内蒙古白云鄂博铁矿床稀土元素赋存状态及分选工艺研究

1 引言

白云鄂博铁矿床是世界著名的超大型铁-稀土-铌多金属矿床，不仅是我国重要的铁矿资源基地，也是全球最大的稀土资源宝库。其稀土储量大，稀土元素种类多，是现代工业不可缺少的战略因素。但该矿床矿物组成复杂，稀土元素赋存状态多样，对稀土资源的高效分选带来了极大困难。对稀土元素赋存状态及优化分选工艺进行深入研究，对提高稀土资源利用率，推进我国稀土产业可持续发展具有深远意义。

2 矿床地质概况

2.1 区域地质背景

白云鄂博铁矿床地处内蒙古自治区包头市白云鄂博矿区，华北板块北缘西段。区域上经历了多期次构造运动，构造格局复杂，为矿床的形成提供了有利的地质条件。地层主要由中元古界渣尔泰群、白云鄂博群以及古生界地层组成。其中，白云鄂博群是矿床的主要赋矿地层，岩性主要包括白云质大理岩、板岩、石英岩等。

2.2 矿床地质特征

白云鄂博铁矿床呈近东西向展布，矿体规模巨大，形态复杂，主要呈层状、似层状产出。矿石类型多样，主要包括氧化矿和原生矿。氧化矿主要由赤铁矿、磁铁矿、假象赤铁矿等铁矿物以及氟碳铈矿、独居石等稀土矿物组成；原生矿则以磁铁矿、磁黄铁矿等铁矿物和氟碳铈矿、独居石等稀土矿物为主，伴有大量的脉石矿物，如白云石、萤石、磷灰石等。

3 稀土元素赋存状态

3.1 主要稀土矿物

3.1.1 氟碳铈矿

氟碳铈矿是白云鄂博铁矿床中最主要的稀土矿物之一，其化学成分为（Ce，La）CO3F。通过扫描电镜及能谱分析发现，氟碳铈矿常以自形-半自形晶产出，晶体形态多样，常见柱状、板状等。在矿石中，氟碳铈矿主要以星散状、不规则粒状集合体形式嵌布于脉石矿物中，部分与铁矿物共生。其稀土元素含量较高，其中Ce、La、Pr、Nd 等轻稀土元素占比较大，约占总稀土含量的80%以上。

3.1.2 独居石

独居石也是重要的稀土矿物，化学式为（La，Ce，Th）PO4。独居石多呈他形粒状，粒度相对较细，常呈粒状或椭粒状嵌布在脉石矿物中，与氟碳铈矿的嵌布特征有相似之处。其稀土元素组成中，轻稀土元素同样占据主导地位，但Th 元素含量相对较高，这也是独居石区别于其他稀土矿物的重要特征之一。

3.2 稀土元素在脉石矿物中的赋存

除了主要的稀土矿物外，白云鄂博铁矿床中的脉石矿物，如白云石、萤石、磷灰石等，也含有一定量的稀土元素。研究表明，稀土元素在脉石矿物中主要以类质同象形式存在。例如，在白云石晶体结构中，部分 Ca2+ 被稀土离子所替代，从而使白云石中含有少量的稀土元素。通过电子探针分析，在萤石和磷灰石中也检测到了稀土元素的存在，但其含量相对较低，且分布较为分散。

.3 稀土元素与铁矿物的关系

在白云鄂博铁矿床中，稀土元素与铁矿物存在密切的共生关系。一方面，部分稀土矿物与铁矿物紧密嵌布，如氟碳铈矿和独居石常与磁铁矿、赤铁矿等共生在一起，形成复杂的矿物集合体。另一方面，在铁矿物的晶格中，也可能存在少量的稀土元素以类质同象形式替代铁离子。这种共生关系增加了稀土元素分选的难度，使得在铁矿物分选过程中，稀土元素容易随铁矿物一起进入铁精矿，导致稀土资源的流失。

