印尼典型海砂矿的工艺矿物学及固态还原特性

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 印尼典型海砂矿的工艺矿物学及固态还原特性 胡兵胡程飞易凌云肖华荣黄柱成姜雄蔡威 Mineralogy and solid-state reduction features of typical ironsands from Indonesia HU Bing.HU Cheng-fei,YI Ling-yun,XIAO Hua-rong.HUANG Zhu-cheng.JIANG Xiong.CAI Wei 引用本文： 胡兵，胡程飞，易凌云，肖华荣，黄柱成，姜雄，蔡威.印尼典型海砂矿的工艺矿物学及固态还原特性).工程科学学报，2021， 43(5:619-626.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.04.20.003 HU Bing,HU Cheng-fei,YI Ling-yun,XIAO Hua-rong,HUANG Zhu-cheng,JIANG Xiong,CAI Wei.Mineralogy and solid-state reduction features of typical ironsands from Indonesia[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(5):619-626.doi: 10.13374/i.issn2095-9389.2020.04.20.003 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.04.20.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 金川镍沉降渣的工艺矿物学 Process mineralogy of Jinchuan nickel slag in a settlement furnace 工程科学学报.2017,393：349 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.03.005 云南某胶磷矿AMICS.工艺矿物学研究及其难选机理探讨 Mineralogical analysis of collophane in Yunnan using AMICS and exploration of difficult flotation mechanisms 工程科学学报.2021,43(4：503 https:/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.02.24.001 CaO对海滨钛磁铁矿精矿直接还原磁选工艺中还原气氛的影响 Effect of CaO on reducing atmosphere in the direct reduction and magnetic separation process of beach titanomagnetite concentrate 工程科学学报.2020.42(7)：838 https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.12.25.006 从选铜尾矿中选择性还原回收铁 Process of the selective reduction and recovery of iron from copper tailings 工程科学学报.2019,41(6)：741 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.06.005 红格含铬钒钛磁铁矿球团矿物学和等温氧化动力学 Mineralogical characteristics and isothermal oxidation kinetics of Hongge chromium containing vanadium and titanium magnetite pellets 工程科学学报.2018.40(5：548 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.05.004 镍沉降渣深度还原过程中的相变特征 Phase transformation of nickel slag in settlement furnaces during deep reduction 工程科学学报.2017,39(12：1809htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.12.005

印尼典型海砂矿的工艺矿物学及固态还原特性 胡兵 胡程飞 易凌云 肖华荣 黄柱成 姜雄 蔡威 Mineralogy and solid-state reduction features of typical ironsands from Indonesia HU Bing, HU Cheng-fei, YI Ling-yun, XIAO Hua-rong, HUANG Zhu-cheng, JIANG Xiong, CAI Wei 引用本文: 胡兵, 胡程飞, 易凌云, 肖华荣, 黄柱成, 姜雄, 蔡威. 印尼典型海砂矿的工艺矿物学及固态还原特性[J]. 工程科学学报, 2021, 43(5): 619-626. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.20.003 HU Bing, HU Cheng-fei, YI Ling-yun, XIAO Hua-rong, HUANG Zhu-cheng, JIANG Xiong, CAI Wei. Mineralogy and solid-state reduction features of typical ironsands from Indonesia[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(5): 619-626. