非洲某風化偉晶巖型鉭鈮礦石工藝礦物學及可選性研究

李美榮，李波，梁冬云，孟慶波，洪秋陽

(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)

稀有金屬鉭和鈮作為高新技術產業的關鍵元素，是現代尖端電子、航空航天、醫療和軍事裝備等工業中不可或缺的重要金屬原料，很多鉭鈮產品均沒有可替代品[1]。在我國，鉭鈮資源較為短缺，具有礦石品位低、嵌布粒度細而分散、多金屬伴生、鉭鈮礦床區域分布集中等突出特點，導致我國鉭鈮的對外依存度超過80%[2]。為避免國內鉭鈮資源開發帶來的礦山環境污染和市場競爭風險，應限制開采國內相對品位較低的鉭鈮礦，著眼于全球鉭鈮資源的開發利用，借助“一帶一路”倡議，鼓勵國內企業不斷開拓國外市場，積極主導或參與國外大型礦山的勘查開發，這對于調節國內鉭和鈮的生產和供應具有重要意義[1]。目前研究涉及的國外鉭鈮資源主要為澳大利亞富含鋰銣鉭鈮偉晶巖礦床、巴西和加拿大堿性巖-碳酸巖型特大型鈮礦床以及剛果（金）風化殘積型花崗偉晶巖礦床。

本文采用礦物自動定量分析系統（MLA）與傳統工藝礦物學研究手段相結合的方法對非洲某風化偉晶巖型鉭鈮礦石進行全面詳細的工藝礦物學研究。傳統的工藝礦物學研究主要包括偏反光顯微鏡觀察鑒定、X-射線熒光光譜元素分析和化學多元素分析、X-射線衍射光譜物相分析、重砂分析以及單礦物分選等手段。

單礦物分選是指利用人工重砂、磁選、浮選、化學溶解和鏡下精揀等方法進行目的礦物的提純分離，是研究稀有金屬礦的重要手段，特別對于分散的稀有金屬元素賦存狀態的查定尤其重要。利用提取分離單礦物來查明有用有害元素在礦石中的賦存狀態，一方面可有效避免能譜化學成分分析過程中對于輕元素礦物（如鋰鈹礦物）和含水或結合水礦物（如云母）的檢測盲區，彌補微區分析代表性不足的缺陷，另一方面，單礦物分選過程實質上是選礦分離的極限狀態，對于選礦的指導作用更能貼合實際、明確合理。

1 試 驗

礦樣取自非洲某地區，是各礦層多個樣品組合而成的綜合礦樣，礦樣經晾曬、撿塊、破碎、混勻、縮分得到試驗所需樣品，并保留備樣。試驗采用切片機、單盤磨片機、自動電子液壓鑲嵌機、研磨拋光給液系統、三頭研磨機進行制樣；采用礦物自動定量分析系統、掃描電子顯微鏡、X-射線衍射儀、X-射線熒光光譜儀、電感耦合等離子光譜儀、原子吸收分光光度計結合化學分析手段進行化學成分和礦物組成分析；采用偏光顯微鏡、體視顯微鏡、電磁分選機結合單礦物分離手段進行礦物嵌布特征、元素賦存狀態以及礦石可選性研究[6-7]。

2 結果與討論

2.1 礦石礦物學特性

2.1.1 礦石化學成分

采用X-射線熒光光譜儀、原子吸收分光光度計、電感耦合等離子質譜儀結合化學溶解滴定的方法得到原礦多元素分析結果見表1。

表1 原礦樣品多元素化學分析結果/%Table 1 Multi-element chemical analysis results of the ore

可以看出，該礦石為鉭、鈮稀有金屬礦石，并伴生有鋰、鈹、銣和錫等多種稀有金屬。2.1.2 礦石礦物組成

結合偏反光顯微鏡鑒定、X-射線衍射物相分析和MLA 礦物定量檢測得到原礦礦物組成結果見表2。

表2 原礦礦物組成及含量Table 2 Mineralogical composition results of the ore

可以看出，礦石中鉭鈮礦物以鉭鈮錳礦和細晶石為主，少量錫錳鉭礦；鋰礦物含量較少，包括磷鋰鋁石和鋰綠泥石，以及含鋰礦物鋰云母和白云母；少量鈹礦物，以綠柱石為主；脈石礦物以石英和高嶺土為主，少量長石、電氣石等。

