东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2016-06-17
基金项目：国家科技支撑计划项目(2015BAB15B02)。
作者简介：唐志东(1992-), 男, 内蒙古通辽人, 东北大学博士研究生;
韩跃新(1961-), 男, 内蒙古赤峰人, 东北大学教授, 博士生导师。
摘要：采用传统工艺矿物学研究方法, 结合光学显微镜、X射线衍射、化学分析等分析手段, 对朝阳地区钒钛磁铁矿石的化学组成、元素赋存状态、矿物组成、矿物间的嵌布关系及粒度分布进行了详细研究.结果显示:该铁矿石中铁矿物主要为磁铁矿、钛磁铁矿和钒磁铁矿, 长石是最主要的脉石矿物.矿石中主要矿物嵌布关系复杂, 磁铁矿与钛磁铁矿颗粒结合紧密, 大多结合成连生体, 不利于铁矿物与钛矿物之间单体解离; 主要矿物嵌布粒度粗细不均, 磁铁矿嵌布粒度相对较粗, 钛磁铁矿和钒磁铁矿嵌布粒度相对较细.该研究为该地区钒钛磁铁矿资源的合理开发利用提供了依据.
关键词：钒钛磁铁矿矿物学矿物组成嵌布特征元素赋存状态粒度分布
Mineralogical Study of Vanadium Titanium Magnetite Ore in Chaoyang
TANG Zhi-dong, LI Wen-bo, GAO Peng, HAN Yue-xin
School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: HAN Yue-xin, E-mail: dongdafulong@mail.neu.edu.cn
Abstract: The chemical composition, occurrence state of elements, mineral composition, dissemination relationship and size distribution of the vanadium titanium magnetite ore in Chaoyang were analyzed through traditional process mineralogy method and optical microscope, XRD, chemical analysis, etc. The results show that mineral composition of this ore is very complex. Primary recoverable minerals are magnetite, titanomagnetite and coulsonite, and feldspar is the main gangue mineral. The dissemination relationship among main minerals is complex, magnetite is closely linked to titanomagnetite with great difficulty to be separated. Dissemination particle size of magnetite is coarse, while that of titanomagnetite and coulsonite is fine. The results may provide the basis for the rational exploitation of the vanadium titanium magnetite resource.
Key Words: vanadium titanium magnetitemineralogymineral compositiondissemination characteristicsoccurrence state of elementssize distribution
钒钛磁铁矿是伴生钒、钛等多种有价元素的复合矿, 利用价值很高, 主要分布在我国的攀西、承德和马鞍山地区[1].近来发现辽宁朝阳地区拥有丰富的钒钛磁铁矿资源, 总储量约为30亿t[2].该地区钒钛磁铁精矿中, 钒质量分数(以V2O5计)为1.2%~1.8%, 钛质量分数(以TiO2计)为16%~20%, 远高于攀枝花、承德等我国主体钒钛磁铁矿区的钒品位(0.5%~0.8%)和钛品位(6%~12%), 与世界上含钒量最高的南非钒钛磁铁矿基本相当[3], 是我国独有的高钒钛、低铁型钒钛磁铁矿.合理开发利用这一钒钛磁铁矿资源已成为辽西地区提升资源利用效率、发展区域特色产业的当务之急.
详细的工艺矿物学研究对于资源高效开发利用具有非常重要的作用[4-5], 但目前未见关于朝阳钒钛磁铁矿石工艺矿物学研究.本文通过光学显微镜、X射线衍射、化学分析等手段对该矿石的工艺矿物学特性进行了详细研究, 主要包括化学成分、矿物组成及含量、主要矿物浸染粒度及解离度特征等[6-8].采用的样品由朝阳喀左晟奥钒钛科技有限公司提供, 矿样在喀左县中三家镇采集, 试验样品为原生矿石, 代表性良好.
1 矿石的化学组成钒钛磁铁矿石的化学成分分析结果见表 1.由表 1可知, Fe, Ti, V作为原矿中目标回收元素, 质量分数分别为13.18%, 3.05%, 0.085%;硅和铝含量较高, 表明矿石中含有一定量石英和含铝硅酸盐矿物; 有害元素磷质量分数为0.072%.
表 1(Table 1)
 表 1 原矿化学成分分析(质量分数)Table 1 Chemical composition of the raw ore(mass fraction)
| 表 1 原矿化学成分分析(质量分数) Table 1 Chemical composition of the raw ore(mass fraction) | |||||||||||||||||||||||||||||||||
为确定矿石中钛、铁赋存状态进行化学物相分析, 结果分别见表 2, 表 3.由表 2知, 矿石中以硅酸铁形式存在的铁质量分数为5.26%, 占全铁的39.94%, 会严重影响铁的回收率, 其余则分布于磁铁矿，赤、褐铁矿及碳酸铁等矿物中.表 3表明矿石中含钛矿物主要为钒钛磁铁矿, 所占比例为61.31%.
