吉林某高鐵鉀長(zhǎng)石工藝礦物學(xué)

彭姣，黃紅軍，王盼，于俊杰，劉芳芳

（中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，戰(zhàn)略含鈣礦物資源清潔高效利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

鉀長(zhǎng)石屬于堿性系列長(zhǎng)石，是透長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石和微斜長(zhǎng)石三個(gè)同質(zhì)多象變體礦物的總稱，也是世界分布最廣泛、儲(chǔ)存量最大的非水溶性鉀資源[1]。鉀長(zhǎng)石由于其熔點(diǎn)低、高熔融粘度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于玻璃及玻璃制品、陶瓷、鉀肥，研磨材料的領(lǐng)域中[2]。

雖然我國(guó)鉀長(zhǎng)石礦資源豐富，但是由于絕大部分都含有石英、黑云母、金紅石、磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦等雜質(zhì)，均需要進(jìn)一步加工使其可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[3]。無(wú)論是全球還是我國(guó)，在對(duì)鉀長(zhǎng)石需求上皆處于產(chǎn)量小于市場(chǎng)對(duì)鉀長(zhǎng)石的需求量的處境，且它們之間的差距越來(lái)越大，尤其是在高品質(zhì)鉀長(zhǎng)石方面，需求量遠(yuǎn)高于高端鉀長(zhǎng)石市場(chǎng)供應(yīng)量，因此我國(guó)每年均須進(jìn)口大量的優(yōu)質(zhì)鉀長(zhǎng)石產(chǎn)品以滿足國(guó)內(nèi)需求[4]。故而如何充分利用鉀長(zhǎng)石礦資源，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)鉀長(zhǎng)石回收成為鉀長(zhǎng)石工業(yè)應(yīng)用的重中之重。由于在鉀長(zhǎng)石工業(yè)應(yīng)用中，鉀長(zhǎng)石原材料的質(zhì)量要求以及品質(zhì)劃分之一就是所含有顏色的礦物尤其是含鐵礦物的多少。如在玻璃行業(yè)的應(yīng)用中要求Fe2O3小于0.2%，在陶瓷的應(yīng)用中要求Fe2O3小于0.15%～0.5%[5]。因?yàn)樵谏a(chǎn)玻璃時(shí)，原材料中的鐵會(huì)對(duì)玻璃的透光度和顏色造成不良影響；在陶瓷生產(chǎn)過(guò)程中，鐵易讓產(chǎn)品表面產(chǎn)生黑點(diǎn), 熔疤和熔洞[6]。所以對(duì)含鐵量高的鉀長(zhǎng)石進(jìn)行研究，有效降低其氧化鐵礦物含量，使得這部分鉀長(zhǎng)石資源可以充分補(bǔ)充國(guó)內(nèi)高端鉀長(zhǎng)石資源缺口是十分必要的。本文從工藝礦物學(xué)角度出發(fā)，采用各種檢測(cè)手段對(duì)吉林某高鐵鉀長(zhǎng)石進(jìn)行全面分析，查清該鉀長(zhǎng)石的化學(xué)成分、元素含量、嵌布關(guān)系和粒度分布等，為后續(xù)該鉀長(zhǎng)石礦降鐵提純工藝研究提供理論依據(jù)[7-8]，為實(shí)現(xiàn)鉀長(zhǎng)石資源高值化整體化利用奠定基礎(chǔ)。

1 鉀長(zhǎng)石礦物質(zhì)組成

1.1 礦石化學(xué)元素分析

鉀長(zhǎng)石礦多元素化學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 可知，該樣品中主要含有K、Si、Al、Fe、Na、Ca 等元素，其中K 元素含量12.78%、Si 元素含量29.2%達(dá)到鉀長(zhǎng)石產(chǎn)品工業(yè)應(yīng)用標(biāo)椎，然而TFe 含量1.201%遠(yuǎn)高于鉀長(zhǎng)石產(chǎn)品所要求的鐵最高品位0.2%，需要著重進(jìn)行除鐵處理才可使其產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)。

表1 鉀長(zhǎng)石礦多元素分析結(jié)果/%Table 1 Multi-elemental analysis results of potassium feldspar ores

