海砂矿的基础特性及综合利用发展方向

2020-04-21 10:27:44 作者:huangj 来源: 浏览次数:0 网友评论 0

海砂矿的基础特性及综合利用发展方向
 谢志诚1,胡  兵2,3,师本敬2,3,胡佩伟1

1.武汉科技大学资源与环境工程学院2. 中冶长天国际工程有限责任公司

3. 国家烧结球团装备系统工程技术研究中心

海砂矿主要来源于火山岩,是火山喷发出的岩浆被海水冲刷后由河流、潮汐和海流作用而形成的次生富集铁砂矿。海砂矿在浅海矿产资源中,其经济价值仅次于石油天然气,居第二位。在已探明具有工业开发价值的矿产资源储量中海砂矿占有相当重要的位置,基础储量超千亿吨,主要分布在印度尼西亚、新西兰、澳大利亚、菲律宾等滨海国家。

海砂矿属于多金属伴生矿,通常含有钛磁铁矿、金红石、钛铁矿、赤铁矿等金属矿物,含锆石、独居石、锡石等稀有矿物。其中,锆石、独居石、锡石、金红石都得到了规模化开采,而最大比例的且含钒的钛磁铁矿一直未得到有效利用。随着铁矿石开发的逐步扩展和钒、钛价值的不断攀升,储量丰富、开采成本低廉、来源稳定的海砂矿已成为钒、钛资源的重要组成部分,特别是钛、钒、铁资源综合利用价值高的海砂矿,愈来愈受到各国的青睐。

1    钛、铁、钒资源状况及市场

1.1  钛资源状况及市场

2018年世界钛矿总储量约为9.2亿吨(以下均以TiO2含量计算),其中,钛铁矿储量为8.8亿吨,主要分布于中国、澳大利亚、印度、印尼、南非、莫桑比克等国;金红石(包括锐钛矿)储量6200万吨,主要集中于澳大利亚、南非、印度、莫桑比克、马来西亚和美国等国。世界钛矿资源以钛铁矿为主,约占世界钛矿物消费的89%,其余来自金红石、锐钛矿、钛矿渣等。

截至2018年,我国钛矿储量12833.2万吨,其中原生钛(磁)铁矿占钛矿查明资源储量总量的93.0%,钛铁砂矿占4.2%,优质金红石资源仅占2.8%。虽然我国有丰富的原生钛铁矿资源,但金红石探明储量不多,且多为原生矿,品位相对较低,开发条件不理想,而原生钛铁矿的开发利用受其主矿产铁矿开发利用的制约,产量也难以大幅增长,导致我国钛矿原料生产不能满足国内需求,近年来我国钛矿砂及其精矿进口量持续增长,钛矿原料对外依存度近50%。2018年,我国钛矿的生产量约为420万吨,进口量为312万吨,产业结构由过去的化工、冶金等中低端行业逐步转向航空航天、医疗和环保等中高端行业,海绵钛进口量较2017年(4918吨)增长了27.9%,出口量则减少了34.5%,这也反映出国内因高端需求的增长,对国外高端海绵钛的需求出现爆发式增长[1]。

海砂矿是一种重要的钛资源,根据有关数据,海砂矿资源的钛含量占世界钛资源储量的50%左右。海砂矿的资源综合利用能够有效填补我国钛资源原料生产的短缺。

1.2     铁资源状况及市场

世界钢铁协会发布的2019年-2020年钢铁需求预测报告显示,2019年全球钢铁需求将达到17.35亿吨,同比增长1.3%。2020年,全球钢铁需求将增长1.0%,达到17.52亿吨,这将有利于中国的钢铁出口。长期以来,四大矿山—淡水河谷、必和必拓、力拓和FMG铁矿石产量占全球的一半左右,预计2019年四大矿山铁矿石产量为10.46-10.95亿吨,且基本维持稳定,在全球已经形成寡头垄断供给格局,对铁矿石的价格形成绝对的话语权。受铁矿石价格波动的影响,钢材价格震荡很大,因此,亟需稳定铁矿石来源,保障铁矿石供需,获取铁矿石价格话语权,而千亿吨海砂矿的开发利用将是铁原料的重要来源。

 

1.1     钒资源状况及市场

截至2018年末,全球钒金属储量约6300万吨,其中钒矿储量(已认定的钒资源中符合当前采掘和生产要求的部分)约为2028万吨。全球99%以上的钒矿储量集中在中国、俄罗斯、南非及澳大利亚,其中,中国占据第一位,储量为950万吨。目前,世界钒产品原料绝大部分来自于钒钛磁铁矿。据统计,2018年约68%的钒来自于钒钛磁铁矿经钢铁冶金加工得到的富钒钢渣及少量富磷钒渣。

