沉积变质型黄梅磷灰岩工艺矿物学研究

郑惠方，田毛毛，张 文，戈 武，李洪强，翁孝卿，罗惠华，何东升

武汉工程大学资源与安全工程学院，湖北 武汉430074

磷是一种重要的非金属矿资源，在农业、化工、医药、军工和食品等工业部门有着不可替代且广泛的应用［1］，对于粮食安全和产业发展具有重要的战略价值［2-3］。磷矿石多产于沉积岩，部分产于变质岩和岩浆岩。我国是一个矿业大国，也是一个磷矿产出大国，总体磷矿资源丰富［4-6］，但易选的沉积变质磷灰岩少，难选的磷块岩储量多［6］。湖北省磷矿资源也相对丰富，属于优势矿产资源，在全国占有十分重要的地位，虽然储量大，但矿床类型复杂［7-8］，且大多为中低品位的浅海沉积磷块岩矿床和沉积变质型磷灰岩矿床［9-10］，黄梅磷矿为典型的沉积变质型磷灰岩矿床［11-12］。在中低品位磷灰石中，脉石矿物的类型、含量和成分直接影响磷矿的浮选工艺［13］。 随着高品位磷资源的稀缺［8］，对磷矿浮选工艺和磷矿选矿质量指标的要求也越来越高［9］。工艺矿物学研究矿石的化学成分、矿物组成、结构构造、粒度分布、解离度、嵌布特征等内容都为矿物的分选提供了重要技术支持［14-15］。

本文主要研究了湖北省黄梅磷矿石的矿物组成、化学组成、结构构造、粒度分布、嵌布特征等工艺矿物学特性，并通过浮选试验验证，为该矿区磷矿资源的开发利用提供技术支撑。

1 矿石的成分分析

1.1 矿石的化学组成

采用矿物自动定量分析系统（automatic mineral quantitative analysis system，AMICS）对磷矿中主要矿物成分进行定量测定，各种矿物质量分数详见表1。

由表1 可知该矿石具有回收价值的主要矿物是磷灰石，质量分数为23.57%。脉石矿物主要为钾长石、石英、白云石和方解石，质量分数分别为26.51%、26.32%、12.12% 和3.68%，另含部分黄铁矿、钠长石、硫锰矿、磁铁矿等。需要脱除的脉石矿物主要分为两大类：一类是含硅的脉石矿物石英和长石；另一类是碳酸盐类脉石白云石和方解石。同时，也需要关注黄铁矿、磁铁矿、硫锰矿等对磷精矿倍半化合物含量的影响。

表1 磷矿中主要矿物的质量分数Tab. 1 Mass fraction of main minerals in phosphate ore %

1.2 磷在矿石中的赋存状态

由表2 可知，原矿中的磷主要以磷灰石的形式存在，其在原矿的质量分数可达98.86%，而难以回收的硅酸盐中磷元素的质量分数只有0.67%。因而，从磷灰石中回收磷，其理论回收率应为98.86%。

表2 磷矿中含磷物相的质量分数Tab. 2 Mass fraction of phosphorous mineral phase in phosphate ore %

2 矿石的结构构造特征

2.1 矿石的构造

肉眼观察，磷矿矿石主要呈灰白色和灰褐色，其矿石构造主要为块状构造、浸染条带状构造和层状构造。磷矿块状构造的特点是矿石中主要矿物呈无定向分布且在矿石各部分成分和结构均一，从而发育成致密块状构造［图1（a）］。磷矿浸染条带状构造的特点是在磷灰石中部分石英呈均匀浸染状分布，从而形成浸染条带状构造［图1（b）］。磷矿层状构造的特点是部分碳酸盐类矿物和磷灰石在一个方向，彼此相间，呈分层状分布，从而形成层状构造［图1（c）］。

图1 矿石的构造：（a）块状构造，（b）浸染条带状构造，（c）层状构造Fig. 1 Structures of ore：（a）massive structure，（b）disseminated banded structure，（c）layer structure

2.2 矿石的结构

矿石结构是一种微观概念，通过AMICS 和偏光显微镜，从矿物的结晶和镶嵌关系层面进行分类，主要包括全自形结构、半自形结构、它形结构、斑状结构、交代结构和包含结构等。矿石中的白云石、磷灰石、方解石均有特定的晶形，是典型的半自形-它形结构矿物［图2（a）］；矿石中的白云石、方解石作为被交代矿物交代在磷矿中，残余下一些岛屿状或不规则状残余体，形成交代残余结构［图2（b）］；矿石中的白云石较为粗大，包裹了晶体细小的褐铁矿、黄铁矿等金属矿物，构成包含结构［图2（c）］。

图2 矿石的偏光显微镜图：（a）半自形-它形结构背散射图像，（b）白云石和方解石形成交代残余结构，（c）黄铁矿被大颗粒白云石包裹残余结构Fig. 2 Polarizing microscope images of ore：（a）backscattering image of hypidiomorphic-allotriomorphic texture，（b）metasomatic relict texture formed by dolomite and calcite，（c）relict texture of pyrite wrapped by large-grained dolomite

3 磨矿细度的确定

通过磨矿-浮选试验，结合矿物嵌布粒度和单体解离度测定，可以确定该矿石合适的磨矿细度。

3.1 磨矿细度确定试验

将5 份1 000 g 矿样分别磨矿至一定时间，然后将磨完的矿样均分成6 等份，取其中一份称量筛析，细度见表3，浮选流程与药剂制度见图3，试验结果见表4。

图3 磨矿细度试验流程Fig. 3 Flowsheet of grinding fineness test

表3 磨矿时间与磨矿细度关系Tab. 3 Relationship between grinding time and fineness

由表4 可知，随着磨矿细度的增加，精矿的品位也增加，在细度小于0.074 mm 占57.71% 时，精矿品位达最高值30.24%，选矿效率也较高达到39.79%，细度越细，选矿指标较好，考虑到磨矿成本，该矿石适宜的磨矿细度可选为小于0.074 mm占57.71%。