1.2 礦石礦物組成

鉀長(zhǎng)石礦礦樣X(jué)RD 分析結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 鉀長(zhǎng)石礦樣X(jué)RD 衍射Fig.1 X-ray diffraction pattern of potassium feldspar ores

通過(guò)圖1 的XRD 衍射圖譜定量分析可得，該樣品中主要礦物為鉀長(zhǎng)石（91.13%），另外還存在鈉長(zhǎng)石（4.97%），石英（3.62%）等。

1.3 礦石中含鐵礦物物相分析

為了有針對(duì)性的去除鉀長(zhǎng)石中的含鐵礦物，對(duì)鉀長(zhǎng)石礦樣中的含鐵礦物進(jìn)行物相分析，物相分析結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2 可知，該鉀長(zhǎng)石礦石中鐵元素主要分布在赤褐鐵礦，占59.87%。少部分分布在硅酸鐵、碳酸鐵以及磁鐵礦中，三者占總鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)合計(jì)為34.72%，其中硅酸鐵的鐵含量占18.07%，碳酸鐵的鐵含量占9.28%，磁鐵礦的鐵含量占7.39%。在鉀長(zhǎng)石選別工藝中，赤褐鐵礦、磁鐵礦可以通過(guò)磁選作業(yè)和將鉀長(zhǎng)石分離，而硅酸鐵、碳酸鐵則需要進(jìn)行浮選等化學(xué)選別方法除雜。

表2 鉀長(zhǎng)石礦鐵物相分析結(jié)果Table 2 Iron phase analysis results of potassium feldspar ores

2 主要礦物嵌布狀態(tài)和共生關(guān)系

該礦樣呈具磚紅色，為孔洞較發(fā)育、結(jié)構(gòu)較均勻的塊狀礦石。經(jīng)鏡下觀察鑒定，樣品的主要礦物種類較為簡(jiǎn)單，非金屬礦物主要是鉀長(zhǎng)石，次為鈉長(zhǎng)石、石英、斜長(zhǎng)石、蒙脫石和少量黑云母、絹云母；金屬礦物含量較高的是赤鐵礦，偶見(jiàn)褐鐵礦、磁鐵礦，其他微量礦物尚見(jiàn)鋯石、磷灰石等。

（1）鉀長(zhǎng)石

鉀長(zhǎng)石約占91.1%，是礦石中的主體礦物。圖2 為鉀長(zhǎng)石嵌布特征，鉀長(zhǎng)石主要呈單向延長(zhǎng)的針柱狀，嵌布粒度細(xì)且均勻，粒徑一般小于100μm，少數(shù)粒度在-50 μm，以相互緊密鑲嵌構(gòu)成的致密狀集合體為主分布在基質(zhì)中，局部為放射狀、束狀構(gòu)造，周邊鑲嵌部分微細(xì)粒鐵礦物，單偏光鏡下絕大部分鉀長(zhǎng)石由于發(fā)生了蒙脫石化呈現(xiàn)出混濁狀的特征。鉀長(zhǎng)石的電子探針?lè)治鼋Y(jié)果見(jiàn)表3，可以看出鉀長(zhǎng)石中主要雜質(zhì)元素為Fe、Na，TFe、Na2O 的平均含量均為0.20%。由此認(rèn)為有TFe 含量為0.20%的鐵礦物是與鉀長(zhǎng)石礦緊密共生的，故而后續(xù)鉀長(zhǎng)石礦的磨礦粒度要求很細(xì)，才有利于其與脈石礦物、雜質(zhì)金屬礦物解離，提高后續(xù)選礦作業(yè)回收率。

圖2 鉀長(zhǎng)石(Kf)嵌布特征Fig.2 Distribution characteristics of potassium feldspar (Kf)

