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胶体沉积型铁矿的工艺矿物学特征与矿物加工技术
Process mineralogy and mineral processing technology of colloid sedimentary iron ore
Yong Weihua1，2，Zhang Yushu1，3，Gong Wenqi1，Zhou Jiayun3，Zhou Mangeng3
（1. School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China；
2. Mineral Resources and Reserves Evaluation Center of the Ministry of Land and Resources, Beijing 100035 China ；
3. Institute of Multipurpose Utilization of Mineral Resources ,Chinese Academy of Geological Sciences，Chengdu 610041, China）
摘要：胶体沉积型铁矿床是中国分布最广、资源储量最多的海相沉积型铁矿床。经地质勘查已提交矿产地212处,查明铁矿资源储量37.2亿吨，约占中国铁矿资源储量总量的6%。长期以来这类铁矿因为难选而未能得到开发利用。但不同的成矿时期和成矿环境，使不同矿床中矿石的工艺矿物学特征差异亦较大。通过对不同海相沉积型铁矿床矿石的工艺矿物学研究，其结果表明：尽管该类矿床的主要铁矿物为赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿、磁铁矿等，主要脉石矿物为石英、鲕绿石、长石、云母、方解石、白云母、石髓等，需去除的矿物为胶磷矿等，但不同的矿床，其主要铁矿物的种类、含量、粒度和嵌布特性的变化却很大，从而构成了单一或复杂工艺型矿床；而脉石中石英、钙镁矿物的含量变化使矿床产出酸碱度不同的矿石。
矿床的工艺分类与各类矿石选冶开发利用工艺密切相关，矿石性质决定矿物加工选冶的技术路线，即不同企业冶炼渣的配分不同，对选矿产品硅酸盐成份的要求亦不同；矿石中主要铁矿物的工艺矿物特征变化，决定选矿产品的精矿品位和回收率。本文详细论述了该类矿床工艺分类的重要性及对选冶工艺路线选择的指导。
关键词：胶体 沉积型铁矿 工艺矿物学特征 矿石加工技术 开发利用

1 前言
泥盆纪宁乡式胶体沉积型铁矿床是中国分布最广、资源储量最多的沉积型铁矿床。现已查明的该类铁矿资源储量达37.2亿吨，占全国沉积铁矿查明资源储量的73.5%。预计还可勘查出上百亿吨的新增资源量，其中鄂西地区是中国宁乡式胶体沉积型铁矿最主要的矿床集中区[1]。长期以来，胶体沉积型铁矿由于矿石鲕粒结构复杂，含磷高，品位低而影响了选冶效果，致使资源储量庞大的该类型铁矿至今没有得到开发利用而成为呆矿[1-2]。然而，泥盆纪宁乡式胶体沉积型铁矿的矿石性质并不是一成不变的，各矿床赋矿层位、分布范围、矿床规模、赋矿围岩岩性、矿石矿物组成和含铁品位等方面都存在一定的差异。鲕状赤铁矿分布和工艺性质严格受到特定的古水深、古地理和岩相的控制，本文通过对不同海相沉积型铁矿床矿石的工艺矿物学研究，探讨主要不同沉积环境下铁矿物的种类、含量、粒度和嵌布特性的变化特征，划分矿床工艺类型，并最终指导选冶工艺。
2 矿床特性
2.1 成矿地质环境
图1 宁乡式铁矿分布略图
（底图引自赵一鸣，2000）
Fig.1 Distribution of the Ningxiang type iron ore deposits.
