鄂东南矿集区钴矿资源现状及综合利用前景浅析

魏克涛， 徐江嬿， 吴昌雄， 刘冬勤， 闫 芳

(1.湖北省地质局 第一地质大队，湖北 大冶 435100； 2.湖北省地质局 第一地质大队 院士专家工作站，湖北 大冶 435100；3. 湖北省地质局 找矿突破创新中心，湖北 大冶 435100； 4.资源与生态环境地质湖北省重点实验室，湖北 大冶 435100；5. 湖北省地质勘查基金管理中心，湖北 武汉 430071)

钴(Co)是一种具有光泽的银白色铁磁性金属，与性质相似的铁(Fe)、镍(Ni)统称为铁族元素。钴具有高温下强度高、耐腐蚀性好、铁磁性优异和电化学性能良好等优点，是制造电池、超级合金、催化剂和颜料等产品的重要原料，在航空航天、军工、高新技术等领域具有不可替代的作用[1]。目前，中国、美国、日本、欧盟等国家和组织已将钴列为紧缺战略性矿产[2-3]。近年来，随着全球新能源汽车产业的迅猛发展，钴作为车用动力电池的关键原料之一，其资源需求量日益增长，进而导致钴资源的供求关系失衡。钴资源的供应紧缺问题将在一定程度上制约中国战略性新兴产业的发展，因此查明国内钴资源现状及其综合利用前景是关乎国家矿产资源安全保障的重要课题。

中国钴矿资源极度短缺，截至2018年，中国查明钴矿资源量为69.65万t[4]，且以伴生矿为主，主要产于铜镍硫化物矿床(甘肃金川镍矿、吉林红旗岭铜镍矿等)、矽卡岩型铁(铜)矿床(海南石碌铁矿、山东泰安铁矿、大冶铁矿等)。同时，中国钴矿品位相对较低(平均品位仅为0.02%)，大部分矿山未对其综合利用，因此钴矿资源综合利用水平较低。这一点在鄂东南矿集区表现得尤为突出，该区矽卡岩型铁(铜)矿床共(伴)生了大量钴矿，但长期以来未得到有效地综合利用，从而造成严重的资源浪费。本文通过收集和整理鄂东南矿集区以往的矿产勘查及矿山研究资料，对该区钴矿资源特征及综合利用现状进行总结，探讨区内钴矿资源潜力及综合利用前景，提出后续钴矿综合勘查和利用建议，以期为降低中国钴资源供应风险提供一些有益的依据。

1 钴矿资源分布特征

鄂东南矿集区的钴矿分布于鄂城、铁山、金山店、灵乡及铜绿山岩体成矿区(图1)，主要赋存于与燕山期岩浆侵入活动有关的矽卡岩型铁矿床、铁铜矿床、铜铁矿床或铜硫矿床中，以伴生矿为主，少量为共生矿。

1.1 共生钴矿

区内共生钴矿主要分布于灵乡、铁山和铜绿山岩体成矿区，所赋存的矿床类型为矽卡岩型铁矿、铁铜矿和铜金矿，代表性矿床有大广山含钴铁矿床、张泗朱铁矿床、陈盛铁铜矿床、鸡冠咀铜金矿床、许家咀铜铁矿床等。

大广山含钴铁矿床位于灵乡岩体东南缘接触带，为矽卡岩型铁矿。已发现的16个矿体近似雁行排列，分上下两部分，上部矿体主要产于大理岩捕虏体的矽卡岩中，下部矿体主要产于正接触带或大理岩中。矿石类型主要为磁铁矿矿石，其次为赤铁矿—磁赤铁矿矿石、黄铁矿—磁铁矿矿石、含铜黄铁矿矿石。矿石矿物主要为磁铁矿，其次为磁赤铁矿、黄铁矿、黄铜矿等。各矿体中钴含量为0.006%～0.027%，平均为0.022%。单矿物分析结果显示，钴主要赋存于黄铁矿中，含量为0.11%～1.13%，一般为0.40%～0.50%；黄铜矿和磁铁矿中钴含量约0.10%。

