楊 波，楊 莉，沈茂森，劉 濤，孟文祥，于宏東

（1.包鋼集團(tuán)礦山研究院，內(nèi)蒙古 包頭014030；2.中國科學(xué)院過程工程研究所 濕法冶金清潔生產(chǎn)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100190；3.中國科學(xué)院贛江創(chuàng)新研究院，江西 贛州341000）

鈮素有“工業(yè)味精”之稱號，少量的鈮添加到材料中就能顯著提高材料強(qiáng)度、導(dǎo)電性、抗腐蝕等性能。鈮在航天、醫(yī)療、鋼鐵、電子等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵元素，受到各國青睞［1-5］。鑒于鈮尚無替代品且高端市場需求大，考慮到國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，學(xué)者建議將鈮列入戰(zhàn)略性關(guān)鍵礦產(chǎn)［2］。我國鈮資源對外依存度很高，90%的鈮依靠進(jìn)口，國內(nèi)鈮資源開發(fā)程度明顯不足［4］。白云鄂博礦床作為一座資源寶庫，擁有鈮資源660萬噸（以Nb2O5估算），但一直未得到有效利用，主要是礦石中鈮品位低、粒度細(xì)、礦物種類多、分散程度高等原因［6-7］。如果對白云鄂博礦床中的鈮資源進(jìn)行單獨(dú)開采，采選成本高、難度大，因此更適合綜合利用。雖然我國第一條綜合分選鈮、螢石、鈧、硫精礦生產(chǎn)線已在白云鄂博建成，但選鈮工藝流程尚未徹底打通，選鈮實(shí)驗(yàn)仍在進(jìn)行，因而亟需對流程中鈮礦物的工藝礦物學(xué)特征進(jìn)行系統(tǒng)研究。由于鈮礦物粒度細(xì)、含量低，光學(xué)特征不明顯，常用的巖礦分析手段難以對鈮元素的賦存狀態(tài)、礦物含量、粒度等方面進(jìn)行系統(tǒng)分析。

TIMA是TESCAN Integrated Mineral Analyzer的簡稱，代表了現(xiàn)代自動(dòng)礦物學(xué)分析的先進(jìn)水平。其原理是結(jié)合背散射電子和二次電子信息，利用多個(gè)能譜探測儀在高通量模式下以非常高的計(jì)數(shù)率（鉑標(biāo)樣2 000 000個(gè)計(jì)數(shù)）對樣品進(jìn)行測量，并搭配強(qiáng)大的分析軟件，實(shí)現(xiàn)對礦物成分、顆粒大小、礦物組成等方面的測量，尤其適用于組成復(fù)雜、粒度細(xì)小的樣品［8-11］。

本文選取白云鄂博礦床綜合利用過程中選鈮給礦（以下簡稱原礦）與鈮精礦（以下簡稱精礦）進(jìn)行TIMA測試，利用這一新興技術(shù)手段研究鈮礦物在流程中的工藝特點(diǎn)，彌補(bǔ)其他測試手段不足，豐富工作資料，以期為今后選鈮工作提供工藝礦物學(xué)方面的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)儀器及參數(shù)

TIMA測試在廣州市拓巖檢測技術(shù)有限公司利用MIRA3掃描電鏡完成。樣品在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行噴碳。實(shí)驗(yàn)中加速電壓25 kV、電流20 nA、工作距離15 mm，電流和BSE信號強(qiáng)度使用鉑法拉第杯自動(dòng)程序校準(zhǔn)，EDS信號使用Mn標(biāo)樣校準(zhǔn)。測試中使用解離模式，同時(shí)獲取BSE圖和EDS數(shù)據(jù)，每個(gè)點(diǎn)的X射線計(jì)數(shù)為1 000，像素3 μm，能譜步長9 μm。

