矿物自动分析系统在攀西某矿区钒钛磁铁矿工艺矿物学上的应用.pdf

18工业科技SCI-TECHTFORMATIONPZNZHIHUA矿物自动分析系统在攀西某矿区钒钛磁铁矿工艺矿物学上的应用钟祥2,陈福林,史志新-2,高健.21.攀钢集团研究院有限公司钒钛资源综合利用国家重点实验室，2.四川攀研检测技术有限公司摘要为得到攀西某钒钛磁铁矿矿石基础的工艺矿物学数据，为以后矿床的开发利用提供包括矿石中矿物组成、含量、元素分布、理论回收率等基础工艺矿物学数据支撑，利用矿物自动分析系统（AMICS)对攀西某钒钛磁铁矿矿石进行研究。从矿区现场取样，在实验室将取回的块状钒钛磁铁矿矿石破碎、磨细、缩分后得粉末样品。为减小粒度差异带来的实验误差，将粉末样品筛分成8 个粒级的样品，再制成光片，喷金处理后利用AMICS对分级后的钒钛磁铁矿矿石样品进行研究。查明了矿石的矿物组成及含量、关键元素的赋存状态、矿石矿物的单体解离等工艺矿物学特征。结果表明：攀西某矿区钒钛磁铁矿中矿石矿物主要为钛磁铁矿和钛铁矿，脉石矿物主要为透辉石、角闪石、橄榄石等硅酸盐矿物；矿石中Fe元素主要赋存于钛磁铁矿和钛铁矿中，分布率分别为7 1.8 5%和7.8 0%，另有19.46%的Fe元素分布于硅酸盐矿物中，这部分Fe元素很难回收利用。关键词：矿物自动分析系统（AMICS）；工艺矿物学；钒钛磁铁矿；矿物组成；钛磁铁矿；钛铁矿；硅酸盐钒钛磁铁矿是我国重要的战略矿物，其主要是以铁、钒、钛有益元素为主和少量铬、镍、钴等伴生的多元共生矿，具有重要的综合利用价值。全球钒钛磁铁矿储量巨大，主要集中在中国、南非、俄罗斯、美国等少数几个国家，这些国家占比分别达36%、31%、18%和10%。我国的钒钛磁铁矿资源主要集中攀西地区（攀枝花-西昌）、河北承德、陕西汉中、湖北勋阳和襄阳、广东兴宁及山西代县等地区，其中仅攀西地区钒钛磁铁矿资源储量就高达10 0 亿吨，且分布相对集中，是我国最大的钒钛磁铁矿产地。不同矿区的钒钛磁铁矿矿石矿物学特征有很大的差别,因此，详尽的工艺矿物学研究对于矿床的开发利用以及选矿工艺的制定有着非常重要的作用传统的工艺矿物学研究方法主要是利用光学显微镜、X射线衍射仪（XRD）、化学分析等分析手段，对矿石的化学组成、元素赋存状态、矿物组成、矿物间的嵌布关系等进行研究。但是，传统的工艺矿物学研究方法对研1920233年第3期攀枝花科技与信息第48 卷（总第15 4期）究人员的水平要求很高，需要在显微镜下认识矿物并目估矿物含量、统计矿物粒度、计算单体解离度等，有着不小的实验误差且工作量巨大。随着电子显微镜的普及，以及基于电子显微镜和能谱仪开发的矿物自动分析系统的应用,越来越多的学者利用BPMA(工艺矿物学参数自动分析系统）、MLA（矿物自动解离系统）、AMICS（矿物自动分析系统）等矿物分析软件开展工艺矿物学的研究，并取得较好的成果。AMICS是由国际工艺矿物学家团队主持开发的第三代矿物参数自动定量系统，较第一代QEMSCAN及第二代MLA在图形及数据处理上有较大的改进和提升。该技术利用背散射电子图像作为基础图像，运用现代图像分析及能谱测试技术，结合自动样品位移，最终由计算机自动拟合计算后获得工艺矿物学参数。使用该方法测量可同时获取样品矿物组成、样品矿物元素组成、矿物元素的分布信息、矿物颗粒尺寸分布、单体矿物颗粒尺寸分布、矿物颗粒比重分布、矿物及矿物元素品位回收率估算、矿物生存关系、矿物的连生关系、矿物的解离度等一系列重要参数,并可生成样品背散射（BSE）图，样品矿物成分分布图。目前，利用该技术来研究各类型矿床的工艺矿物学特征并指导选矿工作的成功案例不在少数。因此,本文利用AMICS对攀西某矿区钒钛磁铁矿矿石样品开展详尽的工艺矿物学研究，旨在丰富矿区基础工艺矿物学资料，为矿床开发利用及制定选矿流程提供科学依据1实验方法1.1主要仪器ZeissSigma500型高分辨率场发射扫描电子显微镜（FESEM，C a r l Ze i s s）；Br u k e rXFlash6/60型X射线能谱仪（EDS,Bruk-er）。