钛具有质量小、强度高、化学性质稳定等特点, 其用途广泛, 被认为是继铁和铝之后的“第三金属”^[1-2].我国攀西地区钛资源储量(以TiO₂计)为6.18亿t, 占世界钛资源储量的35 %, 居世界第一位; 然而, 目前该地区钛资源利用率不足20 %.攀西地区钛资源存在于多金属共生的钒钛磁铁矿中, 分选钒钛磁铁矿的原则工艺流程:原矿弱磁选铁, 尾矿“强磁-浮选”选钛.选钛原料(选铁尾矿)中包含大量微细粒(-38 μm)含钛物料.微细粒物料本身分选特性较差^[3], 且恶化选钛作业^[4].为此, 在选钛作业前, 利用斜板浓密机, 微细粒含钛物料被预先分离成为尾矿, 造成资源流失.

工艺矿物学性质研究是实现矿产资源高效利用的基础^[5-6].目前, 攀西地区钒钛磁铁矿原矿石工艺矿物学研究已有报道^[7], 但针对于微细粒钛铁矿物料还未有系统的工艺矿物学研究.本文利用水析分级、化学分析、X射线衍射、SEM, MLA等手段, 并结合攀西地区钒钛磁铁矿原矿工艺矿物学性质, 对微细粒级钛铁矿物料的工艺矿物学进行了详细的研究和讨论.主要包括:物料元素组成及有用元素物相分析、矿物粒度组成及金属分布、矿物组成及含量、主要矿物嵌布及解离特征、物料分选特性分析讨论.研究采用的样品由攀枝花钢铁集团提供, 具体为密地选钛厂二级斜板溢流.

1 物料物质成分 1.1 物料的化学组成

微细粒钛铁矿物料的化学组成分析结果见表 1.

由表 1可知, 物料中TiO₂的质量分数为8.89 %, 低于选铁尾矿TiO₂的10.83 %, 说明物料中含有更多的脉石矿物; mFe的存在表明物料中含有少量强磁性矿物; 有害元素S含量较高, 制定选矿工艺时, 应考虑S的走向.

Ti是微细粒钛铁矿物料中目标回收元素, 而Fe元素的存在形式会影响含Ti矿物的分选.为此, 分别对物料中钛、铁进行了化学物相分析, 结果分别见表 2、表 3.

由表 2可知, 钛铁矿为钛元素的主要存在形式, 是主要回收的目的矿物; 硅酸盐矿物中也含有钛元素, 但无回收价值; 磁铁矿或榍石矿物中的钛元素部分进入钛精矿后, 精矿中钛回收率增大而钛的质量分数减小.

由表 3可知, 铁元素主要赋存在硅酸盐矿物中, 使得部分硅酸盐矿物的表面性质和磁性与钛铁矿相似, 从而影响钛铁矿的磁-浮分选过程; 其他铁元素则赋存在磁铁矿、钛铁矿、黄铁矿、碳酸铁中, 经分选后, 可分别进入铁精矿、钛精矿、硫精矿及尾矿中.

1.2 物料的矿物组成

利用XRD测试技术, 对微细粒钛铁矿物料中矿物种类进行定性分析, 结果如图 2所示.

由图 1可知, 该物料中主要有用矿物为磁铁矿、钛铁矿, 主要脉石矿物为钛辉石、绿泥石、长石.利用MLA测试技术, 进一步对主要矿物进行定量分析, 结果见表 4.

由表 4可知, 钛铁矿的质量分数为13.98 %, 磁铁矿的质量分数为2.86 %; 脉石矿物以钛辉石为主, 绿泥石与长石的质量分数相当.

2 物料粒度分布 2.1 物料粒度组成及Ti分布

对微细粒级钛铁矿物料进行粒度分析及考察有用元素Ti在各粒级中的分布, 结果见表 5.

由表 5可知, 物料中-38 μm粒级产率为95.36 %, -19 μm粒级为74.33 %, -10 μm粒级为43.31 %, 该物料在选矿中属微细粒矿物物料.-19 μm粒级物料中Ti产率高达76.65 %, 为物料中钛资源回收的重点和难点.

2.2 主要矿物粒度组成

影响矿物分选的粒度因素不仅包括其整体粒度组成, 也包括其各矿物的粒度组成^[4].利用水析分级及MLA测试技术, 获得主要矿物粒度组成, 如图 2所示.

由图 2可知, 与物料整体粒度相比, 物料中磁铁矿、钛铁矿、绿泥石的粒度较细, 而钛辉石和长石的粒度较粗.以粒度-10 μm进行分析说明, 磁铁矿、钛铁矿、绿泥石、钛辉石、长石的-10 μm粒级产率分别为86.07 %, 56.08 %, 54.27 %, 32.23 %, 20.59 %.各矿物粒度组成差别较大, 有用矿物粒度偏细, 脉石矿物偏粗, 与表 5中细粒级物料TiO₂品位较高的分析结果一致.该粒度分布特征不利于有用矿物的回收.

对图 2进一步分析, 查明各矿物特征产率P₂₀, P₅₀, P₈₀的粒度, 结果见表 6.

由表 6可知, 在同一特征产率条件下, 钛辉石和长石的粒度分别约为钛铁矿粒度的2倍和2.5倍, 而绿泥石与钛铁矿粒度差别不大.

该物料为二级斜板溢流, 溢流中各矿物同时以密度和粒度特征进行产出, 根据斯托克斯定律及牛顿定律关于颗粒沉降规律^[8]的解释, 大密度细颗粒和小密度大颗粒具有等效沉降速度.磁铁矿和钛铁矿较钛辉石和长石密度大, 因此, 溢流中磁铁矿和钛铁矿的粒度较细.同时, 溢流原料来自磁选尾矿, 大部分较粗粒级(+10 μm)磁铁矿进入铁精矿, 使得溢流中磁铁矿的粒度最细.绿泥石因硬度小、易泥化, 其粒度也较细.

