2020, Vol. 41
2. 中国科学院 过程工程研究所 绿色过程与工程重点实验室, 北京 100190
2. Key Laboratory of Green Process and Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
中国钒钛磁铁矿资源主要分布在四川攀西、河北承德、陕西洋县、广东兴宁、湖北郧阳、新疆喀什和哈密，以及辽西朝阳等地区[1-3].钒钛磁铁矿作为钒、钛、铁等多金属共伴生的矿产资源，是世界公认的紧缺资源，随着该类特色资源的开采利用，品位高的钒钛磁铁矿日益减少，低品位表外矿和超贫钒钛磁铁矿已相继得到开发.本文对四川攀枝花、河北承德和辽宁朝阳等地钒钛磁铁矿工艺矿物学进行研究，为科学高效利用钒钛磁铁矿资源提供了基础的矿物学资料和经济参考依据.
1 钒钛磁铁矿的化学组成攀枝花、承德和朝阳钒钛磁铁矿的化学组成特征见表 1、表 2和表 3.
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表 1 矿石的化学成分分析(质量分数) Table 1 Chemical composition of the raw ores(mass fraction) |
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表 2 矿石中铁的化学物相分析 Table 2 Chemical phase analysis results of iron for the raw ore |
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表 3 矿石中钛的化学物相分析 Table 3 Chemical phase analysis results of titanium for the raw ore |
由表 1可知，攀枝花、承德和朝阳钒钛磁铁矿中Fe的品位分别为27.11%，21.18%和11.28%;TiO2的品位分别为10.98%，4.53%和2.02%;V2O5的品位分别为0.22%，0.23%和0.055%.
由表 2和表 3可知，攀枝花、承德和朝阳矿中铁的理论选矿回收率分别为48.91%，60.62%和10.19%，钛的理论选矿回收率分别为74.01%，52.03%和78.51%.
2 钒钛磁铁矿的矿物组成矿石中矿物相对含量的测量有重量法、目测法(包括光学显微镜和扫描电子显微镜下的线段和面积测量)、计算法、统计法、红外光谱、发光光谱、X射线衍射相分析，以及热重分析等方法[4-6].本文采用计算和目测相结合的方法对钒钛磁铁矿中的矿物含量进行研究，其中计算法是以铁和钛元素的化学物相分析为基础，经过矿物化学成分测算获得铁和钛金属矿物的含量，其他矿物的含量由MLA(mineral liberation analyser)矿物自动测量系统通过矿物的相对面积和密度折算后获得[7-8].
典型钒钛磁铁矿的矿物组成见表 4.由表 4可知，攀枝花、承德和朝阳钒钛磁铁矿中主要金属矿物是钛磁铁矿和钛铁矿，它们的矿物相对含量有明显差别：攀枝花矿中钛磁铁矿和钛铁矿的质量分数(铁精矿和钛精矿的产率)分别为22.39%和15.92%，承德矿中分别为19.32%和4.46%，朝阳矿中分别为2.59%和3.07%.
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表 4 矿石中的矿物组成(质量分数) Table 4 Mineral composition of the raw ore(mass fraction) |
钛磁铁矿是以磁铁矿为主晶、钛铁矿为客晶组成的复合矿物相，钛磁铁矿中偶尔可见镁铝尖晶石[9].钛磁铁矿中钛铁矿和尖晶石等矿物产出粒度细小(小于0.005mm)，从磨矿的角度看，磁铁矿与钛铁矿客晶之间难以单体解离，这是铁和钛之间难以选矿分离的根本原因.攀枝花、承德和朝阳矿中的钛磁铁矿集合体的矿物结构见图 1~图 3所示.从图中可知，攀枝花的钛磁铁矿中含有较多的钛铁矿客晶; 承德的钛磁铁矿中钛铁矿客晶相对较少，偶尔可见镁铝尖晶石; 朝阳钒钛磁铁矿中的钛铁矿客晶也比较多.客晶含量多意味着钛磁铁矿中钛的含量变高，而铁的含量变低.