A M I C S分析软件：包括AMICSTool、AMICS TDManager、A M I C SSInvestigator 和AMICSProcess共4个程序1.2样品制备表1矿石样品分级情况粒级mm质量：质量百分比%1 0.571.57.250.5 0.25341.834.670.25 0.15179.218.170.15 0.181.19.040.1 0.07462.86.370.0740.04363.66.450.0430.03825.82.62-0.038152.215.43总计986100利用AMICS分析时，需将粉末样品用环氧树脂冷镶成直径为30 mm的圆形光片样品，经磨光、抛光、喷金处理后再放人电镜。常困扰研究人员的一个问题是，直接破碎-磨细后的钒钛磁铁矿样品粒度分布十分不均匀，直接将粉末样品制成光片分析会出现重力分异现象以及细小颗粒团聚的现象，对分析检测造成严重的误差。因此，本次研究将取自攀西某矿区的约10 0 kg块状钒钛磁铁矿矿石经破碎-棒磨-缩分后得到98 6 g粒径均小于1mm至0.0 7 4mm（粒径小于0.0 7 4mm）约占2 5%的粉末样品，再进行分级处理，采用湿筛的方法将原矿筛分成8 个粒级，对应的质量百分比分别为7.2 5%、34.6 7%、18.17%、9.04%、6.37%、6.45%、2.6 2%及5.43%,见表1。将8 个粒级的样品烘干后制成AMICS测试所需的光片试样，再对样品表面进行喷金处理，以消除不导电样品的荷电现象20SCI-TECH&IIFORMATIONPZNZHIHUA1.3分析方法设置加速电压2 0 kv，工作距离8.6 mm，选择背散射电子探测器（HDBSD）为探头，物镜光阑12 0 m，并选择Middlecurrent模式。实验测试是将8 个样品放人9孔载物台一起测试，在AMICSTDManager软件中建立一矿物组，再打开AMICSInvestigator软件分别添加8 个样品，并选择刚建立好的矿物组，再驱动电镜至1号样品位置，测量模式选择Parti-cle，勾选上矿物标准自动生成，最小矿物颗粒面积设置为10 0 m，X-R a y 采集时间20s，放大倍数2 0 0 倍，背景灰度上限40,并将其他参数设置成适合的数据。对另外7 个样品也重复上述操作后，检测无误后开始运行测试。测试完成后，在AMICS TDManager软件中会自动生成矿物列表，再在AMICSProcess软件中对矿物列表中的矿物进行分类、染色处理，就可以得到一系列工艺矿物学相关的数据2结果与讨论2.1矿物组成利用AMICS矿物自动分析系统测得钒钛磁铁矿矿石不同粒级的矿物组成见表1。由表1可知，不同粒级矿石的矿物组成相似，但含量上略有不同。矿石矿物主要为钛磁铁矿和钛铁矿，含量上大致与粒径呈正相关；脉石矿物最主要为透辉石，含量均在2 9%（质量分数，下同）以上，并与粒径呈负相关，除透辉石外，还含有少量的镁橄榄石、角闪石、贵橄榄石、石等硅酸盐矿物；硫化物主要为磁黄铁矿，次要为镍黄铁矿和黄铜矿，硫化物含量均在1%以下表1不同粒级矿石的矿物组成不同粒级的矿物含量矿物名称10.50.5 0.25 0.250.15 0.150.10.1 0.0740.0740.0430.0430.038-0.038mmmmmmmmmmmmmmmm钛磁铁矿45.3246.3640.0730.9426.4325.2624.8010.72透辉石29.5331.8233.9237.6437.0337.0636.0041.35镁橄榄石5.204.114.065.686.436.545.807.53钛铁矿7.367.647.837.286.596.546.843.34角闪石3.853.504.945.767.578.609.3316.94贵橄榄石3.422.053.374.275.544.965.736.55石1.071.191.471.791.912.202.182.27普通辉石0.810.290.430.651.071.211.402.42镁铝尖晶石0.770.680.660.570.530.610.650.81磁黄铁矿0.750.090.210.270.170.430.470.19钙长石0.560.210.580.981.231.180.960.82钙铁辉石0.410.230.350.450.570.540.640.57钾长石0.210.380.420.781.000.920.820.05钛辉石0.140.120.140.150.190.180.210.28黑云母0.120.360.490.931.351.251.091.49石英0.110.020.180.280.350.320.350.47钙钛矿0.050.140.070.100.090.130.080.062120233年第3期（总第15 