湖南仁里钽铌铍稀有金属矿床综合利用评价

周芳春, 苏俊男, 李建康, 刘翔, 黄志飚, 李鹏, 黄小强, 陈虎, 胡小芳 , 曾乐

1. 湖南省核工业地质局 三一一大队, 湖南 长沙 410100; 2. 中国地质科学院矿产资源研究所, 自然资源部 成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037; 3. 湖南省生态环境事务中心, 湖南 长沙 410014

铌、钽、铍、锂是世界新兴产业发展的关键性金属资源, 在高科技方面, 尤其是在航空航天、军事、芯片和新能源等领域有着重要的作用, 掀起全球新一轮的研究高潮热潮[1, 2]。近年来, 中国在铌、钽、铍、锂等关键金属勘查与研究方面取得了重要进展, 其中, 锂矿以西昆仑大红柳滩伟晶岩型锂矿床、川西伟晶岩型锂矿床为代表, 铌钽矿以湖南仁里超大型铌钽矿床和甘肃余石山超大型铌钽矿床为代表[2]。

湖南仁里矿床位于幕阜山岩体西南缘, 为新发现的超大型、高品位花岗伟晶岩型钽铌矿床[1-9]。目前, 前人已经在仁里矿床的成矿地质特征、找矿标志, 稀有金属伟晶岩脉的分布、分类、分带, 铌钽锂矿赋矿特征及成矿规律[1, 3-6, 10-11], 成矿模型[5], 地球化学和成岩成矿时代[4, 6, 12-16], 矿物学[4-6, 8-9, 12-14], 以及岩浆热液成矿环境和包裹体[16-17]等方面做了大量的研究工作。但在矿石可选性试验及矿产资源综合利用研究工作滞后。仁里矿床铌钽铍钽矿资源丰富, 主要矿体仍未封边, 具有较大的找矿潜力[4-6], 2019年在矿区西部锂辉石白云母伟晶岩型锂矿研究方面取得了较大突破[18]。矿区普查工作仍在进行, 加强矿石可选性试验和矿产资源综合利用研究工作, 为下一步详查、矿床的开发利用提供依据, 对社会资本的引入, 绿色环保、高效勘查与开发利用矿产示范基地的建立, 提高中国战略资源储备和缓解市场压力, 助力长江中下游高新产业的发展均具有重大意义。

1 矿床地质、矿化特点和储量

1.1 矿床地质

湖南仁里矿床位于扬子陆块与华夏陆块过渡部位之江南隆起造山带的湖南段东部的幕阜山岩体西南缘。主要地层为新元古界冷家溪群地层和少量的第四系; 区内断裂构造发育, 呈NE、NW向展布; 该地区岩浆活动频繁, 持续时间长, 岩浆侵入的期次和阶段较多; 其北部为燕山期幕阜山岩体, 南部为武陵期岩体(梅仙岩体和传梓源岩株)。幕阜山岩体外接触带片岩地区主要为花岗伟晶岩及少量的石英脉(图1)。

1-第四系; 2-冷家溪群片岩; 3-细粒花岗闪长岩; 4-细粒二云母二长花岗岩; 5-中粒似斑状黑云母二长花岗岩; 6-粗中粒片麻状黑云母二长花岗岩; 7-新元古代中细粒黑云母斜长花岗岩; 8-二云母伟晶岩脉及其编号; 9-白云母伟晶岩脉及其编号; 10-锂辉石白云母伟晶岩脉及其编号; 11-地质界线; 12-断裂及编号; 13-化探异常及编号; 14- 取样位置及编号

图1仁里矿区地质简图(据[4, 6]修改)

Fig. 1 Geological map of the Renli mining area (modified after[4, 6])

1.2 矿化特点

仁里矿床属花岗伟晶岩型钽铌铍等稀有金属矿床,其矿物组合简单, 主要造岩矿物为石英、钠长石、微斜长石、白云母和黑云母等, 稀有金属矿物主要有钽铌矿(钽铁铌锰矿和钽锰铌铁矿)、铌钽矿(铌铁钽锰矿和铌锰钽铁矿)、铀铌钽矿、细晶石、绿柱石、硅铍石、锆石、独居石、锂辉石、锂云母和锂电气石和铯榴石等, 副矿物主要有锰铝榴石、电气石、磷灰石、磁铁矿、钛铁矿、黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、辉钼矿、辉铋矿、锰矿、绿帘石、十字石和方解石等。矿石中主要有用矿物为钽铌矿、铌钽矿、绿柱石、锂辉石、锂云母、锂电气石、白云母、钠长石和钾长石等。