2018年世界钒总产量为91844吨,同比增长14.06%,我国钒产量占世界钒产量的54%,居世界第一,但受国外钒渣停止进口、V2O5对外加工产量归零及环保限产和钢铁去产能影, 2018年我国钒产量同比下降约8%,2018年全球钒消费量为94950 t,同比提高9.4%,消费量连续两年增长,从全球钒消费结构看,钢铁依然是钒的主要消费领域,约有85%的钒用于冶金行业,我国钒矿市场产量、消费量持续上涨,从2000年开始,我国钒矿向全球大量出口,进口很少[2]。

2    海砂矿工艺矿物学特性

以某印尼海砂矿为例,研究其化学成分、矿物组成和嵌布特征,以分析海砂矿综合利用的可用模式。

2.1  矿石的化学成分

印尼海砂矿的化学成分如表2所示。可知,该海砂矿是一种低硫低磷含钒钛的磁铁矿铁精矿,主要有用成分为Ti、 Fe和V,其中TFe含量为54.27%,TiO2含量为10.88%,V2O5含量为0.68%。主要杂质成分为Al2O3、SiO2和MgO,三者合计量为11.36%,有害杂质P、S含量都很低,远低于铁精矿质量标准(S≤0.1%,P≤0.2%)。

 

由于TiO2、V2O5、MgO、Al2O3主要是以类质同像的形式赋存在钛磁铁矿晶格中,或呈微细的固熔体析出物与钛磁铁矿紧密镶嵌,因此,这些组分的存在是影响铁精矿品位的最主要因素,而且不可能通过机械选矿工艺使它们得到有效的降低或富集。

印尼海砂矿中铁和钛的化学物相分析如表3和表4所示。由表3可知,样品中铁的赋存形式相对较为简单,呈钛磁铁矿产出的铁占91.30%,其余部分主要以赤(褐)铁矿、钛铁矿和含铁硅酸盐矿物的形式存在,分布率分别为1.59%、4.81%和2.08%,显然前者即为采用弱磁选工艺进一步富集样品中铁矿物时铁的最大理论回收率;由表4可知,样品中钛主要分布于钛磁铁矿中,所占比例高达89.89%,而呈钛铁矿产出的TiO2仅占8.18%,可见分选过程中存在于钛磁铁矿中的TiO2将进入弱磁选铁精矿。

 

2.2    矿石的矿物组成和嵌布特征

经X射线衍射分析和MLA(矿物参数自动分析系统)测定,印尼海砂矿中主要矿物定量分析如表5所示。可见,该矿石中样品的主要组成矿物种类较为简单,其中钛磁铁矿物含量最高,含量为83.21%;此外还有6.93%的赤铁矿和1.87%的钛铁矿,脉石矿物含量最高的是辉石,含量为5.61%,此外还有斜长石、石榴石、蒙脱石、磷灰石等其他矿物,合计含量为2.38%。

 

对印尼海沙矿中主要矿物进行了镜下(SEM)观察,其主要矿物嵌布情况如图1所示。由图1可知,印尼海沙矿中绝大部分钛磁铁矿均呈单体粒状或铁的富连生体产出,其中部分钛磁铁矿已发生不同程度的假象赤铁矿化,主要表现为不规则状赤铁矿沿钛磁铁矿边缘、晶面或裂隙交代,此外还有少量与脉石紧密镶嵌构成不同比例的连生体;赤铁矿主要是由钛铁矿经赤铁矿化蚀变形成的,其表现形式是赤铁矿呈微细的脉状、针线状、星点状或不规则状沿钛铁矿的边缘、解理或表面交代,个别交代强烈的晶粒中虽然不含钛铁矿残余;钛铁矿主要以呈微细的片状微晶作为固熔体析出物分布在部分钛磁铁矿晶粒中、作为次生变化不完全的交代残余与赤铁矿紧密镶嵌等形式产出。

 
 Ⅱ-钛铁矿,M-钛磁铁矿,H-赤铁矿(含假象赤铁矿)
       根据印尼海砂矿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,可以推断不仅样品中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的,因此可以认为,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,不可能通过机械选矿工艺流程使铁精矿中铁钛的含量得到有效的降低,同时也不可能使其中V2O5的含量得到进一步的富集提高。

      3 海砂矿利用的发展方向
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