4期）攀枝花科技与信息第48 卷不同粒级的矿物含量矿物名称10.50.5 0.25 0.25 0.15 0.15 0.10.1 0.0740.0740.0430.0430.038-0.038mmmmmmmmmmmmmmmm铬铁矿0.040.010.020.010.010.010.020.01磷灰石0.040.200.040.140.200.350.320.68镍黄铁矿0.120.120.140.100.170.090.130.06黄铜矿0.030.040.030.070.080.100.110.27金属铁0.030.000.020.010.130.070.130.00铁橄榄石0.030.090.090.320.530.540.781.24方解石0.020.300.400.800.810.841.161.84闪锌矿0.010.000.010.010.010.010.000.02绿泥石0.000.050.060.020.010.060.000.02总计100.00100.00100.00100.00100.00100.00100.00100.00根据矿石筛分后各粒级的质量百分比可以计算出分级前原矿石的矿物组成，计算得到原矿中钛磁铁矿含量为34.98%，钛铁矿含量为6.8 0%，脉石矿物主要为透辉石、角闪石、镁橄榄石和贵橄榄石，含量分别为34.81%、6.8 7%、5.2 1%、3.7 5%。计算结果见表2。2.2钛磁铁矿的嵌布关系及成分特征利用AMICSProcess车软件可以将分析区域中能谱成分相似度在95%以上的矿物颗粒归为同一类，然后将同类矿物染成一个颜色，这样就能更加直观地看出不同矿物之间的嵌布关系，如图1和图2；还可以非常便捷地分析目的矿物的嵌布关系，对感兴趣的区域只需选中后“驱动电镜至当前位置”就可以快速的找到需要分析的区域钛磁铁矿是选矿回收利用铁的目的矿物，原矿中钛磁铁矿的含量为34.98%。不同表2分级前矿石的矿物组成矿物名称含量%矿物名称含量%钛磁铁矿34.98钙铁辉石0.39透辉石34.81铁橄榄石0.36角闪石6.87磷灰石0.25钛铁矿6.80磁黄铁矿0.24镁橄榄石5.21石英0.20贵橄榄石3.75钛辉石0.16石1.61镍黄铁矿0.11普通辉石0.86钙钛矿0.10黑云母0.73黄铜矿0.09镁铝尖晶石0.68绿泥石0.04方解石0.67金属铁0.02钙长石0.61铬铁矿0.01钾长石0.44闪锌矿0.0122SCI-TECH&IJFORMATIONPZNZHIHUA图1粒径为1 0.5 mm铁矿石的背散射图钛磁铁矿钛铁矿透辉石角闪石橄榄石普通辉石钙透辉石石磁黄铁矿镁橄榄石镍铁矿黄铜矿铁橄榄石钙长石镁铝尖晶石图2粒径为1 0.5 mm铁矿石的AMICS染色图粒级中的钛磁铁矿的嵌布特征相似，只是随粒度的变细，钛磁铁矿的单体解离度越高，因此主要选择粒径较大的1 0.5 mm和0.5 0.25mm中的钛磁铁矿为研究对象，能更好的反应钛磁铁矿的连生关系。本文在AM-ICS染色图中用红色对钛磁铁矿进行染色，将全部的钛磁铁矿颗粒根据面积正排序后得到钛磁铁矿颗粒图（图3）。对排序后的钛磁铁矿颗粒图（图4）观察可知，矿石中的钛磁铁矿颗粒主要呈粒状、不规则状产出，主要与透辉石、角闪石、橄榄石等脉石矿物共生，少量以星点状或斑状嵌布于脉石矿物中（图5）。部分钛磁铁矿与钛铁矿、石、磁黄铁矿紧密嵌布（图6）。矿石中钛磁铁矿颗粒普遍与格子状、片状钛铁矿呈固溶体分离结构产出，并常见片状或粒状的镁铝尖晶石被钛磁铁矿包裹（图7），这与攀西地区其余矿区中钛磁铁矿特征相似。利用能谱探针对矿石中的钛磁铁矿成分进行分析，主要选取大颗粒且矿物表面干净具有代表性的钛磁铁矿颗粒进行分析，结果表明钛磁铁矿中除含有O和Fe以外，还普遍含有Ti、M g、A l、C r、V等不利于回收利用Fe的杂质（图8）。