鉄鉱石選鉱：主要プロセスと技術

鉄鉱石選鉱プロセス

鉄は地殻に豊富な元素で、堆積岩中では平均2〜3%、玄武岩・斑れい岩では8.5%を占めます。鉄が多くの場所に存在するため相対的に低価値であり、鉱床が鉱石グレードと見なされるには高い金属含有率が必要です。一般的に、少なくとも25%の鉄を含む鉱床が経済的に採掘可能とされます。

300種以上の鉱物に鉄が含まれますが、鉄鉱石の主要供給源は以下の5鉱物です。(1)磁鉄鉱（Fe₃O₄）、(2)赤鉄鉱（Fe₂O₃）、(3)針鉄鉱（Fe₂O₃・H₂O）、(4)菱鉄鉱（FeCO₃）、(5)黄鉄鉱（FeS₂）。鉄鉱石採掘には穿孔、発破、破砕、篩分け、ブレンドが必要です。

破砕と篩分けは鉱石生産施設の不可欠な部分です。破砕には通常一次破砕機と、振動スクリーンと閉回路で運転される二次破砕機が用いられます。機器選定は鉱石の脆さによって大きく決まります。高品位鉱石の篩分け作業は乾式がほとんどですが、微粉分画が脱泥によって効果的にアップグレードできる場合は湿式が用いられます。

鉄鉱石の分類

鉄鉱石は通常、以下の3カテゴリーのいずれかに分類されます。(1)ダイレクトシッピング（高品位）鉱石：製鉄炉に直接装入できる十分な鉄を含み、破砕・篩分け・ブレンドのみが必要。(2)関連低品位商品鉱石：高品位鉱石周辺に産出し、同時採掘可能で、洗浄による軽微な品位向上が必要。(3)低品位鉱石：広範な破砕・粉砕・濃縮を経て許容できる精鉱を生産する必要がある。これら3カテゴリーの鉄鉱石は全く異なる処理要件を持ちます。均一な製品を得るため、異なる品位、組成、粒度の鉱石を通常ブレンドします。

鉄鉱石に関する「選鉱」という用語は、鉱石を処理してその化学的・物理的・冶金的特性を改善し、製鉄炉により望ましい原料とするすべての方法を含みます。これらの方法には破砕・粉砕、洗浄、ろ過、選別、分級、重力濃縮、磁力選別、浮選、凝集が含まれます。選鉱作業の結果、2つの製品が生産されます。(1)精鉱、(2)尾鉱（廃棄物）で、後者は廃棄されます。

破砕と粉砕

選鉱は、採掘鉱石の破砕・粉砕および湿式・乾式分級から始まり、さらなる鉄含有量向上活動の準備を行います。破砕・粉砕は多段階プロセスで、乾式または湿式鉱石原料を使用します。鉱石硬度に応じて、2〜4段階の破砕でラン・オブ・マイン（ROM）鉱石を必要な供給粒度まで縮小します。一次・二次破砕は通常ジャイレトリーまたはコーンクラッシャーで行われます。ジョークラッシャーは、鉱石が非常に軟らかい場合を除き、一次破砕ユニットとしての能力と耐久性が不足します。三次破砕でトップサイズ25mmまで縮小するには、通常ショートヘッドクラッシャーをスクリーンと閉回路で運転します。典型的には、一次破砕、二次破砕、篩分けは鉱山現場で行われます。

破砕・粉砕の設備投資と運転コースは莫大です。したがって、経済性がこれらの設備の使用と、さらなる選鉱のための破砕・粉砕度を決定する上で重要な役割を果たします。他の重要な要因には、鉱石の価値濃度、鉱物学、硬度、水分含有量が含まれます。

初期破砕後、微粉砕によって鉱石粒子を微粉末（325メッシュ、0.44ミクロン）の状態まで縮小します。粉砕回路の選択は、粉砕対象鉱石の密度と硬度に基づきます。ロッドミルやボールミル粉砕が一般的ですが、一部施設では自家粉砕または半自家粉砕システムを使用します。自家粉砕は粗い鉱石片自体を粉砕媒体として粉砕機内で使用します。半自家粉砕は金属球やロッドで鉱石片の粉砕作用を補助します。自家粉砕は弱くセメント化された硬い物質を含む鉱石に最適です。利点は資本と労働集約度が低いことです。半自家粉砕は二次破砕回路を不要にします。従来の粉砕機の主要維持費であるロッド・ボールの摩耗もこの方法では排除されます。

