刚果(金)SODIMIKA表层氧化铜钴矿的工艺矿物学研究

任 玥 汪紫烟 白 丁

(湖北省地质实验测试中心,湖北 武汉 430034)

刚果(金)SODIMIKA铜钴矿位于刚果(金)加丹加省卢菲利弧形铜钴构造带上[1-2],该构造带上存在大量待开发或已开发的氧化铜钴矿。据不完全统计,该矿带上贮藏有全球5%的铜及50%的钴,具有极高的开发价值[3]。该铜钴矿属于典型的表层深度氧化的铜钴矿体,无论是成矿机制还是矿石中各元素的迁移特征均符合深度氧化矿的特性[4-6]。相比于深层硫化铜钴矿床,表层氧化矿不同区域受到的淋洗[7]、迁移等次生作用的差异导致了次生作用的产物种类不同,所以矿石性质亦有较大的差异[8]。因此,本文旨在通过系统的工艺矿物学研究确定SODIMIKA铜钴矿表层氧化矿的综合开发原则工艺。

1 矿石的物质组成

1.1 矿石的化学组成

SODIMIKA表层氧化铜钴矿代表性矿样的化学多元素分析结果如表1所示。

表1 矿石的化学多元素分析结果Table 1 Analysis results of the chemical multielements of the ores %

由表1可知,矿石中主要可回收元素为Cu、Co,含量分别为2.15%、0.19%,Au、Ag具有一定的综合回收价值;主要脉石成分为SiO2、Al2O3,含量分别为63.28%、9.25%。

1.2 矿石铜、钴物相分析

对矿石中主要可回收元素铜、钴进行化学物相分析,结果分别见表2、表3。

表2 矿石中铜物相分析结果Table 2 Analysis results of the copper phase in the ores %

表3 矿石中钴物相分析结果Table 3 Analysis results of the cobalt phase in the ores %

由表2可知,矿石中铜以硅孔雀石中铜、自由氧化铜、结合氧化铜、次生硫化铜、原生硫化铜的形式存在,其中硅孔雀石中铜、自由氧化铜分布率分别为42.79%、35.35%,其次为结合氧化铜15.35%。结合氧化铜和硅孔雀石在选矿工艺中难以回收[9]。

由表3可知,矿石中钴主要以氧化钴的形式存在,分布率达73.68%;其次为硫化钴,赋存矿物多为含钴的黄铁矿,分布率为15.79%;赋存于其他形态中的钴分布率较低。

1.3 矿石的矿物组成及含量

通过显微镜下鉴定及矿物自动分析仪分析,矿石的矿物组成及含量见表4。

表4 矿石的矿物组成及含量Table 4 Mineral composition and contents of the ores%

由表4可知,矿石中主要金属矿物为硅孔雀石、孔雀石、水钴矿、黑铜矿、磷铜矿、锰铜钴水合氧化物及赤(褐)铁矿等;脉石矿物主要为石英、白云母、绿泥石、滑石等。

2 矿石的结构构造

2.1 矿石的结构

矿石的结构类型主要为半自形—他形粒状结构、自形纤维状结构、鳞片状结构及胶状结构等。

黑铜矿、磷铜矿及水钴矿多呈发育不完全晶形的半自形—他形粒状产出;孔雀石、绿泥石主要呈自形纤维状结构的集合体产出;脉石矿物如白云母呈自形鳞片状晶形产出;褐铁矿、锰铜钴水合氧化物主要呈椭圆状或偏圆状胶状产出。

2.2 矿石的构造

矿石的构造类型主要为块状构造,其次为角砾状构造及皮壳状构造等。

主要目的矿物及脉石矿物多为不规则粒状集合体聚集,呈不规则块状构造;部分孔雀石及石英、滑石、长石等呈不规则角砾状构造;部分表层的孔雀石呈翠绿色皮壳状露出于块状矿石表面,形成皮壳状构造。

3 主要矿物的嵌布特征

3.1 孔雀石

孔雀石是主要的氧化铜矿物[10],矿石中的孔雀石多呈放射状集合体、不规则粒状或呈脉状、网脉状、皮壳状等形式,根据孔雀石的晶形及分布特征可分为两类:①以不规则粒状集合体产出的孔雀石均匀分布于脉石基底中,其内部常包裹细粒脉石及辉铜矿等(图2(a)),嵌布粒度较粗,粒级为0.05～0.2 mm;②以细脉状、纤维状产出于岩石裂隙及脉石晶粒缝隙中(图2(b)),此类孔雀石嵌布粒度为0.01～0.1 mm。矿石中孔雀石的化学成分较稳定(表5),平均含CuO 71.95%、CO218.98%,并掺杂了杂质Fe,平均含量为0.15%。