铌钽矿物主要为铌锰矿和钽锰矿(铌铁矿及钽铁矿含量较少), 多呈块状、薄板状、颗粒状、针状，部分呈片状和晶体状, 锰含量高时则呈褐红色, 不透明; 主要赋存于钠长石、石英颗粒和白云母中。电气石内部或边缘往往嵌布细粒铌钽矿(粒径0.01～0.15 mm之间),部分针状铌钽矿嵌布于绿柱石及电气石中。块状锰钽铌铁矿粒径多大于1.0 mm×5.0 mm, 部分粒径可达35.0 mm×50.0 mm; 颗粒状锰钽铌铁矿粒径多在0.1 mm×1.0 mm之间; 细粒状锰钽铌铁矿主要嵌布于钠长石、石英、电气石内部,粒径0.01 mm～0.15 mm左右;针状锰钽铌铁矿粒径多大于0.1 mm×1.0 mm,部分可达1.0 mm×10.0 mm;片状或晶体状锰钽铌铁矿粒径多大于1.0 mm×3.0 mm。绿柱石为矿区主要含铍矿物, 块状或晶体, 多呈淡黄绿色、淡蓝色，部分呈白-透明色。粒径多大于0.4 mm, 区内发现结晶较好的六面体绿柱石可达50.0 mm×60.0 mm。

锂云母主要赋存于白云母伟晶岩核部, 晶形为自形片状、鳞片状, 呈玫瑰红色, 嵌布在石英、白云母等矿物间, 粒径较大, 介于0.4～4.0 mm之间; 部分颗粒内部包裹细粒细晶石。

1.3 储量和资源量

截至2017年10月, 已经圈定区内伟晶岩脉140条, 矿脉14条(未包含46，47号锂矿脉), 圈定矿体17个, 探获Ta2O5资源量10 791 t, Nb2O5资源量14 057 t, Ta2O5平均品位0.036%，Nb2O5平均品位0.047%; BeO资源量15 600 t, BeO品位0.04%～0.148%[5-6, 10-11]。岩体内钽铌矿脉以36号脉为代表, Ta2O5品位 0.022%～0.055%, Nb2O5品位0.009%～0.045%。岩体外钽铌矿脉以2、3、5号脉为代表, 其中3号矿体Ta2O5品位 0.035%, Nb2O5品位0.053%, 5号矿脉中5-2号矿体Ta2O5品位 0.040%, Nb2O5品位0.054%[10]。

2 原矿性质

本次选择了3条代表性矿脉(3、5和36号矿脉), 采集500 kg矿样(取样位置见图1)，然后破碎并混合。原矿多元素化学分析结果和原矿主要矿物组成分析结果分别见表1和表2。结果表明, 原矿中钽、铌、铍含量较高, 为主要可供回收的有价元素, Rb2O品位(品位0.04%)达到了伴生矿边界品位(≥0.04%), 矿区中铷主要赋存于白云母中, 且白云母中Rb2O含量较高(≥0.10%), 应可考虑综合回收; 原矿中钽铌矿物主要是钽铌铁矿类和细晶石矿物, 另外, 矿石中长石、白云母和石英矿物含量较高, 具有综合利用价值。

表1原矿多元素化学分析结果 /%

Table1 Multi-element chemical analysis results of raw ore

名称Ta2O5Nb2O5BeOLi2ORb2OAl2O3SiO2K2ONa2OCaO含量0.0360.0410.120. 050.0414.0675.022.415.970.36

表2原矿主要矿物及其含量 /%

Table2 Minerals composition of raw ore

矿物名称含量矿物名称含量钽锰矿+铌锰矿0.07石榴石1.52细晶石0.02绿柱石0.83晶质铀矿+磷铋铀微量电气石0.74长石50.02磷灰石0.43石英32.38尖晶石0.15白云母+少量锂云母11.95铋华0.01褐铁矿1.26其他矿物0.50