（2）鐵礦物

該鉀長(zhǎng)石礦中雜質(zhì)鐵礦物有兩種類型存在（圖3），一種是磁鐵礦、赤鐵礦和褐鐵礦等獨(dú)立的鐵礦物，呈無(wú)定形的粒狀、團(tuán)塊狀、細(xì)脈狀、微脈狀產(chǎn)出；另一種是皮膜狀、浸染狀鐵質(zhì)集合體，常浸染嵌布在鉀長(zhǎng)石粒間或表面，形成浸染構(gòu)造。這也是導(dǎo)致礦樣肉眼下顯磚紅色的原因。不過(guò)浸染的程度并不十分均勻，沿邊部及裂隙通常較為明顯，局部呈條帶狀。由表4 的鐵礦物電子探針?lè)治鼋Y(jié)果可以發(fā)現(xiàn)鐵礦物中主要雜質(zhì)為硅，仍含有少部分鉀、鈉、鈣、鋁。綜合表3 鉀長(zhǎng)石電子探針?lè)治鼋Y(jié)果可看出該鉀長(zhǎng)石礦中的部分鐵元素是以晶格取代或嵌入狀、浸染形式存在的，屬于復(fù)雜難處理的鉀長(zhǎng)石礦[6]，僅僅使用常規(guī)選礦辦法很難得到良好效果，需要充分解離后通過(guò)酸洗等化學(xué)方法才能得到有效的降低。

表3 鉀長(zhǎng)石礦電子探針化學(xué)成分分析結(jié)果／%Table 3 Electron probe analysis of potassium feldspar ores

表4 鐵礦物電子探針化學(xué)成分分析結(jié)果／%Table 4 Electron probe analysis of iron ores

圖3 鐵礦物嵌布特征Fig.3 Distribution characteristics of iron

磁鐵礦（圖3a）主要以自形、半自形等軸粒狀產(chǎn)出，粒徑常＜20 μm，主要沿黑色孔洞邊緣斷續(xù)分布或零星嵌布在孔洞中。

赤鐵礦為含量較高的鐵礦物，多呈細(xì)粒狀嵌布于孔洞邊緣（圖3b），少量呈零散狀浸染于脈石礦物中或以微細(xì)的網(wǎng)脈結(jié)構(gòu)充填于脈石裂隙中（圖3c），極少數(shù)可發(fā)現(xiàn)顆粒組成不規(guī)則團(tuán)塊狀集合體嵌布（圖3d）。赤鐵礦粒度變化極大，細(xì)小者小于10 μm，而團(tuán)塊狀集合體粒徑則約至600 μm。

褐鐵礦只出現(xiàn)在極個(gè)別礦塊，由以下兩種嵌布形式產(chǎn)出：1）呈較為規(guī)則的五角十二面體粒狀，內(nèi)部為較清晰的膠狀環(huán)帶結(jié)構(gòu)，粒徑小于50 μm，分布于脈石礦物中氧化形成假象黃鐵礦（圖3e）；2）與石英嵌布共生呈不規(guī)則的短脈狀充填于鉀長(zhǎng)石中（圖3f），但分布并不十分連續(xù)，粒度為10～50 μm，是晚期熱液活動(dòng)階段鐵質(zhì)交代的產(chǎn)物。

（3）石英

石英在礦樣中分布廣泛，多為極不規(guī)則的微細(xì)粒狀，少數(shù)為隱晶質(zhì)-微晶質(zhì)，通過(guò)集合體形態(tài)可分為兩類（圖4）：一是呈不規(guī)則團(tuán)塊狀集合體充填于孔洞中，粒度大小在10～500 μm；二是以細(xì)脈狀、網(wǎng)脈狀集合體沿裂隙充填交代于基質(zhì)中，脈寬不規(guī)律，一般在50～200 μm，少數(shù)粗者可至300 μm，部分-20 μm。由于石英是該礦樣中主要脈石礦物，其嵌布粒度細(xì)且與鉀長(zhǎng)石物化性質(zhì)相似，故而首先可以通過(guò)脫泥降低微細(xì)粒級(jí)石英含量，再通過(guò)弱酸浮選分離石英與鉀長(zhǎng)石，從而去除石英雜質(zhì)。

圖4 石英（Qt）嵌布特征Fig.4 Distribution characteristics of quartz(Qt)

（4）黑云母

黑云母在礦樣中出現(xiàn)的較少，多呈片狀斑晶（圖5），大部分已發(fā)生較強(qiáng)烈的蝕變，嵌布于鉀長(zhǎng)石組成的基底中，解理較為清晰，晶體粒徑約為400 μm。

