X射線揀選-反浮選工藝在宜昌中磷層磷礦選礦中的應用

李宇新， 田孟杰， 瞿定軍， 胡學超， 孫偉， 高志勇

1.湖北宜化礦業有限責任公司，湖北 宜昌443100;2.中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙410083;3.中南大學 戰略含鈣礦物資源清潔高效利用湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410083

引言

宜昌磷礦含磷巖系產生于震旦系上統陡山沱組，屬海相化學沉積型磷塊巖礦床[1]。目前開采的主要工業礦層為下磷層和中磷層[1]。宜昌礦區西北部以中磷層為主，如杉樹埡礦和江家墩礦等。中磷層磷礦共分三層，即Ph21、Ph22、Ph23[2]。其中，Ph21和Ph23以白云巖條帶狀磷塊巖為主，礦層平均厚度較大[3]；礦層與圍巖分界不明顯，磷塊巖條帶占比為40%～70%，礦層P2O5含量較低，頂板和底板均為白云巖，但呈不緊密結合，在較粗粒度下可大部分解離[1]。含磷層Ph22為致密條帶狀磷塊巖，磷塊巖占比為75%～90%，P2O5含量高達28%以上。中磷層磷礦全層綜合P2O5平均品位22%左右，難以直接進行工業利用。

宜昌中磷層有價礦物為碳氟磷灰石和氟磷灰石等，脈石礦物為白云石、石英、方解石等，主要的有價礦物與脈石礦物之間具有一定的密度差和表面疏水性差異，回收該類礦石中的含磷礦物時，目前多采用重介質選礦—反浮選工藝流程[4]。宜昌中磷層原礦P2O5含量約為22%，經過粗、中和細三段一閉路破碎，將礦石破碎到20 mm以下。經篩分分級-10 mm粒級P2O5含量約26%，+10-20 mm粒級產品經過重介質選礦，獲得磷精礦P2O5含量26%，綜合回收率78%。重介質分選磷精礦與-10 mm粒級產品合并進入反浮選，反浮選作業磷精礦P2O5含量30%以上。

宜昌中磷層磷礦的有價含磷礦物多以礦物集合體的形式存在，富磷礦物集合體密度2.93 g/cm3，脈石密度2.85 g/cm3，兩者密度僅相差0.08 g/cm3，對重介質選礦的控制精度要求高。重介質選礦磷精礦中脈石夾雜嚴重，選礦效果不理想。要想提高重介質分選精礦品位和降低脈石含量，則會造成有價礦物跑尾，回收率明顯降低。因此，亟需尋找新的處理工藝替代重介質分選。

X射線揀選技術，利用不同礦物在X射線透射后的光譜特異性進行識別[5-6]，分選精度更高，可克服重介質選礦過程中精礦脈石夾雜問題。而且，X射線揀選設備操作簡單，容易實現全自動化控制。再者，在礦物集合體充分解離情況下，X射線揀選可以適當放寬入選粒級上限，實現大顆粒拋尾，有效代替人工手選，適用于預先拋尾作業。

本文針對宜昌中磷層磷礦，首先采用X射線衍射(XRD)分析和掃描電鏡(SEM)研究其工藝礦物學信息，探索X射線揀選法處理該礦石的可行性，最終確定X射線智能分選—反浮選的聯合工藝流程。

1 礦石性質

宜昌中磷層礦石新鮮面在肉眼下顯灰色，結構較為致密，總體具塊狀構造，少量為斑雜狀構造。經鏡下鑒定、X射線衍射(XRD)分析和掃描電鏡(SEM)分析綜合研究表明，礦石中礦物組成較為簡單，其中磷礦物主要是磷灰石，次為膠磷礦。脈石礦物以白云石為主，其次是石英，此外有少量方解石、綠泥石和云母等。金屬礦物含量很少，為黃鐵礦及褐鐵礦等。中磷層礦石XRD分析結果見圖1。

圖1 中磷層磷礦XRD物相分析圖譜Fig. 1 XRD phase analysis pattern of phosphorite ore of the middle phosphate layer

