江西松樹崗、福建南平和四川甲基卡鉭鈮礦分選行為的工藝礦物學因素分析

徐健，劉長淼*，程宏偉

1.中國地質科學院鄭州礦產綜合利用研究所，河南 鄭州450006；2.國家非金屬礦資源綜合利用工程技術研究中心，河南 鄭州450006；3.自然資源部多金屬礦綜合利用評價重點實驗室，河南 鄭州450006

引 言

鉭鈮金屬具有耐腐蝕、耐高溫、熔點高、密度大、超導性和冷加工性能好等優點，廣泛應用于電子、冶金、醫療、超導材料、航空航天和原子能等諸多領域[1]。我國是全球鉭礦和鈮礦資源較豐富的國家之一，探明資源分布于15個省(區)的265個礦區。其中，鉭礦主要分布在江西、內蒙古和廣東三地，鈮礦主要分布在內蒙古和湖北兩地。但與國外鉭鈮礦床相比，我國鉭鈮礦床總體規模較小，礦石品位較低，大部分鉭鈮礦品位低于0.02%，并且礦物的嵌布粒度細而分散，常與Li、Be、Rb等稀有金屬伴生，導致出現難采、難選和回收率低等問題[2]。目前，我國鉭鈮產量遠遠不能滿足國內市場需求，高度依賴國外進口。探究鉭鈮礦工藝礦物學特征，優化其分選工藝流程，是提高鉭鈮資源利用率的重要途徑。

花崗巖型和花崗偉晶巖型鉭鈮礦是我國重要的鉭鈮資源，兩者在資源儲量、礦物粒度和元素品位上差別較大，影響鉭鈮礦分選流程的設計，當鉭鈮作為伴生元素時，在綜合回收過程中容易出現分選指標降低的現象。江西松樹崗鉭鈮礦屬鈉長石化花崗巖型，該礦床已探明Ta2O5和Nb2O5資源儲量分別為1 361 t和22 701 t, 規模達特大型，礦體形態簡單，礦化連續，有用組分分布均勻，礦石中鉭鈮礦物主要為鉭鈮鐵礦和細晶石[3]。福建南平鉭鈮礦是國內大型花崗偉晶巖型鉭鈮礦床，該礦床已探明Ta2O5和Nb2O5資源儲量分別為1 647 t和1 902 t,與同類型礦床相比具有Ta2O5含量高的特點，礦石中鉭鈮礦物主要為鈮鉭鐵礦、重鉭鐵礦、錫錳鉭礦、細晶石、褐釔鈮礦和鈮鐵金紅石[4]。甲基卡礦床位于四川西部康定、雅江和道孚三縣交界處，是中國最大的偉晶巖型鋰多金屬礦床，目前已發現含Li、Be、Ta、Nb偉晶巖礦脈114條，其中已探明Ta2O5和Nb2O5資源儲量分別為3 723 t和8 687 t，礦石中主要礦物為鋰輝石，鉭鈮礦物為鉭鈮鐵礦[5]。通過對江西松樹崗花崗巖型鉭鈮礦、福建南平花崗偉晶巖型鉭鈮礦、以鉭鈮為伴生元素的四川甲基卡偉晶巖型鋰多金屬礦進行對比分析，討論影響花崗巖型和花崗偉晶巖型鉭鈮礦分選行為的工藝礦物學因素，旨在指導分選工藝設計提高鉭鈮礦資源綜合利用率。

1 鉭鈮礦工藝礦物學特征

1.1 主要化學成分及鉭鈮物相對比分析

將江西松樹崗花崗巖型鉭鈮礦、福建南平花崗偉晶巖型鉭鈮礦和四川甲基卡偉晶巖型鋰多金屬礦的主要化學成分對比分析結果匯總于表1，鉭鈮礦物相分析對比結果列于表2。

表1 三礦床主要化學成分對比分析

表2 鉭鈮礦物物相對比分析 /%

由表1可知，花崗偉晶巖型鉭鈮礦品位高于花崗巖型鉭鈮礦品位；松樹崗和南平兩地鉭鈮礦中鉭鈮品位高于最低工業利用品位(Ta,Nb)2O5≥0.022%；甲基卡主要以鋰元素為目的元素，鉭鈮作為伴生元素品位已達到其伴生元素回收工業指標(Ta,Nb)2O5≥0.007%；鉭鈮礦中伴生的Li、Be等稀有元素具有回收利用價值。

