非洲某风化伟晶岩型钽铌矿石工艺矿物学及可选性研究

李美荣，李波，梁冬云，孟庆波，洪秋阳

(广东省资源综合利用研究所，稀有金属分离与综合利用国家重点实验室，广东省矿产资源开发和综合利用重点实验室，广东 广州 510650)

稀有金属钽和铌作为高新技术产业的关键元素，是现代尖端电子、航空航天、医疗和军事装备等工业中不可或缺的重要金属原料，很多钽铌产品均没有可替代品[1]。在我国，钽铌资源较为短缺，具有矿石品位低、嵌布粒度细而分散、多金属伴生、钽铌矿床区域分布集中等突出特点，导致我国钽铌的对外依存度超过80%[2]。为避免国内钽铌资源开发带来的矿山环境污染和市场竞争风险，应限制开采国内相对品位较低的钽铌矿，着眼于全球钽铌资源的开发利用，借助“一带一路”倡议，鼓励国内企业不断开拓国外市场，积极主导或参与国外大型矿山的勘查开发，这对于调节国内钽和铌的生产和供应具有重要意义[1]。目前研究涉及的国外钽铌资源主要为澳大利亚富含锂铷钽铌伟晶岩矿床、巴西和加拿大碱性岩-碳酸岩型特大型铌矿床以及刚果（金）风化残积型花岗伟晶岩矿床。

本文采用矿物自动定量分析系统（MLA）与传统工艺矿物学研究手段相结合的方法对非洲某风化伟晶岩型钽铌矿石进行全面详细的工艺矿物学研究。传统的工艺矿物学研究主要包括偏反光显微镜观察鉴定、X-射线荧光光谱元素分析和化学多元素分析、X-射线衍射光谱物相分析、重砂分析以及单矿物分选等手段。

单矿物分选是指利用人工重砂、磁选、浮选、化学溶解和镜下精拣等方法进行目的矿物的提纯分离，是研究稀有金属矿的重要手段，特别对于分散的稀有金属元素赋存状态的查定尤其重要。利用提取分离单矿物来查明有用有害元素在矿石中的赋存状态，一方面可有效避免能谱化学成分分析过程中对于轻元素矿物（如锂铍矿物）和含水或结合水矿物（如云母）的检测盲区，弥补微区分析代表性不足的缺陷，另一方面，单矿物分选过程实质上是选矿分离的极限状态，对于选矿的指导作用更能贴合实际、明确合理。

1 试 验

矿样取自非洲某地区，是各矿层多个样品组合而成的综合矿样，矿样经晾晒、捡块、破碎、混匀、缩分得到试验所需样品，并保留备样。试验采用切片机、单盘磨片机、自动电子液压镶嵌机、研磨抛光给液系统、三头研磨机进行制样；采用矿物自动定量分析系统、扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、X-射线荧光光谱仪、电感耦合等离子光谱仪、原子吸收分光光度计结合化学分析手段进行化学成分和矿物组成分析；采用偏光显微镜、体视显微镜、电磁分选机结合单矿物分离手段进行矿物嵌布特征、元素赋存状态以及矿石可选性研究[6-7]。

2 结果与讨论

2.1 矿石矿物学特性

2.1.1 矿石化学成分

采用X-射线荧光光谱仪、原子吸收分光光度计、电感耦合等离子质谱仪结合化学溶解滴定的方法得到原矿多元素分析结果见表1。

表1 原矿样品多元素化学分析结果/%Table 1 Multi-element chemical analysis results of the ore

可以看出，该矿石为钽、铌稀有金属矿石，并伴生有锂、铍、铷和锡等多种稀有金属。2.1.2 矿石矿物组成

结合偏反光显微镜鉴定、X-射线衍射物相分析和MLA 矿物定量检测得到原矿矿物组成结果见表2。

表2 原矿矿物组成及含量Table 2 Mineralogical composition results of the ore

可以看出，矿石中钽铌矿物以钽铌锰矿和细晶石为主，少量锡锰钽矿；锂矿物含量较少，包括磷锂铝石和锂绿泥石，以及含锂矿物锂云母和白云母；少量铍矿物，以绿柱石为主；脉石矿物以石英和高岭土为主，少量长石、电气石等。

2.1.3 主要矿物嵌布特征

（1）钽铌锰矿

该矿石中的钽铌锰矿属于富锰系列的钽锰矿-铌锰矿，其嵌布粒度一般为0.02 ～ 0.32 mm（见表3）。

表3 主要有用矿物的嵌布粒度结果Table 3 Disseminated size results of major valuable minerals

能谱分析矿物中含Ta2O530.89% ～ 69.68%，Nb2O513.73%～50.03%，MnO10.92% ～ 16.55%，FeO 0.77% ～ 4.64%，并含有少量锡和钛等杂质；矿物呈暗黑红至黄棕色，金刚光泽至半金属光泽，透明至不透明，颗粒多见呈板状、块状或不规则粒状。矿石中常见钽锰矿与铌锰矿交代连生形成钽铌锰矿共生体，大部分钽铌锰矿嵌布于石英、云母和高岭土矿物内部裂隙或者粒间，少数呈短柱状或微细粒包裹体嵌布于云母和石英等脉石矿物中（图1）。