①鄂西一湘西北成矿区；②湘－赣成矿区；③甘南一川北成矿区；④川中成矿区；⑤桂东北成矿区；⑥滇黔成矿区；⑦滇东（中）成矿区；⑧黔南成矿区

宁乡式铁矿广泛分布于湖北、湖南、江西、四川、云南、贵州、广西等省(区)及甘肃南部地区，共有8个成矿集中区，分别为：①鄂西一湘西北成矿区；②湘－赣成矿区；③甘南一川北成矿区；④川中成矿区；⑤桂东北成矿区；⑥滇黔成矿区；⑦滇东（中）成矿区；⑧黔南成矿区(图1)。8个成矿区中，以鄂西一湘西北成矿区最重要，分布有一大批大中型铁矿床，其铁矿总资源储量多达22．8亿吨，占中国宁乡式沉积铁矿总资源储量的58.7％，次为湘－赣成矿区。
中国南方大地构造演化、泥盆纪古构造格局及同沉积断裂带与泥盆纪沉积作用、岩相古地理以及泥盆纪层控矿床的展布有着紧密的联系[5]。中国南方的大地构造性质及演化历来有不同的认识，相应的，对中国南方泥盆纪古构造格局必然也有各种不同的看法。周家云（2009）综合前人研究成果，认为中国南方泥盆纪古构造格局应属加里东旋回末期扬子陆块与华夏陆块碰撞，形成统一的华南大陆，进入海西旋回早期，处于松弛拉张的构造背景下形成的。董榕生（1992）根据泥盆纪古构造格局、断裂带的分布及各部分差异，将中国南方泥盆纪时期的构造单元划分为：Ⅰ.华南陆块（进一步分为Ⅰ1：下扬子内陆断陷带；Ⅰ2康滇隆起；Ⅰ3上扬子隆起，Ⅰ4武陵隆起；Ⅰ5九岭隆起；Ⅰ6武夷隆起；Ⅰ7华夏隆起Ⅰ8武当隆起）；Ⅱ.右江－南岭被动陆缘（进一步分为：Ⅱ1滇黔断裂带；Ⅱ2右江断裂带；Ⅱ3湘桂粤断裂带；Ⅱ4鄂西拗陷带）；Ⅲ.南秦岭－龙门山－岩源、丽江被动陆缘；Ⅳ.钦防残留海槽（图2）。
图2 华南泥盆纪古构造略图
（底图引自董榕生，1992）
Fig.2 Devonian paleotectonic sketch of South China
Ⅰ1：下扬子内陆断陷带；Ⅰ2康滇隆起；Ⅰ3上扬子隆起；Ⅰ4武陵隆起；Ⅰ5九岭隆起；Ⅰ6武夷隆起；Ⅰ7华夏隆起；Ⅰ8武当隆起；Ⅱ1滇黔断裂带；Ⅱ2右江断裂带；Ⅱ3湘桂粤断裂带；Ⅱ4鄂西拗陷带；Ⅲ.南秦岭－龙门山－岩源、丽江被动陆缘；Ⅳ.钦防残留海槽
图3 华南泥盆纪盆地分布图
（底图引自易改危，1989）
Fig.3 Distribution of the basin in South China in Devonian
1.陆相堆积，2.陆地，3.海区
不同的大地构造单元控制了构造单元内沉积盆地的性质和沉积岩相古地理的演化，从而影响了泥盆纪沉积型鲕状赤铁矿的分布和特性。沉积盆地的类型具有特殊的沉积、构造和成矿意义。国内许多学者应用大地构造观点和沉积学理论，对华南泥盆纪沉积盆地性质作了深入研究和专门论述。最具代表性的是曾允孚等（1992）根据基底和同生断裂的活动形式、距离板块边缘的位置、地壳类型、沉积建造以及盆地形成的地球动力作用等，将华南地区泥盆纪时期的沉积盆地划分为八大盆地，盆地性质各不相同，包括下扬子陆内走滑断陷盆地、鄂西陆内凹陷盆地、滇黔陆内断陷盆地、南秦岭陆缘断陷盆地、龙门山陆缘断块盆地、右江陆缘裂谷盆地、南岭陆缘走滑盆地和哀牢山陆间盆地（图3）。
盆地类型直接控制盆地沉积建造组合，从而影响沉积矿床的展布和矿石组合。华南宁乡式铁矿的成矿区分别落于中国南方泥盆纪不同的构造单元所控制的盆地之内，其中涉及到华南宁乡式铁矿的沉积盆地有鄂西陆内凹陷盆地、滇黔陆内断陷盆地、南秦岭陆缘断拗盆地、龙门山陆缘断陷盆地、南岭边缘右旋走滑盆地。鄂西一湘西北成矿区位于鄂西陆内凹陷盆地；湘－赣成矿区和桂东北成矿区位于南岭边缘右旋走滑盆地；甘南一川北成矿区位于南秦岭陆缘断拗盆地；川中成矿区位于龙门山陆缘断陷盆地；黔西成矿区、滇东成矿区和黔南成矿区位于滇黔陆内断陷盆地。