炼铜尾渣提取重介质产品的特性及矿物学分析

王明细，陈荣升，罗立群，李国栋，李儒仁

(1.黄石市泓义城市矿产资源产业研究院有限公司，湖北 黄石 435005；2.湖北大江环保科技股份有限公司，湖北 黄石 435005；3.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070)

随着资源绿色开发和高效利用理念的推进，一方面矿产资源的入选品位持续走低，另一方面资源开发的环境要求日益严苛，促进了重介质预选与分选技术的持续发展，如井下选煤技术[1]、湖北宜昌磷矿重介选脱硅[2]、四川铅锌矿重介质抛尾[3]、废旧铝合金回收利用[4]，推动了“采选充”一体化和绿色清洁生产技术的进步。重介质分选多以水或空气和重介质(如磁铁矿粉)形成的悬浮液或流化床为分选介质，在分选介质中根据阿基米德原理实现目的矿物与脉石矿物的分选，配制重介质悬浮液或流化床的固体物质被称为加重质，又称重介质，多以磁铁矿粉、石英砂、赤铁矿粉等为加重质。重介质分选工艺需要配备介质回收和净化系统，重介质回收流程会造成部分介质损失，因此影响重介质分选的效果不仅与加重质的密度、粒度及粒度组成有关[5]，而且与加重质的物理稳定性和化学稳定性及回收特性密切相关[6]，因此选择重介质需要考虑合适的密度、机械强度、较好的化学稳定性、回收容易、来源广泛等诸多因素。 随着铁精矿价格回暖，磁铁矿粉价格持续高涨，寻找来源更为广泛、价格合理的替代品势在必行。

炼铜尾渣是指火法炼铜过程中产生的含铁、硅、铝、钙等物质的废渣，经选矿分选铜资源后的尾矿[7]。常见的炼铜尾渣是一种不纯的铁硅酸盐玻璃态物质，含铁普遍为38%～45%，且含有一定的Fe3O4或具有部分强磁性物质[8]，能够提取作为重介质选矿的加重质。本文以炼铜尾渣为原料，对比采用分级-磁选与浮选工艺考察了提取重介质产品的可行性。通过化学分析、岩矿鉴定、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)，着重对炼铜尾渣重介质产品进行了矿物学分析，以评估作为重介质选矿介质应用的可行性，为提升炼铜尾渣的利用价值、开辟新的利用途径提供技术支持。

1 实 验

1.1 原料及性质

实验所采用的炼铜尾渣为某有色金属公司火法炼铜过程中的炉渣，经过磨矿浮选提铜之后的浮选尾矿，称为炼铜炉渣的选铜尾矿(以下简称“炼铜尾渣”)，其外观呈浅灰绿色至灰黑色致密状粉末，物料粒度为-0.045 mm，含量为85%左右。试样经过混匀后置于烘箱中于105 ℃下干燥，然后装袋备用。炼铜尾渣主要元素化学分析结果见表1，其XRD分析如图1所示。

由表1可知，炼铜尾渣中主要成分为铁和硅，全铁(TFe)含量达42.05%、SiO2为27.86%，除含有少量残余的Cu、Al2O3、CaO和MgO等成分外，可见该试样中还含少量Pb、Zn等重金属杂质，含量分别为1.78%和2.05%，需要考虑其产出特征和后续应用的环境影响。由图1可知，炼铜尾渣试样中主要产物为铁橄榄石(Fayalite)、磁铁矿(Magnetite)、磁赤铁矿(Maghemite)、方石英(Cristobatite)、石英(Quartz)等物质的特征峰。

表1 主要元素化学分析结果

图1 炼铜尾渣试样的X射线衍射

1.2 生产与测试方法

1) 提取重介质的工业生产为先分级与磁选组合-后浓缩脱泥脱水的流程，分级采用Φ250水力旋流器组，磁选采用JCTB1030-1800GS磁选机，浓缩设备为Φ15 M浓密机进一步脱除细泥兼浓缩脱水，经GLS-30陶瓷过滤机过滤后获得产品。

2) 重介质产品的测试方法采用测定产品的产率、磁性物的含量及产品密度等方式评估提取效果。对重介质产品的检测采用岩矿鉴定确定产物中矿物的组成和含量，扫描电镜(SEM)确定重介质产品的微观形貌与矿物结构特征，并通过能谱分析产品微区中Fe、Si、Pb、Zn等特征元素的组成及含量，矿物解离度测定仪(FEI MLA 250)测定了重介质产品中主要矿物的解离度和嵌连关系。