图1 鄂东南地区大地构造位置图(a)和含钴矿床分布图(b)Fig.1 Tectonic location map (a) and distribution map (b) of cobalt-containing mineral deposits in Southeast Hubei1.第四系；2.白垩纪中期火山岩；3.上三叠统—侏罗系碎屑岩；4.寒武系—中三叠统碳酸盐岩夹碎屑岩；5.晚期闪长岩类岩体；6.晚期花岗闪长岩类岩体；7.早期闪长岩类岩体；8.查明含钴矿床；9.潜在含钴矿床。

张泗朱铁矿床位于灵乡岩体南缘接触带内侧，为矽卡岩型铁矿。已发现的14个矿体均赋存于岩体内的透辉石矽卡岩捕虏体中。矿石类型主要为高硫磁铁矿矿石。矿石矿物主要为磁铁矿、磁赤铁矿，含少量黄铁矿。各矿体中钴含量为0.01%～0.08%，平均为0.05%。

陈盛铁铜矿床位于铁山岩体北缘中段闪长岩与隐伏大理岩的接触带，为矽卡岩型铁铜矿。已发现的10个矿体主要赋存于闪长岩与隐伏大理岩的接触带中，特别是下接触带断裂破碎发育部位。矿石类型以铁铜矿石为主，铁矿石次之，铜矿石极少。矿石矿物主要为磁铁矿、黄铜矿、黄铁矿等。矿体中钴平均含量为0.025%。

鸡冠咀铜金矿床位于阳新岩体西北段的铜绿山岩株西缘接触带，为矽卡岩型铜金矿，已发现7个主矿体群、20个主矿体和151个零星小矿体。矿体主要赋存于石英二长闪长玢岩与白云质大理岩残留体的断裂接触带以及残留体的层间破碎带、不同岩性分界面。矿石类型主要为铜金矿石、铜铁金矿石、铜矿石、金矿石、硫铁矿石、铁矿石。矿石矿物主要为磁铁矿、赤铁矿、黄铜矿、黄铁矿等。Ⅰ-Ⅳ号主矿体群的钴含量为0.020%～0.059%，平均为0.021%。

许家咀铜铁矿床位于阳新岩体西北段的铜绿山岩株西北缘，为矽卡岩型铜铁矿[5]，已发现1个主矿体群、2个主矿体和22个小矿体。主矿体Ⅲ2、Ⅲ3主要赋存于石英二长闪长玢岩与大理岩捕虏体的接触带上。矿石类型主要为铜铁金矿石、铜铁矿石、铜金矿石，少量为铜矿石、铁矿石。矿石矿物主要为磁铁矿、赤铁矿、黄铜矿、黄铁矿等。各矿体中钴含量为0.010%～0.094%，平均为0.029%；以铜铁(金)矿石中钴含量最高，平均为0.039%；铜矿石和铜金矿石中钴含量较低，平均为0.016%。钴以类质同象(主要)和硫铜钴矿(次要)形式赋存于黄铜矿和黄铁矿中。

1.2 伴生钴矿

伴生钴矿在各主要岩体成矿区均有分布，主要赋存于矽卡岩型铜硫矿、铁矿、铁铜矿、铜铁矿中，代表性矿床有巷子口铜硫矿床、程潮铁矿床、铁山铁铜矿床、铜绿山铜铁矿床等。

巷子口铜硫矿床位于铁山岩体北缘东段，为矽卡岩型铜硫矿。已发现的30个矿体组成5个矿体群，主要赋存于岩体与大理岩接触带，其次为岩体内裂隙带。矿石类型主要为铜硫矿石、硫铁矿石，其次为铜矿石等。矿石矿物主要为黄铁矿、磁黄铁矿、黄铜矿，次为磁铁矿等。钴主要分布于铜硫矿石和硫铁矿石中，含量为0.011%～0.024%；在硫精矿中含量为0.032%～0.061%，在铜精矿中含量为0.018%～0.036%，精矿中钴平均品位为0.043%。

