综述：铁锰矿石的火法冶金处理——以哈萨克斯坦矿产资源和技术前景为重点

《Applied Sciences》：Pyrometallurgical Processing of Iron Manganese Ores: A Review with Emphasis on Kazakhstan’s Mineral Resources and Technological Prospects

　　

高品位锰矿（high-grade manganese ore）储量的枯竭，伴随着矿石质量的逐步下降，加剧了对哈萨克斯坦铁合金工业（ferroalloy industry）合适锰原料供应的担忧。在此条件下，开发处理具有低Mn/Fe比和复杂矿物学组成的铁锰矿石（iron manganese ores）的高效技术变得越来越重要。本综述（review）考察了当前处理铁锰矿石的火法冶金方法（pyrometallurgical approaches），包括碳热还原焙烧（carbothermic reduction roasting）后接磁选（magnetic separation）、还原熔炼（reduction smelting）生产富锰渣（rich manganese slag），以及氢基选择性还原（hydrogen-based selective reduction）后接磁选。研究人员特别关注哈萨克斯坦铁锰矿石的矿物学和化学特征，这些特征显著限制了它们在常规锰铁（ferromanganese）生产过程中的直接利用。这些技术的优缺点在金属回收率、Mn/Fe比提升效率、能量需求、环境绩效和工业适用性方面进行了批判性评估。比较分析确定还原熔炼是目前技术条件下最适合哈萨克斯坦铁锰矿石的路线。这一结论主要得到哈萨克斯坦主要矿床的低Mn/Fe比、高铁含量和复杂矿物学关联的支持，这些限制了固态还原后接磁选的效率。在熔炼过程中，原始矿物结构被破坏，铁和锰直接在液态金属和渣相之间分离。已发表的研究报告铁回收率超过95%，MnO回收率到渣中约为94.6%，所得富锰渣中Mn/Fe比高于15。此外，该过程产生两种潜在可销售的产品——铸铁（cast iron）和富锰渣——并且可以更容易地整合到哈萨克斯坦现有的铁合金生产基础设施中。因此，还原熔炼目前代表了综合利用哈萨克斯坦铁锰资源的最技术成熟和实际可行的路线。

1. Introduction：锰是高品质钢生产的关键原料，约90%的锰消耗于钢铁工业。锰铁合金主要通过碳热还原在埋弧炉（SAF）中生产，要求原料具高Mn/Fe比（通常>5）和严格粒度。哈萨克斯坦锰矿储量集中在中央哈萨克斯坦的Atasu矿区，主要矿床包括West Karazhal、Zhomart、Ushkatyn-I等。约70%的锰矿为铁锰矿，Mn/Fe比低于3，且矿物学复杂，不能直接用于传统工艺，因此需开发高效处理技术。本研究旨在分析现有火法冶金方法并评估其应用于哈萨克斯坦铁锰矿的潜力。

2. Review Methodology：采用结构化文献综述，检索Scopus、Web of Science等数据库，关键词包括“铁锰矿”、“碳热还原焙烧”、“磁选”、“还原熔炼”、“氢还原”等。筛选标准聚焦于铁锰分离、产品组成、操作参数、回收率及工业适用性。将选定的研究分为三类：碳热还原焙烧后磁选、还原熔炼生产富锰渣、氢基选择性还原后磁选，并进行比较评估。

3. World Manganese Reserves：全球锰矿储量分布不均，南非（31.4%）、澳大利亚（26.2%）、中国（14.7%）、巴西（14.2%）占主导。年产量约1900-2000万吨锰，南非、加蓬、澳大利亚合计占70%以上。中品位矿（30-44% Mn）占产量50%，高品位矿（>44% Mn）占40%，低品位矿（<30% Mn）占10%。印度、中国、乌克兰、哈萨克斯坦等国拥有大量低品位铁锰矿，Mn/Fe比低，矿物学复杂，处理难度大。

4. Manganese Deposits of Kazakhstan：哈萨克斯坦拥有100多个锰矿床，38个适合工业开发，16个在运行。主要储量集中在中央哈萨克斯坦的Atasu、Zhezdy、Ushkatyn三个矿区，West Karazhal和Ushkatyn-III占90%。矿石类型包括氧化矿、铁锰矿、含钡铅矿等。铁锰矿占70%，Mn/Fe比低于3，铁含量高，磷（0.02-0.08%）和硫（0.1-0.3%）含量低。主要矿物有褐锰矿、软锰矿、硬锰矿、水钠锰矿、黑锰矿。复杂矿物学显著限制传统选矿和冶金处理。

5. Pyrometallurgical Methods for Processing Iron Manganese Ores：处理前需根据粒度、强度等准备原料，块矿可直接入炉，细粉需造块。主要方法分为三类。

5.1 Carbothermic Reduction Roasting：利用碳质还原剂在650-1100°C选择性还原铁氧化物为磁铁矿（Fe₃O₄）或金属铁，锰氧化物还原至MnO。反应包括Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe及MnO₂→Mn₂O₃→Mn₃O₄→MnO。温度影响显著，最优温度约700°C，过高会形成难分离的硅酸盐和尖晶石。实验室研究（Yi等、Gao等、Nurjaman等）报道锰产品含53.6-63.7% Mn，回收率70.4-89.38%，Mn/Fe比达5.43-10.85。但过程需多步操作，能耗高，对矿物学敏感，无工业规模应用报道。

5.2 Smelting to Produce Manganese Slag：基于还原熔炼，铁氧化物优先还原为金属铁进入铸铁相，锰保留在氧化物中富集于渣相，形成富锰渣（含MnO 52.59-58.24%，Mn/Fe>15）。铁回收率>95%，MnO回收率约94.59%。研究（Singh等、Eissa等）在50-100 kVA中试炉中验证，成功分离铁和锰。该法破坏原始矿物结构，不依赖后续磁选，产生两种可销售产品，易于整合到现有铁合金基础设施。但需高温、电能和碳质还原剂，渣成分需优化。工业规模尚未专门应用于高铁低品位矿。

5.3 Hydrogen Reduction Followed by Magnetic Separation：利用H₂在800-950°C选择性还原铁氧化物为金属铁，锰保持为MnO或硅酸盐。反应包括Fe₂