某低品位磷矿工艺矿物学研究*

朱秀雯,黄 沙,高 远,刘芸晖,雍晓东,吴传清,何东升,4,池汝安,4,李智力

(1.武汉工程大学 资源与安全工程学院,湖北 武汉 430073;2.德阳昊华清平磷矿有限公司,湖北 绵竹 618000;3.中国化学矿业协会,北京 100011;4.湖北三峡实验室,湖北 宜昌 443007)

0 引言

磷矿资源是不可再生资源,在国民经济中占有重要地位[1]。我国磷矿资源的主要特点是丰而不富,贫矿多,富矿少[2-3]。大多数磷矿须通过选矿富集除杂得到磷精矿之后,才可以满足后续磷化工生产需要[4-5]。四川省磷矿资源丰富[6],但主要以沉积型磷块岩矿床为主,选矿难度大,而且选矿成本较高[7]。

工艺矿物学研究可为矿石选矿工艺的制定及高效开发利用提供重要依据[8]。本文以四川清平磷矿为例,为了更好地制定磷矿分选工艺流程,获得良好的磷矿选矿技术指标,采用AMICS、SEM-EDS、XRD、偏光显微镜、LA-ICP-MS等测试方法,对该矿石的化学元素组成、矿物含量、粒度特征、单体解离情况及连生关系等进行研究,以期为该矿石的分选工艺流程制定提供参考。

1 试验部分

将矿样破碎、筛分及缩分后,分别筛分为+0.75 mm、-0.45+0.75 mm、-0.45 mm三部分粉末样品,其粒度分级及产率见表1。

表1 样品粒度分级及产率

使用AMICS研究样品的赋存状态,查明物质组成、主要元素在矿物中的配分,重点确定样品的矿物含量、粒度特征、单体解离情况及连生关系。此外,采用偏光显微镜、EDS、XRD及LA-ICP-MS等设备进行配合检测。

2 矿石基本性质

2.1 矿石化学组成

清平磷矿矿样化学组成见表2。由表2可知,矿样中主要成分为Ca、Mg和P,质量分数分别为29.71%、7.58%、5.26%,折算P2O5质量分数为12.05%,另外含有少量Si、F、Al、S等元素以及微量Sr。

表2 矿样化学组成 单位:%

2.2 矿石矿物组成

矿样的XRD分析结果见图1。采用AMICS测得矿样矿物组成(见表3)。由图1和表3可知:矿样中主要矿物为白云石和胶磷矿(以氟磷灰石为主的集合体),质量分数分别为48.84%和30.19%,同时含有少量石英、方解石、高岭石和黄铁矿,质量分数分别为8.02%、3.98%、1.62%和1.09%。胶磷矿为主要的有用矿物,白云石为主要的脉石矿物。

图1 矿样XRD分析结果

表3 矿样矿物组成

2.3 矿石类型

该矿石类型为磷质岩,主要由氟磷灰石及胶磷矿组成,其中氟磷灰石呈微晶状[见图2(a)]。胶磷矿为非晶质结构或显微隐晶质结构,部分颗粒经重结晶作用略具光性,集合体多呈鲕状结构,部分鲕粒核部为铁质微粒,同时部分颗粒可见明显同心鲕状结构,另外部分集合体呈结核状[见图2(b)和图2(c)]。由图2(d)可知,胶磷矿之间多未直接接触,由白云石以基底式胶结形式充填于颗粒之间,同时部分胶磷矿集合体已被白云石矿化,仅保留原鲕粒假象。

图2 矿石类型

3 重要矿物化学成分特征

3.1 矿物化学成分及背散射图

3.1.1 胶磷矿化学成分及背散射图

胶磷矿为非晶质集合体,磷灰石为自形粒状,化学成分为Ca5[PO4,CO3]3(OH,F),硬度为3.5,密度在2.6～2.9 g/cm3,无磁性,其背散射及能谱图见图3。由图3可知,Ca质量分数为45.3%,P质量分数为16.7%,F质量分数为4.5%,无其他杂质元素。

