低品位鉄鉱石の最適化：効果的な選鉱のためのジグ技術

鉄鋼生産の成長により鉄鉱石資源が加速度的に消費されているため、高品位鉄鉱石の可用性は減少し、製鉄所への高品位鉄鉱石供給は急激に減少しています。したがって、長年鉱山サイトにストックパイルされている低品位鉄鉱石とスライムの利用にシフトしつつあります。これらの捨てられたスライムも実際には低品位鉄鉱石のカテゴリーに属します。また、一部の鉄鉱石は複雑な鉱物組成を持ち、従来の選鉱技術では反応しません。現代の選鉱プロセスにより、このような鉱石の塊鉱、微粉鉱、超微粉鉱を効果的かつ低コストでアップグレードすることが可能になりました。鉄鉱石はいくつかの組成、鉱物組織、形状、サイズで構成されるため、鉄鉱石選鉱に「万能のアプローチ」は存在しません。

ほとんどの「ラン・オブ・マイン」（ROM）鉄鉱石には、選鉱プロセスによって除去する必要がある他の物質が大量に含まれており、その鉱石が用途に必要な仕様を達成する前に除去されます。採用される選鉱技術の程度は、希釈物のレベルと性質、および鉱石構造における脈石と不純物の分布形態に依存します。鉱石の解離は、選鉱技術に反応させるための必須ステップです。適切な技術を選択するには、まず鉱石の鉱物学的評価を実施し、鉱石への洞察を得て、脈石の関連、粒度などを知る必要があります。

低品位鉄鉱石の分類と選鉱に関する課題

低品位鉄鉱石の処理と利用における主な困難は、主にそれらの鉱物学的特性、一部鉱石の軟らかい性質、高シリカ含有量またはアルミナ含有量、またはその両方に起因します。低品位鉄鉱石に関連する他の問題としては、解離不良、ゴーサイトやリモナイトなどの水酸基含有鉱物の高含有量による高着火減量（LOI）などがあります。鉄鉱石が不良な解離に関連している場合、目的の鉄鉱物と脈石成分の適切な解離度を得るために微細粉砕が必要です。

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。ジグ選別、洗浄、磁気選別、重力選別、浮遊選別などのいくつかの方法/技術が、鉄鉱石の鉄品位を高め、脈石含有量を減らすために使用されています。これらの技術は、鉄鉱石の選鉱のために様々な組み合わせで使用されます。

重力選別による鉄鉱石選鉱

鉄鉱石は通常、重力、浮遊、磁気の方法による物質分離の原理を利用して選鉱されます。重力濃縮法による鉱石の濃縮は、最も古く、最も経済的な技術の一つです。その後、浮遊選別や磁気選別などの他の技術も鉱石選鉱に使用されるようになりましたが、それらは重力濃縮技術を部分的に置き換えただけで、陳腐化させたわけではありません。重力選別技術に基づくプロセスは、低コスト、操作容易、環境に優しいという理由で鉄鉱石選鉱に広く使用されています。重力濃縮技術は、鉱石を構成する異なる粒子の差動沈降速度に基づいています。粒子の沈降速度は、重量（体積と密度）、浮力、抗力によって共同で支配されます。鉄鉱石選鉱に最も一般的に使用される重力技術は、揺動テーブル、ジグ、スパイラルです。重力濃縮法の典型的な作業範囲は図1に示されています。

図1 重力濃縮法の典型的な作業範囲

一部の場所では、磁気選別法を適用する前に、低品位赤鉄鉱石を還元焙焼して磁性鉱石に転換します。別の方法として、ガス-固体流動床でのデンスメディウムの使用による鉄鉱石の濃縮が挙げられます。選択されたデンスメディウムと流動化用ガス圧は、濃縮が必要な鉄鉱石の特性に依存します。