程潮铁矿床位于鄂城岩体南缘接触带，为矽卡岩型铁矿。已查明磁铁矿体102个，其中主矿体7个，主要赋存于岩体与大理岩接触带的矽卡岩中。矿石类型主要为磁铁矿矿石，属高硫低磷铁矿石。矿石矿物主要为磁铁矿，含少量黄铁矿、黄铜矿、赤铁矿等。钴主要呈类质同象形式分布于铁矿石中的黄铁矿中，矿床钴平均含量为0.017%。

铁山铁铜矿床位于铁山岩体南缘中段闪长岩与大理岩接触带，为矽卡岩型铁铜矿。已发现矿体32个，其中主矿体6个，主要赋存于闪长岩与大理岩的接触带。矿石类型以铁矿石为主，铁铜矿石次之，铜矿石极少。矿石矿物主要为磁铁矿，次为赤铁矿、黄铜矿、黄铁矿等。钴主要以类质同象形式赋存于黄铁矿中，矿床钴平均含量为0.017%。

铜绿山铜铁矿床位于阳新岩体西北段的铜绿山岩株中部及南缘接触带，为矽卡岩型铜铁矿。已发现13个矿体(群)，矿体在剖面上呈透镜状或似层状，主要赋存于石英二长闪长玢岩与大理岩残留体或捕虏体的接触带，少量赋存在接触带附近的大理岩层间[6]。矿石类型主要为铜铁矿石，其次为铜矿石、铁矿石等。矿石矿物主要为磁铁矿、赤铁矿、黄铜矿、黄铁矿等。钴主要富集于铜铁矿石中，其次为铜矿石，整个矿床钴平均含量为0.012%。

1.3 钴资源潜力

1.3.1查明钴资源量

据统计，区内矽卡岩型矿床共(伴)生钴的查明资源量达65 048 t，其中上表矿区16个，查明资源量56 909 t(含保有资源量20 347 t)；未上表矿区4个，查明资源量8 139 t。

1.3.2潜在钴资源量

鄂城岩体成矿区广山铁矿床，铁山岩体成矿区黄土咀铁矿床，金山店岩体成矿区张福山铁矿床、余华寺铁矿床、柯家山铁矿床，铜绿山岩体成矿区石头咀铜铁矿床、桃花咀铜金矿床、冯家山铜铁矿床、鸡冠咀铜金矿床Ⅴ-Ⅶ号矿体、铜绿山铜铁矿床ⅩⅢ、ⅩⅣ号矿体，灵乡岩体刘家畈铁矿床等矿床在矿床类型、矿石类型及矿石矿物种类等方面，与前述已查明钴资源量的矿床高度吻合。通过分析检测发现，这些矿床钴含量均可达到0.01%以上，因此初步断定这些矿床均伴生钴，根据铁矿石总量估算钴的潜在资源量可达3万t以上。

2 钴的赋存状态

区内对钴的赋存状态的研究较少，但根据相关勘查报告和已发表的文献来看，钴一般以类质同象形式赋存于黄铁矿(主要)、黄铜矿(次要)等硫化物中，少量以类质同象形式赋存于磁铁矿中，局部可见硫铜钴矿等独立矿物。

2.1 矽卡岩型铁(铜)矿中钴的赋存状态

在矽卡岩型铁(铜)矿中，钴主要分布于高硫铁矿石中，以类质同象形式赋存于黄铁矿(主要)、磁铁矿与黄铜矿(次要)等矿物中。据电子探针分析结果，程潮铁矿床铁矿石中的黄铁矿含钴0.05%～0.26%，黄铜矿含钴0.037%～0.076%；铁山铁铜矿床铁矿石中的磁铁矿含钴0.11%～0.22%[7]。据选矿资料，程潮铁矿床选矿后钴相对富集于硫精矿和铁精矿中，铁山铁铜矿床、大陈欧船铁矿床选矿后钴主要富集于硫精矿中，精矿中钴含量可达0.205%。

