馮艷虎 莊故章 周 平 李子豪 晉艷玲 張 培

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093)

鈧(Sc)單質(zhì)是一種柔軟、銀白色的金屬，密度為2.985×103kg/m3，導(dǎo)電率為1.77×106mΩ，具有良好的導(dǎo)電性。鈧的化學(xué)性質(zhì)活潑，地球上的鈧礦床資源稀少，主要以復(fù)雜的礦物形式存在，是一種難分離的稀土元素[1，2]。我國的鈧資源儲(chǔ)量約為65萬t，占全球鈧資源總量的33%，主要伴生在鋁土礦、釩鈦磁鐵礦、鎢礦和稀有稀土礦等礦種中[3，4]。鈧合金具有耐高溫性、高韌性、抗腐蝕性和良好的焊接性，廣泛應(yīng)用于航空航天、輕型汽車和國防軍工等領(lǐng)域[5-7]。

目前鈧的富集方法有：浸出、焙燒、磁選和浮選等工藝[8-10]。黃雯孝等[11]針對(duì)攀西釩鈦磁鐵礦尾礦中鈧的回收制定出“選礦預(yù)富集—堿性焙燒—酸浸—萃取與反萃取富集分離鈧—制備氧化鈧產(chǎn)品”的工藝路線，最終得到99.22%的Sc2O3的產(chǎn)品。張宗華等[12]對(duì)三峽庫淤沙重慶段中鈧資源的回收利用采用了“重選拋尾，重磁選鐵，尾礦高梯度磁選得到鈧精礦，再進(jìn)行搖床精選，精礦干燥后電選精選”最后得到鈧精礦品位96.23 g/t，回收率62.11%。

四川西昌三圓石材廠廢料中Sc2O3的品位為68 g/t，要求經(jīng)過選別使Sc2O3的品位達(dá)到77 g/t可作為合格產(chǎn)品出售。目前，該礦石中Sc2O3的品位達(dá)不到要求，為了避免資源的流失，進(jìn)行了浮選富集試驗(yàn)。

1 原礦和試驗(yàn)設(shè)備及藥劑

1.1 原礦

原礦采自四川西昌三圓石材廠礦山的碎石堆，加工成-2 mm后混勻裝袋供浮選試驗(yàn)所用，礦樣加工流程見圖1。原礦中含有低品位的氧化鈧，還有釩、鈦、鐵等其他元素。為了得到原礦中礦物組成、構(gòu)造、嵌布粒度和礦物之間的共生關(guān)系，更加有效地富集含鈧的目的礦物，因此需要對(duì)原礦進(jìn)行工藝礦物學(xué)研究。

圖1 礦樣加工流程圖Fig.1 Flowsheet of ore sample processing

1.2 設(shè)備和藥劑

試驗(yàn)所用設(shè)備見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)備Table 1 List of test equipment

試驗(yàn)所用藥劑見表2。

表2 試驗(yàn)藥劑Table 2 List of test chemical

2 工藝礦物學(xué)

2.1 化學(xué)組成

原礦多元素分析結(jié)果見表3。由表3可知，原礦中Sc2O3的含量為68 g/t，SiO2的含量為49.15%，SiO2是主要的脈石礦物。其他主要成分有TFe2O3、Al2O3、CaO、MgO等，其含量分別為11.48%、10.06%、10.08%、11.68%。