4 分选工艺现状

4.1 传统选矿工艺

4.1.1 磁选

磁选工艺依托矿物磁性差异实现分离。白云鄂博铁矿床矿石中磁铁矿磁性强度为 4.8×10^- ⁴ ～5.2×10^- ⁴T，采用湿式弱磁选机进行分选，设备磁场强度控制在 0.1～0.2T 。分选过程中，矿浆浓度维持在 25%～30% ，通过滚筒式磁选机的旋转，强磁性磁铁矿颗粒被吸附于滚筒表面，随滚筒转动脱离矿浆流后进入精矿槽，非磁性脉石矿物则随矿浆流入尾矿槽。一次铁精矿铁品位稳定在 62%～65% ，其中稀土氧化物含量约 0.8%～1.2% ，主要以氟碳铈矿包裹体形式存在。一次铁精矿再磨作业采用球磨机，磨矿介质为Φ50mm 钢球，填充率 45%～ 50% ，磨矿时间控制在 15～20min ，使矿物单体解离度提升至 85%l 以上。再选阶段采用高梯度磁选机，磁场强度调至 0.8～1.0T ，可进一步降低铁精矿中稀土杂质含量至 0.3%～0.5% 。磁选尾矿经分级处理后，-200 目粒级占比达 60%～70% ，稀土氧化物含量从原矿的 3%～5% 富集至 8%～12% ，为后续稀土分选提供原料。

4.1.2 浮选

浮选工艺通过调整矿浆pH 值至8~9，添加水玻璃作为脉石抑制剂，用量为 800～1000g/t 。氟碳铈矿分选采用油酸作为捕收剂，用量 500～600g/t ，辅助以2#油作为起泡剂，用量 50～80g/t 。药剂添加顺序为：水玻璃→油酸→2#油，搅拌时间分别为3min、5min、2min。浮选槽矿浆温度控制在25~30℃，充气量为 0.8～1.2m³/(m² ・min）。磁选尾矿进入粗选作业，经1 次粗选获得稀土粗精矿，稀土氧化物品位 15%～20% ，回收率 65%～70% 。粗精矿进入精选作业，采用阶段加药方式，每次精选补加水玻璃 300～400g/t 、油酸 100～150g/t ，经3～4 次精选后，稀土精矿品位提升至 50%～55% 。精选过程中，萤石对油酸的吸附量达 12～15mg/g ，导致药剂有效利用率降低 30%～40% ，磷灰石表面吸附的药剂形成竞争性抑制，使稀土回收率下降 5%～8% 。

4.1.3 重选

重选工艺采用摇床与螺旋溜槽联合流程。磁选尾矿先进入螺旋溜槽，设备直径 600mm ，螺距250mm，矿浆浓度控制在 18%～22% ，通过重力沉降与离心力作用，密度大于 4.0g/cm³ 的稀土矿物颗粒富集于溜槽内侧，进入富集产物槽，密度较小的石英、白云石等脉石矿物从外侧排出。螺旋溜槽富集产物稀土氧化物含量达 10%～ 15% ，产率占原矿的 8%～12% 。富集产物进入摇床分选，摇床冲程 16～20mm ，冲次 300～350 次/min，横向坡度 1.5^∘ ～2.0^∘ °。分选过程中，矿浆沿床面流动，稀土矿物因密度较大 (4.7～5.2g/cm³ ）沉积于床面精矿区，脉石矿物则随水流进入尾矿区。重选精矿稀土氧化物品位可达 20%～25% ，但-38 μm 细粒级稀土矿物回收率仅为35%～40% 。与浮选工艺相比，重选药剂消耗降低 80% ，但对粒度大于 0.1mm 的稀土矿物分选效率较低，仅为50%～60% 。

4.2 联合选矿工艺

磁选-浮选联合工艺采用三段磁选与两段浮选的组合流程。第一段磁选处理原矿，铁精矿产率 25%～30% ；第二段磁选处理粗精矿，铁精矿品位提升至 67%～68%: ；第三段磁选处理中矿，回收铁矿物资源。浮选系统由1粗2 扫3 精组成，粗选尾矿经两次扫选后，稀土总回收率提高至 75%～80% 。磁选-重选-浮选联合工艺中，重选作业设置于磁选与浮选之间。磁选尾矿先经螺旋溜槽预富集，丢弃 40%～4 5%的低品位尾矿，再将富集产物进行浮选。该工艺可减少浮选药剂用量 20%～25% ，但流程长度增加 15%～20% 。生产数据显示，联合工艺铁精矿综合回收率达 78%～82% ，稀土精矿回收率 65%～70% ，较单一磁选工艺稀土回收率提升 20～25 个百分点。联合工艺设备配置包括： Φ3.2×4.5m 球磨机 2 台、 Φ1.2m×2.4m 弱磁选机4 台、6-S 型摇床6 台、XCF 型浮选机12 槽。矿浆输送采用Φ150mm 渣浆泵，扬程 30～40m ，流量 80～100m³/h 。工艺运行中，矿浆pH 值波动范围控制在 ±0.5 ，浮选药剂配比偏差不超过 5% ，否则会导致稀土精矿品位波动 2%～3% 。联合工艺吨矿水耗为 8～ 10m³ ，电耗35~40kW・h，较单一工艺增加5~8kW・h。设备运转率方面，磁选机达 90%～95% ，浮选机达 85%～