从成矿盆地的位置上看，成矿最好的是陆内盆地，如鄂西陆内凹陷盆地、滇黔陆内断陷盆地，其次是大陆边缘盆地。这是由于封闭环境对鲕状赤铁矿沉积、富集最为有利，原因是泻湖四周大陆风化而来的铁质来源广泛，丰富，泻湖封闭，铁质不易散失，其沉积的鲕状赤铁矿含铁较富，而河流入海口三角洲砂坝鲕状赤铁矿与石英碎屑一并沉积，含铁贫，资源储量规模小[4]。刘宝珺（1990也认为华南泥盆纪鲕状赤铁矿的两个成矿富集区（上扬子古陆南缘；中扬子古陆南缘）的沉积环境均为狭窄的海岸或伸向内陆的受限制的大海湾和泻湖，其封闭的泻湖、海湾有利于富铁海水汇聚和促成发生化学沉积作用，矿石工艺性质较好。从成矿盆地构造属性上看，成矿最好的是凹陷盆地，其次是走滑盆地和断陷盆地，所以总体上看，成矿最好的是陆内凹陷盆地，这是由于陆内凹陷盆地内无明显的同沉积断裂作用，古地形平缓，沉积环境(沉积相)无明显变异，沉积形成的鲕状赤铁矿则分布广，层位稳定，矿石组成简单，品位高。如鄂西宁乡式铁矿泥盆纪大地构造位于右江－南岭被动陆缘之鄂西拗陷带[5]，属陆内凹陷盆地[6]。盆地西邻上扬子古陆，北部和东北部无明显的盆缘断裂存在，东部与下扬子盆地相连，形成一个椭圆形的地形平缓的陆内凹陷盆地，前人有“湖北浅海盆地”、“川鄂浅海盆地”、“中扬子海”、“鄂西海湾”及“川鄂浅海”等称呼[8]，所以在鄂西陆内凹陷盆地内能产出了许多大中型宁乡式铁矿，如鄂西官店赤铁矿等。而南岭边缘右旋走滑盆地以及滇黔陆内断陷盆地内断裂活动频繁，常常形成地堑－地垒式结构，台盆交叉，古地形复杂，沉积环境相变明显，沉积形成的鲕状赤铁矿往往和菱铁矿、鲕绿泥石共生，矿石组成复杂，品位变化大，矿层中矿相变化大。如云南寸田矿区主矿体东部以氧化相鲕状赤铁矿为主，中部以氧化相一中性相的菱铁矿－鲕状赤铁矿－鲕绿泥石为主，而西部则以弱还原相的菱铁矿－鲕绿泥石及鲕绿泥－菱铁矿石为主。
2.2 矿床地质特征
矿体赋存部位 由于华南泥盆纪海侵是由南西向北东推进的，因此，铁矿赋存部位愈往北层位也愈高。主要有三个层位：中泥盆统上段（相当于棋子桥组），主要分布于广西、贵州等地；上泥盆统上段（相当于锡矿山组、写经寺组、黄家磴组），分布较广，主要分布于湖南、湖北；上泥盆统—下石炭统，分布于江西西部、湖南东部。
矿体基本特征 含矿层结构比较简单，通常由灰绿色泥质岩、砂质页岩及赤铁矿体呈互层状组成，局部夹有泥灰岩透镜体或薄层石英砂岩。含矿层厚度最大可达40m，其中铁矿层层数不一，一般为1—2层，最多为4层，每层厚1m左右。矿体长度变化很大，一般为百余米，分枝、复合明显，有时沿走向渐变为矿巢。相对而言，在半封闭海盆中含矿层厚度较大，铁矿层数多，呈似层状，产状较稳定。而在指状海湾中含矿层厚度较小，铁矿层数也少，并且连续性差，多呈透镜状、不规则状和囊状矿体。
矿石矿物组合 矿石中主要矿物成分为赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿、鲕绿泥石、白云石、石英、胶磷矿，此外还有微量海绿石、黄铁矿等。
矿石结构构造 矿石以鲕状结构为主，部分为生物碎屑结构。矿石多为致密块状构造。矿石品位变化较大，普遍含磷较高。
3不同矿体铁矿石的工艺性质差异