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图 1 攀枝花钒钛磁铁矿中由客晶钛铁矿和主晶磁铁矿所组成的钛磁铁矿 Fig.1 Titanomagnetite consisting of guest ilmenite and main crystal magnetite in Panzhihua titanomagnetite |
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图 2 承德钒钛磁铁矿中由客晶钛铁矿、尖晶石和主晶磁铁矿所组成的钛磁铁矿 Fig.2 Titanomagnetite consisting of guest ilmenite, spinel and main crystal magnetite in Chengde vanadium-titanomagnetite |
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图 3 朝阳钒钛磁铁矿中由客晶钛铁矿和主晶磁铁矿所组成的钛磁铁矿 Fig.3 Titanomagnetite consisting of guest-crystalline ilmenite and main-crystalline magnetite in Chaoyang vanadium-titanomagnetite |
不同矿产地钛磁铁矿的X射线谱见图 4，钛磁铁矿的基本化学组成(EDS)见表 5.由图 4和表 5可知，攀枝花、承德和朝阳矿中钛磁铁矿的成分比较复杂; 因矿物形成条件及矿物结构所限，不同矿产地钛磁铁矿这一矿物复合相中铁的质量分数都低于磁铁矿的理论值(72.40%)，伴生的钛和钒含量也有明显差异.其中，承德的钛磁铁矿中含铁量最高，其次是攀枝花的钛磁铁矿，而朝阳的钛磁铁矿中含铁量最少.承德和攀枝花的钛磁铁矿中含钒量比较接近，而朝阳的钛磁铁矿中钒含量是攀枝花的两倍以上.朝阳、攀枝花和承德的钛磁铁矿中钛的含量依次降低.钛磁铁矿与磁铁矿、磁黄铁矿等矿物相似，都属于强磁性矿物[10]，弱磁选时钛磁铁矿也容易得到选择性富集和高效回收，但因不同的钒钛磁铁矿中钛磁铁矿的化学组成不同，选矿获得的磁选精矿中铁的品位及钛、钒的品位有显著的差别.
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图 4 不同矿产地钛磁铁矿的典型X射线能谱 Fig.4 Typical X-ray energy spectra of titanomagnetite from different areas (a)—攀枝花; (b)—承德; (c)—朝阳. |
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表 5 攀枝花、承德和朝阳钛磁铁矿的基本化学组成(质量分数) Table 5 Basic chemical composition of Panzhihua, Chengde and Chaoyang titanomagnetite(mass fraction) |
钒钛磁铁矿中的钛铁矿主要有以下三种典型的嵌布特征：其一是粒状结构的钛铁矿，是矿石中钛铁矿的主要结构类型; 其二是具有长条状结构的钛铁矿，该类型的钛铁矿与钛磁铁矿共生较为密切，钛铁矿与钛磁铁矿之间实现单体解离需要较细的磨矿细度; 其三是以片晶结构分布在磁铁矿基底中与尖晶石一起组成钛磁铁矿复合矿物相的钛铁矿，其片晶宽度多数都小于0.005mm，磨矿作业时此部分钛铁矿无法与磁铁矿之间实现充分单体解离，这是导致弱磁选铁精矿中钛含量高的根本原因.攀枝花、承德和朝阳钒钛磁铁矿中钛铁矿的典型特征见图 5.从中可以看出：攀枝花和承德矿中钛铁矿主要是以粒状结构产出，少部分钛铁矿呈长条状嵌布在钛磁铁矿中; 而朝阳钒钛磁铁矿中的钛铁矿主要呈粒状产出，且与钛磁铁矿常紧密共生.相比较而言，攀枝花矿中钛铁矿的矿物相对含量最高，其次是承德，而朝阳矿中的钛铁矿最少.呈粒状产出的钛铁矿粒度主要都分布在0.03~0.3mm之间.
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图 5 不同矿产地矿石中产出的钛铁矿 Fig.5 Ilmenite produced from the ore of different areas (a)—攀枝花; (b)—承德; (c)—朝阳. |
不同矿产地中钛铁矿的X射线谱见图 6，钛磁铁矿的基本化学组成(EDS)见表 6.结果表明，攀枝花钛铁矿中普遍含有Mg和Mn元素，而承德钛铁矿中除铁和钛外，其他金属元素含量极少，朝阳钛铁矿中常常含有Mn.其中，攀枝花钛铁矿中各成分的质量分数为：Ti 30.60%(TiO2 51.00%)，Fe 33.02%，Mg 3.53%，Mn 0.69%，O 32.16%, TiO2质量分数低于该矿物的理论值(TiO2 52.63%); 承德钛铁矿的成分与该矿物理论值一致; 朝阳钛铁矿中各成分的质量分数为：Ti 30.37%(TiO2 50.62%)，Fe 36.36%，Mg 0.20%，Mn 0.69%，O 32.38%.