効果的な選鉱処理には、最初のステップとして鉱石の効果的な破砕、粉砕、篩分けが必要です。これは鉄濃集粒子の解離のための必須ステップです。このために適切な破砕、粉砕、篩分け技術を採用する必要があります。粉砕と再粉砕の目的は、価値ある鉱物を解離・回収するのに十分な大きさまで鉱石を小さくすることです。鉄鉱石選鉱のための破砕・粉砕・篩分けシステムは、下流の選鉱プロセスの要件を考慮して設計する必要があります。破砕ユニットには、一次、二次、三次、四次破砕ユニット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一般的に鉱石粉砕に使用されます。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。粉砕設備の資本投資と運転コストは高いため、経済性が鉱石を選鉱のために準備するための破砕と粉砕の程度の計画において主要な役割を果たします。粉砕の程度を決定する際に考慮される他の要因には、鉱石の価値濃度、鉱物組成、硬度、水分含有量が含まれます。閉路粉砕は非常に脆い鉱石の過粉砕を最小限に抑えます。循環負荷が多いほど、粒子の過粉砕は少なくなります。

ジグ選別プロセス

ジグ選別プロセスは、流体中で行われる鉱石濃縮プロセスであり、その効果は粒状鉱物粒子の密度の差に依存します。これは、粒子を異なる比重の層に分離し、分離された層を除去することで構成されます。ジグ選別による濃縮は、重媒質分離のように直接分離が行われる他のタイプの重力濃縮プロセスとは異なります。ジグ濃縮プロセスでのベッド粒子の層化は徐々に達成され、製品への分離は一定時間後に実現されます。

ジグ選別は重力選別法の一つで、粒子は通常同様のサイズで、ジグベッドに供給される前に破砕・篩分けされることが多いです。ジグの設計には多くのバリエーションがありますが、基本原理は同じです。ジグ選別プロセスは水を分離媒質として使用し、目的成分と非目的成分の間に密度差がある鉱物、鉱石、スラグ、その他の材料に適用できます。カット密度の差が4.0 g/cm³以上の場合に特に効果的です。

ジグ選別は、垂直面での流体の脈動によって間欠的に流動化される粒子ベッドの動きに基づき、流体中で鉱石中の異なる物質を層化によって選別するプロセスです。層化により、粒子は上部から下部に向かって密度が増加する層に配列されます。この粒子配列は、粒子に作用するいくつかの連続的に変化する力によって発達し、ほとんどの他の重力濃縮法よりも粒子密度に関連しています。

鉄鉱石の選鉱のためのジグ選別は数十年前から実践されています。他のプロセスよりもジグ選別を鉄鉱石選鉱に選択する理由には、(i) 比較的容易な分離、(ii) 運転コストと収率低下の有益なトレードオフ（デンスメディウムプロセスと比較）、(iii) 密度4.0以上のカット密度を必要とする鉱石の処理能力、(iv) 重媒質分離を不適切にする鉱石の物理的特性（例：巨視的気孔での許容できない媒質損失）などが含まれます。鉄鉱石選鉱用エアパルスジグの使用は非常に一般的です。これは、エアパルスジグが深い重い鉱石ベッド、特に塊鉄鉱石を流動化するために必要な大きなパルス振幅を生成できるためです。

ジグ選別プロセスでは、粒子がジグベッド（通常はスクリーン）に導入され、脈動する水柱または水体によって上向きに突き上げられ、粒子が水中で浮遊状態になります。パルスが消散すると、水位は元の低い開始位置に戻り、粒子は再びジグベッドに沈降します。粒子が水中浮遊状態で重力エネルギーにさらされると、より高密度の粒子はより低密度の粒子より速く沈降し、ジグベッドの底部に高密度物質が濃縮されます。粒子は現在密度に応じて濃縮されており、ジグベッドから別々に抽出できます。鉄鉱石選鉱の場合、より密度の高い物質が目的の濃縮鉱石であり、残りはフロート（またはテーリング）として廃棄する必要があります。ジグ選別プロセスの原理は図2に示されています。

図2 ジグ選別プロセスの原理

ジグは操作がシンプルですが、ジグ選別プロセス全体はむしろ複雑で、いくつかの相互関連する要因（相互作用する変数またはパラメータ）によって強く影響を受けます。これらの要因は、ジグ選別プロセスを分割できるいくつかのサブプロセスの1つ以上に直接関連しています。主要なサブプロセスは、予め設計されたストロークパターンを提供するジグ自体と駆動ユニット、および供給、供給分配、層化物質の排出、ジグからの搬送機構です。多くのジグ選別要因は本質的に制御可能（操作変数）ですが、処理される鉱石に関連する制御不能な要因（擾乱変数）も分離プロセスで重要な役割を果たします。これらはジグの性能に影響を与える基本的な理由の一部です。ジグベッドは通常2つのゾーンに分かれます。精鉱ゾーンは底部の層で構成され、重鉱石の含有量が95%以上である必要があります。この限界は一定の精鉱品質を表します。

