錫石多金屬硫化礦工藝礦物學及磨礦優化

周文濤，韓躍新，李艷軍，孫永升，楊金林，馬少健

(1.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽，110819；2.廣西大學 資源環境與材料學院，廣西 南寧，530004)

在錫石多金屬硫化礦磨礦實踐中，硫化礦物一般采用浮選方法富集和彼此分離，其適宜給料粒度范圍為10～150 μm，要求礦石細磨；錫石主要采用重選方法富集回收，其適宜給料粒度范圍為74～250 μm，要求礦石粗磨[1-3]。實際中往往難以同時滿足錫石重選粗磨要求和硫化礦浮選細磨的要求，大量的錫石被磨成細粒級，為減少細粒錫石生成，磨礦粒度又會偏大，因此，在實際生產中長期存在硫化礦欠磨與錫石過磨的矛盾。近年來，國內外學者對微細錫石開展了大量研究[4-8]，浮選在細粒錫石選礦領域得到了主要應用[9-13]。要取得細粒錫石的高效浮選，藥劑制度的優化選擇是必需條件，眾多學者對藥劑開發與優化也進行了大量研究工作[14-18]。然而，浮選藥劑雖能取得一定的浮選效果，但也存在價格較貴、污染環境的缺點[19-20]。通過建立磨礦過程數學理論關系，模擬磨礦過程和預測磨礦作業指標，已經成為磨礦作業調節和優化的重要途徑[21-25]。從經濟和環境保護角度考慮，從磨礦優化角度出發，在浮選前采取措施緩解錫石過磨和硫化礦欠磨問題具有一定的經濟意義和環保意義，相關工藝礦物學研究對于錫石多金屬硫化礦高效利用具有重要的意義。因此，本文作者通過化學分析、MLA、粒度分析儀等分析手段對廣西大廠錫石多金屬硫化礦的化學組成、礦物組成、礦物產出特征及粒度分布進行分析研究，在此基礎上，提出一種優化表征錫石多金屬硫化礦磨礦過程的方法，并設計磨礦試驗，以求從理論和實踐意義上實現磨礦優化。

1 試驗原料和方法

1.1 試驗原料工藝礦物學研究

1.1.1 礦石化學組成

試驗所用礦樣取自廣西大廠某選廠。所取礦石經曬干、破碎、混勻后，縮分裝袋備用。試驗用錫石多金屬硫化礦的化學多元素分析結果如表1所示。

表1 錫石多金屬硫化礦的化學多元素分析結果(質量分數)Table 1 Results of multi-element analysis of cassiterite polymetallic sulphide ore %

由表1可知：錫石多金屬硫化礦樣中含有鐵、錫、鉛、鋅、銅等大量的金屬元素以及硫、砷等非金屬元素，其中Fe2O3和SO3的質量分數最高，總質量分數達57.7%，表明硫鐵礦物質量分數較高，其重要金屬元素錫、鉛、鋅的質量分數分別為0.1%，1.8%和12.2%。雜質成分為CaO，SiO2與Al2O3，質量分數分別為17.1%，5.0%與1.3%，表明礦石含有一定量的石英和其他硅酸鹽礦物。

1.1.2 礦石礦物組成

利用MLA對礦石進行物相分析，如表2所示。

表2 錫石多金屬硫化礦物定量檢測結果Table 2 Results of mineral quantitative detection of cassiterite polymetallic sulfide ore

由表2可知：錫石多金屬硫化礦中的主要成分是磁黃鐵礦和閃鋅礦，兩者的質量分數合計約90%；鉛礦物主要是脆硫銻鉛礦；銻礦物為微量硫銻鐵礦、自然銻和黃銻礦；銀礦物主要是銀黝銅礦、自然銀、螺狀硫銀礦和輝銻銀礦；錫礦物主要是錫石，少量至微量黝錫礦和硫錫礦；其他金屬硫化礦物主要是黃鐵礦、毒砂、黃銅礦和輝鉬礦；脈石礦物主要是云母、石英等。

1.1.3 礦物粒度組成

對所取礦樣進行粒度測定，結果見表3。

由表3可知：0.075 mm以上粒級的礦物分布率為81.94%，0.038 mm 以下粒級的分布率為14.08%，可見礦物的粒度以中粗粒嵌布為主，顆粒不均勻。

表3 樣品的粒度分布Table 3 Particle size distribution of sample

1.1.4 礦石主要礦物產出特征

由MLA分析主要礦物的產出特征如圖1～3所示。

圖1 以粒狀或浸染狀產出的錫石(Sn)特征Fig.1 Characteristics of cassiterite(Sn)produced in granular or disseminated form