图3 胶磷矿背散射及能谱分析图

3.1.2 白云石化学成分及背散射图

目前，养老机构存在着供需错配的问题。公办养老机构由于床位紧张，一位难求，好的民办养老机构服务到位、设施齐全，但是价格高昂住不起，条件简陋的民办养老机构又没人敢住。

白云石化学成分为CaMg(CO3)2,三组菱面体解理完全,性脆,硬度在3.5～4.0,密度为2.8～2.9 g/cm3,其背散射及能谱图见图4。由图4可知,Ca质量分数为26.84%,Mg质量分数为17.55%。

图4 白云石背散射及能谱分析图

3.1.3 方解石化学成分及背散射图

方解石化学成分为CaCO3,硬度为3,相对质量密度为2.71,解理发育,其背散射及能谱图见图5。由图5可知,Ca质量分数为43.77%。

图5 方解石背散射及能谱分析图

3.1.4 石英化学成分及背散射图

石英化学成分为SiO2,硬度为7,密度在2.65 g/cm3左右,无磁性,其背散射及能谱图见图6。由图6可知,Si质量分数为51.91%,O质量分数为48.09%。

图6 石英背散射及能谱分析图

3.1.5 硫磷铝锶石化学成分及背散射图

硫磷铝锶石化学成分为SrAl3(PO4)2(OH)5·H2O,硬度为5,密度在3.2 g/cm3左右,无磁性,其背散射及能谱图见图7。由图7可知,矿样内主要成分为Al、Sr和P,质量分数分别为18.95%、16.27%、11.04%,同时普遍含有少量S和Ca,质量分数分别为3.68%、2.83%。

图7 硫磷铝锶石背散射及能谱分析图

3.1.6 磷铝钙石化学成分及背散射图

图8 磷铝钙石背散射及能谱分析图

3.1.7 黄铁矿化学成分及背散射图

黄铁矿成分为FeS2,呈自形粒状,无解理,硬度为6,密度在4.90 g/cm3左右,无磁性,其背散射及能谱图见图9。由图9可知,矿样内Fe质量分数为51.21%,S质量分数为48.79%。

图9 黄铁矿背散射及能谱分析图

3.2 典型元素在矿物中的分配

根据矿物的化学成分特征及含量,可得矿样中典型元素的配分情况(见表4)。由表4可知:①P元素均赋存于胶磷矿(氟磷灰石)中,质量分数为96.47%;②Ca元素主要赋存于胶磷矿及白云石中,质量分数分别为44.67%、49.59%;③F元素赋存于胶磷矿中;④Fe、S元素主要赋存于黄铁矿中;⑤K元素主要赋存于白云母中,质量分数为61.53%;⑥Sr元素主要赋存于硫磷铝锶矿中,其次为磷铝钙石;⑦Al元素主要赋存于黏土矿物高岭石内,其次为硫磷铝锶矿及磷铝钙石。

表4 矿物中典型元素配分情况 单位:%

4 主要矿物粒度分布

矿石中嵌布粒度特征是矿石的重要性质[9],其对磨矿流程、选矿方法及选矿流程的选择有着重要影响[10]。矿石中主要组成矿物粒度分布见图10。由图10可知:①全局矿物中颗粒粒径分布较均匀,粒径大于150 μm与粒径小于75 μm的占比较为接近;②主要矿物白云石及胶磷矿(磷灰石)粒度分布一致,以小于75 μm为主,其次为大于150 μm;③方解石、石英及黄铁矿等矿物粒径分布较一致,粒度较细,其中粒径小于75 μm的占70%～80%;④硫磷铝锶石矿物颗粒粒径以75～150 μm为主,占比近50%,其次为小于75 μm;⑤磷铝钙石颗粒粒径较小,其中粒径小于75 μm的占比为63.30%。