3 选矿试验

3.1 试验方案的选择

根据原矿的工艺矿物学性质，可综合回收的有价组分为铌、钽、铷、铍、长石及石英等。由于中钽铌矿物密度为5.36～8.175 g/cm3, 高于其他矿物, 可采用重选工艺回收钽铌。云母和绿柱石具有较好的可浮性, 可采用浮选工艺回收。铍浮选尾矿主要为长石石英产品，可采用进一步的磁选深度除铁获得陶瓷用长石石英原料产品。借鉴国内外钽铌矿选矿经验[19-22], 确定处理仁里钽铌矿石的选矿流程为原矿棒磨—螺旋溜槽粗选—粗精矿分级后摇床精选—云母浮选—铍浮选—铍浮选尾矿磁选脱铁的选矿工艺流程(图2)。

图2选矿原则工艺流程

Fig. 2 Principle flowsheet of mineral processing

3.2 重选回收钽铌矿物

对磨矿细度-0.074 mm含量分别为34%、42%、50%、61%和74%磨矿产品进行螺旋溜槽粗选试验(表3), 试验结果表明, 当磨矿细度为-0.074 mm含量61%时, 钽铌精矿选矿回收率较高, 因此确定在此磨矿细度下进行后续试验。

表3原矿螺旋溜槽粗选磨矿细度条件试验结果

Table3 The test results of finenese condition for spiral chute

产品名称粒级(-0.074 mm含量)产率/%品位/%Ta2O5Nb2O5回收率/%Ta2O5Nb2O5精矿34%15.11 0.1367 0.1700 57.38 64.22 尾矿84.890.0181 0.0169 42.6235.78 给矿100.000.03600.0400100.00 100.00 精矿42%11.790.2090 0.236068.07 70.44尾矿88.21 0.01310.013231.9329.56给矿100.000.03620.0395100.00 100.00 精矿50%9.350.3144 0.327080.54 75.49 尾矿90.65 0.00780.0110 19.46 24.51 给矿100.000.03650.0405100.00 100.00 精矿61%6.870.4700 0.490088.2284.58 尾矿93.13 0.0046 0.006611.78 15.42 给矿100.000.03660.0398100.00 100.00 精矿74%4.75 0.59200.6380 77.6875.38 尾矿95.25 0.0085 0.0104 22.32 24.62 给矿100.000.03620.0402100.00 100.00

原矿经螺旋溜槽重选, 钽铌矿物得到了初步富集, 想获得较高品位的钽铌精矿, 还需要通过摇床进一步重选富集。螺旋溜槽粗精矿按+0.074 mm、-0.074+0.038 mm和-0.038 mm等三个粒级进行分级摇床重选(表4)。试验结果表明, 螺旋溜槽粗选精矿分级摇床重选取得了较好的效果,钽铌精矿Ta2O5和Nb2O5品位分别为20.00%和19.13%, 其作业回收率分别为79.48%和71.65%, 对原矿回收率分别为69.06%和60.60%。

表4螺旋溜槽粗选精矿分级摇床试验结果

Table4 Results of shaker test for coarse concentrate separation with spiral chute

粒级/mm产品名称作业产率品位Ta2O5/%Nb2O5/%作业回收率Ta2O5/%Nb2O5/%+0.074精矿10.9619.5618.4540.1236.00中矿112.190.3230.448.4110.90尾矿163.420.02070.03852.814.96合计76.570.31380.333251.3451.86-0.074+0.038精矿20.5820.3618.9125.2322.29中矿24.960.480.645.096.45尾矿216.260.0950.153.304.96合计21.800.72180.760633.6233.70-0.038精矿30.3220.6720.5414.1313.36中矿30.520.660.740.730.78尾矿30.790.100.180.180.30合计1.634.324.35615.0414.44精矿1.8620.0019.1379.4871.65合计中矿17.670.3770.50514.2318.13尾矿80.470.03650.06246.2910.22给矿100.000.4680.492100.00100.00

3.3 浮选回收云母

重选尾矿中含有较多的云母(主要为白云母，含少量的锂云母)、长石和石英。 为了综合回收其中的云母矿物, 对重选尾矿采用Na2CO3作为调整剂, YZ-1(无机及有机组合抑制剂)作为绿柱石、长石及石英的抑制剂, YB-1(阴阳离子混合捕收剂)作为云母的捕收剂进行云母浮选。浮选工艺流程见图3, 试验结果见表5。浮选闭路试验获得的云母精矿作业产率为11.55%, Rb2O在云母精矿中得到富集, 其作业回收率为66.73%(表6)，可在后续通过焙烧和浸出工艺进一步回收铷。

表5螺旋溜槽粗选尾矿云母浮选闭路试验 /%

Table5 Closed-circuit test results of mica flotation form spiral chute coarse tailings