ロッドミル

ロッドミルは通常、マイナス35mm原料をマイナス3メッシュまで粉砕するよう設計されています。長径比1.5〜2.0の回転ミルです。粉砕媒体は直径100mmまでの鋼鉄ロッドです。鉱石は固形分68〜80%のスラリー状で湿式粉砕されます。製品粒度は供給速度、ロッドチャージ特性、ミル回転数、スラリー密度と粘度の組み合わせで制御されます。

ボールミル

ボールミルは鉄鉱石微粉砕の主要手段です。ロッドミル同様の回転ミルですが、長径比が通常1.5までと小さめです。粉砕媒体は鋼球です。粉砕効率は分級効率とミル運転パラメータ（ミル回転数、媒体チャージ、スラリー密度と粘度）に大きく影響されます。

ペブルミル

ペブルミルも微粉砕に使用されます。ボールミルに似ていますが、鋼球の代わりに25〜100mmの小石（ペブル）を充填します。主な利点は鋼製粉砕媒体が不要で、ミルライナー摩耗が減ることです。ただし通常、動力消費が高くなります。

各粉砕ユニット操作の間で、ハイドロサイクロンを用いて粗粒と微粒を分級します。粗粒は粉砕機に戻されさらに粒度縮小されます。スラリー状の粉砕鉱石は次の選鉱ステップへポンプ送られます。浮選工程向けの鉱石の場合、プロセスで使用される化学薬剤は通常この段階でスラリーに添加されます。

浮選

浮選は微細（マイナス100メッシュ）鉄鉱石の濃縮に効果的です。浮選プロセスは、微細粉砕鉄鉱石の水懸濁液に特定試薬を添加すると、鉄酸化鉱物または脈石粒子のいずれかが空気への親和性を示すという事実に依存します。空気泡に付着して懸濁液を通過する鉱物は、泡沫製品として懸濁液から除去されます。浮選成功の重要因子には、粒子サイズの均一性、鉱石と相性の良い試薬の使用、試薬の鉱石や空気泡への付着を妨げない水質条件が含まれます。

浮選で通常使用される4種類の化学試薬は以下の通りです。

• コレクター/アミン：空気への選択的親和性を誘発する試薬。浮選槽内で固体粒子と空気泡の付着を引き起こします。
• フローサー：安定した泡または泡沫形成を引き起こす物質。表面張力を低下させて空気泡を安定化させ、槽上部からスカミングすることで有価物を回収します。
• 消泡剤：浮選槽内の粒子表面と反応して物質が泡沫に留まるのを防ぎ、代わりに尾鉱として底部へ沈降させます。
• その他の物質：pH調整、分散・凝集促進など制御目的で添加される修正剤、分散剤、抑制剤として知られます。

化学試薬で鉱石を浮選調整する際の重要因子には、試薬のパルプ中への徹底的な混合・分散、試薬と関連鉱石粒子全てとの繰り返し接触、試薬と鉱石粒子の接触発展と目的反応生成のための時間が含まれます。

試薬は固体、不混和液体、エマルジョン、水溶液など多くの形で添加可能です。試薬濃度は調整中厳密に制御されます。必要以上の試薬添加は反応を遅らせ効率を低下させます。

現在の傾向は、より大型でエネルギー効率の高い浮選槽の開発に向かっています。粉砕鉱石、浮選試薬、水を含むパルプが浮選槽へ供給されます。典型的に、ラフラーからスカベンジャーへ向けて10〜14槽が直列配置されます。ラフラーは鉄含有金属鉱物（有価鉱物）と脈石の粗分離を行います。スカベンジャーはパルプから残留有価鉱物の少量を回収します。パルプは有価鉱物が除去されるにつれラフラー槽からスカベンジャーへ移動します。ラフリングとスカベンジング槽の泡沫から回収された精鉱は、クリーニング槽へ送られ最終的な鉄含有金属鉱物精鉱を生産します。

浮選コレクターは大きく分けて(1)アニオン、(2)カチオンの2タイプがあります。アニオンコレクターは溶液中で電離し、活性種（正に帯電した鉱物表面に付着するもの）が負に帯電します。逆に、カチオン浮選コレクターの活性イオン種は正に帯電します。

アニオン浮選の主用途は、鉄含有鉱物を脈石物質から分離（浮遊）させることです。最も一般的なコレクターは脂肪酸または石油スルホネートです。燃料油をコレクターと共に添加して、約10ミクロン以下の微細酸化鉄粒子の回収を促進することがよくあります。逆に、カチオン浮選は微細粉砕粗鉱石から脈石を分離し、一部精鉱から少量の脈石物質を除去するために用いられます。カチオンコレクターは主に脂肪族アミンまたはジアミン、β-アミン、エーテルアミンで、一般的に酢酸塩形で使用されます。