图10 主要矿物粒径分布

5 矿石中主要矿物的嵌布特征

5.1 胶磷矿

胶磷矿在矿石中的质量分数为30.19%,由Ca、O、P、F元素组成。胶磷矿主要以自形粒状及鲕状或结核状集合体形式分布在矿石中。胶磷矿解离情况及连生关系见表5、表6。由表5、表6可知:单体解离度较低,仅为1.03%,颗粒在各解离程度内分布较均匀。胶磷矿的连生关系见图11(c)、图11(d),其主要以与白云石和石英等矿物的两相连生及多相连生为主。

表5 胶磷矿解离情况

表6 胶磷矿两相和多相连生关系

5.2 白云石

白云石在矿石中的质量分数为48.84%,主要由O、Ca、Mg元素组成。白云石解离情况及连生关系见表7、表8。

表7 白云石解离情况

表8 白云石两相和多相连生关系

由表7、表8可知:单体解离度较低,仅占分析颗粒的1.77%,但较多颗粒解离度大于50%;连生关系主要以与胶磷矿的两相及多相连生为主,白云石常以基底式胶结形式充填于颗粒之间。

5.3 方解石

方解石在矿石中的质量分数为3.98%,主要由Ca、C、O等元素组成。方解石解离情况及连生关系见表9、表10。由表9、表10可知:单体解离度较低,仅占分析颗粒的2.14%;连生情况较为复杂,主要与胶磷矿、白云石等矿物多相连生。

表9 方解石解离情况

表10 方解石两相和多相连生关系

5.4 石英

石英在矿石中的质量分数为8.02%,主要由Si和O组成。石英解离情况及连生关系见表11、表12。由表11、表12可知:单体解离度较低,仅占分析颗粒的1.06%;石英的连生情况较为复杂,主要与白云石和胶磷矿等矿物两相连生及多相连生。

表11 石英解离情况

表12 石英两相和多相连生关系

5.5 硫磷铝锶石

硫磷铝锶石在矿石中的质量分数为0.97%,主要由Al、Sr、P元素组成,普遍含有少量S、Ca元素。硫磷铝锶石解离情况及连生关系见表13、表14。由表13、表14可知:单体解离度低,仅为0.39%,解离程度主要富集在25%～50%的低自由度范围内;其连生情况较为复杂,主要以与磷铝钙石的多相连生为主。

表13 硫磷铝锶石解离情况

表14 硫磷铝锶石两相和多相连生关系

5.6 磷铝钙石

磷铝钙石解离情况及连生关系见表15、表16。由表15、表16可知:单体解离度低,基本无单体解离颗粒;连生情况较为复杂,主要以与硫磷铝锶矿等矿物的多相连生为主。

表15 磷铝钙石解离情况

表16 磷铝钙石两相和多相连生关系

5.7 黄铁矿

黄铁矿是矿石中主要的金属矿物,质量分数为1.09%,多以它形粒状形式分布于胶磷矿集合体之间。黄铁矿解离情况及连生关系见表17、表18。由表17、表18可知:单体解离度低,仅占分析总颗粒的1.35%,且42.76%的颗粒处于解离程度低于25%的低自由度状态;连生情况较为复杂。

表17 黄铁矿解离情况

表18 黄铁矿两相和多相连生关系

6 结论

a.清平磷矿为磷质岩型矿石,P2O5品位仅为12.05%,属低品位磷矿石。矿石中主要非金属矿物为白云石、胶磷矿,质量分数分别为48.84%和30.19%,其次为石英、方解石,主要金属矿物为黄铁矿。

b.磷灰石呈微晶状,胶磷矿为非晶质结构或显微隐晶质结构,共生关系复杂,且胶磷矿呈以细粒为主的不等粒嵌布,粒度以小于75 μm为主。同时,胶磷矿与微细粒白云石伴生,大部分为鲕状结构,白云石与胶磷矿表面物理化学性质接近,因此浮选脱除白云石具有较大难度。

c.在回收磷矿物时,磨矿细度是保证磷矿物单体解离及磷精矿产品质量的关键参数,可采用阶段磨矿、阶段选别流程,并选择合适的工艺,以实现磷矿物的有效分选富集。