礦石中磷礦物以磷灰石為主，具有明顯的晶體特征，其次為成分相近的膠磷礦。磷灰石形態變化較大，多呈自形和半自形柱粒狀，部分為不規則粒狀和碎屑狀，嵌布粒度一般在0.05～0.5 mm之間。磷灰石不均勻嵌布在以白云石為主的脈石中(圖2)，磷灰石與白云石等脈石礦物緊密嵌布，礦石中磷灰石富集部分常呈團塊狀集合體。集合體中磷灰石含量一般在70%以上，粗粒集合體粒度可達2 mm以上，集合體部分與膠磷礦共生。

圖2 中磷層礦石中磷灰石嵌布狀態SEM背散射電子像Fig. 2 SEM backscattered electron images of apatite dissemination state in the middle phosphate layer

膠磷礦常呈球粒狀或橢圓粒狀、渾圓團粒狀集合體，部分為碎屑狀。其中常包裹數量不等的細小石英等礦物。粒度總體較磷灰石細小，一般在0.03～0.3 mm之間。部分重結晶形成磷灰石，二者交生構成磷礦物混合體(圖3)。

圖3 礦石中膠磷礦嵌布狀態偏光顯微鏡照片(a)和SEM背散射電子像(b)Fig. 3 Polarizing microscope photo and SEM backscattered electron images of collophanite dissemination state in ore

磷礦物包括磷灰石和膠磷礦，不均勻分布在礦石中，在大部分礦塊中磷礦物含量在20%～50%之間，少量礦塊中含量可達60%以上，很少量礦塊局部可見磷灰石密集聚集。礦塊中磷礦物較密集部分多以磷灰石為主，膠磷礦分布則較稀疏。

主要脈石礦物白云石多集中以基底物形式產出，其次是嵌布在磷灰石顆粒間隙中。石英多以細小顆粒分散嵌布，部分為隱晶質玉髓集合體。方解石多呈細小脈狀產出(圖2b)。

SEM分析表明，中磷層磷礦物 含P2O5為33.41%、MgO 0.58%和CaO 37.87%。碳酸鹽礦物含MgO 21.35%和CaO 34.31%。硅酸鹽類礦物含SiO299.58%。黏土類礦物含SiO245.45%、Al2O334.65%和MgO 0.64%。MgO和SiO2是中磷層磷礦石的有害組分，9.67%的MgO賦存在碳酸鹽礦物中，19.11%的MgO賦存在磷塊巖單體中，只要能拋除大部分的碳酸鹽礦物，就能將MgO含量降低到1%以下。43.48%的SiO2賦存在磷礦物單體中，35.19%的SiO2賦存在石英礦物中，14.77%的SiO2賦存在黏土類礦物中，只要能拋除大部分的石英和黏土類礦物，就能大大降低SiO2含量，滿足磷銨原料指標要求。

2 試驗方案

本文研究擬采用X射線揀選法拋除宜昌中磷層有害礦物組分、以回收富磷礦物集合體，不同品位的原礦經過破碎和篩分作業后，分為-10 mm、+10-30 mm和+30 mm三種粒級產品，-10 mm粒級產品P2O5品位為26%左右，能夠直接進入下一步浮選作業；+10-30 mm產品P2O5品位約為20%，需要X射線揀選進一步富集；+30 mm粒級產品返回破碎作業流程。

3 試驗研究

3.1 篩分試驗

宜昌中磷層富磷礦物集合體硬度小，致密性差，易破碎。因此，能夠通過預先篩分或粗級破碎篩分獲得一部分磷精礦。如表1所示，宜昌中磷層磷礦P2O5品位約為22%，通過篩分處理，-10 mm粒級產品P2O5品位約為26%，回收率約為30%，能夠直接給入下一步浮選作業中。

表1 中低品位(P2O5 22%左右)原礦篩分結果 /%Table 1 Size distribution of medium- and low-grade (P2O5 22%) raw ore

3.2 中磷層中低品位磷礦X射線揀選

3.2.1 磷礦采用X射線分選的可行性

宜昌中磷層磷礦之前生產采用重介質分選，但由于富磷礦物集合體與白云石等脈石礦物密度接近，重介質分選效果不佳，因此亟需改變生產方式[6]。宜昌中磷層含磷有價礦物為磷灰石和膠磷礦，其與白云石等脈石礦物對X射線吸收程度不同，利用X射線成像易于識別磷礦物、因此采用X射線揀選法能將含磷有價礦物與脈石礦物有效地分離[7-8]。