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.20.003 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.20.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 金川镍沉降渣的工艺矿物学 Process mineralogy of Jinchuan nickel slag in a settlement furnace 工程科学学报. 2017, 39(3): 349 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.005 云南某胶磷矿AMICS工艺矿物学研究及其难选机理探讨 Mineralogical analysis of collophane in Yunnan using AMICS and exploration of difficult flotation mechanisms 工程科学学报. 2021, 43(4): 503 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.24.001 CaO对海滨钛磁铁矿精矿直接还原磁选工艺中还原气氛的影响 Effect of CaO on reducing atmosphere in the direct reduction and magnetic separation process of beach titanomagnetite concentrate 工程科学学报. 2020, 42(7): 838 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.25.006 从选铜尾矿中选择性还原回收铁 Process of the selective reduction and recovery of iron from copper tailings 工程科学学报. 2019, 41(6): 741 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.005 红格含铬钒钛磁铁矿球团矿物学和等温氧化动力学 Mineralogical characteristics and isothermal oxidation kinetics of Hongge chromium containing vanadium and titanium magnetite pellets 工程科学学报. 2018, 40(5): 548 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.004 镍沉降渣深度还原过程中的相变特征 Phase transformation of nickel slag in settlement furnaces during deep reduction 工程科学学报. 2017, 39(12): 1809 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.12.005

工程科学学报.第43卷，第5期：619-626.2021年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.5:619-626,May 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.20.003;http://cje.ustb.edu.cn 印尼典型海砂矿的工艺矿物学及固态还原特性 胡兵，2，胡程飞)，易凌云)区，肖华荣)，黄柱成)，姜雄)，蔡威引 1)中冶长天国际工程有限责任公司烧结球团及直接还原工程技术中心，长沙4102052)国家烧结球团装备系统工程技术研究中心，长沙 4102053)中南大学资源加工与生物工程学院，长沙410083 ☒通信作者，E-mai:y小ycsu@126.com 摘要以经典工艺矿物学研究方法为基础，结合化学物相分析、矿物解离分析(MLA)、X射线衍射、光学显微镜、扫描电 镜X射线能谱仪(SEM-EDS)等手段对印尼典型海砂矿的矿物学及其固态还原特征进行了系统研究.结果表明：印尼海砂矿 的矿物组成主要为钛磁铁矿、次为少量假象赤铁矿、赤铁矿、钛铁矿以及辉石等，绝大部分钛磁铁矿呈致密单体或铁的富连 生体产出，偶有由固熔体分离析出形成的微细钛铁矿旷片晶.赋存于钛磁铁矿中的铁占总铁的8979%、钛为85.42%、钒则高 达97.97%.海砂矿在CFe摩尔比12、温度1300℃条件下还原60min可较好实现金属化.其还原历程遵循：Fe2.sTio.2sO4→ FeTiO3,(Fe,Mg)Ti2O5→(Fe,Mg)Ti2O5→Fe,稳定的黑钛石相是影响金属化程度的主要因素.经固态还原处理Fe元素最终富 集于金属相，V、T则赋存于渣中富钛相.为后续的分离提取创造了有利条件. 关键词印尼海砂矿：工艺矿物学：嵌布特征：还原历程：元素赋存状态 分类号TD981 Mineralogy and solid-state reduction features of typical ironsands from Indonesia HU Bing 2),HU Cheng-fep),YI Ling-yun.XIAO Hua-rong,HUANG Zhu-cheng,JIANG Xiong CAIl We 1)Engineering Center of Sinter Pellet and Direct Reduction,Zhongye Changtian International Engineering Co.,Ltd.,Changsha 410205,China 2)National Engineering Research Center of Sintering and Pelletizing Equipment System,Changsha 410205,China 3)School of Minerals Processing and Bioengineering,Central South University,Changsha 4100083,China Corresponding