某風化粘土型鈦礦工藝礦物學研究

蔣英, 李波, 梁冬云, 張莉莉

(廣東省資源綜合利用研究所，稀有金屬分離與綜合利用國家重點實驗室，廣東省礦產資源開發和綜合利用重點實驗室，廣東 廣州 510650)

鈦及其氧化物、合金產品是重要的涂料、新型結構材料、防腐材料，被譽為“繼鐵、鋁之后處于發展中第三金屬”和“戰略金屬”，廣泛應用于航空、航天、艦船、化工、機械、醫療器械等領域，并創造了巨大的經濟效益和社會效益，在國民經濟發展中有其重要的地位和作用[1-7]。鈦是典型的親石元素，常以氧化物礦物出現，主要礦物有鈦鐵礦、金紅石和鈦磁鐵礦等，廣泛分布于地殼及巖石圈之中。自然界中具有工業開采價值的鈦礦床主要有巖漿鈦礦床和鈦砂礦床兩大類。其中巖漿鈦礦床可分為磁鐵鈦鐵礦及赤鐵鈦鐵礦兩種主要類型，而鈦砂礦床可分為金紅石型砂礦與鈦鐵礦型砂礦兩類[8]。

我國是鈦資源大國，資源十分豐富，分布于20 多個省區，既有原生的巖礦，也有次生的風化殘坡積及沉積砂礦。巖礦主要分布于四川攀西和河北承德地區，砂礦主要分布在廣東、廣西、海南沿海一帶。此外還有內陸砂礦，分布在云南、內蒙古等地[1,9]。本文將以國內某粘土型風化鈦砂礦為研究對象，通過對其進行詳細的工藝礦物學研究，查明該礦的化學成分、礦物組成及主要礦物的產出形式，為制定合理的選冶工藝提供理論依據。該研究對合理開發我國的鈦鐵礦資源具有重要的現實意義。

1分析方法

本次研究的樣品取自某風化粘土型鈦礦床，從礦樣中選擇具有代表性礦石樣經破碎、混勻、篩分（篩孔尺寸為2 mm）后，再混勻縮分制成試驗樣品備用。多元素化學分析樣品研磨至-0.074 mm，MLA 礦物自動檢測樣分為四級后制成環氧樹脂光片，單礦物分析在-43 μm 完成最后提純。單礦物挑選主要通過控制場強對各礦物進行磁選分離、淘洗、雙目鏡下挑選得到最終單礦物。

樣品多元素化學分析、礦物組成定量分析、礦物嵌布狀態、能譜分析以及磁性分析均在廣東省資源綜合利用研究所完成。樣品多元素化學分析Fe 采用容量法，S 采用碳硫分析儀，其余元素采用火焰原子吸收分光光度計，工作條件：燈絲電流3 mA，燃燒器高度5 ～ 8 mm，空氣壓力0.3 MPa，乙炔壓力0.09 MPa，空氣流量7 min/L，乙炔流量1 min/L。礦物組成定量分析、礦物嵌布狀態及礦物能譜分析采用美國FEI 礦物自動分析儀MLA 650 系統，該系統聯合FEI Quanta 650 掃描電鏡、Bruker XFlash5010 能譜儀以及MLA 軟件3.1 版本進行分析。工作條件為：加速電壓20 kV，工作距離10 mm，高真空模式。磁性分析采用WCF-3 電磁分選儀，選取樣品中-0.074 + 0.043 mm粒級產品，通過控制磁場強度對樣品進行分離。

2 結果與討論

2.1 原礦物質組成

采用XRF 并結合化學定量分析對原礦進行化學成分分析，結果見表1，礦石的礦物組成結果見表2。

表1 原礦化學成分分析結果/%Table 1 Chemical composition of the raw ore

表2 原礦礦物組成及含量Table 2 Mineral composition of the raw ore

以上分析結果表明，原礦主要有價元素為鈦和鐵，鉭、鈮含量達到工業品位要求，可綜合回收。其他元素含量較低，綜合利用價值不大。礦石中鈦礦物主要為鈦鐵礦，其次為白鈦石，微量榍石。主要鐵礦物為褐鐵礦，少量釩鈦磁鐵礦。脈石礦物主要為大量綠泥石-伊利石粘土，其含量約占78%，其次為風化長石、橄欖石、輝石、角閃石等。

2.2 主要礦物的嵌布特征

（1）鈦鐵礦

鈦鐵礦為礦石中最主要的鈦礦物，主要可分為兩種類型。第一種原生鈦鐵礦為礦石中最主要的目的礦物，含量為3.76%，主要呈不規則粒狀或板狀，大多為單體，但部分鈦鐵礦顆粒表面凹凸不平，多為白鈦石、粘土充填和膠結（圖1a）。

