某泥巖型鈾礦石預處理技術研究*

劉志超 李春風 馬 嘉 強錄德 賈秀敏 武翠蓮 李 廣 劉忠臣 唐寶彬

（核工業北京化工冶金研究院）

天然鈾資源是國家戰略資源，是國家核力量的重要物質基礎，也是國家核能發展的“糧食”，既關系到國家的軍事安全，也關系到國家的能源安全。我國《核電中長期發展規劃（2011-2020）》指出，到2020年，核電裝機容量將達到5 800 萬kW，在建3 000 萬kW。屆時天然鈾需求量約為11 000 t/a，需要進口天然鈾約7 000 t/a，對外依存度超過60%，較高的對外依存度將加大我國核電發展的風險，必須警惕這種風險的發生［1-3］。

為滿足我國天然鈾市場的需求，必須加大天然鈾生產和開發的力度。在我國已經探明的天然鈾資源儲量中，經濟儲量約占23%，其余將近80%為低品位、難處理的邊際經濟、次邊際經濟以及內蘊經濟型的潛在鈾資源。目前，我國鈾礦資源歷經60 余年的開采，所掌控的天然鈾資源質量不斷下降，可經濟開采的鈾資源已越來越少。眾多探明的鈾礦床常具有品位低、礦石難處理等特點，開發難度加大，生產成本增加，是制約未來鈾生產發展的瓶頸。因此未來天然鈾資源開發要把目光放在當前技術上存在難題和次邊際經濟類型的資源上來。必須依靠新工藝、新技術、新設備、新材料的研發，不斷降低天然鈾生產成本、提高生產效率，使次邊際經濟鈾資源變為經濟型鈾資源，盡可能充分利用我國的天然鈾資源，拓展天然鈾資源的開發空間［4-6］。

砂巖型鈾礦資源占我國已探明鈾礦資源總量的22%左右，是我國鈾礦四大工業類型之一。我國砂巖鈾礦資源主要分布在北方地區，少數分布在滇西地區。地質研究程度較高的盆地主要有新疆的伊犁盆地和吐哈盆地、內蒙的二連盆地和鄂爾多斯盆地、東北的松遼盆地及海拉爾盆地、云南的龍川江盆地等。

在我國北方砂巖找礦勘查中發現了一批泥巖型鈾礦床，這些礦床具有滲透性差、承壓水頭過低、地下水枯竭的特點，具有“軟、松、散、脹”等特性，無法采用地浸法回收鈾，采用常規攪拌浸出法回收鈾時，試劑消耗量大、鈾浸出率低、生產成本高，目前國內外尚無這種類型鈾礦資源經濟有效的開發利用方案。

我國北方某泥巖型鈾床鈾資源儲量巨大，但礦石泥化嚴重，礦石中碳酸鹽礦物和石膏含量高。礦石直接酸法浸出時，酸耗高達28%左右；采用堿法浸出時，堿耗高并且鈾的浸出率低，浸出率在65%左右，礦床開發成本高。針對該類型鈾礦石直接浸出存在試劑消耗高，浸出率低等問題，為了實現該鈾礦資源的經濟合理利用，根據該礦石的性質和礦物組成，在礦石浸出之前進行預處理研究，開發一套泥巖型鈾礦石預處理技術，為該泥巖型鈾礦石的開發提供新的思路和技術路線。

1 礦石性質

1.1 礦石組成

礦石中的主要礦物有石英、長石、石膏、方解石、白云石、黏土礦物、有機質、黃鐵礦等，其中白云石質量分數達20%，石膏質量分數達18%。鈾主要以吸附狀態和鈾礦物形式存在，以吸附態為主。分散吸附態的鈾分布于泥質、有機質及黃鐵礦等礦物中。鈾礦物以瀝青鈾礦單礦物形式為主，少量為鈾石。瀝青鈾礦呈不規則狀分布在泥質巖石中，鈾石與含鈾黏土和膠狀黃鐵礦一起分布于砂巖膠結物中［7-8］。主要造巖礦物X-衍射測試結果見表1，礦石化學多元素分析結果見表2。

由表1、表2可知，礦石中以白云石為代表的碳酸鹽礦物是主要的耗酸礦物，石膏、燒石膏和黃鐵礦等礦物為主要的耗堿礦物。

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為探索合適的礦石預處理方案，圍繞礦石粒級分布特點、耗酸和耗堿礦物的分布規律開展了進一步研究。

1.2 鈾與二氧化碳在礦石中的分布特點

考察了鈾和二氧化碳在不同粒級礦石中分布情況，選取破碎至-2 mm的礦樣，用16目（1.0 mm）、32目（0.5 mm）、100目（0.15 mm）、200目（0.074 mm）、325目（0.043 mm）、400目（0.038 mm）篩子進行了篩分分級，分析了各個粒級中鈾和二氧化碳的含量。礦樣中鈾與二氧化碳在各個粒級中的分布情況見表3。