图1 矿石中钽铌锰矿的嵌布状态Fig .1 Disseminated state of magnanotantalite and mangancolumbite

（2）细晶石

该矿石中的细晶石为钽的主要矿物之一，其嵌布粒度一般为0.04 ～ 0.64 mm（见表3），能谱分析矿物中含Ta2O571.71 ～ 76.91%，Nb2O53.58% ～8.56%；矿物呈黄褐色，玻璃光泽，半透明，颗粒多见呈不规则粒状，碎裂结构。矿石中常见细晶石呈不规则粒状嵌布于石英和云母颗粒间隙，局部可见细晶石与钽铌锰矿交代连生，少数呈细粒嵌布于脉石中（图2）。

图2 矿石中细晶石的嵌布状态Fig .2 Disseminated state of microlite

（3）磷锂铝石

该矿石中的磷锂铝石是锂的赋存矿物之一，其嵌布粒度一般为-0.16 mm（见表3）；矿物颜色呈微带黄色的灰白色或粉红色，玻璃光泽或油脂光泽；颗粒常呈板状或粒状，可见与纤磷钙铝石共生，偶尔与云母、高岭土等连生（图3）。

图3 矿石中磷锂铝石的嵌布状态Fig. 3 Disseminated state of amblygonite

（4）锂绿泥石

该矿石中的锂绿泥石是锂的赋存矿物之一，其嵌布粒度一般为-0.16 mm（见表3）；矿物颜色呈白色或黄绿色，珍珠光泽或油脂光泽；颗粒常呈鳞片状集合体，与云母、石英和高岭土等连生（图4）。

图4 矿石中锂绿泥石的嵌布状态Fig .4 Disseminated state of cookeite

（5）云母

该矿石中的云母是锂和铷的主要赋存矿物，以锂云母和白云母为主，能谱分析白云母平均含Rb2O 0.60%，Cs2O 0.08%，锂云母平均含Rb2O 2.38%，Cs2O 1.01%，单矿物分析云母平均含Li2O 2.74%，Ta2O50.016%，Nb2O50.012%。白云母呈灰白色，锂云母呈淡紫色，玻璃光泽；矿石中云母呈片状或叶片状，集合体呈叠片状或鳞片状，可见与石英、高岭土连生或沿矿石孔隙充填（图5）。

图5 矿石中云母的嵌布状态Fig .5 Disseminated state of mica

（6）绿柱石

绿柱石为常见的铍矿物，也是本矿石中主要的铍矿物，能谱分析矿物中有少量碱金属铯、钠代替铍，平均含BeO11.06%。绿柱石常呈自形-半自形晶粒状，嵌布于石英、高岭土和云母等颗粒间隙（图6）。

图6 矿石中绿柱石的嵌布状态Fig .6 Disseminated state of beryl

2.1.4 有价元素的赋存状态

有价元素钽、铌和锂在矿石中的平衡分配结果见图7。

图7 矿石中有价元素的赋存状态Fig .7 Occurrence state of valued elements

可以看出，赋存于钽铌锰矿、细晶石中的钽和铌分别为56.69%和70.81%、28.21%和5.22%，以微细钽铌矿物包裹体分散于脉石中的钽和铌分别为13.72%和23.53%，从原矿中分离钽铌矿物，钽和铌的理论回收率为84.90%和76.30%。赋存于云母、磷锂铝石和锂绿泥石中的锂分别为74.34%、14.31%和2.63%，分散于脉石中的锂为8.72%，从原矿中分离云母，锂的理论回收率为74.34%。

2.2 矿石可选性研究

2.2.1 主要矿物物理性质矿石中主要矿物的物理性质见表4。

可以看出，钽铌锰矿和细晶石的密度远远大于云母、石英/长石和高岭土的密度，以钽铌矿物代表重矿物的密度δ2为5.2，脉石矿物代表轻矿物的密度δ1为2.6，可算得钽铌矿物重选难易度E=(δ2-1)/ (δ1-1)=2.63，矿物粒度基本处于+0.02 mm粒级范围内，属于矿物重选极易选范围[8]。因此可以采取重选工艺将绝大部分脉石矿物抛除。

表4 主要矿物物性参数Table 4 Physical parameters of main minerals

2.2.2 原矿粒度筛分分析

为查明钽铌在各粒级中的分布情况，对原矿进行粒度筛分分析，结果见表5。

表5 原矿粒度筛析结果Table 5 Sieve results of the ore

可以看出，钽和铌主要分布于+0.045 mm 粒度范围内，粒级分布率分别为85.13%和84.74%，而-0.02 mm 粒级钽和铌的分布率仅为5.31%和5.83%，粒级产率为18.35%，因此可考虑重选工艺预先脱泥。