在同一盆地内，鲕状赤铁矿分布和矿石特征严格受到特定的古水深、古地理和岩相的控制。通常盆地边缘的矿床，如鄂西陆内凹陷盆地北东缘的长阳火烧坪、青岗坪、马鞍山至东南部的松木坪以及宜昌的官庄，矿石大多为贫矿，只有个别矿区（如松木坪）含铁品位较高，矿石类型为碱性矿石，矿物组成单一，铁主要赋存于赤铁矿、褐铁矿中。靠近盆地中心的矿床，如官店、黑石板、伍家河、龙角坝和长潭河等矿床不仅规模巨大，矿石含铁品位也相对较高，富矿所占比重较大[3]，矿石类型为酸性矿石，矿物组成复杂，铁分散赋存于磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿、鲕绿泥石中。首先，矿石矿物组成的复杂性主要与沉积环境的古水深有关。据Borchet（1960）的研究，氢氧化铁和氧化铁形成浅海通风的水中，随着海水深度的加大，出现菱铁矿、鲕绿泥石，最后是黄铁矿，这是由于近岸浅海处氧气充足，二氧化碳相对贫乏，水温较高，容易形成赤铁矿；在离海岸较远，海水较深处或者近岸坳陷处，海水较稳定，有机物不断分解出二氧化碳，在这种半还原、弱碱性环境下，容易形成菱铁矿，如果有硅参与，就可能形成鲕绿泥石，所以盆地边缘矿床的矿石类型单一，主要为赤铁矿、褐铁矿，到盆地中央则变化为磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿、鲕绿泥石。其次，矿石铁品位的高低主要与海水能量有关。海水中铁质是以胶体和细悬浮凝胶的状态进行迁移和存在的[10]，所以，平静的海水有利于铁矿沉积作用的进行[11]，造成靠近盆地中心的矿床往往比盆地边缘矿床富铁。
然而，宁乡式鲕状赤铁矿形成于近岸高能富氧环境又和鲕状赤铁矿从盆地边缘到盆地中心铁矿品位更高的现象相矛盾。如P.G. Brewer(1974)等研究黑海中的微量元素分布规律时，得出铁主要集中在接近大陆架的表面海水中，T. Joyner(1964)研究太平洋西北部沿岸海水中铁粉的分布规律时也得出同样的结论，铁粉在河口入海处的海水表面最浓集，向海内逐渐降低。根据这些研究，则盆地边缘铁矿床品位应该更富，这与实际不符。这一矛盾在以下两种情况下得到解决，一是宁乡式铁矿含铁建造大多产于海侵体系，矿层之下一般为石英砾岩或石英粗砂岩，向上渐变为细砂岩、砂质页岩或页岩，矿层产于页岩或粉砂岩中。当沉积体系为低水位域时，海水处于动荡高能状态，能形成并蕴涵丰富的铁质，当海侵发生时，海平面上升，海水变得平静下来，海水中铁质便沉淀下来，形成矿床，所以，宁乡式鲕状赤铁矿的形成往往与海平面上升同步 [14]，而具有工业价值的赤铁矿常位于大陆和海洋交接带，氧化带和还原带的交接带[15]。另一个是相对较封闭的内陆凹陷盆地成矿最为有利，因为海洋的大风大浪不易侵袭到内陆盆地中来，这里不但海水平静，而且水位较浅，周围的古陆又有充足的物质供给，是最有利的成矿环境，常常形成矿物组成单一的富铁酸性矿石。
矿石中磷的含量也与矿床所处的古地理位置有关[3，16]。鄂西沉积海盆边缘的矿床，磷的含量较低，如石门－慈利－桑植一带的铁矿中磷的含量大多介于 0.06％～0.58％，平均为0.36％，而位于古海盆中心的官店龙角坝、长潭河等大中型沉积铁矿床中，磷的含量普遍较高，大多为0.75％～1.1％，平均0.84％[3]。矿石中磷主要以胶磷矿存在，胶磷矿是一种微晶集合体，属于磷灰石的一个异种，是由胶状、隐晶质磷灰石组成的胶体，它和海水中铁质存在状态相似，所以，平静的海水有利于磷沉积作用的发生。
不同矿床的铁矿石，除铁磷含量差异较大外，脉石矿物中钙镁矿物的含量差异以及铁矿物种类的差异也较大。例如同为特大型矿区的火烧坪和官店矿区，因脉石矿物中钙镁矿物的差异，前者是碱性矿石，后者是酸性矿石。通常，在陆棚带中矿石矿物组分以鲕状赤铁矿为主，其次有鲕绿泥石和菱铁矿，而在前滨带中矿石矿物以赤铁矿与褐铁矿为主。
研究发现，宁乡式铁矿特别是鄂西宁乡式铁矿由于未受强烈的区域变质、地质构造、岩浆活动的影响，基本保留了海湾式铁质胶体沉积矿物特征，大部份铁矿物（赤铁矿）和含磷钙镁硅质矿物以小于5µm的颗粒呈同心圆状的鲕粒集合体形式存在，物理选矿对铁无法以传统方式进行分离富集，矿石中磷的降低亦会遇到困难。但该地区宁乡式铁矿的平均品位为33.23％～47.50％，大部分以颗粒和条带状方式嵌布于矿石中的脉石，可以用传统的选矿手段去除，该地区的宁乡式铁矿经选矿作业后，铁品位有希望提至50％以上，磷可降至0.5％以下。