圖2 膠結于其他硫化礦物中的閃鋅礦(Zn)特征Fig.2 Characteristics of sphalerite(Zn)cemented in other sulphide minerals

圖3 膠結于脆硫銻鉛礦(Zn)中的磁黃鐵礦特征Fig.3 Characteristics of pyrrhotite(Fe)cemented in jamesonite(Pb)

由圖1～3可知：礦石中主要含Sn的礦物，能譜分析表明，錫石主要由Sn和O元素組成，含少量Fe，微量Si，其中，Sn的質量分數為77.76%，O的質量分數為21.5%，Fe的質量分數為0.29%；錫石呈自形-半自形粒狀，與石英、金云母等脈石緊密連生形成集合體，呈浸染狀、團塊狀分布。硫化礦主要由脆硫銻鉛礦、磁黃鐵礦和閃鋅礦等礦物組成，脆硫銻鉛礦主要由Pb，Sb和S 組成，含少量Fe，其中，Pb的質量分數為38.98%，Sb的質量分數為35.6%，S的質量分數為21.77%，Fe的質量分數為3.34%。磁黃鐵礦主要由Fe和S 組成，含少量Si，其中，Fe的質量分數為61.06%，S的質量分數為38.88%，Si的質量分數為0.06%。閃鋅礦主要由Zn，Fe和S 組成，其中，Zn的質量分數為51.95%，Fe的質量分數為13.57%，S的質量分數為33.35%；各種硫化礦物關系密切，相互混雜以交生或共生的浸染狀細粒產出。錫石由于性脆、密度大，在磨礦中容易過磨泥化，導致回收率降低，降低其過磨泥化程度，硫化礦由于嵌布粒度較細而不能得到充分單體解離，最終導致金屬互損嚴重。

1.2 試驗方法

基于錫石和硫化礦破碎特性和選別粒度的差別，將錫石多金屬硫化礦分為錫石和硫化礦二元結構，其中，錫石以Sn金屬元素為代表；由于Sb金屬元素與Pb 金屬元素緊密共生，其物理特性較一致，因此，硫化礦物以Zn，Pb和Fe金屬元素為代表。受實驗室配套篩子的限制，在盡量滿足后續適宜給料粒度范圍的前提下，以0.074～0.350 mm為錫石多金屬硫化礦中錫石的合格粒級，以0.038～0.150 mm為錫石多金屬硫化礦中硫化礦的合格粒級。基于以上分析，提出一種錫石多金屬硫化礦磨礦過程優化表征方法，即以合格粒級的金屬分布率為目標，通過調控磨礦條件，達到磨礦過程優化的目的。

2 結果與討論

試驗設備選用XMQ-Φ240×90 實驗室錐形球磨機，磨機轉速為96 r/min，磨礦介質充填率為35%。每次試驗均對磨礦產物進行濕篩篩分，考察入磨粒度、磨礦時間和礦漿質量分數等因素對磨礦產物中合格粒級金屬分布率的影響。

2.1 入磨粒級小于2 mm條件下磨礦時間和礦漿質量分數的影響

在入磨粒級小于2 mm條件下，礦漿質量分數分別為50%，65%，75%，85%和90%，磨礦時間對錫石和硫化礦物合格粒級金屬分布率的影響如圖4所示。

圖4 入磨粒級小于2 mm且不同礦漿質量分數時磨礦時間對合格粒級金屬分布率的影響Fig.4 Effect of grinding time on qualified particle size metal distribution rate with different ore pulp mass fractions when particle size is less than 2 mm