author,E-mail:ylycsu@126.com ABSTRACT With over 100 billion tons of reserves,the ironsands resource is mainly distributed along the "Belt and Road"countries, such as Indonesia.It is the second largest marine resource inferior to petroleum and natural gas.Ironsands mainly comprise vanadium, titanium,and iron.With advantages of easy mining,low cost,and abundance in polymetallic minerals,the ironsands resource has attracted extensive attention for its extremely high comprehensive recycling value.According to previous studies,solid-state reduction is an efficient approach to a number of processes in complex mineral resources such as ironsands,especially in vanadium-bearing titanomagnetite treatments.In this paper,the process mineralogy and direct reduction characteristics of typical ironsands from Indonesia were studied based on the classical mineralogy method combined with various characterization techniques such as chemical phase analysis,MLA,X-ray diffraction,particle size analysis,optical microscopy,and SEM-EDS.Results show that the mineral composition of the ironsands is mainly titanomagnetite,followed by a small amount of pseudo-hematite,hematite,ilmenite,pyroxene,plagioclase, and others.Most titanomagnetites exist as compact monomers or iron-rich aggregates with occasional fine ilmenite flakes formed through solid-melt separation.The iron contained in titanomagnetite phase accounts for 89.79%of the total iron in the ironsands,while titanium and vanadium account for 85.42%of the total titanium and 97.97%of the total vanadium content,respectively.Ironsands can achieve high metallization ratio when they are reduced at 1300 C for 60 min with C/Fe mole ration of 1.2.The reduction course is as follows:Fe2sTio20FeTiO3,(Fe,Mg)Ti2Os(Fe,Mg)Ti2OFe.Results reveal that the stable anosovite((Fe,Mg)Ti2Os)phase 收稿日期：202004-20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51504230)：中南大学研究生科研创新资助项目(1053320191010)

印尼典型海砂矿的工艺矿物学及固态还原特性 胡    兵1,2)，胡程飞3)，易凌云3) 苣，肖华荣3)，黄柱成3)，姜    雄3)，蔡    威3) 1) 中冶长天国际工程有限责任公司烧结球团及直接还原工程技术中心，长沙 410205    2) 国家烧结球团装备系统工程技术研究中心，长沙 410205    3) 中南大学资源加工与生物工程学院，长沙 410083 苣通信作者，E-mail: ylycsu@126.com 摘    要    以经典工艺矿物学研究方法为基础，结合化学物相分析、矿物解离分析 (MLA)、X 射线衍射、光学显微镜、扫描电 镜-X 射线能谱仪 (SEM-EDS) 等手段对印尼典型海砂矿的矿物学及其固态还原特征进行了系统研究. 结果表明：印尼海砂矿 的矿物组成主要为钛磁铁矿、次为少量假象赤铁矿、赤铁矿、钛铁矿以及辉石等. 绝大部分钛磁铁矿呈致密单体或铁的富连 生体产出，偶有由固熔体分离析出形成的微细钛铁矿片晶. 赋存于钛磁铁矿中的铁占总铁的 89.79%、钛为 85.42%、钒则高 达 97.97%. 海砂矿在 C/Fe 摩尔比 1.2、温度 1300 ℃ 条件下还原 60 min 可较好实现金属化. 其还原历程遵循：Fe2.75Ti0.25O4 → FeTiO3 , (Fe, Mg)Ti2O5 → (Fe, Mg)Ti2O5 → Fe，稳定的黑钛石相是影响金属化程度的主要因素. 经固态还原处理 Fe 元素最终富 集于金属相，V、Ti 则赋存于渣中富钛相，为后续的分离提取创造了有利条件. 