表4 磨矿细度对浮选的影响Tab. 4 Influence of grinding fineness on flotation performance

3.2 磨矿产物的解离度测定

利用AMICS 对磨矿产物（小于0.074 mm 占57% 左右）进行了磷矿粉碎后主要矿物的粒度分布测试和磷矿中主要矿物的单体解离度测试，结果见表5 和表6。

表5 磷矿粉碎后主要矿物的粒级质量分数Tab. 5 Grain size distribution of main minerals in phosphate ore after comminution

表6 磷矿中不同单体解离度条件下的矿物质量分数Tab. 6 Mineral mass fraction under different liberation degrees in phosphate ore %

由表5 可知，磷矿中的主要有用矿物磷灰石在粗粒级（0.074 mm 以上粒级）质量分数为18.41%，在较细粒级（0.02 mm 以下粒级）的质量分数仅为13.1%，在0.074～0.02 mm 粒 级 质 量 分 数 高 达68.5% 左右，这说明磷矿中的磷灰石主要分布在偏粗粒级（0.074～0.02 mm 之间）。

由表6可知，磨矿细度小于0.074 mm占57.71%左右时，经过AMICS 测试分析可知，部分磷灰石包裹了较细晶粒的白云石、石英、方解石和钾长石等脉石矿物，磷灰石单体解离度达到了82.42%，脉石矿物中石英和钾长石的单体解离度已经达到80% 以上，基本上实现了单体解离。但含钙脉石白云石、方解石的单体解离度较低，分别为59% 和63%，是影响精矿品位的主要因素。

3.3 矿石中磷灰石的嵌布特征

磷灰石是磷矿中最主要的有用矿物，其质量分数占整个样品的23.57%，也是矿石中含量最多的矿物之一。矿石中绝大多数矿物都是磷灰石，AMICS 测试结果表明部分磷灰石包裹了白云石、方解石、石英和钾长石等矿物，由表7 可知经过磨矿后，磷灰石单体解离度达到了82.27%，说明该矿物易于单体解离。

表7 磷矿中磷灰石与其他矿物的嵌布关系Tab. 7 Intercalation relationship between apatite and other minerals in phosphate ore %

偏光显微镜下磷灰石表面光滑平整，晶形主要以粒状或者不规则状为主，单体解离的磷灰石占82.27%；部分磷灰石被白云石包裹［图4（a）］，部分磷灰石与钾长石相互共生［图4（b）］，少量的磷灰石则与黄铁矿相互伴生［图4（c）］，还有部分磷灰石与白云石相互共生［图4（d）］。

图4 矿石中磷灰石的嵌布特征：（a）白云石与磷灰石共生，（b）脉状磷灰石与钾长石共生，（c）磷灰石与黄铁矿伴生，（d）白云石与磷灰石共生Fig. 4 Features of apatite in phosphate ore：（a）paragenesis of dolomite and apatite，（b）paragenesis of veined apatite and potash feldspar，（c）apatite associated with pyrite，（d）paragenesis of dolomite and apatite

4 闭路浮选试验

为了验证磷矿工艺矿物学的结果，用球磨机将磷矿原矿的细度磨到0.074 mm 以下占57.71%，根据条件试验确定的因素，经过一系列探索后，采用一粗一精的浮选流程，粗选过程采用正浮选，以Na2CO3为pH 调整剂，以水玻璃为硅酸盐脉石的抑制剂，H-969 为磷矿捕收剂。确定碳酸钠、水玻璃用量分别为3.5、0.5 kg/t，浮选温度35 ℃，捕收剂的用量为0.51 kg/t，粗选的线速度3.90 m/s，精选线速度3.46 m/s 下，试验的流程示意图见图5，闭路流程试验结果见表8，第3 次和第4 次循环实验统计结果见表9。

表9 闭路流程第3 次和第4 次循环实验统计结果Tab. 9 Statistical results of third and fourth cycle experiments of closed circuit %

图5 试验流程示意图Fig. 5 Schematic diagram of test process

表8 闭路流程实验结果Tab. 8 Results of closed circuit flotation tests

在磨矿细度0.074 mm 以下占57.71% 条件下，采用一粗一精正浮选脱硅的闭路试验，可获得精矿P2O5品位为35.77%，回收率为91.84% 的良好指标。进一步验证了该矿石属于易选矿石。

5 结 论

1）矿石中的主要有用矿物为磷灰石，质量分数为23.57%；主要的脉石矿物为石英和钾长石，质量分数分别为26.32% 和26.51%；次要的脉石矿物为白云石和方解石，质量分数分别为12.12% 和3.63%。磷矿中的绝大多数磷主要是以磷灰石的形式存在，少量为硅酸盐。

2）有用矿物磷灰石和主要脉石矿物（石英、白云石）的嵌布粒度较粗，属易选矿石。少量白云石、方解石以浸染的方式嵌布在胶磷矿内部，是影响磷矿选矿的主要因素。

3）在磨矿细度为0.074 mm 以下占57.71% 时，磷灰石单体解离度达到了82.42%，脉石矿物中石英和钾长石的单体解离度已经达到80% 以上，实现了单体解离。采用一粗一精的浮选流程，可以得到精矿P2O5品位为35.77%，回收率为91.84% 的良好指标。白云石、方解石的单体解离度较低，分别为59% 和63%，是影响精矿品位的主要因素。