浮選槽からの廃棄物はテールオーバーフローウィアから回収されます。泡沫の品位により、さらなる鉄単位回収のためリサイクルされるか、テールとして排出されます。尾鉱には残留脈石、未回収鉄鉱物、化学試薬、プロセス排水が含まれます。一般的に尾鉱は濃縮機を経てテールダムへ送られます。スラリーの固形分濃度は30〜60%の範囲で変動します。濃縮後、尾鉱はダムへポンプ送られ、固形分はさらなる選鉱で残留有価分を回収するためリサイクルされ、澄清水は破砕・粉砕工程へ戻されます。テールダムでは固形分が懸濁液から沈殿し、液体成分は粉砕機へリサイクルされます。浮選で使用される化学試薬は一般的に尾鉱粒子に付着し、テールダムに残ります。

濃縮/ろ過

濃縮機は、スラリー状の精鉱と廃棄スラリー（尾鉱）から大部分の液体を除去するために使用されます。濃縮技術は通常、鉄鉱石生産の2段階で採用されます。(1)精鉱を濃縮して水分含有量を減らし水を回収、(2)スラリー状尾鉱を濃縮して水を回収。施設では通常、複数の濃縮機を同時に使用します。

典型的に、鉄鉱石操業では掻き取り機構付き連続濃縮機を使用し、固形分を除去します。濃縮機にはいくつかのバリエーションの掻き取り機が用いられます。精鉱を濃縮する場合、濃縮機のアンダーフロー（精鉱）を回収し、セラミックディスク真空ろ過機でさらに処理します。ろ過機は精鉱から残りの水分をほぼ除去します。濃縮プロセスで除去された液体成分には浮選試薬、溶解・浮遊鉱物生成物が含まれる場合があります。液体は通常貯留池へリサイクルされ、粉砕機で再利用されます。精鉱を濃縮する場合、これらの操業から得られる固形物質は最終精鉱として回収され、凝集とさらなる処理へ進みます。濃縮尾鉱はテールダムへ排出されます。

重力濃縮

重力濃縮は赤鉄鉱鉄鉱石の選鉱に広く用いられています。この技術は、軽い脈石を重い有価鉱物から懸濁・輸送して分離します。この分離プロセスは、主に物質間の比重差と分離される粒子サイズに基づきます。粒子サイズが異なると、密度差があっても有価鉱物が脈石物質（尾鉱）と共に除去される可能性があります。この潜在的問題のため、分級機（スクリーン、ハイドロサイクロンなど）を使用して粒子サイズを均一に保つ必要があります。鉄鉱石には歴史的に3つの重力分離法が用いられてきました。(1)洗浄、(2)ジグ濃縮、(3)重媒分離。スパイラルとライヒャートコーンはその他の重力分離法です。

重力濃縮からの廃棄物は、粗粒・微粒の脈石とプロセス水からなる尾鉱です。この物質はスラリーとしてテールダムへポンプ送られます。スラリーの固形分濃度は操業ごとに異なり、30〜60%の範囲です。テールダムでの固液分離後、尾鉱水はリサイクルまたは排出されます。

洗浄

洗浄は最も単純な鉄鉱石濃縮プロセスで、鉄含有鉱物の高い比重と比較的粗い粒度を利用し、より微細で軽い珪質脈石（主に石英と粘土鉱物）から分離します。鉱石は1〜2段階の破砕で50mm以下に調整後、ログウォッシャーへ供給されます。パドルによる激しい攪拌（現代のパグミルに類似）と逆流水の組み合わせにより、微細シリカを効率的に粉砕・除去し、粗粒鉄豊富製品を残します。ログウォッシャーのオーバーフローはしばしばレーキまたはスパイラル分級機で再処理され、追加の微細鉄を回収します。一部洗浄プラントでは、粘性粘土脈石が最小限の鉱石に対して、ログウォッシャーなしで1〜2段階のスパイラル分級機を採用します。妨害沈降分級機も微細鉄回収に使用されることがあります。