圖1 主要礦物嵌布特征Fig. 1 Disseminated characteristics of the main minerals

少數與釩鈦磁鐵礦或榍石、黑云母等脈石成連生或包裹關系（圖1b）。部分鈦鐵礦在強風化淋濾作用下氧化蝕變為白鈦石（圖1c）。原生鈦鐵礦化學成分能譜分析結果顯示其平均含TiO252.73%，Fe 34.91%，MnO 1.06%，MgO 1.34%。單礦物分析結果為： TiO251.86 % ，Fe 33.62%。單礦物鐵、鈦含量均比能譜微區分析結果略低，可能因鈦鐵礦表面凹坑中含泥和含其他礦物包裹體引起。

第二種鈦鐵礦呈定向片晶存在于釩鈦磁鐵礦中，為固溶體分離的產物。在切面中呈菱形、平行四邊形、三角形等顯微網格狀構造。格帶寬度不一，一般為0.003 mm 左右（圖1d）。礦物含量僅為0.33%。掃描電鏡能譜分析其平均化學成分為：TiO250.13%，Fe 31.50%，Al2O36.29%，SiO21.42%，MnO 1.22%， MgO 0.16%，P2O50.29%，ZnO 0.12%，其組成接近原生鈦鐵礦成分。

（2）釩鈦磁鐵礦

釩鈦磁鐵礦為次要回收礦物，主要呈不規則粒狀與鈦鐵礦與其他脈石礦物連生分布。部分釩鈦磁鐵礦發生了不同程度的固溶體分離現象，密集的葉片狀、細紋狀鈦鐵礦片晶包含其中，呈網格狀定向分布（圖1e）。釩鈦磁鐵礦化學成分掃描電鏡能譜分析結果顯示其平均含TiO217.11%，Fe 60.17%，V2O50.90%， Al2O33.71%，MnO 0.50%，MgO 0.23%，SiO20.20%。釩鈦磁鐵礦單礦物分析結果為： TiO217.26%， Fe 58.76%。

（3）白鈦石

白鈦石并非固定化學組成和晶體結構的礦物，而是一種氧化蝕變產物，由鈦鐵礦、榍石、金紅石、銳鈦礦、板鈦礦等鐵鈦氧化物組成的多相微粒集合體。白鈦石顏色變化較大，呈灰黑色、灰色、褐黃色、白色等，質地較松散，成分不均勻。礦石中白鈦石主要交代鈦鐵礦，形成白鈦石微粒集合體或與殘余鈦鐵礦連生（圖1f）。

白鈦石化學成分能譜分析結果顯示其化學成分較復雜，并變化較大，除含鈦、鐵之外，含較高硅、鋁、磷等雜質，白鈦石平均化學成分：TiO263.52%，Fe 16.24%， Al2O38.15%，SiO25.16%，MnO 0.47%，P2O51.89%。

2.3 目的礦物的嵌布粒度

礦石中目的礦物鈦鐵礦、白鈦石和釩鈦磁鐵礦的嵌布粒度累計曲線見圖2。

圖2 目的礦物的嵌布粒度累計曲線Fig. 2 Cumulative curve of disseminated grain size of the target minerals

目的礦物嵌布粒度累計曲線分布表明，釩鈦磁鐵礦與鈦鐵礦粒度分布類似，二者的粒度較均勻，主要粒度范圍在0.02 ～ 0.32 mm。白鈦石的粒度分布不均，主要呈微細粒，-0.02 mm 53%。

2.4 主要元素在礦石中的賦存狀態

根據原礦礦物定量和各單礦物的TiO2與鐵含量，作出鈦和鐵在各主要礦物中的平衡分布結果見表3。

表3 鈦和鐵在各礦物中的分布Table 3 Distribution of titanium and iron in minerals

從表3 可知，鈦鐵礦為主要的鈦礦物，其鈦分布率占原礦總鈦48%左右，其次為白鈦石，其鈦占原礦總鈦量的15%左右，而賦存于釩鈦磁鐵礦中的鈦占原礦總鈦4%。存在于礦泥以及其他脈石礦物中的鈦占原礦總鈦量的29%左右。上述結果表明，礦石中鈦的分散較嚴重，從原礦中采用物理選礦分選鈦，理論回收率48%左右。

原礦中鐵主要賦存于粘土和顆粒狀褐鐵礦中，分別占原礦總鐵量的60%和19%左右。而釩鈦磁鐵礦中鐵僅占原礦總鐵量的4%左右，鈦鐵礦中鐵占僅原礦總鐵量8%左右。以上結果表明，從原礦中回收鐵，理論回收率僅為4%左右。