产品名称产率品位Al2O3K2ONa2ORb2O回收率Al2O3K2ONa2ORb2O云母精矿11.5524.158.431.250.2519.2464.912.2766.73浮选尾矿88.4513.240.607.020.01780.7635.0997.7333.27给矿100.0014.501.506.350.045100.00100.00100.00100.00

3.4 浮选回收铍

原矿BeO品位为0.122%, 有一定的回收利用价值,采用NaOH和油酸浮选药剂从云母浮选尾矿中浮选回收铍试验(图4)。试验结果(表6)表明, 可获得铍精矿产率0.90%, BeO品位8.90%, 其作业回收率为61.62%。

图3重选粗选尾矿云母浮选闭路试验流程

Fig. 3 Flow chart of mica flotation closed-circuit test from of gravity separation tailings

图4云母浮选尾矿铍浮选试验流程

Fig. 4 Flow chart of beryllium flotation test from mica flotation tailings

表6云母浮选尾矿铍浮选试验结果 /%

Table6 Results of beryllium flotation test from mica flotation tailings

产品名称产率BeO品位BeO回收率铍浮选精矿0.908.9061.62铍浮选尾矿99.100.0538.38给矿100.000.13100.00

3.5 闭路试验结果

为了综合回收矿石中的Ta、Nb和Be等有价组分, 在条件试验及分段闭路试验基础上进行全流程闭路试验, 原则工艺流程为原矿磨矿, 经螺旋溜槽粗选、重选粗精矿分级摇床精选, 分离出钽铌精矿, 重选尾矿进入浮选工艺, 依次回收白云母和铍精矿, 尾矿为长石石英精矿(图5)。

试验结果为: 钽铌精矿产率0.13%, Ta2O5品位20.36%, 回收率73.53%, Nb2O5: 品位19.87%, 回收率63.78%; 云母精矿产率11.81%, Al2O3品位24.26%, Li2O 品位 0.25%, Rb2O品位 0.25%), 回收率67.10%; 铍精矿产率0.91%, BeO品位8.69%, 回收率65.92%; 长石石英精矿产率87.15%(表7)。云母精矿中锂和铷含量较高, 后续可通过焙烧和浸出回收其中的锂和铷[23]。

闭路流程试验获得的长石石英精矿TFe含量为0.55%, 超过陶瓷行业对长石石英原料中的铁含量要求, 需要进行磁选脱铁。磁选试验采用实验室型Φ100高梯度磁选机, 磁场磁感应强度为795.67 kA/m, 脉动冲次150次, 介质宽度2.0 mm, 通过一段磁选, 长石石英产品铁含量可降至0.20%以下(表8), 该产品也可经浮选分离才可获得高品质长石精矿和石英精矿。

图5全流程闭路试验流程图

Fig. 5 Closed-circuit flow chart of the process for raw ore

表7全流程闭路试验结果 /%

Table7 Closed-circuit test results of the process from raw ore

产品名称产率品位Ta2O5Nb2O5Al2O3K2ONa2ORb2OBeO回收率Ta2O5Nb2O5Al2O3K2ONa2ORb2OBeO钽铌精矿0.1320.3619.872.451.021.020.040.1073.5363.780.020.090.020.120.11云母精矿11.810.00760.008524.265.451.230.250.052.502.4820.3845.892.4467.104.92铍精矿0.910.00990.017412.670.200.950.108.690.250.390.820.130.152.0765.92长石石英精矿87.150.00980.015512.711.876.650.0160.0423.7233.3578.7853.8997.3930.7129.05给矿100.00.03600.040514.061.405.950.0440.12100.00100.00100.00100.00100.00100.00100.00

表8长石石英产品脱铁试验结果 /%

Table8 Experimental results of iron removal from feldspar

产品名称产率TFe含量TFe分布率铁产品1.4626.8771.33长石石英精矿98.540.1628.67给矿100.000.55100.00

试验表明, 仁里矿床矿石富含Ta、Nb和Be, 矿石易选, 有价组分选矿回收率高。主要选矿产品为钽铌精矿、铍精矿、云母精矿和长石石英产品。由于伟晶岩中铀和钍含量低, 放射性强度弱[4,6,18], 获得的长石石英产品放射性低，可作为陶瓷行业的原料。云母精矿中Li2O和Rb2O含量较高, 分别为0.25%和0.21%, 有较大的综合利用价值[11]。计算结果表明, 稀有金属矿综合回收率为69.73%, 共伴生矿产综合利用率为69.80%, 矿产资源综合利用率为89.60%[11]。