90% ，重选设备因易堵塞运转率较低，为 75%～80% 。生产实践表明，联合工艺对原矿品位波动适应性较强，当原矿稀土品位变化 ±0.5%HH ，精矿品位波动可控制在±1%以内。

4.3 新型分选技术探索

4.3.1 生物选矿

采用氧化亚铁硫杆菌进行稀土矿物表面改性试验。菌种培养温度控制在 30±1^∘C ，pH 值 2.0~2.5，摇床转速150r/min，接种量 10%～15% 。细菌在稀土矿物表面的吸附量达 1.2×10⁸ 个/cm²，作用48h 后，氟碳铈矿表面接触角从65°增至 82^∘ ，独居石接触角从 60^∘ 增至 78^∘ ，而白云石接触角变化小于 5^∘ 。生物预处理后的矿样进行浮选试验，捕收剂用量减少 30%～40% ，稀土精矿品位提高 3%～5% 。但细菌培养周期长达 7～10d，且对矿浆pH 值敏感，当pH 值高于 3.0 时，细菌活性降低 50% 以上。在连续试验中，生物反应器的矿浆处理量仅为0.5m³/h ，难以满足工业化生产需求。目前研究聚焦于基因工程菌构建，通过导入稀土离子转运基因，可使细菌对稀土矿物的选择性吸附能力提升 20%～30% 。

4.3.2 电场和磁场协同分选

采用卧式电选-磁选联合设备，电场强度控制在 15~20kV/cm，磁场强度 0.5～0.6T, 。矿粒经振动给料机进入分选腔，在复合场作用下，稀土矿物因介电常数较高（8~12）被电场极化，同时受磁场微弱作用（顺磁性），向正极板方向运动；铁矿物受强磁场吸引向磁辊方向移动；脉石矿物则沿直线轨迹下落。分选过程中，矿粒速度控制在 0.8～1.0m/s ，温度保持在25~30℃，相对湿度低于 60% 。对- ⋅74μm 粒级矿物，稀土与铁矿物的分离效率达 85%～90% ，较单一磁选提高15～20个百分点。设备极板间距为50～60mm，磁辊直径300mm，转速30~40r/min。但设备对矿浆含水率要求严格，需将矿样干燥至水分含量低于 5% ，增加了能耗成本。目前中试设备处理能力为2～3vh ，设备投资是常规磁选机的 3~4 倍。

5 分选工艺存在的问题及改进方向

5.1 存在的问题

5.1.1 矿物嵌布关系复杂导致分选难度大

白云鄂博铁矿床中稀土矿物与铁矿物、脉石矿物的嵌布呈现多尺度交织特征。稀土矿物既以独立颗粒形式分布，又常与其他矿物形成连生体，部分微细粒稀土矿物以包裹体形态赋存于铁矿物或脉石矿物内部。矿物粒度分布跨度大，从粗粒集合体到微细粒分散体均有存在，常规磨矿过程中，难以使不同嵌布特征的稀土矿物同时达到单体解离。未完全解离的连生体进入分选环节后，会导致目的矿物损失或杂质混入，直接影响分选指标的稳定性。

5.1.2 浮选药剂选择性差

当前用于稀土浮选的药剂体系对稀土矿物与脉石矿物的识别能力有限。脉石矿物中的萤石、磷灰石等在表面电荷、亲水性等物理化学性质上与稀土矿物重叠，导致捕收剂作用过程中缺乏特异性吸附。同时，药剂在矿浆中易发生非选择性吸附，药剂吸附在稀土矿物表面和脉石矿物表面，降低了药剂的有效利用率。这种非选择性吸附使精矿品位的提高与回收率都随着降低而降低，很难实现两者的协同提升。同时，部分药剂成分在自然环境中的降解极慢，长期使用将对周边生态环境产生累积影响。