2 分析結(jié)果

2.1 礦物組成

TIMA測試的樣品物相分析結(jié)果見表1。從表1可見，原礦與精礦中礦物組成相當(dāng)復(fù)雜，除未識別礦物外，共發(fā)現(xiàn)礦物60種，涉及鈮礦物、稀土礦物、鐵礦物、鹵化物、碳酸鹽礦物、磷酸鹽礦物、硅酸鹽礦物、硫酸鹽礦物、其他氧化物等。原礦中鈮礦物主要有7種，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)從高到低分別為易解石、鈮鐵金紅石、燒綠石、鈮鐵礦、鈮釔礦、包頭礦、鈮鈣礦。雖然鈮礦物種類多，但所有鈮礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)也僅有0.3%左右。脈石礦物主要為白云石、霓石、鈉閃石、黑云母、磁／赤鐵礦、方解石、鉀長石、鈉長石等。需要注意到，脈石礦物中螢石含量很少，僅為0.98%，稀土含量（氟碳鈰礦+氟碳鈣鈰礦+氟碳鋇鈰礦+獨(dú)居石）也僅為0.82%，表明前段流程選稀土和選螢石效果較好。要在如此雜亂的原礦中高效回收含量低、顆粒細(xì)的鈮礦物是對選礦技術(shù)的極大挑戰(zhàn)。

表1 樣品物相組成

精礦中鈮礦物種類同樣為7種，不過各礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與原礦相比有所變化，精礦中鈮礦物按質(zhì)量分?jǐn)?shù)從高到低排序?yàn)橐捉馐?、鈮鐵金紅石、鈮鐵礦、燒綠石、包頭礦、鈮釔礦、鈮鈣礦，這是由于選別過程中各礦物富集程度不同。富集程度較高的是易解石和鈮鐵金紅石，分別為13倍左右和7倍左右，表明選別流程對這2種鈮礦物效果較好，同時(shí)由于原礦中易解石和鈮鐵金紅石在鈮礦物中本就含量較高，精礦中這2種礦物含量依然較高。鈮礦物富集程度均大于1.88，說明選別流程對鈮礦物均有富集效果，表明鈮礦物工藝特性的相似性。對比精礦與原礦礦物組成發(fā)現(xiàn)，最值得回收利用的鈮礦物均為易解石、鈮鐵金紅石、鈮鐵礦、燒綠石等4種。精礦中脈石礦物組成與原礦相似，主要礦物為霓石、鈉閃石、磁／赤鐵礦、石英、白云石、黑云母等。但相比原礦，精礦中白云石含量下降明顯，富集程度僅為原礦的22.6%，其他碳酸鹽礦物富集程度大多小于1；對于硅酸鹽礦物，鏈狀硅酸鹽礦物霓石、鈉閃石等表現(xiàn)為富集程度略大于1，層狀硅酸鹽礦物富集程度大多小于1，說明選別流程對碳酸鹽礦物、層狀硅酸鹽礦物的去除較為有效。在選別過程中，鈮礦物富集程度與鏈狀硅酸鹽礦物富集程度基本正相關(guān)，與碳酸鹽礦物和層狀硅酸鹽礦物富集程度呈負(fù)相關(guān)。

2.2 鈮的賦存狀態(tài)

從TIMA測試結(jié)果來看，鈮元素雖然表現(xiàn)為分散的特點(diǎn)，但都以獨(dú)立礦物形式存在，這對于選礦來講是一個(gè)較為有利的條件。據(jù)前人研究，白云鄂博礦床鈮礦物種類近20種，礦床中Nb2O5占有率較高的鈮礦物為鈮鐵金紅石、鈮鐵礦、燒綠石和易解石，其中易解石居首位［12］。而根據(jù)本次工作，原礦與精礦中Nb2O5占有率較高的4種鈮礦物同樣為鈮鐵金紅石、鈮鐵礦、燒綠石和易解石。但無論是原礦還是精礦，鈮鐵金紅石對Nb2O5的占有率相對其他3種礦物均較低，這與前人的研究似有相悖。原因有二：一是前人研究結(jié)論是基于原礦石；二是根據(jù)近期針對礦床開展的野外工作，鈮鐵金紅石相對礦床開發(fā)早期已經(jīng)有所下降，可能當(dāng)前條件下鈮的賦存規(guī)律已有變化，有必要補(bǔ)充新的工作繼續(xù)驗(yàn)證。

