含稀土螢石鐵尾礦的工藝礦物學(xué)研究

陳繼佳，李文博,3

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗室，遼寧 沈陽 110819；3.難采選鐵礦資源高效開發(fā)利用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，遼寧 沈陽 110819)

白云鄂博礦區(qū)藏有世界上最大的含稀土鐵礦床，鐵和稀土元素的儲量都位于世界前列，已分析確定的元素有71種，蘊(yùn)藏礦產(chǎn)種類繁多，儲量巨大[1-3]。近年來，包頭鋼鐵集團(tuán)針對白云鄂博礦石進(jìn)行了大量的試驗研究，摒棄“采富棄貧”的方針，最終確定了“弱磁-強(qiáng)磁-浮選”聯(lián)合回收鐵和稀土的工藝流程[4-6]。隨著開采年限的增加，白云鄂博礦區(qū)高品位鐵礦石日益枯竭，選別指標(biāo)整體下降，稀土精礦品位僅為50%左右，鐵礦石回收率也僅在70%左右，導(dǎo)致總量可觀的鐵以及稀土礦物在選別流程中損失而進(jìn)入尾礦庫，鐵和稀土元素含量分別約為15%和7%[7]。除此之外，尾礦中還含有螢石和白云石等有用礦物可待回收。隨著國家對稀土資源的重視程度日益提高，合理回收利用白云鄂博含稀土螢石鐵尾礦成為包頭地區(qū)提升資源利用率、緩解環(huán)境壓力的當(dāng)務(wù)之急[8-9]。

詳細(xì)的工藝礦物學(xué)研究是資源高效開發(fā)利用的重要基礎(chǔ)[10-11]。本文采用X射線衍射、化學(xué)分析、礦物自動解離度分析(MLA)和掃描電鏡(SEM-EDX)等手段對鐵尾礦的礦物組成、化學(xué)成分、元素賦存狀態(tài)、礦物產(chǎn)出形式及嵌布特征等工藝礦物學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[12-13]，旨在為該尾礦的綜合回收利用制定合理的技術(shù)路線和工藝流程。試驗原料由包頭鋼鐵集團(tuán)下屬的寶山礦業(yè)有限公司提供，取自近年來白云鄂博鐵礦經(jīng)磁選-浮選聯(lián)合選鐵流程所堆積的尾礦，樣品具有代表性。

1 礦石的化學(xué)組成

通過化學(xué)分析法，測得該尾礦化學(xué)成分分析見表1。由表1可知，該鐵尾礦中的主要有用元素為Fe、F和REO，含量分別為14.10%、13.90%和13.26%；主要礦物為鐵礦物、螢石和稀土礦物；雜質(zhì)元素Si、Al、Mg中，Si、Mg含量較高，表明礦石中含有一定量的石英以及鐵鎂鋁硅酸鹽礦物；有害元素P、S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.50%和1.44%，屬于典型的多金屬共(伴)生鐵礦石的選鐵尾礦。

表1 礦樣化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition analysis of ore (mass fraction) 單位：%

2 礦石的礦物組成

針對白云鄂博含稀土螢石鐵尾礦，采用荷蘭PAN ALYTICAL公司生產(chǎn)的PW3040型X射線衍射儀進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見圖1。由圖1可知，礦石中主要礦物為磁鐵礦、螢石、氟碳鈰礦，其他脈石礦物包括重晶石、石英、白云石、金云母。

圖1 礦樣XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of ore

將礦樣縮分后采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行兩次冷鑲，制成直徑30 mm的光片，經(jīng)研磨拋光后，經(jīng)MLA礦物自動定量系統(tǒng)測定，得到礦物組成見表2。鐵礦物以赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦為主；稀土礦物以獨(dú)居石、氟碳鈰礦為主；其他有用礦物主要包括螢石和磷灰石等；脈石礦物則以鐵白云石、白云石和方解石等碳酸鹽礦物以及鎂鈉鐵閃石、石英、長石和云母等硅酸鹽礦物的形式存在。

表2 礦樣的礦物組成及相對含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Mineral composition and relative content of ore(mass fraction) 單位：%

3 鐵礦物賦存狀態(tài)

為確定該鐵尾礦中的鐵礦物的賦存狀態(tài)，對鐵礦物進(jìn)行化學(xué)物相分析，結(jié)果見表3。由表3可知，礦樣中可利用的鐵礦物占到90%以上，主要分布在磁鐵礦、赤(褐)鐵礦及菱鐵礦中，硅酸鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.85%，占全鐵的6.03%，對鐵的回收率存在一定影響。