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由表3 可知，該礦石泥化嚴重，礦石不經磨礦，-0.074 mm 粒級產率73.46%，-0.038 mm 粒級產率58.48%。85%以上的CO2和70%以上的U 分布在-0.038 mm粒級礦石中。

1.3 石膏在礦石中的分布特點

考察了石膏在+0.15 mm 和-0.15 mm 粒級礦石中的分布情況，試驗結果見表4。

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由表4 可知，石膏主要分布于粗粒礦石中，+0.15 mm 粒級產率19.60%，石膏品位51.52%，回收率74.67%。

2 試驗方案設計

由于礦石泥化嚴重，不經磨礦-0.15 mm 粒級產率占80.40%，-0.038 mm 粒級產率占58.48%。石膏礦物主要賦存于+0.15 mm 粗粒級中，鈾品位為0.032%，如果能采用堆浸法回收這部分鈾，將會節省磨礦費用和設備投資。-0.15 mm 粒級中CO2含量高，如果能采用浮選法將碳酸鹽礦物浮選出來，將礦石分成高碳酸鹽含鈾礦石和低碳酸鹽含鈾礦石兩部分，分別采取堿法浸出和酸法浸出回收鈾，可以減少試劑消耗，提高鈾的浸出率。該泥質砂巖型鈾礦石預處理試驗方案見圖1。

3 試驗結果與討論

將礦石破碎至-2 mm 后與水按質量比1∶2 混合，并充分攪拌分散，然后用0.15 mm 的篩子將礦石分成+0.15 mm粗粒級和-0.15 mm細粒級。

3.1 粗粒鈾礦石堆浸回收鈾試驗

+0.15 mm 粒級中鈾綜合品位0.032%，并且大部分石膏分布于此粒級中，這部分礦石在選礦時還需要再磨。試驗表明，+0.15 mm 粒級再磨后浮選分組時，無法實現碳酸鹽礦物和石膏礦物的有效分離，會有50%左右的石膏進入浮選碳酸鹽精礦中，導致碳酸鹽精礦在堿法浸出鈾時堿耗升高。+0.15 mm 粒級如果能直接采用堆浸法回收，既能提高鈾的回收率，又能節省磨礦成本、降低試劑消耗。因此，針對+0.15 mm 粒級開展了柱浸探索試驗，探討了堆浸法回收+0.15 mm粒級中的鈾的效果。

裝柱條件：將分離出來的含水20%左右的+0.15 mm富含石膏的粗粒級直接裝柱，1#柱、2#柱裝柱礦重（濕重）均為1 100 g，裝柱高度為0.9 m，內徑30 mm，柱浸試驗數據和結果見表5。

根據柱浸試驗結果，各柱的浸出液鈾濃度隨浸出時間的變化關系見圖2。

從圖2可知，富含石膏的+0.15 mm 粗粒級在充分吸水膨脹后裝柱柱浸，柱浸回收鈾試驗取得了較好的技術指標。2#柱在溶液中鈾濃度降下來后補加氧化劑，鈾溶液中鈾濃度并沒有發生變化。結合1#柱浸出渣的分析結果，說明鈾濃度降低并不是電位降低造成的，主要是因為礦石中鈾已經完全浸出。在不添加氧化劑的情況下，浸出周期16 d，酸耗9.30%，渣計浸出率87.50%，浸出周期和鈾浸出率都非常理想。因此，+0.15 mm 粗粒級中的鈾通過堆浸回收具有較強的可行性，不僅可以提高鈾的回收率，還有助于節省磨礦成本、降低試劑消耗。

3.2 細粒級浮選分組試驗研究

該泥巖型鈾礦石泥化嚴重，-0.038 mm 粒級占原礦的近60%，屬于難選類礦石。微細顆粒難于浮選的原因主要有:一是微細顆粒比表面大，不同成分微細顆粒之問發生互凝，由表面力引起的團聚現象會導致粗顆粒表面被細顆粒包裹；二是微細顆粒質量小，易被泡沫和水流機械夾帶，而且微細顆粒具有較高的藥劑吸附能力，吸附的選擇性差；三是微細顆粒和氣泡間的粘著效率和接觸率較低，導致氣泡對顆粒的捕獲率下降。要改善微細顆粒的浮選效果，主要可采取3種措施：一是添加分散劑，防止顆粒間互凝，使其充分分散；二是增加精選次數，使脈石礦物進入中礦，提高精礦質量；三是給礦漿加溫，增加微細顆粒、捕收劑和氣泡間的粘著效率和接觸率，提高碳酸鹽礦物回收率。