关键词    印尼海砂矿；工艺矿物学；嵌布特征；还原历程；元素赋存状态 分类号    TD981 Mineralogy and solid-state reduction features of typical ironsands from Indonesia HU Bing1,2) ，HU Cheng-fei3) ，YI Ling-yun3) 苣 ，XIAO Hua-rong3) ，HUANG Zhu-cheng3) ，JIANG Xiong3) ，CAI Wei3) 1) Engineering Center of Sinter Pellet and Direct Reduction, Zhongye Changtian International Engineering Co., Ltd., Changsha 410205, China 2) National Engineering Research Center of Sintering and Pelletizing Equipment System, Changsha 410205, China 3) School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 4100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: ylycsu@126.com ABSTRACT    With over 100 billion tons of reserves, the ironsands resource is mainly distributed along the “Belt and Road” countries, such as Indonesia. It is the second largest marine resource inferior to petroleum and natural gas. Ironsands mainly comprise vanadium, titanium,  and  iron.  With  advantages  of  easy  mining,  low  cost,  and  abundance  in  polymetallic  minerals,  the  ironsands  resource  has attracted extensive attention for its extremely high comprehensive recycling value. According to previous studies, solid-state reduction is an  efficient  approach  to  a  number  of  processes  in  complex  mineral  resources  such  as  ironsands,  especially  in  vanadium-bearing titanomagnetite treatments. In this paper, the process mineralogy and direct reduction characteristics of typical ironsands from Indonesia were  studied  based  on  the  classical  mineralogy  method  combined  with  various  characterization  techniques  such  as  chemical  phase analysis, MLA, X-ray diffraction, particle size analysis, optical microscopy, and SEM-EDS. Results show that the mineral composition of the ironsands is mainly titanomagnetite, followed by a small amount of pseudo-hematite, hematite, ilmenite, pyroxene, plagioclase, and  others.  Most  titanomagnetites  exist  as  compact  monomers  or  iron-rich  aggregates  with  occasional  fine  ilmenite  flakes  formed through solid-melt separation. The iron contained in titanomagnetite phase accounts for 89.79% of the total iron in the ironsands, while titanium and vanadium account for 85.42% of the total titanium and 97.97% of the total vanadium content, respectively. Ironsands can achieve high metallization ratio when they are reduced at 1300 ℃ for 60 min with C/Fe mole ration of 1.2. The reduction course is as follows: Fe2.75Ti0.25O4 → FeTiO3 , (Fe, Mg)Ti2O5 → (Fe, Mg)Ti2O5 → Fe. Results reveal that the stable anosovite ((Fe, Mg)Ti2O5 ) phase 收稿日期: 2020−04−20 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51504230）；中南大学研究生科研创新资助项目（1053320191010） 工程科学学报，第 43 卷，第 5 期：619−626，2021 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 5: 619−626, May 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.20.003; http://cje.ustb.edu.cn