2.1.3 主要礦物嵌布特征

（1）鉭鈮錳礦

該礦石中的鉭鈮錳礦屬于富錳系列的鉭錳礦-鈮錳礦，其嵌布粒度一般為0.02 ～ 0.32 mm（見表3）。

表3 主要有用礦物的嵌布粒度結果Table 3 Disseminated size results of major valuable minerals

能譜分析礦物中含Ta2O530.89% ～ 69.68%，Nb2O513.73%～50.03%，MnO10.92% ～ 16.55%，FeO 0.77% ～ 4.64%，并含有少量錫和鈦等雜質；礦物呈暗黑紅至黃棕色，金剛光澤至半金屬光澤，透明至不透明，顆粒多見呈板狀、塊狀或不規則粒狀。礦石中常見鉭錳礦與鈮錳礦交代連生形成鉭鈮錳礦共生體，大部分鉭鈮錳礦嵌布于石英、云母和高嶺土礦物內部裂隙或者粒間，少數呈短柱狀或微細粒包裹體嵌布于云母和石英等脈石礦物中（圖1）。

圖1 礦石中鉭鈮錳礦的嵌布狀態Fig .1 Disseminated state of magnanotantalite and mangancolumbite

（2）細晶石

該礦石中的細晶石為鉭的主要礦物之一，其嵌布粒度一般為0.04 ～ 0.64 mm（見表3），能譜分析礦物中含Ta2O571.71 ～ 76.91%，Nb2O53.58% ～8.56%；礦物呈黃褐色，玻璃光澤，半透明，顆粒多見呈不規則粒狀，碎裂結構。礦石中常見細晶石呈不規則粒狀嵌布于石英和云母顆粒間隙，局部可見細晶石與鉭鈮錳礦交代連生，少數呈細粒嵌布于脈石中（圖2）。

圖2 礦石中細晶石的嵌布狀態Fig .2 Disseminated state of microlite

（3）磷鋰鋁石

該礦石中的磷鋰鋁石是鋰的賦存礦物之一，其嵌布粒度一般為-0.16 mm（見表3）；礦物顏色呈微帶黃色的灰白色或粉紅色，玻璃光澤或油脂光澤；顆粒常呈板狀或粒狀，可見與纖磷鈣鋁石共生，偶爾與云母、高嶺土等連生（圖3）。

圖3 礦石中磷鋰鋁石的嵌布狀態Fig. 3 Disseminated state of amblygonite

（4）鋰綠泥石

該礦石中的鋰綠泥石是鋰的賦存礦物之一，其嵌布粒度一般為-0.16 mm（見表3）；礦物顏色呈白色或黃綠色，珍珠光澤或油脂光澤；顆粒常呈鱗片狀集合體，與云母、石英和高嶺土等連生（圖4）。

圖4 礦石中鋰綠泥石的嵌布狀態Fig .4 Disseminated state of cookeite

（5）云母

該礦石中的云母是鋰和銣的主要賦存礦物，以鋰云母和白云母為主，能譜分析白云母平均含Rb2O 0.60%，Cs2O 0.08%，鋰云母平均含Rb2O 2.38%，Cs2O 1.01%，單礦物分析云母平均含Li2O 2.74%，Ta2O50.016%，Nb2O50.012%。白云母呈灰白色，鋰云母呈淡紫色，玻璃光澤；礦石中云母呈片狀或葉片狀，集合體呈疊片狀或鱗片狀，可見與石英、高嶺土連生或沿礦石孔隙充填（圖5）。