表3 原礦多元素分析Table 3 Multielement analysis of raw ore /%

2.2 礦物組成

原礦中所含主要礦物含量結(jié)果見表4。

表4 原礦中的礦物含量Table 4 Mineral content in raw ore /%

2.3 礦石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

礦石類型為含長石輝石巖、輝長巖、含長石角閃石巖，為基性巖。

礦石主要的構(gòu)造為塊狀構(gòu)造，主要的結(jié)構(gòu)為自形板柱狀、半自形粒狀結(jié)構(gòu)、柱狀結(jié)構(gòu)、它形粒狀結(jié)構(gòu)。肉眼觀察礦石呈黑色，礦物集合體之間無序無定向分布，構(gòu)成塊狀構(gòu)造；部分礦石中磁鐵礦呈星散浸染狀分布，構(gòu)成磁鐵礦的星散浸染狀構(gòu)造。鏡下觀察可知自形板柱狀、半自形粒狀結(jié)構(gòu)是主要的結(jié)構(gòu)之一，礦石中的輝石主要呈自形板狀、柱狀，斜長石主要呈半自行板狀，鈦鐵礦呈自形板狀，見圖2(a)、(b)和(c)；礦石中的角閃石主要呈柱狀、纖柱狀結(jié)構(gòu)，見圖2(d)；它形粒狀結(jié)構(gòu)為次要的結(jié)構(gòu)，礦石中的磁鐵礦、石英、黃鐵礦等礦物形態(tài)均呈它形粒狀，星散分布，見圖2(e)，礦石中的黑云母、綠泥石等礦物呈少見的片狀、顯微鱗片狀，見圖2(f)。

圖2 礦石顯微照片F(xiàn)ig.2 Ore micrograph

2.4 鈧的賦存狀態(tài)

礦石中的鈧是以類質(zhì)同象的形式存在，未發(fā)現(xiàn)鈧的獨(dú)立礦物。鈧主要與CaO、MgO關(guān)系密切，在CaO、MgO富集的輝石、角閃石中，鈧較為富集，在Fe、TiO2賦存的鈦鐵礦及Na2O富集的斜長石中，鈧則未顯示明顯的富集現(xiàn)象。

各礦物中Sc2O3的分布率見表5。Sc2O3主要賦存在角閃石和輝石中，占比約93%，角閃石和輝石是選礦回收的主要載鈧礦物，磁鐵礦、鈦鐵礦和石英是主要去除的礦物。輝石嵌布粒度和角閃石嵌布粒度分別見圖3、圖4。

表5 Sc2O3在礦物中的分布率Table 5 Distribution rate of Sc2O3 in various minerals

圖3 輝石嵌布粒度Fig.3 Embedding particle size of pyroxene

圖4 角閃石嵌布粒度Fig.4 Embedding particle size of hornblende

由圖3、圖4可知，輝石粒度主要在0.05～2 mm，主體嵌布粒度較粗，粗粒級(jí)的占比約95%；角閃石粒度主要在0.03～1 mm，主體嵌布粒度較粗，粗粒級(jí)的占比約90%，對(duì)磨礦解離、選礦回收載鈧礦物有利。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 磨礦細(xì)度與時(shí)間的關(guān)系

為了找出磨礦時(shí)間與磨礦細(xì)度之間的關(guān)系并為后續(xù)試驗(yàn)提供參考，進(jìn)行磨礦細(xì)度與時(shí)間試驗(yàn)。磨礦條件：取前述破碎后粒度為-2 mm的試驗(yàn)礦樣500 g，磨礦濃度65%。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 磨礦細(xì)度曲線Fig.5 Grinding fineness curve

由圖5可知，磨礦時(shí)間小于5 min時(shí)，-0.15 mm產(chǎn)品產(chǎn)率快速增加，5 min后增加速度減慢，礦石可磨性逐漸變差；磨礦時(shí)間小于10 min時(shí)，-0.074 mm的產(chǎn)品產(chǎn)率增加速度基本恒定，礦石可磨性好且變化不大，磨礦時(shí)間大于10 min后磨礦細(xì)度增加速度逐漸減小，細(xì)度變化逐漸不明顯，礦石可磨性變差，當(dāng)磨礦時(shí)間為12 min時(shí)-0.074 mm產(chǎn)率達(dá)到95%；-0.045 mm產(chǎn)品產(chǎn)率相對(duì)來說增加最緩慢，磨礦時(shí)間為20 min時(shí)，-0.045 mm產(chǎn)品的產(chǎn)率才達(dá)到95%。經(jīng)上述分析-0.15 mm的產(chǎn)品容易產(chǎn)生過磨，而-0.045 mm的產(chǎn)品所需磨礦時(shí)間長，會(huì)產(chǎn)生較大能耗，所以綜合考慮最終選取-0.074 mm占95%的磨礦細(xì)度。