随机选取10 0 个较大粒径且表面干净的钛磁铁矿颗粒进行能谱探针分析，求得Fe元素在钛磁铁矿中含量平均值为 6 6.5 2%图3钛磁铁矿颗粒面积正排序的AMICS染色图2.3Fe元素在矿物中的配分利用AMICS矿物自动分析系统可以得到各粒级矿石中Fe元素的分布情况，见表3。由表3可知，不同粒级矿石样品中Fe元素的分布情况略有不同，粒径大于0.0 38 mm的7 个粒级试样中,Fe元素最主要分布于钛磁铁矿中，在钛磁铁矿中的分布率均大于65.85%，而在粒径小于0.0 38 的试样中，仅有39.5 1%的Fe元素分布于钛磁铁矿中。总的来说，Fe元素最主要赋存于钛磁铁矿中，其次是钛铁矿，还有少量的铁赋存于透辉石、贵橄榄石、角闪石、普通辉石等脉石矿物中。Fe元素的赋存状态除了与各矿物中Fe元素的含量有关,也受各粒级中各矿物的含量影响。根据矿石筛分后各粒级的产率可以计算出分级前的原矿石中Fe元素的分布规律，原矿石中有7 1.8 5%的铁以钛磁铁矿的形式存在，7.8 0%铁以钛铁矿的形式存在，19.46%2320233年第3期(总第15 4期）攀枝花科技与信息第48 卷的铁以透辉石、角闪石、橄榄石等硅酸盐矿物的形式存在。具体的计算结果见表4。bBT2000AVSdAHOSDO0422O2021EHT-2000AVSiPNA-HOSDZESXDule:22Oat2021YWO:8.8mMg232XTime:t132:47WO-86mmMeg-165XTme11:37:15ZEISTa：大颗粒钛磁铁矿与角闪石共生；b：大颗粒钛磁铁矿与橄榄石共生；100umEHT-20:00MVSigtmAHDBSDDole22 Oer2021ZEIXET-2000AVSigeadA-HDESDOl22Ot2021WD=.8.9mmZEISSMag371XT0ne:78.44:18WD.m8.6mmMug.*216XTimme-11.51:49c：钛磁铁矿与透辉石共生；d：钛磁铁矿被透辉石包裹，可见角闪石反应边图4粒状钛磁铁矿与硅酸盐矿物共生b100uEHT-20:00KVSIgrdA=HD8SDDate22Od2021ZEIXS401EHT-20.00kVSonNAHDeSDDate22Od2021WD=8.8mmZEISTMag-232XTime11-12:21WD=8.9mmMag592X70mm-16:56-11a：钛磁铁矿与磁黄铁矿、透辉石共生，部分钛磁b：细小的钛磁铁矿呈星点状嵌布于透辉石颗铁矿呈星点状嵌布于透辉石中；粒中图5钛磁铁矿呈星点状、斑状嵌布于透辉石中ab100umtEHT-20:00kVSigndAHDBSODato.22Od2021ZEISS40uEHT20.00kVSigndA=HDBSDDato22:Od2021WO=0.8mmWO=89omZEISMog-,277XTeo11.4555Nog630XTome1848.45a：钛磁铁矿与钛铁矿共生，中间夹细粒石颗粒；b：钛磁铁矿与角闪石、磁黄铁矿共生图6钛磁铁矿与钛铁矿、磁黄铁矿共生24SCI-TECH&IFORMATIONPZNZHIHUA3047EHT=20.00kVSigrat AHDBSDDate22Od2021WD=8.8mmTm17.3949ZESSMag905X图7钛磁铁矿颗粒与片状钛铁矿（客晶）呈固溶体分离结构产出并包裹粒状镁铝尖晶石cps/ev140120100Fe-La180Mg-KQ160O-KalT-KoIFe-kai40200024681012Energy kev图8钛磁铁矿的能谱谱图表3不同粒级矿石中Fe元素的分布规律不同粒级矿石中铁的分布率%矿物名称10.50.5 0.25 0.250.15 0.150.10.1 