表 2(Table 2)
表 2 原矿中铁的化学物相分析Table 2 Chemical phase analysis results of iron for the raw ore
| 表 2 原矿中铁的化学物相分析 Table 2 Chemical phase analysis results of iron for the raw ore | ||||||||||||||||||||||||||||
表 3(Table 3)
表 3 原矿中钛的化学物相分析Table 3 Chemical phase analysis results of titanium for the raw ore
| 表 3 原矿中钛的化学物相分析 Table 3 Chemical phase analysis results of titanium for the raw ore | ||||||||||||||||||||||||
2 矿石的矿物组成钒钛磁铁矿的X射线衍射分析结果见图 1, 矿石中主要矿物组成结果如表 4所示.结合图 1和表 4分析可知, 矿石中主要含铁矿物为磁铁矿和钛磁铁矿, 主要脉石矿物为长石、辉石、角闪石和绿泥石.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 原矿XRD分析图谱Fig.1 XRD patterns of the raw ore |
表 4(Table 4)
表 4 原矿的矿物组成(质量分数)Table 4 Mineral composition of the raw ore(mass fraction)
| 表 4 原矿的矿物组成(质量分数) Table 4 Mineral composition of the raw ore(mass fraction) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3 矿石中矿物嵌布特征3.1 磁铁矿磁铁矿是矿石中的主要金属矿物, 质量分数为24.92%.矿石中的磁铁矿主要以半自形粒状及粒状集合体产出(图 2a), 少量以长条状、他形粒状产出, 呈浸染状分布在脉石中(图 2b), 在空间分布较均匀, 以粗粒嵌布为主.部分磁铁矿被脉石矿物沿解理、裂隙和孔洞充填分割成细小的粒状, 且脉石对磁铁矿有一定的交代作用.磁铁矿与钛磁铁矿有密切的共生关系, 二者相邻产出, 颗粒相毗连或紧密结合形成连晶颗粒(图 2c), 使得铁钛元素难以有效分离.在磁铁矿解理缝中有钛铁矿呈格子状分布, 格片很薄, 一般仅有几微米(图 2d).
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 磁铁矿与其他矿物嵌布关系图像Fig.2 Dissemination relationship between magnetite and other minerals (a)—磁铁矿粒状产出；(b)—磁铁矿长条状产出; (c)—连晶颗粒；(d)—钛铁矿呈格子状分布. |
3.2 钛磁铁矿钛磁铁矿是矿石中主要含钛矿物，占矿物总量的7.70%.矿石中的钛磁铁矿主要以半自形粒状、板状、片状及格子状产出(图 3a, 图 3b), 呈浸染状星散分布在脉石中, 粒度较磁铁矿细小(图 3c).钛磁铁矿被脉石矿物沿边缘、解理充填分割成细粒状和平行排列的聚片状, 并被脉石矿物交代熔蚀现象较明显, 有的只剩少量残余体(图 3c, 图 3d).
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 钛磁铁矿与其他矿物嵌布关系图像Fig.3 Dissemination relationship between paigeite and other minerals (a)—板状产出；(b)—格子状产出; (c)—浸染状分布；(d)—聚片状分布. |
3.3 钒磁铁矿钒磁铁矿是矿石中主要含钒矿物, 但含量不多, 仅占矿物总量的1.23%.钒磁铁矿主要以半自形粒状、他形粒状及不规则状嵌布在脉石中(图 4a, 图 4b), 粒度较细小, 与磁铁矿和钛磁铁矿的嵌布关系不密切.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 钒磁铁矿与其他矿物嵌布关系图像Fig.4 Dissemination relationship between coulsonite and other minerals (a)—半自形粒状嵌布；(b)—他形粒状嵌布. |
3.4 钛铁矿钛铁矿在矿石中含量较少, 质量分数仅为0.18%.钛铁矿主要以格子状分布在磁铁矿、钛磁铁矿的解理中, 格片的厚度仅有几微米, 少量钛铁矿以细小粒状、板状产出, 与磁铁矿、钛磁铁矿相互嵌布共生(图 2d).
3.5 长石长石是矿石中主要脉石矿物, 属于铝硅酸盐矿物, 占矿物总量的22.74%.矿石中的长石主要以较粗大的自形、半自形板状及集合体产出, 与辉石、角闪石、绿泥石等交互嵌布, 长石集合体常嵌布细粒辉石(图 5a, 图 5d).有的长石裂隙中充填细脉状的角闪石(图 5b, 图 5c).
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 长石与其他矿物嵌布关系图像Fig.5 Dissemination relationship between feldspar and other minerals (a), (d)—长石、辉石、石英集合体；(b), (c)—长石、角闪石、绿泥石集合体. |
3.6 辉石辉石(Ca, Mg, Fe, Al)2(Si, Al)2O6是矿石中含量仅次于长石的脉石矿物, 也是常见的造岩硅酸盐矿物, 占矿物总量的15.60%.辉石以短柱状、粒状产出, 晶粒不完整, 粒度粗细不等, 与长石、普通角闪石交互嵌布, 粒间有少量石英与之共生(图 5a).
3.7 其他矿物矿石中含有少量赤、褐铁矿, 粒度较细, 常与磁铁矿连生; 矿石中也见少量黄铁矿及微量铬铁矿, 黄铁矿是矿石中主要的硫化物矿物, 铬铁矿是矿石中主要的含铬矿物.