2.2 矽卡岩型铜(铁)矿中钴的赋存状态

在矽卡岩型铜(铁)矿中，钴主要分布于铜铁矿石中，以类质同象形式赋存于黄铁矿(主要)、黄铜矿与白铁矿(次要)等硫化物中，少量赋存于磁铁矿中。矿石分析结果表明，铜绿山铜铁矿床的铜铁矿石钴含量为0.006%～0.044%，一般为0.008%～0.018%；铜矿石钴含量一般为0.005%左右，最高0.033%；铜硫矿石含钴最高，平均为0.033%；铁矿石含钴最低，一般为0.001%～0.006%，最高0.009%。据单矿物分析结果，钴主要赋存于黄铁矿、黄铜矿、砷黝铜矿、斑铜矿和白铁矿等硫化物中。铜绿山铜铁矿床的黄铁矿钴含量为0.095%～0.140%，以呈浸染状分布于含铜磁铁矿矿石中的自形—半自形黄铁矿含钴最高(0.100%～0.450%)，其次为胶状黄铁矿(0.100%～0.350%)；黄铜矿钴含量低于黄铁矿，一般为0.050%～0.025%；磁铁矿含钴最低，一般为0.003%左右。石头咀铜铁矿床的黄铁矿含钴0.040%～0.176%，一般为0.120%～0.160%；黄铜矿含钴0.012%～0.045%，一般0.022%～0.033%；白铁矿含钴0.095%；磁铁矿含钴0.006%～0.011%。总的来看，钴含量的高低与铜硫矿物含量有关，与铁矿物关系不太密切。

2.3 矽卡岩型铜金(硫)矿中钴的赋存状态

在矽卡岩型铜金(硫)矿中，钴主要分布于铜金(铁)矿石中，其次为铜矿石，以类质同象形式赋存于黄铁矿(主要)、黄铜矿(次要)等硫化物中，局部发现有硫钴铜矿。鸡冠咀铜金矿床的钴主要分布于铜金矿石和铜矿石中，前者钴平均品位为0.023%，最高为0.350%；后者钴平均品位为0.020%，最高为0.093%；其他矿石含钴较低，金矿石、金铁矿石、硫铁矿石、铁矿石的钴平均品位分别为0.017%、0.011%、0.018%、0.012%。据电子探针和能谱分析结果[8]，在铜金矿石中可见小板状硫钴铜矿呈包体分布于第二世代黄铁矿内。通过黄铁矿LA-ICP-MS原位微区微量元素测试[9]，发现鸡冠咀铜金矿床的石英—黄铁矿组合中粒状共黄铁矿钴含量平均为0.022 6%且变化较大，最高为0.641 9%；胶状黄铁矿钴含量为0.010 6%～0.110 6%，判断钴以类质同象形式均匀分布于黄铁矿的晶体结构中。许家咀铜铁(金)矿床各矿石类型中钴含量存在明显差异，铜金铁矿石、铜铁矿石、铜矿石、铜金矿石、铁矿石的钴含量分别为0.039%～0.040%、0.022%～0.032%、0.013%～0.035%、0.022%、0.018%～0.023%；钴含量与硫(黄铁矿)含量呈显著正相关关系，相关系数为0.63，表明钴主要以类质同象、次为以硫铜钴矿形式赋存于黄铁矿和黄铜矿中[10]。

3 钴矿回收利用

根据矽卡岩型矿床钴的赋存状态来看，钴主要以类质同象形式赋存于黄铁矿、黄铜矿等硫化物中，因此可通过在选矿过程中回收含钴硫化物、在冶炼过程中回收含钴精矿或转炉渣等方式来回收利用钴。

3.1 含钴硫化物的回收

区内多个矿床在不同阶段开展过选矿试验，表明含钴硫化物可通过浮选工艺进行回收。大陈欧船铁矿于1979年开展的选矿试验表明，在试样原矿品位：全铁42.10%、硫2.39%、钴0.013%，磨矿细度200目条件下，采用浮选—磁选联合流程处理，可获得高质量的铁精矿和硫钴精矿，硫钴精矿产率3.05%，钴品位0.205%，回收率46.47%。大广山铁矿采用二段磨矿—浮选工艺处理伴生钴的黄铁矿，可回收钴精矿，钴精矿钴品位0.243%、回收率76.51%。大冶铁矿于2013年采用原矿三段闭路破碎流程，先进行铜硫混合浮选，得到铜硫混合精矿，然后通过分离浮选分别得到铜精矿与含钴硫精矿。程潮铁矿通过二段磁选后先得到铁精矿，尾矿经浮选可获得硫品位≥44.50%的硫精矿，钴呈类质同象状态相对富集于铁精矿和硫精矿中。铜绿山铜铁矿经综合回收利用试验，发现钴具有综合回收利用价值，可对含铜矿物、硫矿物中的钴进行回收。