ジグ濃縮

ジグ濃縮は単純洗浄より複雑な選鉱形式で、脈石豊富層を破砕する必要のあるより硬い鉱石に使用されます。鉄鉱石選鉱用ジグは基本的に水平スクリーンで、150〜250mm深さの鉱石層を載せます。鉱石は一端から供給され、水のパルシング作用（振動ポンプまたはジグスクリーン自体の上下物理的動作）によって層状化されます。鉱石がデッキを下ると、パルシングにより軽い粒子が層の上部へ、重い鉄豊富粒子が底部へ偏析します。2製品はジグ末端で分離され、軽い粒子は排出ウィア上部を越え、鉄鉱石精鉱は底部から排出されます。鉄鉱石ジグは1mm〜25mmの粒子で最も効果的です。

重媒分離

重媒分離装置は1950年代に開発され、ジグ濃縮のより効果的な代替として鉄鉱石のアップグレードに用いられてきました。重媒分離プロセスは沈降・浮上の原理で作動します。水中に微細（マイナス200メッシュ）フェロシリコン懸濁液を用いて、比重約3.0の流体媒質を作ります。比重約2.6の珪質粒子はこの媒質表面に浮上し、比重4.0以上のより密度が高く重い鉄鉱石粒子は底部へ沈降します。粗鉱石濃縮用の従来媒質はシリコン15%、鉄85%のフェロシリコンです。微細粉砕フェロシリコン64〜85%含有水懸濁液の比重は2.2〜3.6の範囲です。

粗鉱石（プラス9mm）用分離槽は一般にスパイラル分級機、レーキ分級機、回転ドラムです。9mm以下3mm以上の鉱石は重媒サイクロンで分離可能で、高遠心力が重い鉄鉱石粒子の沈降を加速します。サイクロン分離器用重媒質には微細粉砕磁鉄鉱がフェロシリコンの代わりに使用されます。サイクロンの力学が、磁鉄鉱の比重が低くても必要な密度と媒質流動性を生み出します。さらに磁鉄鉱のコストは粉砕フェロシリコンよりはるかに安価です。

媒質（フェロシリコンと磁鉄鉱）は、洗浄槽と水噴霧付き微細スクリーンで沈降・浮上製品から洗い流され、磁力分離機で洗浄水から回収・リサイクルされます。

スパイラル

スパイラルは元々海砂処理のために開発され、鉄鉱石濃縮ではマイナス6メッシュ（3.36mm）〜100メッシュ（0.149mm）の鉱石処理に使用されます。100メッシュ以下では効率が急速に低下し、より微細な物質には無効です。スパイラルは通常、固形分濃度25〜30%のパルプ密度で運転されます。

スパイラルは商品鉱石タイプからの微細鉄補助回収に広く用いられ、ラブラドールトラフ産鏡鉄鉱など、20メッシュ程度までの粉砕で解離可能な鉱石の主要濃縮装置となっています。

スパイラル濃縮機は流膜分離装置です。一般的な操作は、傾斜面上を重力下で連続的な層流が流れることです。分離機構には一次・二次流れパターンが関与します。一次流れは本質的にスラリーが重力でスパイラル溝を流れ下ることです。二次流れパターンは溝に対して放射状です。ここでは高密度粒子を含む上層流体層が中心から離れ、高密度粒子を含む下層濃縮層が中心へ移動します。スパイラルには溝の様々なポイントで洗浄水を添加し、鉄鉱石洗浄（軽い脈石を重い鉱石から輸送除去）を助けます。洗浄水量と溝への分布は操業要件に合わせて調整可能です。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入し、総水量を最小化します。

スパイラル濃縮機は、垂直軸を中心にヘリックス状に巻かれた曲底溝です。頂部から鉄鉱石と脈石のスラリーを供給すると、水によりより容易に懸濁される低密度脈石が鉄鉱物より大きな接線速度を得て、スパイラル溝の外縁へ移動します。内縁に添加される洗浄水が軽い脈石を洗い流します。数ターン後、鉄鉱物バンドが内縁に、脈石バンドが外縁に形成されます。内縁に間隔を空けてポートが設けられ、鉄鉱物を回収・除去します。脈石はスパイラル内に残り、底部で排出されます。

ライヒャートコーン

ライヒャートコーンの主な利点は処理能力と、スパイラルでは達成できない約325メッシュまでの微細重鉱物を効率的に回収できる能力です。単一ライヒャートコーンの処理能力は最大100トン/時間で、鏡鉄鉱微粉の回収に効果的に使用できます。