矿石中还含有一定量角闪石、绿泥石、石英等脉石矿物.角闪石以长柱状、纤维状晶体产出, 与长石、辉石交互嵌布, 粒度不均匀(图 5b, 图 5c).绿泥石分布较集中, 以片状集合体产出, 与角闪石和长石相互嵌布, 有的呈断续的脉状充填在长石粒间(图 5b, 图 5c).矿石中石英含量较少, 主要以半自形粒状产出, 嵌布在长石、辉石粒间, 粒度较均匀(图 5d).
4 主要矿物浸染粒度及解离度特征4.1 主要矿物浸染粒度矿石中磁铁矿、钛磁铁矿和钒磁铁矿为主要回收矿物, 对其进行粒度测定, 结果见表 5.从表中可以看出, 磁铁矿、钛磁铁矿和钒磁铁矿在0.075 mm以上粒级中的分布率分别为83.14%, 46.69%和23.69%, 在0.037 mm以下粒级中的分布率分别为5.23%, 20.78%和15.33%, 可见磁铁矿的浸染粒度以粗粒嵌布为主, 钛磁铁矿的浸染粒度以中粒嵌布为主, 而钒磁铁矿的浸染粒度以细粒嵌布为主, 铁矿物粒度不均匀, 细粒钛磁铁矿和钒磁铁矿含量高, 不利于单体解离.
表 5(Table 5)
表 5 矿石中磁铁矿、钛磁铁矿和钒磁铁矿粒度统计结果Table 5 Grain statistics of magnetite, titanomagnetite and coulsonite in the ore
| 表 5 矿石中磁铁矿、钛磁铁矿和钒磁铁矿粒度统计结果 Table 5 Grain statistics of magnetite, titanomagnetite and coulsonite in the ore | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4.2 主要矿物解离度特征对该矿石中磁铁矿、钛磁铁矿和钒磁铁矿的解离情况进行考察, 结果见表 6.可见, 磁铁矿的单体解离度较低, 单体质量分数为10.07%, 连生体主要为磁铁矿-钛磁铁矿-脉石矿物型连生体, 磁铁矿-脉石矿物型连生体, 及磁铁矿-钛铁矿-脉石矿物型连生体, 还有少量磁铁矿-钒磁铁矿-脉石矿物型连生体, 与脉石矿物结合的磁铁矿质量分数为86.03%;钛磁铁矿解离度低, 单体仅占5.52%, 连生体主要为钛磁铁矿-磁铁矿-脉石矿物型连生体, 少量钛磁铁矿-脉石矿物型连生体, 及钛磁铁矿-钒磁铁矿-脉石矿物型连生体, 与脉石矿物结合的磁铁矿质量分数为93.48%;钒磁铁矿全部以连生体形式存在, 主要为钒磁铁矿-脉石矿物型连生体, 少量钒磁铁矿-磁铁矿-脉石矿物型连生体和钒磁铁矿-钛磁铁矿-脉石矿物型连生体.由主要矿物解离情况考察结果可知, 磁铁矿、钛磁铁矿和钒磁铁矿的单体解离度均较低, 多以连生体的形式存在, 尽管可以利用磁选技术对其进行回收获得钒钛磁铁精矿, 但是所得精矿的铁品位不会太高, 并且精矿中的铁、钛、钒矿物难以实现有效分离.所以由该矿石的工艺矿物学结果分析可知, 与传统选矿工艺相比, 采用选冶联合流程(深度还原-磁选工艺)更易于实现该钒钛磁铁矿石的高效开发利用[9].
表 6(Table 6)
表 6 矿石中主要矿物解离情况Table 6 Liberation of main minerals in the ore
| 表 6 矿石中主要矿物解离情况 Table 6 Liberation of main minerals in the ore | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
5 结论1) 该铁矿石中铁矿物种类多, 磁铁矿、钛磁铁矿和钒磁铁矿为主要回收矿物, 长石是最主要的脉石矿物.钛铁矿以格子状分布在磁铁矿和钛磁铁矿中, 可随磁铁矿和钛磁铁矿一起回收, 褐铁矿将损失在尾矿中, 影响铁的回收率.
2) 矿石中主要矿物嵌布关系复杂, 嵌布粒度粗细不均.磁铁矿与钛磁铁矿颗粒结合紧密, 大多结合成连生体, 不利于铁矿物与钛矿物之间完全解离, 尤其以薄片状、格子状分布在磁铁矿中的钛磁铁矿, 彼此无法解离, 使铁、钛分离困难.磁铁矿、钛磁铁矿和钒磁铁矿的嵌布粒度不均匀, 磁铁矿嵌布粒度相对较粗, 钛磁铁矿和钒磁铁矿在细粒级中含量较高, 给矿物的单体解离带来困难, 可采用分段磨矿来提高磨矿细度.
3) 该矿石工艺矿物学研究结果表明, 采用传统选矿方法很难实现铁、钛、钒矿物的有效分离, 应采用合理的选冶联合工艺, 以达到综合回收利用铁、钛、钒元素的目的.
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