3.2 含钴精矿中钴的回收利用

区内基本未对含钴精矿中的钴进行回收利用。由于钴主要伴生于黄铁矿、黄铜矿中，含量相对较低，因此提取难度较大。目前从技术上来说，已经有多种工艺可以从含钴精矿中提取钴，主要有4类：湿法冶炼法、酸化焙烧法、还原焙烧—氨浸法、加压浸出法[11]。

3.3 含钴转炉渣中钴的回收利用

大冶有色冶炼厂在铜的冶炼过程中，发现转炉渣中含钴量可达0.21%，但未利用。目前从转炉渣中回收钴的方法较多，主要有浮选法、火法冶炼法、湿法分离法、萃取法和微生物浸出法[12]。浮选法和火法冶炼法成本较高或对原料要求较高，且工艺复杂，应用相对较少。湿法分离法分为酸浸法、氨浸法和水浸法等，其中酸浸法使用范围广、工艺简单、可行性强，可在较短时间内使矿渣完全溶解，但容易造成严重的环境污染；水浸法生产成本较低，生产过程中产生的污染小，但钴的回收率低；氨浸法使用适量的锌粉对浸氨浸出液进行除杂，一次置换后经电积或结晶可得到想要的有价成分，但其浸出温度难于控制，同时使用锌粉进行置换增加了钴浸出的难度。萃取法主要利用有机溶剂从不相混溶的液相中把钴提取出来，包括萃取、洗涤和反萃取三个阶段，由于具有选择性好、回收率高、流程简单、操作连续、易于实现自动化等优点，已成为提取钴的主要方法。微生物浸出法利用某些微生物或其代谢产物对某些矿物进行氧化、还原、溶解、吸附等，使钴转入溶液中，在处理低品位矿物方面相对火法或其他湿法具有成本低、提取高效、可同时提取多种金属、污染小等优势，是一种很有发展前景的钴提取分离技术。采用湿法分离法和萃取法，钴的浸出率一般可达90%以上。

以往由于钴矿用途有限、经济价值不高，且回收过程复杂、成本高，因此区内矿山和冶炼企业未对其进行综合利用。但在当前新能源汽车等战略性新兴产业快速发展阶段，钴矿资源的需求十分旺盛，通过优化湿法分离法、萃取法和微生物浸出法等工艺流程，可降低从含钴硫精矿或含钴转炉渣中回收钴的生产成本，从而实现钴的高效回收利用，预期可以产生较好的经济效益。

4 结论与建议

(1) 鄂东南矿集区的矽卡岩型矿床普遍共(伴)生钴，钴资源较为丰富，资源总量可达10万t以上。

(2) 区内矽卡岩型矿床中钴以类质同象形式赋存于黄铁矿(主要)和黄铜矿(次要)等硫化物中，少量为硫铜钴矿等独立矿物形式。

(3) 区内钴与黄铁矿等硫化物关系密切，通过浮选可获得含钴>0.20%的硫精矿，在冶炼过程中可得到含钴达0.21%的转炉渣；对于含钴硫精矿或含钴转炉渣，可通过湿法分离法、萃取法和微生物浸出法等工艺实现钴的回收，且回收率可达90%以上。

(4) 目前区内基本未回收利用钴，建议优化湿法分离法、萃取法和微生物浸出法等工艺流程，降低从含钴硫精矿或含钴转炉渣中回收钴的生产成本，从而实现钴的高效回收利用；同时建议地勘单位在矽卡岩型矿床的勘查过程中加强钴的综合评价，并建议政府部门制定相关政策来鼓励企业加强回收工艺研究，提高资源再生利用率。

致谢：在论文撰写过程中参考了不同地勘单位提交的矿床勘查报告及矿山研究资料，并得到湖北省地质局第一地质大队金尚刚教授级高级工程师给予的指导，在此对他们一并表示感谢。