圖5 礦石中云母的嵌布狀態Fig .5 Disseminated state of mica

（6）綠柱石

綠柱石為常見的鈹礦物，也是本礦石中主要的鈹礦物，能譜分析礦物中有少量堿金屬銫、鈉代替鈹，平均含BeO11.06%。綠柱石常呈自形-半自形晶粒狀，嵌布于石英、高嶺土和云母等顆粒間隙（圖6）。

圖6 礦石中綠柱石的嵌布狀態Fig .6 Disseminated state of beryl

2.1.4 有價元素的賦存狀態

有價元素鉭、鈮和鋰在礦石中的平衡分配結果見圖7。

圖7 礦石中有價元素的賦存狀態Fig .7 Occurrence state of valued elements

可以看出，賦存于鉭鈮錳礦、細晶石中的鉭和鈮分別為56.69%和70.81%、28.21%和5.22%，以微細鉭鈮礦物包裹體分散于脈石中的鉭和鈮分別為13.72%和23.53%，從原礦中分離鉭鈮礦物，鉭和鈮的理論回收率為84.90%和76.30%。賦存于云母、磷鋰鋁石和鋰綠泥石中的鋰分別為74.34%、14.31%和2.63%，分散于脈石中的鋰為8.72%，從原礦中分離云母，鋰的理論回收率為74.34%。

2.2 礦石可選性研究

2.2.1 主要礦物物理性質礦石中主要礦物的物理性質見表4。

可以看出，鉭鈮錳礦和細晶石的密度遠遠大于云母、石英/長石和高嶺土的密度，以鉭鈮礦物代表重礦物的密度δ2為5.2，脈石礦物代表輕礦物的密度δ1為2.6，可算得鉭鈮礦物重選難易度E=(δ2-1)/ (δ1-1)=2.63，礦物粒度基本處于+0.02 mm粒級范圍內，屬于礦物重選極易選范圍[8]。因此可以采取重選工藝將絕大部分脈石礦物拋除。

表4 主要礦物物性參數Table 4 Physical parameters of main minerals

2.2.2 原礦粒度篩分分析

為查明鉭鈮在各粒級中的分布情況，對原礦進行粒度篩分分析，結果見表5。

表5 原礦粒度篩析結果Table 5 Sieve results of the ore

可以看出，鉭和鈮主要分布于+0.045 mm 粒度范圍內，粒級分布率分別為85.13%和84.74%，而-0.02 mm 粒級鉭和鈮的分布率僅為5.31%和5.83%，粒級產率為18.35%，因此可考慮重選工藝預先脫泥。

2.2.3 原礦重液分析

為了考察重選分離鉭鈮礦物的效果，對原礦不同篩分粒級產品進行重液分離試驗，并對各產品中鉭的分布進行分析，結果見表6。

表6 原礦重液分析試驗結果Table 6 Results of the heavy liquid test

可以看出，在+0.045 mm 粒級范圍內，重液分離效果明顯，鉭鈮礦物基本富集于重產品中，重產品中鉭的回收率均在90%以上；-0.045 mm 粒級產品由于粒度微細，重液分離效果較差。

2.4 原礦磁性分析

為了進一步探索磁選對于鉭鈮、鋰礦物的富集效果，縮取-0.1+0.074 mm 粒級代表性礦樣進行磁性分析，結果見表7。

表7 原礦磁性分析試驗結果Table 7 Magnetic analysis results of the ore

可以看出，鉭在600 mT 磁性產品中有明顯富集，該磁級鉭的回收率為58.29%，其中損失于非磁產品中的鉭為39.27%（主要以細晶石形式存在）；鋰在880 ～ 1350 mT 磁性產品略有富集，磁性產品中的鋰主要賦存于鋰云母中，非磁產品中的鋰主要賦存于磷鋰鋁石和白云母中，鋰的回收率分別為11.18%和88.83%。另外，鐵染高嶺土的存在嚴重影響了磁選分離的效果。