表5 孔雀石的能谱微区成分分析结果Table 5 Analysis results of micro area components of the energy spectrum for malachite %

图1 孔雀石与其他矿物嵌布特征Fig.1 Dissemination characteristic of malachite with other minerals

3.2 水钴矿

水钴矿是矿石中主要的氧化钴矿物,自然界中产出的水钴矿成分不固定,矿物晶格中的钴原子可被Cu、Fe、Al、Ni等碱金属元素取代[11-12]。 该矿区产出的水钴矿多以非晶质的球状或肾状团块、不规则粒状形式分布,与孔雀石复杂连生(图2),且粒度细小,多在0.05mm以下。矿石中水钴矿的化学成分变化较大(表6),平均含Co 57.35%、O31.40%,并掺杂了杂质Cu、Si,平均含量分别为6.19%、4.18%。

图2 肾状水钴矿与孔雀石复杂连生Fig.2 Renal heterogenite associated complexly with malachite

表6 水钴矿的能谱微区成分分析结果Table 6 Analysis results of micro area components of the energy spectrum for heterogenite %

3.3 黑铜矿、磷铜矿、硅孔雀石

(1)黑铜矿。黑铜矿是矿石中的氧化铜矿物之一,含量较少。黑铜矿为单斜晶系[13],矿石中的黑铜矿多呈不规则粒状、同心放射状、胶状等形式产出,该矿物与孔雀石、水钴矿、褐铁矿、锰铜钴水合物以及脉石等矿物关系密切,常分布在这些矿物的颗粒间隙、裂隙和空洞中,粒度为0.01～0.1 mm。

(2)磷铜矿。矿石中的磷铜矿矿物含量低于黑铜矿和硅孔雀石含量。磷铜矿为斜方晶系[14],理论含CuO66.54%、P2O529.69%、H2O 3.77%,呈浅绿色至深绿色、黑绿色,晶形多为不规则粒状集合体,少数为皮壳状集合体,镜下可观测到磷铜矿与孔雀石、黑铜矿等矿物关系密切,常分布于孔雀石矿物间隙、裂隙及空洞中,粒度为0.03～0.2 mm。矿石中磷铜矿的化学成分较稳定(表7),除CuO、P2O5之外,还掺杂了杂质Fe2O3。

表7 磷铜矿的能谱微区成分分析结果Table 7 Analysis results of micro area components of the energy spectrum for libethenite %

(3)硅孔雀石。硅孔雀石是矿石中的主要铜矿物之一,常呈隐晶质或胶态集合体[15],硅孔雀石在该矿样中主要呈不规则粒状与孔雀石、褐铁矿共生(图3),粒径主要为0.02～0.5 mm。

图3 硅孔雀石与孔雀石、褐铁矿连生Fig.3 Chrysocolla associated with malachite and limonite

3.4 铁矿物

矿石中主要的氧化铁矿物为褐铁矿、赤铁矿等,含量较高,多以不规则状产出,部分呈胶状、环状产出(图4),其次以细脉状充填于脉石矿物的颗粒间隙及矿石裂隙中。褐铁矿与孔雀石、水钴矿的嵌布关系密切,故磨矿时难以与目的矿物孔雀石等解离。铁矿物嵌布粒度分布不均,主要集中在0.05～0.2 mm,且其内部常含有一定量的杂质Mn、Cu、Co,以机械混入的形式存在。

图4 环状结构的胶状褐铁矿Fig.4 Colloidal limonite with ring structure

3.5 锰铜钴水合氧化物

矿石中含少量的锰铜钴水合氧化物,是主要的含锰矿物,含量低。锰铜钴水合氧化物为黑色,呈胶状、皮壳状产出,与孔雀石、水钴矿、黑铜矿、磷铜矿、褐铁矿、石英、滑石等矿物关系密切,紧密镶嵌。图5为锰铜钴水合氧化物的SEM图。

图5 锰铜钴水合氧化物的SEM图Fig.5 SEM images of manganese-copper-cobalt hydrated oxide

3.6 脉石矿物

矿石中脉石含量最高的是石英和云母,其次为绿泥石、滑石和黏土,并含少量角闪石及碳酸盐矿物。云母矿物主要是白云母,微量黑云母,晶形主要为条纹状、微细条纹状、叶片状、细粒状、微细粒状、自形鳞片状,常为集合体产出,多数与石英一起构成脉石角砾;绿泥石呈纤维状、放射状嵌布,多为角闪石蚀变而成;滑石呈他形粒状集合体,部分呈粒度细小的不规则他形碎屑状,与云母等伴生;黏土矿物主要是高岭石,分散分布于白云母、石英等矿物间隙中。