3.2.2 XNDT-104X射線揀選原理

XNDT-104X射線揀選分選系統由X射線源、傳感系統、識別系統和分離系統構成。采用X光透射性能(傳感系統)及電腦圖像處理技術(識別系統)對礦物進行識別后，再采用高壓噴吹裝置(分離系統)進行分離(圖4)[6]。針對宜昌磷礦礦物特性，采集具有代表性的磷礦石樣品，用于X射線揀選設備識別模型初步建立。并對不同粒度下的礦石樣本，綜合優化模型，在保證磷礦石較好回收率的情況下最大化提高分類的準確率。圖5為湖北宜昌杉樹椏磷礦石聚類訓練效果圖，其中紅色為膠磷礦礦樣本類訓練后的識別結果，藍色為脈石礦物樣本類訓練后的識別結果，可以看到基于經過設計后的X 光系統，兩類礦石在識別系統中具有較好的類間差異，可以實現有效區分[6]。

圖4 XNDT-104X智能分選系統圖Fig. 4 XNDT-104X intelligent separation system

圖5 湖北宜昌杉樹椏磷礦石聚類訓練效果圖[6]Fig. 5 Effect drawing of cluster training on phosphorus ore of Shashuya in Yichang city, Hubei Province

3.2.3 X射線揀選技術指標

原礦經破碎和篩分后，+10-30 mm粒級產品X射線揀選結果如表2所示。在X射線揀選3次試驗中，磷精礦P2O5含量均在27%以上，精礦回收率80%～86%；尾礦產率36.5%～45.1%之間，P2O5品位7.5%～9.0%之間。

表2 X射線分選試驗結果 /%Table 2 Results of X-ray sorting of +10-30 class ore

3.3 中磷層磷礦反浮選

-10 mm粒級產品與X射線揀選磷粗精礦合并后磨礦給入下一步浮選作業，宜昌中磷層磷礦中主要的脈石礦物是白云石、石英和方解石等，反浮選技術是提高磷精礦P2O5品位的主要選礦方法[9-10]。

宜昌中磷層磷礦反浮選工藝采用磷酸作為調整劑、復配油酸類捕收劑浮選白云石等脈石礦物，具體的反浮選工藝及藥劑制度如圖6所示。磷精礦P2O5品位32%以上，回收率94.7%。

圖6 反浮選工藝流程和藥劑制度Fig. 6 Reverse flotation flowsheet and reagent regime

歸一化處理篩分、X射線揀選和浮選試驗結果表明，最終浮選磷精礦相對于初始原礦的產率為52.18%～57.18%之間、P2O5回收率82.02%～85.66%之間。

表3 反浮選技術指標 /%Table 3 Technical index of reverse flotation

4 結論

宜昌中磷層磷礦主要的有價磷礦物為磷灰石和膠磷礦，二者嵌布粒度較細，無法直接回收，磷灰石和膠磷礦多與白云石等脈石礦物緊密嵌布，形成粒度較粗的富磷礦物集合體。富磷礦物集合體易碎，為此，應首先預先篩分或粗碎篩分獲得一部分富磷細粒級產品，即-10 mm粒級產品P2O5品位26%左右，能夠直接給入下一步浮選作業。+10-30 mm粒級產品采用X射線揀選法進一步處理，X射線揀選得到的磷粗精礦P2O5品位26%以上、回收率80%～86%。-10 mm粒級產品和X射線揀選磷精礦合并給入下一步反浮選流程，反浮選磷精礦P2O5品位32%以上、作業回收率94.7%，相對原礦回收率82%以上。

原有工藝單純采用浮選工藝很難獲得P2O5品位30%以上的磷精礦。宜昌中磷層磷礦采用篩分和粗粒級X射線揀選，預先拋除產率為35%～45%的粗粒廢石，提高浮選給料P2O5品位，礦山產能提高1倍，降低運輸成本和后續反浮選作業難度，最終獲得的浮選磷精礦P2O5品位達到32%以上。在處理其它類似低品位、有價礦物嵌布粒度細的磷礦資源時，X射線揀選—浮選聯合工藝有巨大的推廣潛力。