0.0740.0740.0430.0430.038-0.038mmmmmmmmmmmmmmmm钛磁铁矿79.3283.0178.9372.7067.5966.3065.8539.51钛铁矿7.327.348.148.988.878.669.016.93透辉石5.745.666.588.779.6810.309.0515.36贵橄榄石2.261.242.203.284.584.234.678.01角闪石1.841.432.193.034.375.115.2812.34磁黄铁矿1.160.070.290.440.290.830.930.62镁橄榄石0.800.330.340.580.720.760.641.44普通辉石0.760.300.430.711.181.461.5910.52钙铁辉石0.210.110.180.270.370.370.410.59钛辉石0.130.100.130.160.200.210.240.31镁铝尖晶石0.110.100.110.100.100.110.120.26金属铁0.090.000.060.050.560.310.540.00镍黄铁矿0.080.080.110.090.150.060.090.05铬铁矿0.040.010.020.010.010.020.020.02黄铜矿0.040.030.030.100.100.150.150.61铁橄榄石0.040.090.110.460.770.781.092.81黑云母0.030.070.110.230.360.310.260.59黄铁矿0.030.030.040.040.100.030.060.03总计100.00100.00100.00100.00100.00100.00100.00100.002.4钛磁铁矿单体解离度特征原矿中钛磁铁矿的含量为34.98%，有71.85%的Fe元素赋存于钛磁铁矿中。利用矿物自动分析系统（AMICS）对矿石分级后的8 个不同粒级的矿石样品中钛磁铁矿的单体解离度进行了详细的测定。将连生体按照五分法（五分比例为大于4/5、4/5 3/5、3/52/5、2/5 1/5 和小于1/5）进行分类。钛磁铁矿的单体解离度越高，越有利于之后磁选回收钛磁铁矿，结果表明，8 组分析试样中2520233年第3 期攀枝花科技与信息（总第15 4期）第48 卷钛磁铁矿的单体解离度总体趋势是随粒径的减小而增大，粒径为1 0.5 mm和0.5 0.25mm的矿石样品中的钛磁铁矿呈完全单体解离的分布率分别为0.7 9%和3.95%，而粒径为0.2 5 0.15 的矿石样品中的钛磁铁矿呈完全单体解离的分布率为14.96%，发生了较大的变化。具体的分析结果见表5。根据矿石筛分后各粒级的产率可以计算出分级前原矿石中钛磁铁矿的解离度情况，计算结果见表6。由表6 可知，原矿石中完全单体解离的颗粒占13.96%，解离度大于4/5的颗粒占5 3.7 2%。表4分级前矿石中Fe元素的分布规律矿物名称铁的分布率%矿物名称铁的分布率%钛磁铁矿71.85钙铁辉石0.26透辉石8.25黑云母0.21钛铁矿7.80钛辉石0.16角闪石3.95黄铜矿0.14贵橄榄石3.21镁铝尖晶石0.13普通辉石2.14金属铁0.09铁橄榄石0.66镍黄铁矿0.09镁橄榄石0.62黄铁矿0.04磁黄铁矿0.39铬铁矿0.02表5不同粒径矿石中钛磁铁矿的解离度特征被与其他矿物连生关系分级粒径单体项目完全mm解离包裹4/54/53/53/52/52/51/54/54/53/53/52/52/51/51/5解离颗粒数/粒79750264223752866420261227178钛磁铁矿分布率/%0.112.936.9212.9123.4139.7613.96累计分布率/%100.0099.8996.9690.0477.1353.7213.963结语本文利用矿物自动分析系统（AMICS）对分级的攀西地区某钒钛磁铁矿矿石开展了详尽的工艺矿物学研究。结果表明，攀西地区某钒钛磁铁矿矿石中矿石矿物主要为钛磁铁矿和钛铁矿，含量分别为34.9 8%和6.80%；脉石矿物最主要为透辉石，含量为34.81%。攀西地区某钒钛磁铁矿矿石中有71.85%的铁以钛磁铁矿的形式存在，7.8 0%铁以钛铁矿的形式存在，19.46%的铁以透辉石、角闪石、橄榄石等硅酸盐矿物的形式存在。攀西地区某钒钛磁铁矿粒径小于0.074mm占2 5%的矿石中完全单体解离钛磁铁矿的颗粒占13.96%，解离度大于4/5 的颗粒占5 3.7 2%矿物自动分析系统（AMICS）在钒钛磁铁矿工艺矿物学研究方面与传统技术相比具有显著地优势，一次性最多可以分析9个试样，建立同一矿物组，可以同时得到多个试样的矿物组成、元素分布、解离度特征等工艺矿物学特征。（参考文献略）