620 工程科学学报，第43卷，第5期 is the main factor affecting the final metallization degree of the reduced samples.With solid state reduction treatment,iron is enriched in the metal phase while vanadium and titanium elements are distributed in the titanium-rich phase in the slag.These create favorable conditions for the subsequent separation and extraction process,which consequently lay a firm foundation for the comprehensive utilization of the ironsands KEY WORDS Indonesia ironsands;process mineralogy;dissemination characteristics;reduction process;elements distribution state 海砂矿是由火山喷发，经空气海水冷却而形成 海砂矿的X射线衍射分析如图1所示，其矿物 是一种在海滨地带由河流、波浪、潮汐和海流作用而 组成较为简单，金属矿物主要是钛磁铁矿，次为赤 形成的次生富集砂铁矿-习资源储量超千亿吨，主 铁矿、钛铁矿，辉石为主要脉石矿物、扫描电镜 要分布在印尼等“一带一路”沿线国家，是仅次于石 (SEM)照片如图2，可见样品多为表面光滑、形态规 油天然气的第二大海洋资源其主要矿物组成元 则的粒状，少数甚至发育为椭圆状或似圆粒状，粒 素为钒、钛和铁，是一种易开采、低成本的多金属矿 度相对均匀、结构致密.海砂矿粒度组成见表2，呈 产资源，具有极高的综合回收利用价值B6目前仅 现出粒度偏粗且分布集中的特点，0.074mm以上粒 有通过强磁选的方法富集其中的铁，少量用作炼铁辅 级占98.56%，其中0.15mm以上粗粒级为46.42% 料，而重要的钛、钒资源并未得到有效利用？-10 本研究采用的还原剂为神木煤，破碎至150m以 矿石的工艺矿物学特征主要包括化学成分、 下，其工业分析见表3.可知所用还原剂属低挥发分 矿物组成及含量、元素赋存状态、矿物产出形式 无烟煤，水分含量低，固定碳达到75.66% 及嵌布特征等方面信息，是实现矿产资源高效利 -Titanomagnetite 用的基础-6目前，针对典型海砂矿的工艺矿物 ◆-Ilmenite 学研究却鲜有报道.直接还原是将复合金属资源 -Hematite 在固态条件下进行还原，使其中的铁氧化物选择 -Picrite 性地转化为金属铁，而其他元素仍保持氧化物形 态，从而达到分离富集的目的？-四，是实现海砂矿 多组分综合提取利用的可行途径 本文采用化学物相分析、X射线衍射、光学显 微镜、扫描电镜-X射线能谱仪(SEM-EDS)、矿物 解离分析(MLA)等手段对印尼典型海砂矿的矿物 10 20 30 4050 60 70 80 2) 学特征及其固态还原特性进行系统研究，深入讨 图1海砂矿的X射线衍射分析图谱 论了还原过程物相转变机制、矿相结构演化规律 Fig.1 XRD pattern of ironsands 及元素赋存分布特征，以期为海砂矿资源中有价 1 组分的高效回收利用提供基础的科学数据 1原料性质与研究方法 海砂矿样品来自印尼爪哇岛沿印度洋海域， 其化学成分分析如下表1，可见样品中可供回收的 元素主要为铁，其品位达54.48%，Ti02和V205的 质量分数分别为10.88%和0.68%，均可作为综合 利用的对象考虑 图2海砂矿的扫描电镜照片 Fig.2 SEM images of ironsands 表1印尼海砂矿的主要化学成分（质量分数） 表2印尼海砂矿的粒度组成 Table 1 Chemical composition of Indonesia ironsands % Table 2 Size distribution of Indonesia ironsands TFe FeO Fe2O;TiOz V2Os SiO2 Al2O3 Mgo Particle size/mm Mass fraction/% 54.4829.0845.2710.880.684.013.673.68 >0.15 46.42 Cao MnO Na,O K2O P LOI 0.074-0.15 52.14 0.045-0.074 0.78 0.48044 0.079 0.0200.0590.027 0.29 <0.045 0.56

is the main factor affecting the final metallization degree of the reduced samples. With solid state reduction treatment, iron is enriched in the  metal  phase  while  vanadium  and  titanium  elements  are  distributed  in  the  titanium-rich  phase  in  the  slag.  These  create  favorable conditions  for  the  subsequent  separation  and  extraction  process,  which  consequently  lay  a  firm  foundation  for  the  comprehensive utilization of the ironsands. KEY WORDS    Indonesia ironsands；process mineralogy；dissemination characteristics；reduction process；elements distribution state 海砂矿是由火山喷发，经空气/海水冷却而形成， 是一种在海滨地带由河流、波浪、潮汐和海流作用而 形成的次生富集砂铁矿[1−2] . 