ジグの性能に影響を与える2つの主要なジグパラメータがあります。これらは、(i) パルスの形状、および (ii) 鉱石をパルスさせる時間の期間です。「パルス形状」は多くのことを説広い用語です。これらの一部は、(i) パルス振幅、(ii) パルス周波数、(iii) パルスのシャープネス（通常、パルス開始時の水柱の加速度や正弦波からの偏差を指す）です。「期間」は鉱石がジグベッドに滞在する滞在時間を指します。最適な層化速度のためにパルス形状が正しく設定されていても、難しい物質（微細粒子と近重力物質）がベッドの予想される層に移動する時間を確保するために、十分な滞在時間（ジグの幅、深さ、長さに依存）を提供する必要があります。

パルス形状を変更すると、分離速度と分離品質に影響することがわかっています。通常、速度と品質の変化は互いに相反し、成功したジグ設計は、経済的に実現可能な滞在時間で許容可能な分離を与えるパルス形状を使用します。したがって、ジグ設計における課題は、適切なサイズで十分なパルス形状を提供し、最大性能と柔軟性を確保するジグ技術を自信を持って選択することです。

鉄鉱石選鉱には、エアパルスジグの使用がより一般的です。これは、エアパルスジグが深い重い鉱石ベッド、特に塊鉄鉱石を流動化するために必要な大きなパルス振幅を生成できるためです。エアパルスジグの基本原理は、開放底部を持つチャンバーに低圧空気（1気圧未満）を注入し、処理中の物質ベッドを通過する水柱を加速することです。この原理は2通りの方法で実装されます。エアポケットがジグの幅方向にスクリーンデッキの下を走るか、またはジグベッドの片側に配置されます。前者は「ベッド下パルス型」ジグ、後者は「サイドパルス型」ジグとして知られています。機械式システムの場合、水柱を必要な速度まで加速するために瞬時に非常に高い電力が短期間必要となるのに対し、空気を使用するのは、レシーバーに空気を供給するブロワーが合理的な平均電力で連続運転できるためです。ブロワーがコンプレッサーや油圧パックではなく空気供給に使用されるのは、与えられた電力要件に対してブロワーの方がコンプレッサーや油圧パックよりもメンテナンスが容易だからです。

エアパルスジグの構造は、ジグベッドを支持し、エアチャンバーで生成された水パルスが特定の物質とハッチ水に対して許容可能な高さまでベッドを持ち上げるスクリーンデッキで構成されます。ハッチ水は一定の速度でベッドを通過し、分離効率を助け、ベッドをより長く流動化状態に保ちます。ジグの末端では、フロートがベッドのストロークを測定し、製品ベッドの高さを示します。製品ベッドの高さは、プログラマブルロジックコントローラ（PLC）に対して設定値周辺の狭い帯域で製品ベッドの高さを制御するために、製品ゲートを小さな増分で開閉する指示となります。テーリングはジグ末端のウィアを越えて流れ、製品はジグ下部のホッパーに回収されます。ハイ/ローレベルプローブがフィーダーの開始/停止を制御し、製品の抽出をコントロールします。パルスは、スクリーンデッキの下にあるエアチャンバーに空気が出入りすることで生成されます。空気がエアチャンバーの水を押し下げ、鉱石ベッドにパルスを生成し、空気を抜いて次のパルスが始まる前に鉱石ベッドをジグのスクリーンデッキに沈降させます。空気はブロワーによって生成され、作動空気容器に貯蔵されます。ポペットバルブがエアチャンバーへの空気の出入りを制御します。エアチャンバー内の空気/水界面レベルはレベルプローブで測定され、ポペットバルブのタイミングを制御してエアチャンバー内のストロークを一定に保ちます。エアパルス駆動ジグの典型的な概略図は図3に示されています。

図3 エアパルス駆動ジグの典型的な概略図