3.2 油酸鈉為捕收劑的探索試驗(yàn)

油酸鈉作為陰離子脂肪酸類捕收劑，在針對(duì)硅酸鹽礦物浮選方面使用較為廣泛。該礦石主要的鈧載體礦物為角閃石和輝石，可知油酸鈉對(duì)角閃石等硅酸鹽礦物具有很好的捕收能力，故優(yōu)先采用油酸鈉作為捕收劑[13]。取原礦500 g，磨礦濃度為65%，將礦漿pH值調(diào)至11，探索其浮選效果。試驗(yàn)流程見圖6，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

圖6 油酸鈉探索試驗(yàn)流程Fig.6 Flowsheet of sodium oleate exploration test

表6 油酸鈉探索試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of sodium oleate exploration test

由表6可知，浮選精礦中Sc2O3品位為82 g/t，尾礦中Sc2O3品位為66.10 g/t，采用油酸鈉作捕收劑有明顯的分選效果，為進(jìn)一步確定不同pH值條件下，油酸鈉對(duì)該礦物的捕收能力的影響，隨后展開了油酸鈉為捕收劑的pH值條件試驗(yàn)。

3.3 油酸鈉為捕收劑的pH值條件試驗(yàn)

為更好地將目的礦物分選出來，試驗(yàn)決定采用分段刮泡的操作方式進(jìn)行。取500 g原礦，磨礦濃度為65%，礦漿pH值分別為5、7、9、11、13。每次加藥后充分?jǐn)嚢?，刮泡時(shí)直至泡沫較少或無泡沫。試驗(yàn)流程見圖7，試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖7 油酸鈉作捕收劑時(shí)pH值條件試驗(yàn)流程圖Fig.7 Flowsheet of pH value test with sodium oleate as collector

由圖8可知，Sc2O3的品位隨著礦漿pH值的升高而升高。在礦漿pH值為7～11時(shí)，Sc2O3品位的升高速率隨著礦漿pH值的升高而增加；在pH值為11～13時(shí)品位增長速率有所下降，最高品位為礦漿pH值為13時(shí)達(dá)到81.28 g/t。Sc2O3的回收率在礦漿pH值為5～9增加緩慢，而礦漿pH值為9～13 時(shí)Sc2O3的回收率快速增加，在礦漿pH值為13時(shí)達(dá)到最高為79.30%。綜合以上數(shù)據(jù)可知，使用油酸鈉作捕收劑在高堿度的條件下選別情況較好，礦漿最佳pH值為13，氫氧化鈉用量為2 200 g/t。

圖8 油酸鈉作捕收劑時(shí)pH值試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Results of pH value test with sodium oleate as collector

3.4 油酸鈉為捕收劑的用量試驗(yàn)

油酸鈉用量試驗(yàn)依舊采用分段刮泡的方法。取500 g原礦，磨礦濃度為65%，礦漿pH值用氫氧化鈉2 200 g/t調(diào)至13，初始油酸鈉用量為150 g/t，之后每次增加油酸鈉50 g/t。試驗(yàn)流程見圖9，試驗(yàn)結(jié)果見圖10。

