鉄鉱石選鉱の最適化：効率的製鋼への道

鉄鉱石の選鉱

鉄鉱石は、採掘・処理後に鉄鋼生産の原料となる鉱物です。主要な鉄鉱石は通常、Fe₂O₃（ヘマタイト、鉄含有率70%）またはFe₃O₄（マグネタイト、鉄含有率72%）を含みます。鉱石は通常、不要な脈石物質を伴っています。鉄鉱石の品位は通常、鉱石中の総Fe含有量で決まります。乾式または湿式粒度分級後の鉱山原鉱で、通常62%以上のFeを含むものは「天然鉱石」または「直接出荷鉱石（DSO）」と呼ばれ、製鉄・製鋼に直接使用可能です。その他すべての鉱石は、製鉄・製鋼に使用する前に選鉱と一定の処理が必要です。

低品位鉄鉱石はそのままでは製鉄・製鋼に使用できず、脈石含有量を減らしFe含有量を増やすためにアップグレードする必要があります。鉄鉱石のFe含有量を高めるプロセスを鉄鉱石選鉱（IOB）と呼びます。

しかし、異なる産地の鉄鉱石はそれぞれ独自の鉱物学的特性を持ち、最良の製品を得るためには特定の選鉱と冶金処理が必要です。また、効果的な選鉱処理のためには、適切な破砕、粉砕、篩分技術を用いた鉱石の効果的な破砕・粉砕・篩分が必要です。選鉱処理の選択は、存在する脈石の性質と鉱石構造との関連に依存します。洗浄、ジグ濃縮、磁選、重力選鉱、浮選などの複数の方法・技術を様々な組み合わせで用いて、鉄鉱石のFe含有量を高め、脈石含有量を減らします。特定の鉄鉱石の選鉱では、通常、鉄鉱石アップグレードに必要な破砕、粉砕、篩分、選鉱技術を組み込んだコスト効率の良いフローシートの開発が重視されます。典型的な鉄鉱石選鉱プラントのフローシートを図1に示します。

図1 典型的な鉄鉱石選鉱プラントのフローシート

一般的な鉄鉱石処理方法・技術

破砕・粉砕・篩分技術

粉砕と再粉砕の目的は、価値鉱物を遊離・回収できる程度まで鉱石粒度を小さくすることです。IOBプラントの破砕・粉砕・篩分システムは、下流選鉱プロセスの要件を考慮して設計される必要があります。破砕ユニットには、一次、二次、三次、四次破砕システムが含まれる場合があります。ジョークラッシャー、ジャイレートクラッシャー、コーンクラッシャー、ロールクラッシャーが鉱石破砕に使用されます。半自動粉砕と自動粉砕回路が鉱石粉砕に用いられます。ロッドミルとボールミルの両方がこの目的で使用されます。粉砕設備の設備投資と運転コストは高いため、経済性が選鉱用鉱石調製のための破砕・粉砕度の計画に大きな役割を果たします。破砕・粉砕度の決定に考慮されるその他の要因には、鉱石の価値濃度、鉱物学、硬度、水分含有量があります。閉回路粉砕は、わが地域の鉱床で通常見られる非常に脆い鉱石の過粉砕を最小限に抑えます。循環負荷が大きいほど粒子の過粉砕は少なくなります。

洗浄とウェットスクラビング

このプロセスは原始的ですが、塊鉱処理で広く用いられ、脆弱で柔らかい後成堆積物、微細物質、鉱石に付着した褐鉄鉱粘土粒子を剥離除去します。ウェットスクラビングは、空洞/細孔に粘土質物質が詰まっており、大幅な除去が必要な硬質多孔質鉱石にも有用です。

重力選鉱

この技術は、鉄鉱物が関連脈石物質から遊離している場合に使用されます。鉄鉱物の比重は通常、脈石物質の比重より高くなります。重力選鉱の効率は、鉱石の適切な破砕と粒度調整により、重力選鉱装置への適正粒度原料供給を確保し、スライムを装置から除去することに大きく依存します。重力選鉱原理で機能する多数の装置/プロセスがあります。主なものを以下に説明します。