2.2.3 原矿重液分析

为了考察重选分离钽铌矿物的效果，对原矿不同筛分粒级产品进行重液分离试验，并对各产品中钽的分布进行分析，结果见表6。

表6 原矿重液分析试验结果Table 6 Results of the heavy liquid test

可以看出，在+0.045 mm 粒级范围内，重液分离效果明显，钽铌矿物基本富集于重产品中，重产品中钽的回收率均在90%以上；-0.045 mm 粒级产品由于粒度微细，重液分离效果较差。

2.4 原矿磁性分析

为了进一步探索磁选对于钽铌、锂矿物的富集效果，缩取-0.1+0.074 mm 粒级代表性矿样进行磁性分析，结果见表7。

表7 原矿磁性分析试验结果Table 7 Magnetic analysis results of the ore

可以看出，钽在600 mT 磁性产品中有明显富集，该磁级钽的回收率为58.29%，其中损失于非磁产品中的钽为39.27%（主要以细晶石形式存在）；锂在880 ～ 1350 mT 磁性产品略有富集，磁性产品中的锂主要赋存于锂云母中，非磁产品中的锂主要赋存于磷锂铝石和白云母中，锂的回收率分别为11.18%和88.83%。另外，铁染高岭土的存在严重影响了磁选分离的效果。

2.2.5 选矿原则流程的确定

（1）采用重选为主的钽铌回收方案

该矿石为钽铌稀有金属矿石，钽铌矿物以钽铌锰矿和细晶石为主，对于这一类型的矿石，生产实践中一般采用重选或重磁联合工艺进行钽铌的回收。该矿石中钽铌矿物嵌布粒度较粗，钽铌锰矿和细晶石矿物颗粒+0.02 mm 粒级分布率分别为91.52%和96.40%；钽铌矿物与主要脉石矿物密度差异明显，其重选难易度E=2.63，处于重选极易选范围；细晶石属于非磁性矿物，磁选过程中在非磁产品中富集，该部分钽无法进行磁选回收。因此，可确定采用重选作为回收钽铌的原则方案。

另外，原矿中粘土矿物高岭土的含量较高（32.39%），赋存于高岭土中的钽和铌仅为6.89%和6.83%，而且原矿-0.02 mm 细泥产品产率较高（18.35%），其中钽和铌的分布率仅为5.31%和5.83%，因此可考虑预先洗矿，避免细泥对于重选分离效果的影响。

（2）伴生金属的综合回收

该矿石中的伴生金属主要为锂、铷和铍，锂矿物以含锂云母、磷锂铝石和锂绿泥石为主，铍矿物以绿柱石为主。磷锂铝石、锂绿泥石和绿柱石含量较少，且与脉石矿物呈复杂嵌布，难以通过选矿方法进行有效回收；而云母是锂和铷的主要赋存矿物，赋存于云母中的锂为74.34%，可通过浮选回收重选尾矿中的云母实现锂和铷的富集。具体的选矿原则流程见图8。

图8 原矿选矿原则流程Fig .8 Principle f lowsheet of benef iciation

3 结 论

（1）非洲某风化伟晶岩型钽铌矿石中有价元素主要为钽、铌，并伴生锂、铷、铍和锡等稀有金属。钽铌矿物以钽铌锰矿和细晶石为主，锂矿物以磷锂铝石、锂绿泥石和含锂云母为主，脉石矿物主要为石英/长石和高岭土。

（2）该矿石中的钽铌锰矿属于富锰系列的钽锰矿-铌锰矿，其嵌布粒度一般为0.02 ～ 0.32 mm，细晶石为钽的主要矿物之一，其嵌布粒度一般为0.04 ～ 0.64 mm。矿物颗粒多见呈板状、块状或不规则粒状，大部分嵌布于石英、云母和高岭土矿物内部裂隙或者粒间，少数呈微细粒包裹体嵌布于云母和石英等脉石矿物中。

（3）赋存于钽铌锰矿、细晶石中的钽和铌分别为56.69%和70.81%、28.21%和5.22%，以微细钽铌矿物包裹体分散于脉石中的钽和铌分别为13.72%和23.53%，从原矿中分离钽铌矿物，钽和铌的理论回收率为84.90%和76.30%。赋存于云母、磷锂铝石和锂绿泥石中的锂分别为74.34%、14.31%和2.63%，分散于脉石中的锂为8.72%，从原矿中分离云母，锂的理论回收率为74.34%。

（4）根据矿石泥化、钽铌矿物嵌布粒度粗、矿物密度差异明显等特点，制定了预先洗矿-分级螺旋粗选-再磨摇床精选-云母浮选的选矿原则流程。为该钽铌矿石的开发提供了全面的工艺矿物学支撑和选矿工艺指导，实现了资源的综合利用。