圖9 油酸鈉用量試驗(yàn)流程圖Fig.9 Flowsheet of sodium oleate dosage test

由圖10可知，油酸鈉用量150 g/t時(shí)，Sc2O3精礦品位為83.44 g/t，回收率為39.06%。隨著油酸鈉用量的增加，Sc2O3精礦的品位呈先增加后降低的趨勢(shì)，Sc2O3精礦的回收率則一直保持增加。當(dāng)油酸鈉用量為225 g/t時(shí)，Sc2O3精礦的品位達(dá)到最高約85.50 g/t，回收率約為60%。綜合各因素考慮后，最終采用油酸鈉用量約為350 g/t，此時(shí)所得Sc2O3精礦品位約為82.01 g/t，回收率約為79.95%。

圖10 油酸鈉用量試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Results of sodium oleate dosage test

3.5 開路試驗(yàn)

為了驗(yàn)證藥劑用量試驗(yàn)的可靠性以及確定產(chǎn)品的可選性，在磨礦濃度為65%，礦漿pH值為13的條件下進(jìn)行開路試驗(yàn)。開路試驗(yàn)流程見圖11，開路試驗(yàn)結(jié)果見表7。

由圖11可知，礦物首先進(jìn)行一次粗選，之后將粗選精礦再次精選得到精礦，粗選尾礦進(jìn)行多次掃選得到中礦和尾礦。由表7可知，第Ⅰ次精選得到的精礦回收率偏低，所以決定在閉路流程中粗選后不再精選。一次粗選兩次掃選的Sc2O3累計(jì)品位為85.06 g/t，指標(biāo)較好可作為合格精礦。第Ⅴ次掃選中礦再選的尾礦品位為51.70 g/t，已經(jīng)與總流程尾礦品位相近，說明四次掃選已經(jīng)足夠。尾礦Sc2O3品位為52.50 g/t，回收率為29.16%，可作為合格尾礦。決定在閉路試驗(yàn)流程中將第Ⅲ、Ⅳ次中礦采取集中返回方式進(jìn)行再選。

圖11 開路試驗(yàn)流程Fig.11 Flowsheet of open-circuit test

表7 開路試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Results of open-circuit test

3.6 閉路試驗(yàn)

根據(jù)開路試驗(yàn)得出的結(jié)果，閉路試驗(yàn)確定采用“一粗一掃一精，精選尾礦再掃”的流程，將前兩次的掃選并入粗選，后兩次精選的尾礦再返回進(jìn)行掃選。試驗(yàn)?zāi)サV濃度為65%，礦漿pH值為13，其他試驗(yàn)條件不變。閉路試驗(yàn)流程見圖12，閉路試驗(yàn)結(jié)果見表8。

圖12 閉路試驗(yàn)流程Fig.12 Flowsheet of closed-circuit test

由表8可知，原礦采用油酸鈉作為捕收劑，使用氫氧化鈉將礦漿pH值調(diào)整至13，經(jīng)過“一粗一掃一精，精選尾礦再掃”浮選試驗(yàn)流程，得到精礦Sc2O3品位為79.75 g/t，回收率為65.11%。試驗(yàn)過程中中礦循環(huán)量基本穩(wěn)定，集中返回的效果較好，閉路試驗(yàn)中各指標(biāo)沒有惡化，證明閉路試驗(yàn)方案可行。

表8 閉路試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Results of closed-circuit test

4 結(jié)論

1)原礦中Sc2O3含量為68 g/t，Sc2O3主要賦存在角閃石和輝石中，礦石中角閃石和輝石的含量共占71%，角閃石和輝石的嵌布粒度較粗有利于磨礦解離、提高鈧礦物回收率，最終確定磨礦細(xì)度為-0.074 mm含量占95%。

2)浮選富集過程中，油酸鈉作為捕收劑，油酸鈉用量為350 g/t，在礦漿pH值為13的堿性條件下有較好的浮選效果。浮選試驗(yàn)采用分段加藥、分段刮泡的方法，泡沫穩(wěn)定、正常。

3)閉路試驗(yàn)流程中，中礦返回量穩(wěn)定，閉路試驗(yàn)成功。最終可得到精礦Sc2O3的品位為79.75 g/t，回收率為65.11%。