2 结果分析与讨论

2.1 分级与磁选组合工艺

由前期分析可知，炼铜尾渣以磁铁矿和铁橄榄石为主，铁氧化物的密度处在5.18～5.24 g/cm3之间变化，铁硅酸盐的密度在3.27～3.34 g/cm3之间变化，其中铁氧化物为强磁性矿物或磁性矿物，铁硅酸盐为弱磁性矿物或非磁性矿物。为了获得易于重复回收利用的磁性重介质，需要减少比重较低的弱磁性矿物含量，进而提升磁性铁矿粉的比例，故考察采用先分级-后磁选或先磁选-后分级的不同流程，再用浓密机脱泥脱水的浓缩流程，考察不同组合工艺条件对提取炼铜尾渣重介质的变化，结果见表2。

表2 不同工艺提取炼铜尾渣重介质的试验结果

由表2可知，无论采用哪种工艺，其炼铜尾渣重介质产品密度稳定在4.34～4.42 g/cm3之间，磁性物含量达到90.3%～95.4%；采用磁选一粗一精-分级-浓缩脱泥的原则流程更好，此时炼铜尾渣磁性重介质矿粉产率达38.07%。磁性物中有60%～62%为铁橄榄石颗粒，而不是磁铁矿颗粒，铁橄榄石颗粒具有磁性的原因是铁橄榄石与磁铁矿呈微细嵌布形成的熔蚀结构固熔体，其炼铜尾渣重介质产品的粒度分布如图2所示。

图2 粒度分布

2.2 化学成分与矿物组成

炼铜尾渣重介质产品中主要元素化学分析结果见表3，主要矿物组成及含量见表4。重介质产品中全铁(TFe)仅有56.57%、SiO2含量达23.49%，估计其介质的比重与磁铁矿相比将较轻一些。重介质产品中的主要矿物为磁铁矿和铁橄榄石，占比分别为39.06%和47.92%，其次是玻璃体和石英，分别为7.80%和4.53%，4种主要矿物总含量达99.41%；锌矿物偶见闪锌矿，铜的独立矿物有微量金属铜、辉铜矿、斑铜矿和方黄铜矿等；铁矿物主要为磁铁矿，偶见金属铁；其他微量矿物包括铬铁矿、铁尖晶石、方铅矿和黄铁矿等。

表3 主要元素化学分析结果

表4 主要矿物组成及含量

2.3 主要矿物的产出特征

2.3.1 主要矿物的产出形式

经显微镜下检查分析，炼铜尾渣重介质产品中的主要为磁铁矿(M)、铁橄榄石(F)、铅铁硅质玻璃体(G)、石英熔体(Q)等次生产物，重介质中典型产物的显微图像如图3所示。

图3 典型产物的显微图像

1) 磁铁矿(M)多呈他形、自形或半自形粒状，少量呈鱼骨状或羽状等雏晶结构。除少部分呈单体外，大部分与铁橄榄石、石英和铅铁硅质玻璃体嵌连，如图(3(a))～图(3(d))所示。

2) 铁橄榄石(F)产出有多种产出形态，多呈板状或不规则状，部分呈枝杈状或蠕虫状等雏晶结构，集合体多为条带状或网脉状。铁橄榄石少半呈单体产出，大半与磁铁矿、铁硅质玻璃体和石英构成较为复杂的连生颗粒，如图(3(a))、图(3(b))、图(3(d))、图(3(e))、图(3(f))所示，铁橄榄石和磁铁矿粒度主要分布在0.005～0.050 mm之间。

陕西省山洪灾害的空间分布与降雨和地形地貌密切相关，陕南秦巴山区、渭河以南秦岭北麓、渭北黄土塬区、陕北白于山河源区、黄土丘陵沟壑区、黄河沿岸土石山区等是山洪地质灾害的多发易发区。2010年夏季，在陕南、关中地区的大部分区域发生了6次大范围、高强度的暴雨洪水，引发部分中小河流漫溢溃决、中小水库出现险情和局地山洪、泥石流等灾害。

3) 铅铁硅质玻璃体(G)为玻璃态相，大部分非晶质，少量具雏晶结构，成分上铅富铁硅等元素。玻璃体和石英是冶炼渣的基底物质，磁铁矿、铁橄榄石、铜矿物、铅矿物等均嵌布其中，均为高温下不同物相分离的产物。玻璃体因非晶质，形态不规则，与其他矿物的嵌连关系均较为复杂，如图(3(b))、图(3(d))、图(3(e))、图(3(f))所示。玻璃体粒度主要分布在0.001～0.040 mm之间。

4) 石英熔体(Q)形态不规则，可能是高温溶解后再结晶的产物，部分与玻璃体共同构成冶炼渣的基底物质，除少量呈单体外，大部分与铁橄榄石、磁铁矿和玻璃体呈连生体形式产出，如图(3(b))、图(3(c))、图(3(e))所示。石英熔体与铅铁硅质玻璃体粒度主要在0.001～0.040 mm之间。

