玉和磁鐵礦顯微結構
Fig.11 Microstructure of corundum and magnetite in iron concentrate
(a) 背散射電子像；(b) 鐵的面掃描；(c) 鋁的面掃描
圖12 鋁鐵連生體掃描電鏡分析
Fig.12 SEM images of Al-Fe intergrowth
2.3 鈉鹽焙燒-浸出工藝
由于原礦礦石性質復雜，鐵、鋁嵌布緊密，強磁選和磁化焙燒均不能破壞高鋁褐鐵礦內部鋁、鐵的嵌布結構，無法實現單體解離，導致鋁鐵分離效果不明顯，因此，必須采用其他手段破壞礦石內部鐵、鋁同晶替代的晶格結構，才可能實現鐵鋁分離。眾所周知，鈉鹽焙燒能在一定溫度和氣氛條件下，使難溶的組分礦物轉變為可溶性物質，浸出焙砂可使目的組分轉入溶液，從而達到分離或富集目的。由于氧化鋁與鈉鹽在一定條件下反應生成可溶的鋁酸鈉，因此，對原礦鈉鹽焙燒-浸出鋁鐵分離進行研究。
試驗時，將原礦細磨至粒度小于0.074 mm的礦石比例達80%，然后，與無水Na2CO3按質量比7?1混勻后在1 000 ℃焙燒15 min，焙砂經過磨礦、酸浸得到鐵精礦，酸浸溫度為 60 ℃，浸出時間 為15 min，稀硫酸濃度 為4.5%(質量分數)，液固比為5/1。試驗結果如表3所示。
表3 鈉鹽焙燒-浸出對鋁鐵分離的影響
Table 3 Effects of sodium-roasting followed by leaching on separation of iron and aluminium w/%
從表3可知，原礦經鈉鹽焙燒-浸出后，精礦鐵品位達62.84%，Al2O3含量相應降低到2.33%，SiO2 含量為0.45%，鐵的回收率為98.56%。
同樣采用掃描電鏡對鈉鹽焙燒-浸出所獲鐵精礦鋁的賦存狀態進行分析，結果如圖13所示。結合圖4、圖5和圖13可知，均勻分布于鐵礦物中的鋁消失，表明以類質同象形式存在于鐵礦物中的鋁在鈉鹽焙燒-浸出過程中被脫除，殘余在精礦中的獨立鋁礦物仍然是原礦中少量一水硬鋁石轉變而成的α-Al2O3(剛玉)[18]。
圖13 鐵精礦中鋁的面掃描分析結果
Fig.13 Line-by-line scanning of aluminum in iron concentrate
可見，經鈉鹽焙燒后，礦石內部鋁和鐵類質同象的晶格結構被破壞，經浸出后與鐵礦物分離，從而實現了鋁鐵的高效分離。
3 結 論
a. 原礦中鐵礦物以針鐵礦和赤鐵礦為主；鋁礦物除了呈單獨微細顆粒集合體被包裹在針鐵礦中，還以類質同象形式存在于鐵礦物中，構成鋁鐵同晶替代的嵌布關系；鋁硅酸鹽礦物呈分散狀與針鐵礦交生，與鐵礦物構成復雜的嵌布關系，導致采用強磁選技術無法有效分離鐵鋁。
b. 在磁化焙燒過程中，被鋁同晶取代的鐵礦物轉變成含鋁較高的富鋁磁鐵礦，并嵌布細小的正常磁鐵礦顆粒，加之磁鐵礦在剛玉顆粒中廣泛分布，導致磁選時不能分離鋁、鐵，鐵精礦中鋁含量較高，磁化焙燒-磁選對高鋁褐鐵礦的鋁鐵分離無明顯效果。
c. 鈉鹽焙燒-浸出工藝能有效地實現高鋁褐鐵礦的鋁鐵分離，在礦與Na2CO3 質量比為7/1，焙燒溫度為1 000 ℃，焙燒時間為15 min，浸出溫度為60 ℃，浸出時間為15 min，硫酸質量分數為4.5%的條件下，可獲得全鐵品位為62.84%，Al2O3含量為2.33%的鐵精礦，SiO2含量為0.45%，鐵回收率為98.56%。