• 重媒質選鉱（密媒選鉱）：粗鉱（粒度範囲3mm〜50mm）に使用。-300メッシュの粉砕フェロシリコンを懸濁媒質として用い、分配密度3〜3.2を作り、脈石を浮遊分離。懸濁媒質は低磁力磁選機（LIMS）で回収。重媒選鉱原料は、非多孔質脈石を伴う硬質緻密なものでなければならない。
• 重媒質サイクロン：微粉鉱石（粒度範囲0.2mm〜6mm）に使用。サイクロン型分離機は遠心力と重力を利用して鉱石と脈石を分離。-325メッシュの粉砕フェロシリコンをサイクロン媒質として使用。
• ジグ濃縮：鉄鉱石を軽比重分画、中比重分画、重比重分画に分離する重力濃縮技術。ジグ用鉄鉱石粒度分画は0.5mm〜30mm。
• スパイラル濃縮機：流れる膜分離装置。一般的操作は、傾斜面上での連続的な重力層流。分離メカニズムは一次・二次流動パターンを含む。一次流は重力下でスパイラル溝を流れるスラリー。二次流は溝径方向。上層流体（高密度粒子含む）は中心から離れ、下層濃縮層（高密度粒子含む）は中心へ移動。スパイラルは、鉄鉱石洗浄（軽脈石を重鉱石から輸送除去）を助けるため、スパイラルの様々なポイントで水を添加。洗浄水量とそのスパイラル溝への配分は運転要件に合わせて調整可能。ポイント制御により、最も効果的な角度で流れるパルプへ効率的に水を導くことで総水量を最小化。適用給鉱粒度範囲は0.3mm〜1mm。スパイラルは通常、パルプ濃度25〜30%固形分で運転。
• 振動テーブル：鉄鉱石重力処理に幅広く適用。通常、精選とスキャベンジング回路で使用。適用給鉱粒度範囲は0.3mm〜1mm。スパイラルは通常、パルプ濃度25〜30%固形分で運転。
• マルチグラビティ濃縮機：開発段階にあり、鉄鉱石の微細・超微細粒子処理向けに設計。スライムとテイルからの価値物回収に有用。
• サイクロン：鉄鉱石濃縮用サイクロンには、ハイドロサイクロン、スタブサイクロン、重媒質サイクロンなど複数タイプあり。サイクロンはコスト効率が良く、構造がシンプル。サイクロンの主要部品は、サイクロン直径、給鉱室入口の入口ノズル、ボルテックスファインダー、円筒部、円錐部。サイクロン直径、入口面積、ボルテックスファインダー、アペックスオリフィス、十分な長さ（保持時間確保）の間に適切な幾何学的関係があり、粒子を適切に分級。給鉱が室に入ると、サイクロン内部でスラリーの回転が始まり、遠心力が粒子を外壁へ加速。粒子は円筒部を螺旋状に下降し円錐部へ。ここで小質量粒子は中心へ移動し上向き螺旋でボルテックスファインダーからオーバーフロー管へ排出。この製品（オーバーフロー）は微細粒子と大部分の水を含み、大気圧付近で排出されるべき。大質量粒子は円錐部壁面に沿って下向き螺旋経路を維持し、徐々にアペックスオリフィスから排出。この製品をアンダーフローと呼び、これも大気圧付近で排出されるべき。

磁選

磁選技術は、磁気特性の差を利用して鉄鉱石を非磁性脈石物質から分離するために用いられます。磁選は乾式または湿式環境で実施可能ですが、湿式システムがより一般的です。

磁選操作は磁場強度によって低強度と高強度に分類されます。低強度磁選機は1000〜3000ガウスの磁場を使用。低強度技術は通常、マグネタイト鉱石に安価で効果的な分離法として用いられます。高強度磁選機は20,000ガウスまでの強力な磁場を使用。この方法は、ヘマタイトなどの弱磁性鉄鉱石を非磁性または弱磁性脈石から分離するために用いられます。磁選機システムのタイプ決定に重要なその他の要因には、粒子サイズと鉱石スラリー給鉱の固形分含有量があります。

典型的に磁選は、(1) コブリング、(2) 精選/粗選、(3) 仕上げの3段階で構成されます。各段階では複数のドラムを直列に配置して分離効率を向上させる場合があります。各後続段階は、前段階での過大粒子除去の結果としてより微細な粒子を処理します。コブラーは大粒子を処理し、給鉱の相当部分をテイルとして除外します。

いくつかの磁選技術が使用されます。

• 湿式・乾式低強度磁選（LIMS）
• 高勾配磁選（HGMS）
• 湿式高強度磁選（WHIMS）
• 弱磁性鉱石処理用ロール磁選機
• 乾式鉱石濃縮用誘導ロール磁選（IRMS）

浮選プロセス

浮選プロセスは、化学薬剤存在下で、ある鉱物または鉱物群の粒子を気泡に優先的に付着させる技術です。これは、目的鉱物に優先的に反応する化学薬剤を使用することで達成されます。浮選活動の成功にはいくつかの要因が重要です。これには、粒子サイズの均一性、鉱物と相性の良い薬剤の使用、薬剤の鉱物または気泡への付着を妨げない水質条件が含まれます。

現在、浮選は主に磁選から得られた精鉱のアップグレードに使用されます。浮選を単独の選鉱法として用いることは稀です。

使用される化学薬剤は主に以下の3グループです。(1) コレクター/アミン、(2) 起泡剤、(3) 消泡剤。薬剤は固体、不混和液体エマルジョン、水溶液など様々な形で添加可能。調整工程での薬剤濃度は厳密に制御する必要があり、必要量以上の薬剤添加は反応を遅らせ効率を低下させます。調整に影響する要因には、薬剤のパルプ中への徹底的な混合・分散、薬剤と関連鉱石粒子全てとの繰り返し接触、薬剤と鉱石粒子の接触発展と所望反応生成のための時間が含まれます。