资源储量超千亿吨，主 要分布在印尼等“一带一路”沿线国家，是仅次于石 油天然气的第二大海洋资源[3−4] . 其主要矿物组成元 素为钒、钛和铁，是一种易开采、低成本的多金属矿 产资源，具有极高的综合回收利用价值[3−6] . 目前仅 有通过强磁选的方法富集其中的铁，少量用作炼铁辅 料，而重要的钛、钒资源并未得到有效利用[7−10] . 矿石的工艺矿物学特征主要包括化学成分、 矿物组成及含量、元素赋存状态、矿物产出形式 及嵌布特征等方面信息，是实现矿产资源高效利 用的基础[11−16] . 目前，针对典型海砂矿的工艺矿物 学研究却鲜有报道. 直接还原是将复合金属资源 在固态条件下进行还原，使其中的铁氧化物选择 性地转化为金属铁，而其他元素仍保持氧化物形 态，从而达到分离富集的目的[17−22] ，是实现海砂矿 多组分综合提取利用的可行途径. 本文采用化学物相分析、X 射线衍射、光学显 微镜、扫描电镜-X 射线能谱仪 (SEM-EDS)、矿物 解离分析 (MLA) 等手段对印尼典型海砂矿的矿物 学特征及其固态还原特性进行系统研究，深入讨 论了还原过程物相转变机制、矿相结构演化规律 及元素赋存分布特征，以期为海砂矿资源中有价 组分的高效回收利用提供基础的科学数据. 1    原料性质与研究方法 海砂矿样品来自印尼爪哇岛沿印度洋海域， 其化学成分分析如下表 1，可见样品中可供回收的 元素主要为铁，其品位达 54.48%，TiO2 和 V2O5 的 质量分数分别为 10.88% 和 0.68%，均可作为综合 利用的对象考虑. 表 1 印尼海砂矿的主要化学成分（质量分数） Table 1   Chemical composition of Indonesia ironsands % TFe FeO Fe2O3 TiO2 V2O5 SiO2 Al2O3 MgO 54.48 29.08 45.27 10.88 0.68 4.01 3.67 3.68 CaO MnO Na2O K2O S P LOI 0.48 0.44 0.079 0.020 0.059 0.027 0.29 海砂矿的 X 射线衍射分析如图 1 所示，其矿物 组成较为简单，金属矿物主要是钛磁铁矿，次为赤 铁矿、钛铁矿，辉石为主要脉石矿物. 扫描电镜 （SEM）照片如图 2，可见样品多为表面光滑、形态规 则的粒状，少数甚至发育为椭圆状或似圆粒状，粒 度相对均匀、结构致密. 海砂矿粒度组成见表 2，呈 现出粒度偏粗且分布集中的特点，0.074 mm 以上粒 级占 98.56%，其中 0.15 mm 以上粗粒级为 46.42%. 本研究采用的还原剂为神木煤，破碎至 150 μm 以 下，其工业分析见表 3. 可知所用还原剂属低挥发分 无烟煤，水分含量低，固定碳达到 75.66%. 10 20 30 40 50 2θ/(°) Intensity Titanomagnetite Ilmenite Hematite Picrite 60 70 80 图 1    海砂矿的 X 射线衍射分析图谱 Fig.1    XRD pattern of ironsands 100 μm 1 2 (1) (2) 图 2    海砂矿的扫描电镜照片 Fig.2    SEM images of ironsands 表 2 印尼海砂矿的粒度组成 Table 2   Size distribution of Indonesia ironsands Particle size/mm Mass fraction/% >0.15 46.42 0.074–0.15 52.14 0.045–0.074 0.78 <0.045 0.56 · 620 · 工程科学学报，第 43 卷，第 5 期

胡兵等：印尼典型海砂矿的工艺矿物学及固态还原特性 621· 表3还原煤的工业分析（质量分数） 由固熔体分离作用析出形成的微细钛铁矿片晶而 Table 3 Proximate analysis of reducing coal % 构成布纹状或网格状结构，片晶宽度多在0.02mm Moisture Volatiles Fixed carbon Ash 以下，部分甚至小于0.0005mm而属亚微米级的范 2.64 10.36 75.66 11.34 畴.与钛铁矿连生者也表现出毗连镶嵌的特征，相 互之间的接触界线普遍较为规则平直（如图6所 按照设定的CFe摩尔比将干燥后的海砂矿与 示)，其余部分则与脉石紧密镶嵌构成不同比例的 还原煤充分混匀，称取100g混合料装入带盖的石 连生体 墨坩埚.待马弗炉内达到预设温度，将装好料的坩 埚置入炉内进行还原，保温至实验设定时间快速 取出，并在煤桶中保护冷却至室温后取样分析检 测.采用金属化率评价样品的还原程度，其计算如 下式(1)所示. 7=MFe/TFe×100% (1) 式中：n为金属化率，%；MFe为还原样品金属铁的 100m 含量，%；TFe为还原样品中铁品位，%. 采用Bruker D8-ADVANCE型X射线衍射分 Mass 析仪(XRD)鉴定海砂矿及其还原产物的物相构成 Element fraction/% 及相对含量.采用Leica DM4500P型偏反两用显 10 Fe 60.16 7.50 微镜，结合搭配能谱分析功能的FEI Quanta-200型 0.54 0 27.30 扫描电子显微镜(SEM-EDS)鉴别海砂矿及其还原 g 2.10 Fe 2.36 产物的形貌特征、矿相结构及微区成分等.采用 FEI MLA650型矿物解离分析系统(MLA)研究矿 物嵌布状态及解离、连生关系 0 3 6 8 1012 14 Energy/keV 2研究结果与讨论 图3致密均匀的板状钛磁铁矿扫描电镜及能谱分析图 Fig.3 SEM-EDS images of dense and uniform plate-shaped 2.1海砂矿的工艺矿物学特征 titanomagnetite 采用MLA结合化学物相对海砂矿的矿物组 成进行定量分析，其矿物种类较为简单，金属矿物 BSE 主要是含83.21%的钛磁铁矿、次为6.93%的赤铁 矿和1.93%的钛铁矿.脉石矿物质量分数较高的 是5.61%辉石，其次为斜长石0.51%，其他矿物包 括石英0.12%，磷灰石0.16%、石榴石0.15%及微 量的黑云母、绿泥石、方解石、蒙脱石等（合计约 026%).