由圖4可知：不同礦漿質量分數下，Zn，Pb和Fe 元素合格粒級金屬分布率隨著磨礦時間的變化規律基本一致，這也證明了這3種元素代表硫化礦的合理性；當礦漿質量分數為50%時，Sn 合格粒級金屬分布率在磨礦時間為2 min 時最大，而Zn，Pb和Fe合格粒級金屬分布率在磨礦時間為6 min時均達到最大，說明錫石和硫化礦二元結構磨礦特性存在差異，且分別在磨礦2 min和6 min 時，錫石和硫化礦適宜選別粒度的礦物單體解離最大；當礦漿質量分數為65%和75%時，Sn合格粒級金屬分布率磨礦4 min后均達到最大，而Zn，Pb和Fe合格粒級金屬分布率在磨礦6 min后均達到最大；當礦漿質量分數為85%和90%時，4種元素合格粒級金屬分布率都分別在磨礦時間為10 min和2 min時達到最大，說明礦漿質量分數過大時，罩蓋作用嚴重影響磨礦效果，弱化了錫石和硫化礦磨礦特性差異。

2.2 入磨粒級小于3 mm條件下磨礦時間和礦漿質量分數的影響

在入磨粒級小于3 mm條件下，礦漿質量分數分別為50%，65%，75%，85%和90%，磨礦時間對錫石和硫化礦物合格粒級金屬分布率的影響如圖5所示。不同磨礦條件下Sn，Zn，Pb和Fe合格粒級金屬分布率的優化調控結果如表4所示。

圖5 入磨粒級小于3 mm且不同礦漿質量分數時磨礦時間對合格粒級金屬分布率的影響Fig.5 Effect of grinding time on qualified particle size metal distribution rate with different ore pulp mass fractions when particle size is less than 3 mm

表4 不同磨礦條件優化調控下Sn，Zn，Pb和Fe合格粒級金屬分布率Table 4 Sn,Zn,Pb and Fe of qualified particle size metal distribution rate under different grinding conditions

由圖5和表4可知：入磨粒級小于3 mm 時的分析結果與入磨粒級小于2 mm時的結果類似；在不同礦漿質量分數下，Zn，Pb和Fe 元素合格粒級金屬分布率隨著磨礦時間的變化規律也基本一致。當礦漿質量分數為50%時，Sn 合格粒級金屬分布率在磨礦2 min 后達到最大，而Zn，Pb和Fe 合格粒級金屬分布率磨礦4 min后均達到最大；當礦漿質量分數分別為65%和75%時，Sn合格粒級金屬分布率在磨礦4 min后均達到最大，而Zn，Pb和Fe合格粒級金屬分布率在磨礦8 min 后均達到最大；當礦漿質量分數為85%和90%時，這4種元素合格粒級金屬分布率都分別在磨礦8 min和10 min時達到最大值，說明礦漿質量分數過大時，罩蓋作用嚴重影響磨礦效果，弱化了錫石和硫化礦磨礦特性差異。

由表4 還可知：不同磨礦條件優化調控下，Sn，Zn，Pb和Fe 這4 種元素合格粒級金屬分布率不同。磨礦優化條件如下：入磨粒級小于2 mm、礦漿質量分數為65%、錫石磨礦4 min、硫化礦物磨礦6 min。此時，Sn，Zn，Pb和Fe 這4 種元素合格粒級金屬分布率分別取得最大值。因此，在入磨粒級小于2 mm、礦漿質量分數為65%時，采用“分步磨礦”方式，即磨礦4 min提Sn后，不改變其他磨礦條件，繼續磨礦至6 min時入選硫化礦物。

3 結論

1)錫石多金屬硫化礦中的主要成分是磁黃鐵礦和閃鋅礦，兩者的質量分數合計約90%；鉛礦物主要是脆硫銻鉛礦；錫礦物主要是錫石；脈石礦物主要是云母、石英等。錫石呈自形-半自形粒狀，與石英、云母等脈石緊密連生形成集合體，呈浸染狀、團塊狀分布；硫化礦主要由脆硫銻鉛礦、磁黃鐵礦和閃鋅礦等礦物組成，各種硫化礦物關系密切，相互混雜以交生或共生的浸染狀細粒產出。

2)基于錫石和硫化礦磨礦特性和選別粒度的差別，將錫石多金屬硫化礦分為錫石和硫化礦二元結構，提出使用合格粒級金屬分布率為錫石多金屬硫化礦磨礦過程優化表征方法。通過優化調控磨礦條件，可得出優化條件如下：入磨粒級小于2 mm、礦漿質量分數為65%、錫石磨礦4 min、硫化礦物磨礦6 min。因此，選擇入磨粒級小于2 mm、礦漿質量分數為65%時，采用“分步磨礦”方式，即磨礦時間為4 min時提Sn后，不改變其他磨礦條件，繼續磨礦至6 min時入選硫化礦物。