4 矿床开发利用的意义

据全球知名的14个钽矿山统计资料, 矿石平均Ta2O5品位为0.012%～0.059%, Nb2O5品位为0.01%～0.202%, 澳大利亚Greenbushes矿山矿石Ta2O5品位为0.059%, Nb2O5品位为0.044%, 但目前已停产, 巴西Miber矿山矿石Ta2O5品位为0.034%, Li2O品位为1.06%, 选矿Ta2O5回收率为56%[24]。虽然中国钽储量和基础储量大, 但矿床中Ta2O5品位一般都低于0.02%[1, 25], 远低于国外同类矿山,如目前国内最大的钽精矿产地江西宜春414矿, 矿石Ta2O5含量仅为0.0086%～0.0115%, Nb2O5含量为0.0086%～0.0089%[26-27]。而仁里矿床Ta2O5品位为0.036%, Nb2O5品位为0.047%[10], BeO品位为0.042%～0.148%[11], 47号矿脉锂辉石型锂矿Li2O品位为0.562%～3.423%[18]。由此可知, 仁里矿床的发现有望提高我国钽资源量和改善我国钽资源的品质[1,3]。仁里矿体中普遍含粒状绿柱石, BeO资源量为15 600 t, 达到了超大型矿床规模(大型矿床规模为1.0万t)。矿石易选, 选矿Be回收率达到65.92%。对其有效地开发利用可缓解中国铍矿资源短缺局面, 进一步提高了矿床经济价值。

根据研究资料[11,27], 生产规模按300万t/a计, 仁里矿床可开采30年, 年产钽精矿1 273.4 t(Ta2O5含量20.4%, Nb2O5含量19.9%), 铍精矿31 455.4 t(BeO含量8.69%), 和白云母精矿21.6万t(Li2O含量0.25%、Rb含量0.21%)。白云母精矿通过焙烧和浸出, 可获得锂精矿、铷精矿和高质量的白云母精矿; 含长石和石英的浮选尾矿经进一步浮选分离, 或获得长石精矿和石英精矿。根据市场价格, 该矿床综合利用经济价值超过1 500亿元[11]。仁里超大型钽铌铍矿床为中国东部高品位、超大型钽铌矿床[1,3-6], 矿区尚有众多伟晶岩脉有待进一步评价, 主矿体尚未封边, 矿体深部仍有较大的铌钽铍矿找矿潜力[1-3,5-6], 而且矿区西/西南部具有较大的高品位锂矿找矿潜力[15, 18]。

5 结论

(1)仁里矿床稀有金属及非金属矿产资源丰富, 矿石质量高, 易分选, 主要矿产品为钽铌精矿、铍精矿、云母精矿及长石石英产品。钽铌精矿Ta2O5品位20.36%, 回收率73.53%, Nb2O5品位19.87%, 回收率63.78%; 铍精矿BeO品位8.69%, 回收率65.92%; 云母精矿(Li2O品位0.25%, Rb2O品位0.25%)回收率67.10%。仁里矿床具有较高的稀有金属矿综合回收率(69.73%)、共伴生矿产综合利用率(69.80%)及矿产资源综合利用率(89.60%)，具有较高的开发利用经济价值。

(2)试验获得的钽铌精矿可通过重选获得高品质钽铌精矿； 长石石英产品可通过浮选工艺获得高品质长石精矿和石英精矿； 锂、铷在云母中富集， 可采用冶金工艺进行回收。

(3)仁里矿床矿产资源丰富， 品位富， 综合利用价值高， 矿床综合利用经济价值超过1 500亿元， 矿床开发经济效益明显， 可做为高效、绿色环保、无尾矿矿山开发利用。钽铌铍锂为我国紧缺的战略性关键金属矿产， 仁里矿床的开发利用, 有望进一步提高我国钽铌铍锂矿资源量， 改善我国钽铌铍锂矿资源的品质。

致谢:湖南有色金属研究院刘忠荣工程师和杜芳芳工程师, 核工业二三○研究所及中国地质科学院矿产资源研究所在研究过程中给予了大力支持, 湖南有色金属研究院王全亮博士及审稿专家对本文提出建设性的修改意见, 在此, 一一表示感谢！