5.1.3 联合工艺流程复杂，成本高

由于现有联合选矿工艺由多个分选单元串联组成，各单元之间需要配套的矿浆输送、缓冲及调控环节，整体流程冗长。流程复杂，延长了矿浆在系统内的滞留时间，提高了目标矿物的损失风险。由于不同的工艺单元对设备性能要求不同，需要配置不同类型的设备，初期设备投入大。生产过程中各环节能耗、药剂消耗叠加，综合运行成本上升。流程的复杂性还增加了操作参数的调控难度，易因局部参数波动引起连锁反应，影响整体生产效率。

5.2 改进方向

5.2.1 强化磨矿分级工艺

根据矿物嵌布特征，优化磨矿分级系统的协同。采用新型磨矿设备，通过优化磨矿介质运动方式，对不同嵌布粒度矿物进行针对性破碎。改进分级工艺，构建多段分级体系，通过细筛与水力旋流器的组合应用，对磨矿产品进行按粒级划分，确保进入分选环节的矿浆粒度分布均匀。通过磨矿与分级的联动调控，减少过磨现象，使稀土矿物在实现充分单体解离的同时，避免细泥对后续分选的干扰。

5.2.2 研发新型浮选药剂

基于稀土矿物与脉石矿物表面化学性质的差异，开展药剂分子结构设计。通过改变药剂活性基团的种类和排列方式，增强其与稀土矿物表面的特异 性结合 降低对脉石 矿物的吸附作用。开发低毒性的药剂成分，选用可生物降解的基础原料，减少药剂使 环境负荷。研究不同药剂组分的复配方案，通过组分间的协同作用提升捕收性能和选择性，优化药剂添加顺序和作用条件，构建适配复杂矿石性质的药剂体系。

5.2.3 优化联合工艺及设备

对现有联合工艺进行系统梳理，剔除冗余环节，简化矿浆流转路径。通过工艺单元的集成化设计，减少设备数量和矿浆输送距离。提升设备的自动化控制水平，实现各环节参数的实时监测与联动调节，减少人为操作干预。探索新型工艺组合模式，将生物选矿、电场和磁场协同分选等技术与传统分选工艺有机融合，通过工艺互补提升分选效率。优化设备布局和运行参数，降低单位处理量的能耗和药剂消耗，提高生产过程的连续性和稳定性。

6 结论

内蒙古白云鄂博铁矿床稀土元素赋存状态复杂，主要以氟碳铈矿、独居石等稀土矿物形式存在，同时在脉石矿物和铁矿物中也有一定程度的赋存。 艺包括传统的磁选、 浮选、重选以及联合选矿工艺，在实际生产中取得了一定的效果，但仍 浮选药剂选择性差、联合工艺流程复杂成本高等问题。为提高稀土资源的分选效率 研发新型浮选药剂、优化联合工艺及设备等方面入手，不断改进和创新分选技术。 未来，随着对白云 矿床稀土元素赋存状态及分选工艺研究的深入，有望实现稀土资源的高效、绿色开发与利用，为我国稀土产业的可持续发展提供有力保障。

参考文献

[1]杨志爽, 黄小文, 孟郁苗, 谭侯铭睿, 谭茂, 高英辉, 张鑫. 中国铁矿床伴生关键金属：基本特征、分布规律及资源潜力[J]. 矿床地质, 2024, 43 (02): 319-338.

[2]郑赛泽. 白云鄂博稀土—铌—铁矿床萤石的成分标型和流体包裹体特征[D]. 中国地质大学(北京), 2023.

[3]A.FERDOWSI, H.YOOZBASHIZADEH. 硝酸浸出铁矿废渣磷灰石中铈、镧、钕稀土元素的工艺参数优化及其动力学（英文）[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2017, 27 (02): 420-428.

[4]王雯, 柴凤梅, 孟庆鹏, 王海培. 新疆百灵山铁矿床石榴石稀土元素地球化学特征研究[J]. 矿物学报,2015, 35 (S1): 726-727.

[5]张立成, 王义天, 陈雪峰, 马世青. 东天山红云滩铁矿床稀土元素特征与成因探讨[J]. 矿床地质, 2012, 31(S1): 159-160.

作者简介：

王子琛（1994.07-），男，汉族，保定人，本科，助理工程师，研究方向：地质勘查技术。