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图 6 钛铁矿的典型X射线能谱 Fig.6 Typical X-ray energy spectra of ilmenite (a)—攀枝花; (b)—承德; (c)—朝阳. |
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表 6 钛磁铁矿的基本化学组成(质量分数) Table 6 Composition of ilmennite(mass fraction) |
不同矿产地钒钛磁铁矿中钛磁铁矿和钛铁矿的粒度分布如图 7所示：在+74μm粒级中，攀枝花钛磁铁矿累积的质量分数为58.93%，承德钛磁铁矿为81.49%，朝阳钛磁铁矿为86.11%;可见，攀枝花钒钛磁铁矿中钛磁铁矿的嵌布粒度相对比较细，而承德和朝阳钒钛磁铁矿中钛磁铁矿的嵌布粒度比较粗.在+74μm粒级中，攀枝花钛铁矿累积的质量分数为70.94%，承德钛铁矿为83.93%，朝阳钛铁矿为80.92%.
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图 7 钒钛磁铁矿中钛磁铁矿和钛铁矿的粒度分布 Fig.7 Particle size distributions of titanomagnetite and ilmenite in vanadium-titanomagnetite (a)—钛磁铁矿; (b)—钛铁矿. |
不同矿产地钒钛磁铁矿中铁、钛、钒的理论选矿指标见表 7.由表 7可知，承德的钒钛磁铁矿更容易获得品位高的铁精矿，其次是攀枝花，而朝阳矿难以获得高品位的铁精矿; 对比铁精矿中V2O5的理论品位可知，朝阳铁精矿钒的品位是攀枝花铁精矿中钒的品位的2.23倍，是承德铁精矿中钒品位的1.81倍，可见朝阳铁精矿是提钒最好的矿物原料，其次是承德和攀枝花铁精矿.此外，因不同矿产地中钛铁矿的化学组成所限，理论上承德的钛精矿质量相对较好，其次是朝阳和攀枝花的钛精矿.
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表 7 攀枝花、承德和朝阳钒钛磁铁矿的理论选矿指标 Table 7 Beneficiation index of vanadium-titanomagnetite from Panzhihua, Chengde and Chaoyang |
依据铁精矿(含钒单独计价)和钛铁矿精矿的现货价格以及理论选矿指标对矿石的价值进行计算(见表 8).铁精矿现货价格按62%干基铁精矿价格629.33元/t折算为10.15元/(t·度)计算铁的价格，铁精矿中V2O5按14.73元/kg单独计价(按高纯V2O5为165元/kg，采用提取率50%和5.60的调整系数进行折价); 钛精矿按TJK46价格1225元/t折算为26.63元/(t·度)测算(参考2019年4月25日国内铁精矿、钛精矿和高纯V2O5的价格).由表 8可知，攀枝花、承德和朝阳钒钛磁铁矿的矿石价值分别为381.44元/t，225.34元/t和63.93元/t; 其中攀枝花矿石价值中铁精矿的贡献率为43.32%，钛精矿的贡献率为56.68%;承德矿石价值中铁精矿的贡献率为72.26%，钛精矿的贡献率为27.74%;朝阳矿石价值中铁精矿的贡献率为35.27%，钛精矿的贡献率为64.73%.
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表 8 攀枝花、承德和朝阳钒钛磁铁矿的矿石价值 Table 8 Ore value of vanadium-itanomagnetite from Panzhihua, Chengde and Chaoyang |
1) 攀枝花、承德和朝阳钒钛磁铁矿中铁的品位分别为27.11%，21.18%和11.28%，其中磁性铁品位分别为13.26%，12.84%和1.15%，TiO2的品位分别为10.98%，4.53%和2.02%，V2O5的品位分别为0.22%，0.23%和0.055%.
2) 钒钛磁铁矿中选矿目的矿物为钛磁铁矿和钛铁矿，不同的矿产地中这两种矿物的含量和成分有显著差别.理论上，承德矿容易获得高品位的铁精矿，而攀枝花和朝阳矿不能获得高品位的铁精矿; 朝阳的钛磁铁矿中含钒量较高，且具有含铁量低、含钛量高的特点，与攀枝花和承德铁精矿不同，是一种特殊的含钒铁精矿.
3) 承德钒钛磁铁矿中钛磁铁矿和钛铁矿的嵌布粒度较粗，其次是朝阳矿和攀枝花矿，由工业矿物的嵌布粒度可知，承德矿易于选别，而朝阳矿和攀枝花矿次之.
4) 矿石的价值计算结果表明：攀枝花、承德和朝阳钒钛磁铁矿的矿石价值分别为381.44元/t，225.34元/t和63.93元/t.
5) 通过工艺矿物学研究和矿石价值的测算，可直接获取矿产资源的理论选矿指标，对矿床技术经济评价具有一定的意义.
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