攀西地區(qū)某用于制造纖維的玄武巖工藝礦物學(xué)研究

張凱軍，霍冀川，黃陽，于鵬鵬，李俊，李興平，霍泳霖

（1.環(huán)境友好能源材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

然而，用于制造玄武巖纖維的天然玄武巖礦石成分及組成波動大，不同地區(qū)都有所差異，沒有非常固定的組成和比例,且由玄武巖原礦制備的玄武巖纖維的性能，取決于玄武巖原料的化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，所以并不是所有地方的玄武巖都是制造玄武巖纖維的優(yōu)質(zhì)原料。但是天然玄武巖原礦的化學(xué)成分還是比較相似的，主要有：SiO2、Al2O3、Na2O、Fe2O3、FeO、MgO、K2O、TiO2、CaO 等及少量的其他雜質(zhì)，只是在各成分的含量上有些差別[2]。

現(xiàn)在玄武巖纖維的原料選取主要有兩種主要方式，其一是根據(jù)配方直接尋找符合度較好成、分波動小且儲量較豐富的玄武巖礦石，后經(jīng)過人工配料、混料得到符合要求的原料，可以稱為配合工藝，另一種則不經(jīng)過配料且僅以玄武巖礦石作為制備纖維的原料，這種對玄武巖原礦的要求更高，可以稱為原礦工藝。兩者對比起來本各有優(yōu)劣，配合工藝的原礦選擇面廣原材料易得但需要額外消耗其他配料在混料中也需要額外能耗，而原礦工藝由于只用礦石原料相對節(jié)省能耗也無需消耗其他資源，但由于對原礦要求高很難找到相符的原礦，同時(shí)相符原礦的儲量不高也是制約其發(fā)展的重要原因之一。

當(dāng)前，攀西某地的玄武巖被用作配合工藝制造玄武巖纖維的原料，為了高效合理的利用和開發(fā)該資源，本研究系統(tǒng)的考察該玄武巖礦石的工藝礦物學(xué)特征[3-6]，并在此基礎(chǔ)上開展初步的磁選除鐵實(shí)驗(yàn)，獲得了一定的選別指標(biāo)，為利用該玄武巖制造玄武巖纖維提供參考。

1 玄武巖礦石的物質(zhì)組成

1.1 玄武巖礦石的主要化學(xué)成分分析

玄武巖礦石的主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 玄武巖礦石主要化學(xué)成分分析結(jié)果/%Table 1 Analysis results of main chemical composition of the samples

可以看出玄武巖礦石的主要化學(xué)成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO 、MgO、TiO2、Na2O、K2O 和少量的P2O5、MnO、BaO、SrO、ZrO2、SO3、CuO、ZnO 等。

其中SiO2和A12O3是玄武巖所含有的基本氧化物,由它們組成纖維的結(jié)構(gòu)骨架，他們的含量會影響熔體的粘度,含量增加更容易制備長纖維但同時(shí)也需要形成纖維的溫度也會提高，基本氧化物含量在60% ～ 80%時(shí)，纖維具有較好的強(qiáng)度，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，此礦石基本氧化物含量為64.28%，在此范圍內(nèi)；鐵質(zhì)組分能夠影響玄武巖的熱性能，提高纖維的使用溫度，使玄武巖纖維具有高溫穩(wěn)定性[7]，但是鐵質(zhì)組分的含量影響纖維的結(jié)晶能力，當(dāng)其含量高時(shí)，在纖維形成過程中會形成磁鐵礦，其中鐵離子在磁鐵礦結(jié)構(gòu)中占據(jù)八面體位置，而磁鐵礦在此過程中會沉積在坩堝底部，堵塞噴絲頭開口，導(dǎo)致纖維斷裂，不利用長纖維的制造[8-11]，因此通過磁選得到鐵品位不同的玄武巖纖維原料對后續(xù)配料生產(chǎn)高性能纖維有重要意義。

1.2 玄武巖礦石的礦物組成

原礦礦物成分分析結(jié)果見表2。

表2中各待測元素的分析同位素質(zhì)譜線及分辨率就是按照上述原則優(yōu)選出來的。其中Ca和In的選擇稍有不同。理論上Ca元素的同位素中40Ca的豐度最大(96.94%)但它被40Ar完全覆蓋，即便在高分辨(R>10 000)下也無法完全分開，而Ar氣正是產(chǎn)生輝光放電的重要部分，它充滿了整個(gè)激發(fā)室，對40Ca的干擾無法避免。因此只能選擇豐度第二(2.09%)的44Ca作為分析Ca含量的質(zhì)譜線。