2.5 目的礦物的解離度

顯微鏡下測定原礦篩水析產品各粒級鈦鐵礦的解離度，結果見表4。

表4 原礦篩水析產品的解離度結果Table 4 Dissociation degree of screening elutriation products of the raw ore

從表4 可知，鈦鐵礦在-0.2 mm 獲得良好的解離，解離度達93%以上。鈦主要分布在+0.03 mm粒級中，鈦金屬分布率占 72.16%。細粒級-0.02 mm部分礦物占 67%左右，但TiO2含量較低，為2%左右。通過顯微鏡觀察-0.02 mm 粒級可知，細粒級中鈦鐵礦含量少，基本由粘土泥組成。

2.6 選礦工藝影響因素分析

本礦石經歷強烈風化蝕變作用，屬殘坡積礦。礦石中主要脈石礦物為大量的粘土類和褐鐵礦等風化蝕變產物，以及少量殘余的蝕變長石、橄欖石、輝石、石英、綠簾石等。本礦石含泥量大，含量近80%。多數鈦鐵礦、白鈦石等目的礦物的表面被粘土包裹或其凹坑處被粘土質礦物充填，導致目的礦物與脈石粘結在一起，因此必須采取強力擦洗脫泥才能有利于后續礦物之間分選。

篩水析產品解離度分析結果顯示，-0.02 mm微細粒級鈦鐵礦含量極少，基本由粘土泥組成，且鈦品位低，粒級產率高，鈦鐵礦完全解離度，因此，選礦可采取預先脫泥工藝，脫除細度為-0.02 mm、產率約為67%的粘土，再磨礦后分選鈦和鐵，從而達到預先拋廢，簡化流程結構，提高礦石處理量和入選品位的顯著效果。

選別鈦鐵礦砂礦的傳統工藝流程主要為：重選-磁選聯合流程。首先，利用鈦鐵礦等目的礦物與其他脈石礦物有較大的密度差，預先富集拋掉大量低密度尾礦，獲得含鈦鐵礦、釩鈦磁鐵礦等有用礦物的混合粗精礦產品。鈦鐵礦和釩鈦磁鐵礦存在一定程度的磁性差異，釩鈦磁鐵礦屬于強磁性礦物，其磁性與磁鐵礦相當，采用較低磁場即可富集回收，而鈦鐵礦磁性相對釩鈦磁鐵礦要弱，二者在低磁場下即可有效分離。鈦鐵礦粗精礦經強磁選后品位可以大幅度提高，最后再經搖床深度精選即可得到最終鈦精礦[9]。

該原礦砂中 TiO2品位 4.5%，含泥量大，多為粘土礦物，被粘結的細粒鈦鐵礦、白鈦石和釩鈦磁鐵礦與脈石集合體會因密度變小在重選環節造成鈦流失。此外，-0.02 mm 細粒級鈦品位低，重選回收困難，預先脫除，可提高入選品位。因此，根據礦石特點及工藝礦物學研究結果，該礦石選礦試驗可采用“擦洗脫泥-重選-磁選”聯合流程。確定脫泥粒度為0.02 mm，在重選前應采用強力攪拌脫泥以消除“粘結效應”，繼而采用重選預先拋尾后再磁選，之后利用強磁選、搖床精選等手段進一步提高精礦品位。

3 結 論

（1）該粘土型鈦礦屬殘坡積礦，原礦TiO2品位4.5%。主要含鈦礦物是鈦鐵礦、白鈦石和釩鈦磁鐵礦，礦物總含量6.17%，是該礦重點回收的礦物。礦石含泥量大，主要為粘土類礦物，含量近80%。礦石中的鉭、鈮可綜合回收，是下一步研究應關注的重點。

（2）鈦鐵礦多為單體，部分氧化蝕變為白鈦石，被粘土礦物包裹或與其連生。釩鈦磁鐵礦為次要回收礦物，其中包含部分呈固溶體分離的鈦鐵礦片晶。

（3）礦石中鈦分散較嚴重，采用物理選礦分選鈦的理論回收率為48%左右，鐵的理論回收率僅為4%左右。

（4）結合礦石特點與工藝礦物學研究結果，該礦石選礦試驗可采用“擦洗脫泥-重選-磁選”聯合流程。確定脫泥粒度為0.02 mm，在重選前應采用強力攪拌脫泥以消除“粘結效應”，繼而采用重選預先拋尾后再磁選，之后利用強磁選、搖床精選等手段進一步提高精礦品位。