從表2鉭鈮礦物物相對比數據來看，鉭鈮元素主要以獨立礦物的形式賦存，主要為鉭鈮鐵礦、鈮鉭鐵礦和細晶石等礦物[3-5]；一部分以類質同象的形式混入錫石等其他礦物中，這部分回收較困難，在一定程度上影響鉭鈮的回收率。

1.2 主要礦物相對含量對比分析

江西松樹崗、福建南平、四川甲基卡三地鉭鈮礦的主要礦物相對含量對比分析列于表3。

由表3可知，花崗巖型與花崗偉晶巖型鉭鈮礦石中主要有用礦物為鉭鈮礦物，結合化學成分分析結果，鋰、鈹、銣等稀有元素的賦存礦物也可作為有用礦物。整體來看，有用礦物含量普遍偏低，脈石礦物含量較高，除甲基卡鋰多金屬礦以外，其他兩礦脈石礦物占比達90%以上。另外，三地礦石中還含有少量鐵礦物和硫化礦，這兩部分雜質會影響鉭鈮最終精礦品位，所以在選礦流程設計上，應合理加入磁選和浮選環節將其去除。

表3 礦石中主要礦物含量對比分析 /%

1.3 鉭鈮礦物粒度分布特征對比分析

江西松樹崗、福建南平、四川甲基卡三地鉭鈮礦物的粒度分布對比分析見表4。

表4 鉭鈮礦物粒度分布對比

由表4可知，花崗巖型與花崗偉晶巖型鉭鈮礦物嵌布粒度較細，花崗偉晶巖型鉭鈮礦的嵌布粒度大于花崗巖型鉭鈮礦的嵌布粒度，并且粒度跨度更大。以鉭鈮為伴生元素的甲基卡鋰多金屬礦中鉭鈮礦物嵌布粒度較細，主要分布在0.05～0.2 mm，而主要礦物鋰輝石的嵌布粒度在0.05～40 mm，有用礦物之間粒度相差較大。

總之，鉭鈮礦物單體解離存在一定難度，需要較小的磨礦細度，再加上鉭鈮礦物性脆易碎，容易造成泥化，在礦石預處理過程中應合理使用分級設備，防止有用礦物出現過泥化現象。鉭鈮礦物作為次要礦物時與主要礦物嵌布粒度差異較大，在分選主要礦物時容易造成鉭鈮礦物的夾帶。

1.4 主要礦物嵌布特征對比分析

1.4.1 江西松樹崗鉭鈮礦主要礦物嵌布特征

礦石中鉭鈮主要賦存礦物為鉭鈮鐵礦(Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6和細晶石(Ca,Na)2(Ta,Nb)2O6(O,OH,F)。鉭鈮鐵礦單礦物分析結果為：Nb2O557.08%，Ta2O516.41%，Fe2O315.74%，MnO 3.83%。鉭鈮鐵礦有兩種嵌布形式，其中粒間分布占73.92%，主要呈板狀嵌布于鐵鋰云母中(圖1a)，或嵌布于石英、正長石和斜長石等礦物間隙中(圖1b)。另外，呈包裹體分布占26.08%，這部分主要分布在鐵鋰云母、石英、正長石、斜長石和錫石中，極少部分被包裹在絹云母和綠泥石中。礦石中鉭鈮鐵礦常與錫石、鋯石連生(圖1c)，其集合體主要嵌布在斜長石和鐵鋰云母粒間。細晶石嵌布粒度比鉭鈮鐵礦細，主要在0.05～0.15 mm，多嵌布于石英、鐵鋰云母等礦物中，或嵌布于黃玉與斜長石之間(圖1d)。

a-柱狀鉭鈮鐵礦被包裹在鐵鋰云母中，橫穿與鐵鋰云母解理縫垂直b-鉭鈮鐵礦分布在斜長石與石英粒間c-柱狀鉭鈮鐵礦(暗色)與錫石連生(棕色)，分布在斜長石粒間d-細晶石分布在斜長石與黃玉粒間(放大倍數160 偏光)