ライヒャートコーンは流膜濃縮機です。重量比約60%固形分のスラリー流膜の底部に高密度粒子が濃縮されます。分離機構は、高密度粒子の妨害沈降と微細粒子の間隙トリクルの組み合わせです。ライヒャートユニットの分離エレメントは内向き傾斜した直径1.9mのコーンです。供給パルプはコーン周辺に均等に分配されます。パルプが重力で中心へ流れるにつれ、微細・重い粒子が底部に濃縮され、コーン頂点付近の環状スロットから除去されます。 テールはスロットを越えて流れ、コーンの頂点または中心で回収されます。この分離プロセスの効率は比較的低いため、コーンを複数段積み重ねた配置内で数回繰り返し、回収率を高めます。一般に、最高品位精鉱は一次分離コーンで生産されます。

磁力選別

磁力選別は通常、天然磁性鉄鉱石（磁鉄鉱）を様々な低磁性または非磁性物質から分離するために使用されます。磁力選別では、赤鉄鉱が弱磁性しかないため、選鉱対象鉄単位のかなりの割合が尾鉱へ失われます。

磁力選別は乾式または湿式環境で実施されます。湿式システムがより一般的です。鉄鉱石の磁力選別は低強度と高強度に分類できます。低強度分離機は1000〜3000ガウスの磁場を使用します。低強度法は通常磁鉄鉱鉱石に用いられ、安価で効果的な分離法です。低強度法は高磁性物質（磁鉄鉱）のみを捕捉します。高強度分離機は20,000ガウスもの強力な磁場を用います。この方法は弱磁性鉄鉱物（赤鉄鉱）を非磁性または低磁性脈石物質から分離するために用いられます。磁力分離システムタイプの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供給の固形分含有量が含まれます。

いくつかの磁力選別技術が使用されています。これらは以下の通りです。

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

その他の機構には、磁気プーリー、誘導ロールセパレーター、クロスベルトセパレーター、リング型セパレーターが含まれます。

典型的に、磁力選別には3段階の分離が含まれます。(1)コッビング、(2)クリーニング/ラフリング、(3)フィニッシング。各段階では複数のドラムを直列に用いて分離効率を高めます。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で作業します。コッバーは大粒子（9mm）で作業し、供給の約40%をテールとして除外します。低強度乾式分離はコッビング段階で使用されることがあります。クリーナーまたはスカベンジャーは48メッシュ（0.32mm）範囲の粒子で作業し、供給の10〜15%のみをテールとして除去します。最終的に、フィニッシャーは100メッシュ（0.149mm）未満の鉱石粒子で作業し、残り5%の脈石を除去します。これはこの段階で供給が高度に濃縮されているためです。

低強度湿式プロセスでは通常、コンベアと永久磁石を使用したロータリードラム分離機を用い、主に9mm以下の鉱石粒子で作業します。このプロセスでは、鉱石をコンベアで分離機へ供給し、磁鉄鉱粒子がドラム側面に吸着・保持され、磁場外へ運ばれて適切な精鉱受けへ移送されます。非磁性または低磁性脈石物質は残り、テールダムへ送られます。一部操業では回収を最大化するため、複数ドラムを直列配置します。

高強度湿式分離機は、成形鉄片のマトリックスを用いて高磁場勾配を生成し、常磁性粒子の回収サイトとして機能させます。これらの形状にはボール、ロッド、溝付きプレート、エキスパンドメタル、繊維が含まれます。

このタイプ操業からの主要廃棄物は、粗粒・微粒脈石からなる尾鉱と、湿式分離の場合の廃水スラリーです。乾式分離からの粒子状廃棄物もスラリー化されることがあります。濃縮機または沈殿池での固液分離後、固形分はテールダムへ送られ、液体成分は水質基準を満たせば製粉機へリサイクルまたは排出されます。

湿式高強度磁力選別（WHIMS）は非磁性鉄単位の回収のために開発されました。使用マトリックスにより、10メッシュ（2mm）〜500メッシュの広い粒子サイズ範囲で効果的に適用可能です。WHIMSの用途には、天然鉱石微粉からの鉄回収、スパイラル精鉱のアップグレード、尾鉱からの赤鉄鉱回収が含まれます。湿式高強度磁力選別（WHIMS）では、電磁石が非常に高強度磁場を生成し、鋼球、間隔を空けた溝付きプレート、スチールウール、エキスパンドメタル片で構成されるマトリックスに印加されます。マトリックスは環状リングに収容され、高強度磁石間を回転します。鉄鉱石スラリーはマトリックスが磁場内にある地点で導入されます。マトリックス周辺に発生する高磁場勾配が赤鉄鉱を保持し、脈石は洗い流されます。マトリックスが磁場外へ移動すると赤鉄鉱精鉱が放出・排出されます。

図1にスパイラルとWHIMSの概略図を示します。

図1 スパイラルとWHIMSの概略図