4不同工艺类型的矿石加工技术
4.1 矿石工艺类型
宁乡式鲕状赤铁矿矿床普查的高潮时期是上世纪六十年代随后，七十年代对湖北恩施、宜昌地区的官店、火烧坪矿区的综合利用研究得出的结论是宁乡式铁矿为尚难利用贫铁矿，因此地质找矿工作处于停止状态，其利用工艺的研究工作亦未深入。随着矿石加工技术的进步，对宁乡式尚难利用贫铁矿，有必要根椐当前技术经济条件，在矿床工业类型和自然类型的基础上，根椐矿石的工艺特性即矿石的物质组成、粒度、嵌布特征、有益有害元素的赋存状态、主要矿物的物化性能及矿床地质条件等，对于不同矿石，划分出不同的工艺类型，以便针对性地选择不同的选矿手段，使这类铁矿资源按其难易度分期得到合理地开发利用。
根椐最近年对宁乡式铁矿的研究，初步对该类矿石的工艺类型作以下划分：
根椐脉石矿物中硅铝钙镁的不同含量，将矿石划分为酸性矿石和碱性矿石；根据铁的赋存状态将矿石划分为工业矿物单一型（铁的赋存为赤铁矿、褐铁矿型）和工业矿物复杂型（铁分散赋存于赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿、鲕绿泥石中）。
4.2加工利用技术
从不同矿区矿石的工艺矿物学研究结果可知，矿石中赤铁矿物和石英、粘土等成鲕状或似海绵晶铁结构的胶结物形式共生，多数赤铁矿单体或集合体集中于5～30µm粒度，嵌布关系复杂，粒度微细。不同的矿区，鲕粒粗细不等，铁、磷含量也存在着较大的差异；即便是同矿区，不同鲕粒中铁的嵌布特性也不同，存在着富铁鲕粒和贫铁鲕粒之分；不同的矿区富铁鲕粒和贫铁鲕粒的分布也不同，即不同的矿床存在着工艺类型的差异。磷以微细粒胶磷矿形式赋存于鲕粒中。从选矿试验可知，对于富铁鲕粒，通过物理选矿可以获得较高品位的铁精矿。对于贫铁鲕粒，由于其中脉石矿物和铁矿物粒度微细，呈均匀嵌布，故仅采用物理选矿方法难以获得含铁较高的铁精矿产品。
按炼铁品种，钢铁工业对铁矿石含磷的要求为：酸性转炉炼钢生铁和碱性平炉炼钢生铁要求矿石含磷低（P≤0.038％～0.18％），碱性侧吹转炉生铁矿石中含磷含量允许为0.2％～0.8％，至于托马斯生铁就是专门用高磷铁矿石（P≤0. 8％～1.2％）冶炼的。中国炼钢方法主要为平炉。为此要求宁乡式铁矿矿产品磷含量最高不能超过0.3％（与其他低磷铁矿产品混合入炉）。
根据对不同类型宁乡式铁矿的研究，初步认为：对于工业矿物单一的富铁酸性矿石，采用强磁或重选脱泥—浮选工艺就可以获得较好的技术经济指标；对于其他种类的矿石，适宜的选矿加工利用技术是还原焙烧—磁选—反浮选工艺。
5 结语
宁乡式铁矿不同矿床的赋矿层位、分布范围、矿床规模、赋矿围岩岩性、矿石矿物组成和含铁品位等方面都存在有一定的差异。其成矿作用主要受地理与层位控制，通常产于半封闭海盆与指状海湾中，在沉积层序上多出现在海进沉积旋回的中下部。半封闭海盆宁乡式铁矿资源储藏量大，相对含磷高、铁品位低。指状海湾式铁质胶体在相对运动中沉积，海水对胶体有破坏和分选，铁品位稍高，含磷较低。由此使不同矿床的铁矿石存在着工艺类型的差异。
对于工业矿物单一的富铁酸性矿石，采用强磁或重选脱泥—浮选工艺就可以获得较好的技术经济指标；对于其他种类的矿石，适宜的选矿加工利用技术是还原焙烧—磁选—反浮选工艺。所得的矿产品可作为酸性转炉炼钢生铁和碱性平炉炼钢生铁矿石的混料、碱性侧吹转炉生铁矿石料。

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