1.4.2 福建南平鉭鈮礦主要礦物嵌布特征

礦石中鉭鈮主要賦存礦物為鈮鉭鐵礦族、重鉭鐵礦和錫錳鉭礦等礦物，還有極少部分以類質同象的形式賦存在錫石中。鉭鈮礦物單礦物分析結果為：Ta2O554.67%，Nb2O522.51%，Sn 1.35%。礦石中鈮鉭鐵礦族占所有鉭鈮礦物總量的90%以上，呈半自形～他形晶，粒狀，硬度為6～6.5，常與鈉長石共生或嵌布于白云母中。礦石中錫石呈半自形晶，粒狀，常常與鈮鉭礦物密切伴生，且晶體較粗大[11]。

1.4.3 四川甲基卡鋰多金屬礦主要礦物嵌布特征

鋰輝石為本礦石主要回收利用礦物，主要與石英、長石和云母毗鄰相嵌，局部似被交代蝕變，部分蝕變強烈，使鋰輝石呈殘余狀，亦可見鋰輝石解理、裂隙為暗褐色鐵鎂質覆蓋充填[8]。礦石中鋰輝石粒度相差較大，粗粒在40 mm左右，細粒不足0.05 mm。礦石中鉭鈮主要賦存礦物為鉭鈮鐵礦，其單礦物分析結果為：Nb2O554.63%，Ta2O525.31%，MnO 10.42%，FeO 9.83%,TiO20.28%。鉭鈮鐵礦粒度較細，多以微細板狀晶嵌布于鋰輝石、綠柱石、石英和長石等礦物中。

綜上所述：三地鉭鈮礦物常嵌布于石英、長石和云母等脈石礦物中；松樹崗和南平兩地鉭鈮礦物常與錫石伴生；松樹崗地區的鉭鈮鐵礦主要呈板狀嵌布，在磨礦過程中容易細化，導致磨礦后鉭鈮鐵礦粒度微細；在鉭鈮為伴生元素的四川甲基卡鋰多金屬礦，由于鉭鈮礦物嵌布粒度較細，常見鉭鈮礦物嵌布于鋰輝石中，導致這部分鉭鈮礦物回收較困難，需要對鋰輝石精礦再磨再選，限制了鉭鈮產品的經濟技術指標。

1.5 主要礦物物理性能對比分析

江西松樹崗、福建南平和四川甲基卡三地主要礦物的密度、比磁化系數、介電常數和可浮性，數據統計結果見表5。由表5可知，鉭鈮鐵礦和細晶石等鉭鈮礦物密度遠大于石英等脈石礦物，鉭鈮鐵礦密度隨鉭含量增加而增加，一般為5.15～8.2 g/cm3。若以鉭鈮鐵礦密度代表重礦物的密度(δ2=6.68 g/cm3)，長石密度代表輕礦物的密度(δ1=2.65 g/cm3)，可算出鉭鈮鐵礦重選分離難易度E=(δ2-1)∕(δ1-1)=3.44，屬極易選范圍，適合重選進行預先富集。在磁性方面，鉭鈮鐵礦磁性較弱，隨鉭和鐵含量增加而增大，一般在400～1 300 mT場強進入磁性產品。細晶石、錫石、鋰輝石、石英、長石和云母屬非磁性礦物，磁鐵礦是典型的強磁性礦物，在鉭鈮礦石中與其他礦物存在明顯的磁性差異。另外，表中礦物之間的電性質和可浮性存在一定差異，可使用電選和浮選進行分離。

表5 主要礦物物理性能對比分析

2 選礦工藝流程及分選指標

根據礦物化學成分、礦物組成、礦石元素賦存狀態、礦物嵌布特征、礦物物理性能差異等工藝礦物學特征可設計相應的分選流程。表6匯總了前人對江西松樹崗、福建南平和四川甲基卡三地鉭鈮礦物選礦工藝流程研究及其分選指標[6-7,12]。