4 礦物特征

4.1 主要礦物粒度分布

磨礦細(xì)度是影響選別效果的重要因素，主要礦物的嵌布粒度對磨礦細(xì)度的選擇具有指導(dǎo)意義。將樣品打磨并制作成切片，顯微鏡下測定其粒度分布，結(jié)果見表4。由表4可知，該礦樣所有礦物中粒度在100 μm以上的僅占10.90%，粒度在20 μm以下的占43.73%，主要有用礦物磁(赤)鐵礦、螢石和氟碳鈰礦在100 μm以上粒度中的分布率分別為2.57%、15.08%和5.45%，而在40 μm以下粒度中的分布率則達(dá)到75.18%、55.73%和72.39%。由此可見礦樣嵌布粒度總體偏小，三種主要有用礦物在該尾礦中均以細(xì)粒嵌布為主，所需要的磨礦細(xì)度較小時才能實(shí)現(xiàn)更高的單體解離度，也為后續(xù)改善分選效果增加了難度。

表3 礦樣中鐵的化學(xué)物相分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Chemical phase analysis of iron in ore(mass fraction) 單位：%

表4 主要有用礦物粒度分布率Table 4 Size distribution rate of main useful ore

采用MS2000激光粒度分析儀對該尾礦進(jìn)行粒度分析，粒度分布如圖2所示。分析得到試樣的粒度特征參數(shù)D50=24.122 μm，D90=102.628 μm。激光粒度分析結(jié)果表明，該尾礦的粒度較細(xì)，平均為24.122 μm，粒度在102.628 μm以下的顆粒占90%，與顯微鏡下測得的三種有用礦物的粒度分布結(jié)果基本相符。

圖2 礦樣粒度分布Fig.2 Particle size distribution of ore

4.2 主要礦物的產(chǎn)出形式與嵌布特征

采用日本島津公司生產(chǎn)的SSX-550型掃描電子顯微鏡，通過背散射電子成像(BSE)和能譜分析(EDX)半定量測試技術(shù)對礦樣的產(chǎn)出形式與嵌布特征進(jìn)行了詳細(xì)研究。

4.2.1 赤鐵礦

赤鐵礦是礦樣中的主要含鐵礦物，部分以半自形粒狀或粒狀集合體產(chǎn)出，呈致密塊狀、片狀分布，與霓石連生(圖3(a))，部分呈粒狀及不規(guī)則狀與氟碳鈰礦、脈石礦物連生，主要以螢石連生體形式存在(圖3(b))，相比較與霓石連生的赤鐵礦則粒度較小，一般只有十幾μm。檢測結(jié)果表明赤鐵礦大多與霓石、螢石以及氟碳鈰礦緊密共生，赤鐵礦與其他礦物的連生體較多是其回收效果差而進(jìn)入尾礦的主要原因。

圖3 赤鐵礦與其他礦物嵌布關(guān)系圖Fig.3 Distribution relationship between hematiteand other minerals

4.2.2 磁鐵礦

磁鐵礦在礦樣中主要以連生體形式存在，結(jié)晶粒度較小，且與稀土礦物關(guān)系密切。磁鐵礦常呈致密狀與螢石連生，空間分布較均勻，主要以細(xì)粒嵌布為主(圖4(a))，呈條狀、格子狀與氟碳鈰礦連生，包含于螢石中(圖4(b))，呈板狀或片狀與氟碳鈰礦、鐵白云石連生(圖4(c))，呈細(xì)粒狀與獨(dú)居石連生，星散分布于螢石中(圖4(d))。

圖4 磁鐵礦與其他礦物嵌布關(guān)系圖Fig.4 Distribution relationship between magnetiteand other minerals

由于磁鐵礦主要以貧連生體以及極細(xì)包裹體存在，這部分磁鐵礦不易通過磨礦實(shí)現(xiàn)單體解離，因此在鐵礦物分選過程中該部分磁鐵礦易進(jìn)入尾礦而影響鐵的回收率。樣品中的磁鐵礦化學(xué)成分EDX能譜分析見表5，結(jié)果表明：磁鐵礦中混有少量硅、鈣、鈦和錳等雜質(zhì)。

表5 磁鐵礦化學(xué)成分EDX能譜分析結(jié)果Table 5 EDX analysis of chemical composition of magnetite 單位：%

4.2.3 褐鐵礦

褐鐵礦是以含水氧化鐵為主要成分的、褐色的天然多礦物混合物。在本樣品中部分呈塊狀、疏松狀或土狀等，以細(xì)粒嵌布為主(圖5(a))，并且單體解離程度較好，此外，褐鐵礦沿解離、裂隙和孔洞充填有細(xì)小粒狀氟碳鈰礦和獨(dú)居石，與稀土礦物交代溶蝕現(xiàn)象較明顯，關(guān)系密切(圖5(b))。

圖5 褐鐵礦與其他礦物嵌布關(guān)系圖Fig.5 Distribution relationship between limoniteand other minerals

4.2.4 稀土礦物

稀土礦物是該尾礦中的主要有用礦物之一，以獨(dú)居石(4.56%)和氟碳鈰礦(6.33%)為主。其中，獨(dú)居石是一種含有鈰和鑭的磷酸鹽礦物，是稀土金屬的主要礦物之一，常含釷、鋯等。