樣品中鈮主要集中以7種鈮礦物形式產(chǎn)出，而其中的鈮鐵金紅石、鈮鐵礦、燒綠石和易解石等4種尤為集中，如果能開發(fā)專門針對這4種礦物的選別工藝，將能利用大部分的鈮資源。

2.3 鈮礦物粒度特征

TIMA方法獲得的樣品粒度分析結(jié)果見表2。從表2看出，原礦與精礦中鈮礦物粒度都很細(xì)，7種鈮礦物絕大部分分布在-25 μm粒級范圍內(nèi)，而-25 μm粒級范圍內(nèi)的大部分顆粒又都分布在-10 μm粒級中。精礦與原礦相比，各種鈮礦物粒級分布基本接近，原礦中燒綠石和易解石有較大顆粒，鈮釔礦和包頭礦粒度較??；精礦中細(xì)粒鈮富集更多。

表2 7種主要鈮礦物粒度分析結(jié)果

從TIMA分析給出的礦物顆粒圖中，選出主要的4種鈮礦物的原礦和精礦，如圖1所示。由圖1可以直觀看出，左列各鈮礦物原礦中較大的礦物顆粒在右列精礦中并未出現(xiàn)，反而細(xì)粒鈮礦物很多。以上現(xiàn)象均表明選別流程對細(xì)粒鈮礦物比較有效。大顆粒礦物應(yīng)該是由于與其他礦物的連生關(guān)系復(fù)雜，選別過程中進(jìn)入尾礦。對原礦進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)磨，有利于鈮資源的回收利用。

圖1 樣品中4種鈮礦物顆粒圖

2.4 原礦鈮礦物解離度

鈮礦物解離度測定結(jié)果見表3。從表3可以看出，雖然礦物粒度很細(xì)，但原礦中鈮礦物解離程度依然較差，將連生比例小于10%看作單體的話，各鈮礦物的解離度基本小于1%，這對于鈮資源回收利用非常不利。

表3 鈮礦物解離度測定結(jié)果

3 結(jié) 語

1）白云鄂博選鈮原礦礦物組成復(fù)雜，含60余種不同礦物，鈮礦物含量低，主要有7種，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)從高到低分別為易解石、鈮鐵金紅石、燒綠石、鈮鐵礦、鈮釔礦、包頭礦和鈮鈣礦；精礦礦物組成同樣復(fù)雜，鈮礦物種類依然為上述7種。通過對比原礦與精礦中礦物含量，可見選別流程對于易解石和鈮鐵金紅石分選效果較好，對碳酸鹽礦物、層狀硅酸鹽礦物有較好的去除效果。

2）樣品中具有回收利用價(jià)值的鈮礦物為易解石、鈮鐵金紅石、鈮鐵礦和燒綠石等，如果能開發(fā)專門針對這4種礦物的選別工藝，將能利用大部分鈮資源。

3）各種鈮礦物在原礦和精礦中粒級分布基本接近，絕大部分分布在-25 μm粒級范圍內(nèi)，不過總體來看精礦中細(xì)粒鈮礦物富集更多，說明選別流程對于細(xì)粒鈮礦物比較有效。原礦中鈮礦物解離效果較差，對于如此細(xì)粒礦物的選別，應(yīng)充分考慮磨礦條件。

4）從此次研究結(jié)果可以看出，白云鄂博礦床鈮資源情況相當(dāng)復(fù)雜，TIMA作為新技術(shù)雖然能給出多方面信息，但要把如此復(fù)雜的情形研究透徹，顯然離不開多手段的綜合應(yīng)用。下一步應(yīng)繼續(xù)補(bǔ)充相應(yīng)測試，多角度對白云鄂博礦床鈮資源進(jìn)行探究。