從表6可知：重選、磁選和浮選組成的聯合分選流程是鉭鈮礦綜合利用的基本方法，其中重選是鉭鈮礦粗選的首選方法，磁選和浮選是鉭鈮礦精選的重要方法，浮選是鉭鈮尾礦綜合利用的主要方法。從分選指標來看，江西松樹崗和福建南平兩地的鉭鈮指標較穩定，前者鉭鈮精礦達到一級品4類質量標準，后者鉭鈮精礦達到三級品質量標準；由于四川甲基卡鋰多金屬礦的鉭鈮礦物嵌布粒度較細，粗磨后未單體解離，導致鉭鈮精礦品位和回收率較低。

表6 選礦工藝流程及分選指標

3 影響花崗巖型與偉晶巖型鉭鈮礦分選行為的工藝礦物學因素

將不同類型鉭鈮礦的工藝礦物學特征與分選試驗結果結合加以分析，可知二者之間存在著內在的聯系。如表7所示，重選過程中，鉭鈮元素的賦存狀態對花崗巖型與花崗偉晶巖型鉭鈮礦分選行為影響較小，鉭鈮主要以獨立礦物形式賦存，結合表5、表6分析結果可知鉭鈮礦物與脈石礦物存在明顯的物理性質差異，而不同的鉭鈮礦物對重選粗精礦產品回收率影響不大，少數鉭鈮以類質同象形式賦存在錫石等其他礦物中，這部分通過物理選礦方法回收較困難，會降低鉭鈮精礦產品回收率；鉭鈮礦物的嵌布特征是影響鉭鈮礦分選行為和指標的主要因素，主要包括其形狀、嵌布粒度以及與其他礦物的結合關系，這些因素影響礦石預處理流程和分選流程細節的設定，最終影響鉭鈮精礦的品位和回收率；礦石中硫化礦和強磁性礦物含量是影響鉭鈮礦精選流程設計的重要因素，特別注意當礦石中錫石含量較高時，精選加入強磁選作業可有效提高鉭鈮精礦品位；當鉭鈮為伴生元素時，由于存在粒度差異和嵌布特征的影響，在回收主要礦物時容易夾帶鉭鈮礦物進入主要產品中，造成鉭鈮精礦分選指標的降低。

表7 影響鉭鈮礦分選行為的工藝礦物學因素

4 結論

(1)花崗巖型與花崗偉晶巖型鉭鈮礦中除Ta、Nb以外，還會伴有Li、Be、Rb等稀有元素，并且都已達到或接近其伴生元素工業利用指標，具有較高的回收利用價值。石英、長石和云母等脈石礦物在鉭鈮礦中占比較大，其含量總和占礦石總量的90%以上，是鉭鈮尾礦綜合利用的重點。

(2)花崗巖型與花崗偉晶巖型鉭鈮礦中鉭鈮元素主要以獨立礦物形式賦存，包括鉭鈮鐵礦、鈮鉭鐵礦和細晶石等鉭鈮礦物，少數以類質同象的形式賦存于錫石、石英、長石和云母等礦物。鉭鈮礦物一般呈板狀嵌布在石英和長石等脈石礦物中，并且嵌布粒度跨度較大，粗細不均。花崗偉晶巖型鉭鈮礦與花崗巖型鉭鈮礦相比，前者鉭鈮品位高于后者，嵌布粒度更大。

(3)鉭鈮元素的賦存狀態對花崗巖型和花崗偉晶巖型鉭鈮礦重選分選行為影響較小，鉭鈮礦物的嵌布特征是影響鉭鈮礦分選行為和指標的主要因素，礦石中硫化礦和強磁性礦物含量是影響鉭鈮礦精選流程設計的重要因素。當鉭鈮為伴生元素時，鉭鈮礦物與主要礦物之間存在嵌布特征差異，降低鉭鈮精礦產品指標。

(4)在花崗巖型與花崗偉晶巖型鉭鈮礦分選流程設計上，重選、磁選和浮選組成的聯合分選流程是鉭鈮礦綜合利用的基本方法。其中，重選是鉭鈮礦粗選的首選方法，磁選和浮選是鉭鈮礦精選的重要方法，浮選是鉭鈮尾礦綜合利用的主要方法。