表2 玄武巖礦石主要礦物成分分析結(jié)果Table 2 Analysis results of main mineral composition of the samples

由表2 可知，礦石中的主要礦物為斜長石，其他礦物還有輝石、綠泥石、石英、磁鐵礦等，其中其中鐵質(zhì)組分主要分布在磁鐵礦、輝石和綠泥石中，磁鐵礦屬于強(qiáng)磁性礦物，可以在較弱的磁場下分離；綠泥石、輝石屬于弱磁性礦物，需要在磁場強(qiáng)度H=480 ～ 1840 kA/m的磁選機(jī)才可以選出；斜長石，石英屬于非磁性礦物，可以通過強(qiáng)磁選使之與磁性礦物分離。

2 玄武巖礦石的類型與結(jié)構(gòu)構(gòu)造

2.1 玄武巖礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造

玄武巖礦石為亞堿性拉斑玄武巖，具斑狀結(jié)構(gòu)，主要為斜長石，輝石斑晶，基質(zhì)是介于粗玄結(jié)構(gòu)和間隱結(jié)構(gòu)之間的過渡結(jié)構(gòu)，也稱間粒間隱結(jié)構(gòu)，在雜亂排列的斜長石長條狀微晶形成的間隙中，除了有粒狀輝石和磁鐵礦外，還有隱晶質(zhì)物質(zhì)[12]?；|(zhì)主要成分為斜長石、輝石、綠泥石、石英、隱晶質(zhì)集合體及金屬礦物等。

礦石主要為氣孔狀構(gòu)造、局部杏仁狀構(gòu)造，杏仁體含量為2% ～ 25%，形態(tài)有橢圓狀、扁豆?fàn)?、水滴狀等，杏仁體中的填充物主要為綠泥石和石英。

2.2 玄武巖礦石中主要礦物的結(jié)構(gòu)和嵌布特征

（1）斜長石

斜長石是礦石中含量最多的礦物，約占46%，斜長石斑晶，呈自形厚板狀，大小約0.4 ～ 3.00 mm，表面干凈光亮，輕微絹云母化、綠泥石化蝕變，以單體或團(tuán)塊狀集合體分布在基質(zhì)中；在基質(zhì)中的斜長石，板條狀，針狀，大小約0.04 ～ 0.20 mm，輕微絹云母化，綠泥石化蝕變，均勻分布（見圖1A、C）。

圖1 玄武巖礦石顯微鏡下特征Fig.1 Microphotographs showing ore characters of the basalt deposit

（2）輝石

輝石，粒狀，大小約0.02 ～ 0.07 mm，具綠泥石化蝕變，蝕變析出鐵質(zhì)礦物呈塵狀分布在其顆粒表面，均勻分布在斜長石顆粒，含量約27%（見圖1 A、C）。

（3）綠泥石

綠泥石，分布在斜長石間或充填在氣孔中構(gòu)成杏仁狀構(gòu)造，含量約14%（見圖1 B、C）。

（4）石英

石英呈細(xì)微晶充填在氣孔中，含量約9%（見圖1 B）。

（5）金屬礦物

金屬礦物主要為磁鐵礦及少量鈦鐵礦、黃銅礦、黃鐵礦、斑銅礦，磁鐵礦兩種賦存形式，一為自形、半自形粒狀，分布斜長石、隱晶質(zhì)集合體間，大小約0.01 ～ 0.06 mm，含量約2%，另一種呈星點(diǎn)狀、浸染狀分布在輝石顆粒表面及隱晶質(zhì)集合體中，大小約0.004-0.01 mm，含量約1%（見圖1 D、E、F）。

3 選礦實(shí)驗(yàn)

3.1 磁選實(shí)驗(yàn)