圖5 黑云母（Bi）嵌布特征Fig.5 Distribution characteristics of biotite (Bi)

（5）斜長(zhǎng)石

斜長(zhǎng)石零散分布，斜長(zhǎng)石斑晶呈較為規(guī)則的板片狀嵌布基質(zhì)中（圖6a），局部顆粒聚合成聚斑晶（圖6b），粒度變化大，粒徑小的約300μm，粒度粗大的達(dá)到1.0 mm 左右，少數(shù)晶體輕微絹云母化（圖6c）。采用最大消光角法測(cè)得樣品中斜長(zhǎng)石的An＝12，能夠得知屬于更長(zhǎng)石的領(lǐng)域。

圖6 斜長(zhǎng)石(Pl)嵌布特征Fig.6 Distribution characteristics of plagioclase(Pl)

3 礦物粒度組成及分布特征

對(duì)該鉀長(zhǎng)石礦石樣進(jìn)行粒度篩分以及對(duì)各粒級(jí)產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)成分分析，其結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5 可以看出，礦石分布含量與粒級(jí)的大小成正比關(guān)系，粒級(jí)+0.3 mm72.86%，粒級(jí)-0.074 mm 6.01%，且-0.0385 mm 粒級(jí)的礦樣中氧化鐵含量達(dá)到了2.363%，二氧化硅含量為63.07%，表示這一粒級(jí)礦物中石英和鐵礦物雜質(zhì)較多，后續(xù)需先進(jìn)行磨礦條件實(shí)驗(yàn)確定合適條件充分將礦物解離開(kāi)來(lái)，并且在磨礦作業(yè)后進(jìn)行脫泥，一方面降低細(xì)泥對(duì)選別的負(fù)面影響如造成浮選藥劑大量消耗，另一方面可以簡(jiǎn)單有效的提高鉀長(zhǎng)石產(chǎn)品品位。

表5 鉀長(zhǎng)石礦粒度組成分析Table 5 Analysis of size composition of potassium feldspar ores

4 結(jié) 論

(1)該吉林鉀長(zhǎng)石礦樣中主要礦物是鉀長(zhǎng)石，次為鈉長(zhǎng)石、石英，其他脈石礦物是斜長(zhǎng)石、黑云母、赤鐵礦、磁鐵礦。其中鉀長(zhǎng)石礦物組成為91.13%，鈉長(zhǎng)石為4.97%，石英為3.62%。

(2)根據(jù)各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)︹涢L(zhǎng)石原材料的工藝要求，該礦樣中TFe 品位1.201%過(guò)高需要著重降低使其達(dá)到優(yōu)質(zhì)鉀長(zhǎng)石標(biāo)準(zhǔn)。而由鐵物相分析可知，該礦樣中Fe 相主要存在形式為赤褐鐵礦和硅酸鐵，兩者鐵含量占總鐵的82.16%。

(3)根據(jù)電鏡觀察結(jié)果，該礦樣中鐵礦物以獨(dú)立的鐵礦物形式存在的鐵約占樣品中鐵含量的60%，通過(guò)選礦可將其予以脫除，而呈浸染狀粘附于鉀長(zhǎng)石粒間或表面的鐵質(zhì)物則需要通過(guò)酸洗等化學(xué)方法才能得到有效的降低。由于石英為主要脈石礦物，且嵌布粒度細(xì)、與鉀長(zhǎng)石物化性質(zhì)相似，可以首先通過(guò)脫泥降低微細(xì)粒石英其對(duì)后續(xù)除鐵浮選作業(yè)的影響，再通過(guò)弱酸浮選分離石英與鉀長(zhǎng)石，從而提高最終產(chǎn)品品質(zhì)。

(4)鉀長(zhǎng)石礦樣中粒度+0.3 mm 72.86%，在選別作業(yè)前需要進(jìn)行磨礦作業(yè)將其解離，且由于原礦中氧化鐵含量隨著粒度減小而增大，證明確實(shí)需要在磨礦后脫泥，可有效降低產(chǎn)品鐵的含量。