該樣品中的獨(dú)居石化學(xué)成分EDX能譜分析結(jié)果見表6，獨(dú)居石中普遍存在稀土元素鑭、鈰、鐠和釹，并混入少量鈣和鐵。該鐵尾礦中獨(dú)居石常呈板狀或粒狀與螢石連生，并可見與磷灰石、鎂鈉鐵閃石或鐵白云石連生(圖6(a)～(d))。氟碳鈰礦是具有重要工業(yè)價值的鈰族稀土元素礦物，屬于氟碳酸鹽類型。

圖6 獨(dú)居石與其他礦物嵌布關(guān)系圖Fig.6 Distribution relationship between monaziteand other minerals

表6 獨(dú)居石化學(xué)成分EDX能譜分析結(jié)果Table 6 EDX analysis of chemical composition of monazite 單位：%

該樣品中的氟碳鈰礦化學(xué)成分EDX能譜分析結(jié)果見表7，氟碳鈰礦中含有大量稀土元素鑭、鈰、鐠和釹，并混入少量鈣、鐵和硅。該鐵尾礦中氟碳鈰礦常呈板狀或粒狀與磷灰石、螢石和霓石連生(圖7(a)～(d))。

圖7 氟碳鈰礦與其他礦物嵌布關(guān)系圖Fig.7 Distribution relationship between bastnaesiteand other minerals

表7 氟碳鈰礦化學(xué)成分EDX能譜分析結(jié)果Table 7 EDX analysis of chemical composition of bastnaesite 單位：%

4.2.5 螢石

螢石是本尾礦中的主要有用礦物之一，礦物含量為19.60%。等軸晶系，常呈立方體、八面體和菱形十二面體，集合體為粒狀或塊狀；顏色多樣，如無色、綠色、藍(lán)色和紫紅色；玻璃光澤；硬度為4；密度為3.18 g/cm3；顯熒光性。

該樣品中的螢石化學(xué)成分EDX能譜分析結(jié)果見表8。由表8可知，礦物中含有少量鐵、硅和鋁等雜質(zhì)。鐵尾礦中螢石多見呈不規(guī)則狀，常包含細(xì)粒磁鐵礦、獨(dú)居石和氟碳鈰礦等。細(xì)粒磁鐵礦與螢石毗連連生，獨(dú)居石呈板狀或粒狀集合體與螢石交生，也有部分獨(dú)居石呈細(xì)粒狀包裹于螢石中，氟碳鈰礦呈星點(diǎn)狀或呈粒狀形成條帶貫穿于螢石，還有微細(xì)粒重晶石沿螢石邊緣嵌布(圖3(a)、圖5(b)和圖5(c)、圖6(b)和圖6(c))。

表8 螢石化學(xué)成分EDX能譜分析結(jié)果Table 8 EDX analysis of chemical composition of fluorite 單位：%

5 結(jié) 論

1) 白云鄂博含稀土螢石鐵尾礦中，鐵元素主要存在于赤(褐)鐵礦和磁鐵礦中，此外還有一部分鐵的碳酸鹽礦物，這些礦物與脈石中的鎂鈉鐵閃石、霓石、金云母及黑云母均屬弱磁性礦物；稀土礦物主要以獨(dú)居石和氟碳鈰礦形式存在，螢石礦物可綜合回收。

2) 磁鐵礦主要以貧連生體以及極細(xì)包裹體存在，與稀土礦物結(jié)合緊密，由于這種包裹型連生體不易實(shí)現(xiàn)單體解離，在鐵礦物分選過程中易進(jìn)入尾礦而影響鐵的回收率；赤鐵礦主要呈致密塊狀、細(xì)粒狀和不規(guī)則狀與螢石、氟碳鈰礦以及霓石緊密共生，赤鐵礦與其他礦物的連生體較多是其回收效果差而進(jìn)入尾礦的主要原因；稀土礦物與螢石嵌布較密切，主要呈星點(diǎn)狀、粒狀及板狀包裹于螢石內(nèi)部，這些星點(diǎn)狀或粒狀普遍粒度較細(xì)且呈不規(guī)則狀排列，也有部分呈條帶狀穿插于螢石內(nèi)部。

3) 該鐵尾礦工藝礦物學(xué)研究結(jié)果表明：該鐵尾礦的礦物性質(zhì)復(fù)雜，鐵礦物、稀土礦物、螢石之間的嵌布關(guān)系復(fù)雜，礦物結(jié)晶粒度總體偏小，采用傳統(tǒng)選礦方法很難實(shí)現(xiàn)鐵礦物、螢石、稀土礦物的高效分離，應(yīng)采用合理的選冶聯(lián)合工藝，以達(dá)到綜合回收利用Fe、F、REO元素的目的。