由上述分析可知，鐵組分可能對玄武巖纖維制備和性能造成影響，故得到適宜制備連續(xù)玄武巖纖維的低鐵玄武巖原料很有必要。因此，本文針對攀西地區(qū)某用于制造纖維的玄武巖進(jìn)行了初步的磁選除鐵實(shí)驗(yàn)。根據(jù)工藝礦物學(xué)研究選擇原礦細(xì)度為-0.10 mm 53%的條件下進(jìn)行弱磁選磁場強(qiáng)度條件實(shí)驗(yàn)，考察磁選指標(biāo)與背景場強(qiáng)的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2、3。

圖2 強(qiáng)磁選磁場強(qiáng)度對磁性組分選別指標(biāo)的影響Fig.2 Effect of magnetic separator for field intensity on the magnetic component selection index of high-intensity magnetic separation

圖3 強(qiáng)磁選磁場強(qiáng)度對貧磁組分選別指標(biāo)的影響Fig.3 Effect of magnetic separator for field intensity on the nonmagnetic component selection index of high intensity magnetic separation

由圖2，3 結(jié)果可知：隨著磁場強(qiáng)度的增加，高鐵樣品鐵的品位呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，磁性組分的含量在逐漸增加，低鐵樣品鐵的品位呈現(xiàn)先逐漸降低后增加的趨勢，非磁性組分的含量逐漸減少。在640 kA/m 的磁場強(qiáng)度下，低鐵樣品鐵品位最低為9.88%。在此條件實(shí)驗(yàn)中，遵循重品位次回收率的原則，選定較佳的強(qiáng)磁選磁場強(qiáng)度為640 kA/m。

3.2 磁選產(chǎn)品分析

為了進(jìn)一步了解磁選產(chǎn)品的礦物特性，查明各種礦物的走向，對在較佳的磁場強(qiáng)度640 kA/m的強(qiáng)磁選產(chǎn)品進(jìn)行了化學(xué)成分、礦物相組成分析。3.2.1 磁選產(chǎn)品的化學(xué)成分分析

磁選產(chǎn)品與原礦的化學(xué)成分分析結(jié)果見表3。表3 結(jié)果表明，玄武巖礦石經(jīng)過強(qiáng)磁選工藝，高鐵樣品中含鐵礦物得到了一定的富集，鐵品位有所提高，低鐵樣品中鐵的品位得到了有效地降低，和原礦比，降低了3.77 個(gè)百分點(diǎn)，且低鐵樣品與原礦相比，與格魯吉亞拉絲成功的高性能纖維使用原料的成分組成更為接近[13]。

表3 樣品的化學(xué)成分分析結(jié)果/%Table 3 Analysis results of main chemical composition of thesamples

3.2.2 磁選產(chǎn)品的礦相分析與X 射線衍射譜圖分析磁選產(chǎn)品的XRD 圖譜分析結(jié)果見圖4，礦相分析結(jié)果見表4。

表4 磁選產(chǎn)品中主要礦物的物相分析Table 4 Analysis results of main mineral composition of thesamples

圖4 磁選產(chǎn)品與原礦的XRD 譜圖分析Fig .4 XRD spectrum of the samples

表4 和圖4 結(jié)果分析可知，與原礦相比高鐵樣品中的磁鐵礦、輝石、綠泥石的含量都有所增加，斜長石和石英的含量相對減少，低鐵樣品與之相反且沒有在低鐵產(chǎn)品中找到磁鐵礦，表明強(qiáng)磁選工藝可以有效對玄武巖的鐵質(zhì)組分進(jìn)行分離。

4 結(jié) 論

（1）攀西地區(qū)某玄武巖為亞堿性拉斑玄武巖，主要礦物為斜長石、輝石、石英、綠泥石和磁鐵礦等。礦石全鐵的品位為13.65%，鐵質(zhì)組分主要分布在強(qiáng)磁性礦物磁鐵礦和弱磁性礦物輝石及綠泥石中。

（2）礦石主要為氣孔狀構(gòu)造、局部杏仁狀構(gòu)造，礦石的基質(zhì)為間粒間隱結(jié)構(gòu)，同時(shí)具斑狀結(jié)構(gòu)，主要為斜長石，輝石斑晶。

（3）較佳的強(qiáng)磁選磁場強(qiáng)度為640 kA/m，通過強(qiáng)磁選除去了玄武巖中磁鐵礦和部分輝石和綠泥石，使礦石全鐵的品位由13.65%降至9.88%，達(dá)到預(yù)先指標(biāo)，為之后的選礦與纖維制造工作提供指導(dǎo)與參考。