可见海砂矿样品为纯度较高的钛磁铁矿， 杂质含量低 对主要目的矿物钛磁铁矿的嵌布特征进行系 统研究，由于风化、搬运和磨蚀作用其多为规则的 AC:2000x HV 200KV WD:101mm 粒状，少数呈椭圆状，粒度较均匀（除个别粗者可 至0.45mm左右，一般在0.04~0.3mm之间).钛 磁铁矿最常见的赋存状态如下图3所示，呈现致 密均匀的板状结构，其中Ti、V质量分数分别在 5%和0.6%左右.总体来看，样品中绝大部分钛磁 30μm 铁矿均呈单体粒状（见图3）或铁的富连生体产出， 因4钛磁铁矿(M)与钛铁矿()交错分布扫描电镜图及元素面扫描图 二者合计分布率约占钛磁铁矿总量的95%，偶与 Fig.4 SEM image and map scanning of titanomagnetite (M)and 钛铁矿交生（见图4，图5），部分晶粒内部因包含 ilmenite(Il)cross distribution

表 3 还原煤的工业分析（质量分数） Table 3   Proximate analysis of reducing coal % Moisture Volatiles Fixed carbon Ash 2.64 10.36 75.66 11.34 按照设定的 C/Fe 摩尔比将干燥后的海砂矿与 还原煤充分混匀，称取 100 g 混合料装入带盖的石 墨坩埚. 待马弗炉内达到预设温度，将装好料的坩 埚置入炉内进行还原，保温至实验设定时间快速 取出，并在煤桶中保护冷却至室温后取样分析检 测. 采用金属化率评价样品的还原程度，其计算如 下式（1）所示. η = MFe/TFe×100% （1） 式中：η 为金属化率，%；MFe 为还原样品金属铁的 含量，%；TFe 为还原样品中铁品位，%. 采用 Bruker D8-ADVANCE 型 X 射线衍射分 析仪（XRD）鉴定海砂矿及其还原产物的物相构成 及相对含量. 采用 Leica DM 4500P 型偏反两用显 微镜，结合搭配能谱分析功能的 FEI Quanta-200 型 扫描电子显微镜（SEM-EDS）鉴别海砂矿及其还原 产物的形貌特征、矿相结构及微区成分等. 采用 FEI MLA650 型矿物解离分析系统（MLA）研究矿 物嵌布状态及解离、连生关系. 2    研究结果与讨论 2.1    海砂矿的工艺矿物学特征 采用 MLA 结合化学物相对海砂矿的矿物组 成进行定量分析，其矿物种类较为简单，金属矿物 主要是含 83.21% 的钛磁铁矿、次为 6.93% 的赤铁 矿和 1.93% 的钛铁矿. 脉石矿物质量分数较高的 是 5.61% 辉石，其次为斜长石 0.51%，其他矿物包 括石英 0.12%，磷灰石 0.16%、石榴石 0.15% 及微 量的黑云母、绿泥石、方解石、蒙脱石等（合计约 0.26%）. 可见海砂矿样品为纯度较高的钛磁铁矿， 杂质含量低. 对主要目的矿物钛磁铁矿的嵌布特征进行系 统研究，由于风化、搬运和磨蚀作用其多为规则的 粒状，少数呈椭圆状，粒度较均匀（除个别粗者可 至 0.45 mm 左右，一般在 0.04～0.3 mm 之间）. 钛 磁铁矿最常见的赋存状态如下图 3 所示，呈现致 密均匀的板状结构，其中 Ti、V 质量分数分别在 5% 和 0.6% 左右. 总体来看，样品中绝大部分钛磁 铁矿均呈单体粒状（见图 3）或铁的富连生体产出， 二者合计分布率约占钛磁铁矿总量的 95%，偶与 钛铁矿交生（见图 4，图 5），部分晶粒内部因包含 由固熔体分离作用析出形成的微细钛铁矿片晶而 构成布纹状或网格状结构，片晶宽度多在 0.02 mm 以下，部分甚至小于 0.0005 mm 而属亚微米级的范 畴. 与钛铁矿连生者也表现出毗连镶嵌的特征，相 互之间的接触界线普遍较为规则平直（如图 6 所 示），其余部分则与脉石紧密镶嵌构成不同比例的 连生体. 100 μm H M 0 0 2 Ca Ca Ti Ti V V Fe Fe Si Al Mg Fe V O 4 6 8 Energy/keV Intensity Element Mass fraction/% Fe 60.16 Ti 7.50 V 0.54 O 27.30 Mg 2.10 Al 2.36 10 12 14 5 10 图 3    致密均匀的板状钛磁铁矿扫描电镜及能谱分析图 Fig.3     SEM-EDS  images  of  dense  and  uniform  plate-shaped titanomagnetite BSE M Il Ti 30 μm Fe 30 μm 30 μm 图 4    钛磁铁矿（M）与钛铁矿（Il）交错分布扫描电镜图及元素面扫描图 Fig.4     SEM  image  and  map  scanning  of  titanomagnetite  (M)  and ilmenite (Il) cross distribution 胡    兵等： 印尼典型海砂矿的工艺矿物学及固态还原特性 · 621 ·

622 工程科学学报，第43卷，第5期 100m MAG:600 x HV:20.0 kV WD:10.1 mm 20μm 100Hm 100m 图5钛磁铁矿(M)与极微细钛铁矿网格状嵌布的扫描电镜图及元 图6钛磁铁矿(M)与板片状钛铁矿()边缘嵌连的扫描电镜图及元 素面扫描图 素面扫描图 Fig.5 SEM image and map scanning of titanomagnetite (M)and ultra Fig.6 SEM image and map scanning of titanomagnetite (M)and plate- fine ilmenite grid distribution shaped ilmenite(Il)edge distribution 为查明钛磁铁矿的化学成分特点，采用扫描 采用MLA对样品中铁矿物（包括钛磁铁矿和 电镜对其进行了能谱微区成分统计分析，样品中 赤铁矿)和钛铁矿的解离度进行了测定（列于表4）， 钛磁铁矿的化学成分并不十分稳定，主要表现在 铁矿物和钛铁矿连生体与嵌连矿物的比例见表5. 