4 主要矿物的嵌布粒度

镜下对矿石中孔雀石、硅孔雀石、水钴矿、黑铜矿、磷铜矿及锰铜钴水合氧化物等含铜钴矿物的嵌布粒度进行统计,结果如表8所示。

表8 主要含铜钴矿物的嵌布粒度Table 8 Embedded particle size of main copper and cobalt bearing minerals

由表8可知,矿石中孔雀石、水钴矿均具不均匀中细粒嵌布的特征,而黑铜矿、磷铜矿、硅孔雀石及锰铜钴水合氧化物则属细粒嵌布的范畴[16]。

5 影响选矿的工艺矿物学因素及推荐的选矿工艺

目的元素铜赋存状态复杂,除常见的孔雀石、硅孔雀石外,还含有大量的结合氧化铜,这些结合氧化铜多为与氧化铁锰钴紧密结合的铜,并有部分硅孔雀石与褐铁矿紧密共生,且硅孔雀石中铜分布率为42.79%,而硅孔雀石在现阶段普遍认为难以浮选,如采用常规的硫化活化—长链黄药浮选方法处理SODIMIKA氧化铜钴矿[17],仅能回收占总铜35.35%的自由氧化铜,大量其他赋存状态的铜元素流失于尾矿之中。

钴作为SODIMIKA表层氧化铜钴矿中的伴生元素,其主要赋存矿物水钴矿多呈细粒包裹连生于孔雀石中,少量硫化态的钴主要以含钴的黄铁矿赋存,这2种形态的钴均可通过硫化活化—长链黄药浮选工艺进入氧化铜精矿中,形成氧化铜钴精矿,而与褐铁矿紧密结合的硅孔雀石及锰铜钴水合氧化物虽现阶段无法通过浮选法回收,但其具有与赤铁矿、褐铁矿相近的比磁化系数,可通过高梯度强磁的方式加以回收,得到一个铜、钴品位较低的磁选铜钴精矿。

为提高SODIMIKA表层氧化铜钴矿中主要金属元素的综合回收率,结合其工艺矿物学特征,可在常规的硫化活化—长链黄药浮选处理工艺后新增一个高梯度强磁选作业,经联合工艺处理后,浮选氧化铜钴精矿及磁选铜钴精矿中的铜回收率可达到75%以上(部分与褐铁矿共生不明显的硅孔雀石难以磁选回收),钴回收率可达到80%以上,推荐的选矿原则工艺流程如图6所示。

图6 推荐的选矿原则工艺流程Fig.6 Recommended beneficiation principle process

6 结 论

(1)SODIMIKA氧化铜钴矿属于深度氧化的表层氧化铜钴矿石,矿石中主要可回收元素为Cu、Co,含量分别为2.15%、0.19%。铜主要以硅孔雀石中铜、自由氧化铜的形式存在,钴主要以氧化钴、硫化钴的形式存在。

(2)矿石中主要金属矿物为硅孔雀石、孔雀石、水钴矿、黑铜矿、磷铜矿、锰铜钴水合氧化物及赤(褐)铁矿等;脉石矿物主要为石英、白云母、绿泥石、滑石等。

(3)矿石的结构类型主要为半自形—他形粒状结构、自形纤维状结构、鳞片状结构及胶状结构等;构造类型主要为块状构造,其次为角砾状构造及皮壳状构造等。

(4)矿石中孔雀石、水钴矿均具不均匀中细粒嵌布的特征,而黑铜矿、磷铜矿、硅孔雀石及锰铜钴水合氧化物则属细粒嵌布。

(5)矿石中的孔雀石、硅孔雀石、黑铜矿和磷铜矿及水钴矿、锰铜钴水合氧化物的嵌布关系非常复杂,另外部分细粒的铜、钴矿物与脉石矿物的关系较为密切,同时结合氧化铜多为与氧化铁锰钴紧密结合的铜,硅孔雀石、褐铁矿共生现象严重。

(6)推荐采用浮—磁联合工艺,即浮选回收部分粗粒单体的自由氧化铜矿物、磁选回收比磁化系数较高的、与氧化铁锰紧密结合的铜钴。