2.3.2 主要矿物的成分特征

为查明样品中主要矿物的成分特点，分析典型矿物中残余铅、锌等金属元素的含量，对磁铁矿、铁橄榄石和铅铁硅质玻璃体进行了能谱微区成分定量分析，3种矿物的X射线能谱成分如图4所示。统计结果显示：①磁铁矿中平均含Zn为1.41%、含Fe为72.49%；③铁橄榄石中平均含Zn为3.04%、Fe为53.66%、Si为14.52%；③铅铁硅质玻璃体的主要组成元素为Pb、Fe和Si，化学组成平均含Zn为1.83%，Pb为17.22%，Fe为12.20%，Si为26.22%。此外含少量Al、Ca、Na和K等元素，可见，Zn在3种矿物中均有分布，含量高低依次为铁橄榄石、Pb-Fe-Si质玻璃体、磁铁矿；而Pb仅在Pb-Fe-Si质玻璃体中存在。

图4 典型矿物的能谱分析图

2.4 矿物粒度与嵌连关系

2.4.1 主要矿物的粒度与分布

对炼铜尾渣重介质产品中磁铁矿、铁橄榄石、玻璃体和石英等主要矿物的嵌布粒度进行了统计，结果见表5。 统计结果显示：样品中磁铁矿与铁橄榄石的粒度组成较为接近，主要分布于0.005～0.050 mm之间，而玻璃体与石英的粒度组成相对较细，多分布于0.001～0.040 mm，四者均属于微细粒嵌布的范畴。

表5 主要矿物的粒度与分布

2.4.2 主要矿物的解离及嵌连关系

采用矿物解离度测定仪(MLA)对炼铜尾渣重介质产品中磁铁矿、铁橄榄石、玻璃体和石英等主要矿物的解离度进行了测定，并统计了其嵌连关系，其主要矿物的解离度见表6。

表6 主要矿物的解离度

分析表明：①样品中磁铁矿、铁橄榄石、玻璃体和石英的解离度为35.65%、44.43%、23.70%和17.65%，解离度均较低，主要由于矿物之间相互嵌布较为复杂且粒度细小，可保证重介质可以磁选回收；②磁铁矿的连生矿物主要是铁橄榄石，其次是石英和玻璃体；③铁橄榄石的连生矿物以玻璃体和磁铁矿为主，其次是石英；④玻璃体的连生矿物大部分是铁橄榄石，少部分是磁铁矿和石英；⑤石英的嵌连矿物主要为铁橄榄石，其次是磁铁矿和玻璃体。

2.5 产品应用的环境影响

显微镜鉴定发现炼铜尾渣重介质产品中，除主要矿物为磁铁矿、铁橄榄石、玻璃体和石英熔体外，还含有微量的铜矿物，及方铅矿、闪锌矿等其他重金属矿物杂质，多与上述4种主要矿物伴生产出，粒度微细。磁铁矿嵌布铁橄榄石和玻璃体中的SEM面分析图像如图5所示。

M-磁铁矿(Fe密集)；F-铁橄榄石(Fe、Si密集)；G-玻璃体(Fe、Al、Si密集)；Cu-铜矿物(Cu密集)

研究发现炼铜尾渣重介质中含有少量的铅、锌、铜等重金属，为防止重介质在应用时有害杂质析出对环境造成不利影响，将炼铜尾渣重介质产品进行了重金属溶出试验，结果见表7。

表7 重金属溶出试验结果

环境应用评估表明，炼铜尾渣重介质产品应用时，残余的铅、锌、铜等重金属元素溶出率很低，对环境影响风险较小。目前炼铜尾渣重介质已在工业生产中应用，反馈良好。

3 结 论

1) 将炼铜尾渣经磁选-分级-浓缩脱泥流程分选后，可以获得产率为38.07%、密度为4.42 t/m3、磁性物含量达95.4%的磁性重介质产品；其成分较为复杂，产品中含铁(TFe)56.57%、SiO2含量为23.49%，另有少量Pb、Zn、Cu等金属杂质。

2) 重介质产品为冶炼渣，主要矿物组成为磁铁矿、铁橄榄石、铅铁硅质玻璃体和石英，4种主要矿物总含量达99.41%。 有害铅锌杂质分布广泛，锌在3种矿物中均有分布，主要以类质同象形式赋存在铁橄榄石和磁铁矿，含量高低依次为铁橄榄石、铅铁硅质玻璃体、磁铁矿，而铅仅在铅铁硅质玻璃体中存在。

3) 嵌布粒度和解离分析表明，磁铁矿和铁橄榄石的嵌布粒度主要分布在0.005～0.050 mm之间，解离度分别为35.65%和44.43%；玻璃体与石英的粒度组成则相对更细，多分布于0.001～0.040 mm，解离度仅为23.70%和17.65%。因矿物之间相互嵌布较为复杂，大部分呈连生体产出，保证重介质可以磁选回收。

4) 环境应用评估表明，炼铜尾渣重介质产品应用时，其中的残余铅锌铜重金属元素溶出率很低，对环境影响风险较小，并已工业应用。