3 主要有用矿物嵌布工艺特征 3.1 主要有用矿物嵌布特征

对主要矿物进行了镜下(SEM)观察, 代表性矿样观察结果如图 3所示.图 3a为矿样中矿物的整体外貌图, 微细粒级钛铁矿物料中各矿物以单体的形式存在为主, 连生体矿物多为包裹及细脉侵染嵌布.

1) 磁铁矿：样品中磁铁矿含量较低, 多为连生体(图 3b~图 3d), 且多有赤铁矿化现象, 部分为赤铁矿侵蚀交代.褐铁矿化多为絮状集合体, 侵染胶结绿泥石形成(图 3c).

物料中磁铁矿的矿物特征使得其比磁化系数较普通磁铁矿低.赤(褐)铁矿化及连生磁铁矿的比磁化系数接近于钛铁矿的比磁化系数, 使两者的磁选分离变得困难.

2) 钛铁矿：样品中少量钛铁矿呈针状结晶形态, 多沿磁铁矿晶隙析出, 形成含钛磁铁矿, 其中部分钛铁矿较密集, 形成钛铁矿-磁铁矿格状结晶体(图 3d); 这种结晶形态的磁铁矿部分呈单体颗粒, 部分与绿泥石连生(图 3e); 钛辉石与钛铁矿共生关系紧密, 呈平行连生或成网状交互连生(图 3f).

3.2 主要铁、钛矿物单体及连生关系

利用MLA测试技术, 对微细粒钛铁矿物料中磁铁矿和钛铁矿进行单体解离情况分析, 结果分别见图 4和图 5.

由图 4可知, 整体来说, 磁铁矿矿物单体解离度较小, 且不同粒级间, 单体解离情况差别较大.主要连生矿物依次为绿泥石、钛铁矿、钛辉石.

一般来说, 随着矿物粒度的减小, 矿物单体解离度增大.而微细粒级钛铁矿物料随着粒度的减小, 磁铁矿矿物单体解离度减小, 当粒度小于14 μm时, 单体解离度不再减小而增大.结合钒钛磁铁矿分选原则流程进行分析, 磁铁矿为强磁性矿物, 脉石矿物与磁铁矿以连生关系存在时, 尤其是粗粒富磁铁矿连生体, 经弱磁分选也能被回收, 进入铁精矿; 而随着矿物粒度的减小, 磁铁矿连生体回收困难^[9].所以粒度越小, 物料中连生体比例越大, 单体磁铁矿比例减小.而矿物粒度小于14 μm时, 受“连生体回收因素”影响减小, 磁铁矿矿物单体解离度随粒度减小而增大.

由图 5可知, 整体来说, 钛铁矿矿物单体解离度较大, 且不同粒级间, 单体解离情况差别较小.主要连生矿物为绿泥石、磁铁矿和钛辉石.

随着矿物粒度的减小, 钛铁矿矿物单体解离度不断增大, 但与钛辉石的连生比例亦不断增大.该结果进一步印证了图 3d~3f所表征的矿物嵌布特征, 在微细粒级钛铁矿物料中, 钛辉石与钛铁矿共生关系较紧密, 进一步粉碎矿物颗粒, 对钛辉石和钛铁矿解离作用小, 而钛铁矿与其他连生体不断实现解离, 使得钛铁矿与钛辉石连生体比例增大.

4 讨论

1) 根据检测及分析, 二级斜板溢流物料中矿物组分复杂, 且脉石矿物粒度较有用矿物偏粗.脉石矿物中长石为非磁性矿物, 可通过磁选分离; 钛辉石粒度较粗, 其磁特性及浮游特性与钛铁矿相似, 为该物料分选的难点之一^[3]; 绿泥石为易泥化矿物, 会恶化分选环境, 尤其是对浮选工艺^[10].而与脉石紧密连生的超细粒(-10 μm)磁铁矿, “磁-浮”分选特性与钛铁矿相似^[11], 易进入钛铁矿精矿中, 影响最终精矿钛的质量分数.

2) 物料中76.65 %的有价元素Ti存在于-19 μm粒级物料中, 为回收的重点.对于现有分选工艺, 浮选仍是处理微细粒矿物的有效分选手段^[8].但该矿石原矿的质量分数仅为8.89 %, 矿物组分复杂.为此, 在进行浮选作业前, 需要对物料进行有效的预富集.现有的预富集方法和设备不能很好地适用于微细粒物料, 尤其是-19 μm粒级物料.所以, 需要开发和利用适合于微细粒矿物分选的新方法和新型设备.

5 结论

1) 物料中TiO₂的质量分数为8.89 %, 主要赋存于钛铁矿中.有用矿物主要为钛铁矿, 以及少量的磁铁矿; 脉石矿物主要为钛辉石、绿泥石、长石; 有害元素S的质量分数较高.物料中-19 μm粒级矿物产率为74.33 %, 脉石矿物粒度较有用矿物粗.该物料为低品位复杂难选微细粒钛铁矿资源.

2) 物料中磁铁矿矿物单体解离度为55.33 %, 主要连生矿物为绿泥石、钛铁矿、钛辉石; 钛铁矿矿物单体解离度为90.43 %, 与钛辉石紧密连生.

3) 有效的预富集是实现微细粒钛铁矿回收的基础.传统选矿工艺无法实现预富集的现实条件下, 须结合物料的工艺矿物学特征, 研发新方法和新型设备.