2.2.5 選礦原則流程的確定

（1）采用重選為主的鉭鈮回收方案

該礦石為鉭鈮稀有金屬礦石，鉭鈮礦物以鉭鈮錳礦和細晶石為主，對于這一類型的礦石，生產實踐中一般采用重選或重磁聯合工藝進行鉭鈮的回收。該礦石中鉭鈮礦物嵌布粒度較粗，鉭鈮錳礦和細晶石礦物顆粒+0.02 mm 粒級分布率分別為91.52%和96.40%；鉭鈮礦物與主要脈石礦物密度差異明顯，其重選難易度E=2.63，處于重選極易選范圍；細晶石屬于非磁性礦物，磁選過程中在非磁產品中富集，該部分鉭無法進行磁選回收。因此，可確定采用重選作為回收鉭鈮的原則方案。

另外，原礦中粘土礦物高嶺土的含量較高（32.39%），賦存于高嶺土中的鉭和鈮僅為6.89%和6.83%，而且原礦-0.02 mm 細泥產品產率較高（18.35%），其中鉭和鈮的分布率僅為5.31%和5.83%，因此可考慮預先洗礦，避免細泥對于重選分離效果的影響。

（2）伴生金屬的綜合回收

該礦石中的伴生金屬主要為鋰、銣和鈹，鋰礦物以含鋰云母、磷鋰鋁石和鋰綠泥石為主，鈹礦物以綠柱石為主。磷鋰鋁石、鋰綠泥石和綠柱石含量較少，且與脈石礦物呈復雜嵌布，難以通過選礦方法進行有效回收；而云母是鋰和銣的主要賦存礦物，賦存于云母中的鋰為74.34%，可通過浮選回收重選尾礦中的云母實現鋰和銣的富集。具體的選礦原則流程見圖8。

圖8 原礦選礦原則流程Fig .8 Principle f lowsheet of benef iciation

3 結 論

（1）非洲某風化偉晶巖型鉭鈮礦石中有價元素主要為鉭、鈮，并伴生鋰、銣、鈹和錫等稀有金屬。鉭鈮礦物以鉭鈮錳礦和細晶石為主，鋰礦物以磷鋰鋁石、鋰綠泥石和含鋰云母為主，脈石礦物主要為石英/長石和高嶺土。

（2）該礦石中的鉭鈮錳礦屬于富錳系列的鉭錳礦-鈮錳礦，其嵌布粒度一般為0.02 ～ 0.32 mm，細晶石為鉭的主要礦物之一，其嵌布粒度一般為0.04 ～ 0.64 mm。礦物顆粒多見呈板狀、塊狀或不規則粒狀，大部分嵌布于石英、云母和高嶺土礦物內部裂隙或者粒間，少數呈微細粒包裹體嵌布于云母和石英等脈石礦物中。

（3）賦存于鉭鈮錳礦、細晶石中的鉭和鈮分別為56.69%和70.81%、28.21%和5.22%，以微細鉭鈮礦物包裹體分散于脈石中的鉭和鈮分別為13.72%和23.53%，從原礦中分離鉭鈮礦物，鉭和鈮的理論回收率為84.90%和76.30%。賦存于云母、磷鋰鋁石和鋰綠泥石中的鋰分別為74.34%、14.31%和2.63%，分散于脈石中的鋰為8.72%，從原礦中分離云母，鋰的理論回收率為74.34%。

（4）根據礦石泥化、鉭鈮礦物嵌布粒度粗、礦物密度差異明顯等特點，制定了預先洗礦-分級螺旋粗選-再磨搖床精選-云母浮選的選礦原則流程。為該鉭鈮礦石的開發提供了全面的工藝礦物學支撐和選礦工藝指導，實現了資源的綜合利用。