針對-0.15 mm 富含碳酸鹽礦物的細粒級礦石進行了浮選碳酸鹽礦物研究，通過條件優化試驗最終確定了工藝參數和流程。選用氧化石蠟皂作為碳酸鹽礦物捕收劑，水玻璃作為分散劑和活化劑，采用1次粗選2次精選開路工藝流程。

浮選試驗的礦漿濃度為30%、溫度35 ℃，試驗流程見圖3，浮選分組試驗結果見表6。

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由表6 可知，-0.15 mm 細粒級鈾礦石經過1 次粗選2 次精選可得到作業產率為28.72%的高碳酸鹽含鈾礦石，CO2含量33.85%、作業回收率84.68%，低碳酸鹽含鈾礦石中CO2含量2.47%、作業回收率15.32%，浮選分組試驗取得了較好的試驗效果。高碳酸鹽含鈾礦石后續可以采用堿法浸出鈾，低碳酸鹽含鈾礦石后續可以采用酸法浸出鈾，既可以提高鈾的浸出率，又可以降低生產成本。

3.3 水玻璃作用機理分析

-0.15 mm 粒級礦石泥化嚴重，屬于極難選礦石，本研究通過優化浮選作業條件，獲得了較好的浮選指標，其中關鍵技術是浮選過程中添加大量的水玻璃，從而獲得高回收率與高品位的碳酸鹽含鈾礦石。水玻璃是石英、鋁硅酸鹽和硅酸鹽礦物的常用抑制劑，浮選中普遍認為水玻璃會對碳酸鹽礦物起到抑制作用。本研究中，浮選過程中加入較多量的水玻璃明顯改善了碳酸鹽礦物的浮選效果，分析其原因主要有以下3點［9］：

（1）在泥質礦漿中如入水玻璃后，能夠克服微細粒礦物之間的互凝作用，使不同微細粒礦物顆粒之間充分分散，增加碳酸鹽礦物與捕收劑之間接觸的幾率和作用效率，提高了捕收劑的選擇性。

（2）由于硅氯四面體更容易成為硅膠體聚合物的聚合中心，水玻璃中的HSiO3-、SiO2（OH）2-和Si（OH）4等離子和膠體優先吸附于硅酸鹽礦物表面，形成親水性薄膜。捕收劑通過競爭性吸附優先與碳酸鹽礦物表面作用，在碳酸鹽礦物表面形成疏水薄膜，與氣泡結合上浮。部分上浮和夾帶的硅酸鹽礦物，由于與捕收劑的結合不牢靠，在精選過程中進入中礦。

（3）消除礦漿中的有害離子，提高了捕收劑的浮選活性。用氧化石蠟皂做捕收劑時，礦漿中的Mg2+和Ca2+等對脈石礦物石英等有明顯活化作用，降低浮選效果，同時還會消耗大量的捕收劑。水玻璃消除了溶液中的Ca2+、Mg2+等有害離子，提高了捕收劑的浮選活性，從而實現了碳酸鹽礦物的優先浮選。

4 結 論

（1）石膏是堿法浸出時的主要耗堿物質，80%以上的石膏礦物賦存于+0.15 mm粒級礦石中，+0.15 mm粗粒級中的鈾可采用堆浸方法回收，鈾的回收率87.50%。

（2）鈾和二氧化碳主要分布于-0.15 mm 細粒級礦石中，采用浮選方法可以將該粒級分成高碳酸鹽含鈾礦石和低碳酸鹽含鈾礦石兩部分，高碳酸鹽含鈾礦石中CO2含量33.85%，占有率為84.68%，低碳酸鹽含鈾礦石中CO2含量2.47%，占有率為15.32%。

（3）在浮選過程中添加了適量的水玻璃，克服了微細粒礦物之間的互凝作用，提高了捕收劑的選擇性；水玻璃通過優先吸附抑制了硅酸鹽礦物，捕收劑競爭性吸附在碳酸鹽礦物表面；消除了溶液中的Ca2+、Mg2+等有害離子，提高了捕收劑的浮選活性，從而實現了碳酸鹽礦物的優先浮選。

（4）富含石膏的粗粒級礦石不磨礦堆浸回收鈾，可以節省磨礦費用和投資成本，提高鈾的回收率；富含碳酸鹽礦物的細粒級礦石通過浮選得到的高碳酸鹽含鈾礦石和低碳酸鹽礦石，可以分別采用堿法浸出和酸法浸出回收鈾，能夠降低試劑消耗，提高鈾浸出率。研發的預處理技術工藝流程簡單、指標優良，可有效降低礦石的浸出成本，為該類型難處理泥質鈾礦石開發利用提供了一條新的技術路線。