普遍含Ti02较高，质量分数高者可达1820%，低 可知，海砂矿中呈单体产出的铁矿物和钛铁矿分 者为7.16%，平均含Fe048l.43%(换算成TFe= 别占76.62%和62.35%，加上富连生体，分别为 58.92%)、Ti0211.23%、V2050.78%、A12033.53% 97.90%和95.19%.与铁矿物嵌连关系密切的矿物 根据样品中钛磁铁矿晶粒内部微细钛铁矿片晶不 主要是辉石，次为钛铁矿、长石和磷灰石，而与钛 铁矿连生的矿物主要是铁矿物，其次是辉石 甚发育的特点以及钒钛磁铁矿矿床的形成规律， 可以推断样品中V2O5绝大部分是以类质同像的 表4海砂矿中主要目的矿物的解离度 形式赋存于钛磁铁矿晶格中，同时亦有相当部分 Table 4 Liberation degree of main target minerals in ironsand 的TiO,也是以这种形式存在3-24因此，钛磁铁 Intergrowth particles/% Mineral Single particle/ 矿晶粒内部TiO2含量较高是影响铁精矿品位的最 >3/43/4-1/21/2-1/4<1/4 主要因素，难以通过机械选矿方法使其中TO2, Magnetite 76.62 21.28 1.06 0.700.34 V2O5的含量得到有效的降低 Ilmenite 62.35 32.841.20 1.332.28 表5钛磁铁矿和钛铁矿连生体与嵌连矿物的比例（质量分数） Table 5 Intergrowth minerals ratios of titanomagnetite and ilmenite % Mineral Magnetite Ilmenite Rutile Picrite Quartz Feldspar Phosphorite Others Magnetite 13.73 4.88 43.99 2.98 13.83 10.55 10.04 Ilmenite 67.34 3.47 10.83 0.51 328 7.47 7.10 前已述及，样品中主要有益元素是铁、钛和钒，为 可见，海砂矿中铁主要集中分布在钛磁铁矿中，次为 查明样品中上述有益元素的分布规律，根据主要矿物 赤铁矿，分布率分别为89.79%和7.87%，合计为 的质量分数以及矿物中铁、钛、钒的含量，对样品中 97.66%;钛的赋存形式略为分散，存在于钛磁铁矿中 铁、钛、钒元素进行了分布平衡概算，结果分别见表6 的Ti02占85.42%，而分布于赤铁矿和钛铁矿中的

BSE M Ti 20 μm Fe 20 μm 20 μm 图 5    钛磁铁矿（M）与极微细钛铁矿网格状嵌布的扫描电镜图及元 素面扫描图 Fig.5    SEM image and map scanning of titanomagnetite (M) and ultra fine ilmenite grid distribution 为查明钛磁铁矿的化学成分特点，采用扫描 电镜对其进行了能谱微区成分统计分析，样品中 钛磁铁矿的化学成分并不十分稳定，主要表现在 普遍含 TiO2 较高，质量分数高者可达 18.20%，低 者 为 7.16%，平均 含 Fe3O4 81.43%（换算 成 TFe  = 58.92%） 、 TiO2 11.23%、 V2O5 0.78%、 Al2O3 3.53%. 根据样品中钛磁铁矿晶粒内部微细钛铁矿片晶不 甚发育的特点以及钒钛磁铁矿矿床的形成规律， 可以推断样品中 V2O5 绝大部分是以类质同像的 形式赋存于钛磁铁矿晶格中，同时亦有相当部分 的 TiO2 也是以这种形式存在[23−24] . 因此，钛磁铁 矿晶粒内部 TiO2 含量较高是影响铁精矿品位的最 主要因素，难以通过机械选矿方法使其中 TiO2， V2O5 的含量得到有效的降低. 采用 MLA 对样品中铁矿物（包括钛磁铁矿和 赤铁矿）和钛铁矿的解离度进行了测定（列于表 4）， 铁矿物和钛铁矿连生体与嵌连矿物的比例见表 5. 可知，海砂矿中呈单体产出的铁矿物和钛铁矿分 别 占 76.62% 和 62.35%，加上富连生体 ，分别 为 97.90% 和 95.19%. 与铁矿物嵌连关系密切的矿物 主要是辉石，次为钛铁矿、长石和磷灰石，而与钛 铁矿连生的矿物主要是铁矿物，其次是辉石. 表 4 海砂矿中主要目的矿物的解离度 Table 4   Liberation degree of main target minerals in ironsand Mineral Single particle/% Intergrowth particles/% >3/4 3/4–1/2 1/2–1/4 <1/4 Magnetite 76.62 21.28 1.06 0.70 0.34 Ilmenite 62.35 32.84 1.20 1.33 2.28 表 5 钛磁铁矿和钛铁矿连生体与嵌连矿物的比例（质量分数） Table 5   Intergrowth minerals ratios of titanomagnetite and ilmenite % Mineral Magnetite Ilmenite Rutile Picrite Quartz Feldspar Phosphorite Others Magnetite 13.73 4.88 43.99 2.98 13.83 10.55 10.04 Ilmenite 67.34 3.47 10.83 0.51 3.28 7.47 7.10 前已述及，样品中主要有益元素是铁、钛和钒，为 查明样品中上述有益元素的分布规律，根据主要矿物 的质量分数以及矿物中铁、钛、钒的含量，对样品中 铁、钛、钒元素进行了分布平衡概算，结果分别见表 6. 可见，海砂矿中铁主要集中分布在钛磁铁矿中，次为 赤铁矿 ，分布率分别为 89.79% 和 7.87%，合计为 97.66%；钛的赋存形式略为分散，存在于钛磁铁矿中 的 TiO2 占 85.42%，而分布于赤铁矿和钛铁矿中的 BSE M Il Ti 100 μm Fe 100 μm 100 μm 图 6    钛磁铁矿（M）与板片状钛铁矿（Il）边缘嵌连的扫描电镜图及元 素面扫描图 Fig.6    SEM image and map scanning of titanomagnetite (M) and plate￾shaped ilmenite (Il) edge distribution · 622 · 工程科学学报，第 43 卷，第 5 期