印尼Lokasi 海滨砂矿工艺矿物学研究

赖翔，陈翠华，蒋晓辉，张燕，李引，王嘉欣，康许浩

（1.成都理工大学，四川 成都 610059；2.四川龙蟒矿冶有限责任公司，四川 攀枝花 617112）

钒钛磁铁矿是以Fe、Ti 为主要元素，并富含有V、Co、Ni、Zn、Pb、Cu、Mo、Au、Ag 等 伴生元素的矿产资源，在航空、化工、机械、电力、医疗器械等多个领域有广泛的应用，具有非常高的综合利用价值。截止2018 年底，世界已探明铁矿金属储量840 亿t（矿石量1700 亿t），中国的铁矿金属储量69 亿t，继澳大利亚、巴西、俄罗斯之后，排在第四位；世界已探明钛铁矿储量8.8 亿t，中国钛铁矿储量2.3 亿t，居世界第二。 2017 年到2019 年，由于环保标准的提高，全球各大钢铁生产商致力于提高矿石综合利用率，减小能源消耗，导致铁矿石产量增加缓慢[1]。随着资源开发的逐步扩展,海滨砂钒钛磁铁矿逐渐受到研究单位和企业的重视。海滨砂矿原矿粒度多小于5 mm,省去了破碎工段作业,可大幅降低企业建厂的投资成本。此外,海滨砂矿依海开采,技术简单,也无需考虑尾矿库问题[2]。印度尼西亚是世界上最大的群岛国家，具有大量的铁钛海滨砂矿资源，其开发利用现状已受到了越来越多学者的关注。本文以印尼Lokasi 地区的海滨砂钒钛磁铁矿为研究对象，对其工艺矿物学性质进行研究，以期为滨海砂矿型钒钛磁铁矿的综合利用提供一些参考资料。

1 物质组成

1.1 化学组成

化学多元素分析结果（表1）表明，Lokasi海滨砂钒钛磁铁矿化学成分组成与中国典型矿床中钒钛磁铁矿石存在明显差别。TFe 含量较高，Fe2+/Fe3+约为0.88；S、P 含量远低于其他产地的矿石，属低硫低磷矿砂；伴生TiO2含量5.66%，V2O5含量0.22%，与攀枝花钒钛磁铁矿矿石相关指标接近，皆达到了伴生组分综合利用工业要求[3]；CaO+MgO/SiO2+Al2O3约为0.57，整体偏酸性[3]。

表1 原矿化学多元素分析/%Table 1 Analysis results of chemical multi-elements

1.2 矿物组成

通过对砂光（薄）片的鉴定，以及电子探针的分析。Lokasi 海滨砂矿组成见表2，主要金属矿物为钛磁（赤）铁矿，次要金属矿物为钛铁矿，还可见极少量的褐铁矿。脉石矿物主要为紫苏辉石、普通辉石和橄榄石，少量角闪石和长石类矿物等，另可见极少量碳酸盐成分的生物碎屑及黄铁矿、磁黄铁矿。根据矿砂矿物组成推断，Lokasi海滨砂矿源属于橄辉岩型矿石。

表2 矿砂矿物组成Table 2 Mineral composition of the ore

2 主要矿物特征

2.1 钛磁铁矿

实体镜下，钛磁铁矿为黑色，半金属光泽。多数晶粒为半自形粒状，磨圆度属次圆-次棱角。自形晶以等轴八面体为主，偶见八面体和菱形十二面体聚形。粒度集中在0.1 ～ 0.2 mm。钛磁铁矿多数以独立晶粒存在，个别呈两晶粒连晶，常见粘附有细小风化的土状脉石。少数钛磁铁矿与长石、辉石连生，组成比例不等的连生体。反射偏光显微镜下，常见钛磁铁矿赤铁矿化。按照固溶体矿物的组合，将Lokasi 钛磁铁矿分为4 种类型:①没有固溶体出溶的均一钛磁铁矿（图1 a）。②仅赤铁矿和钛铁矿出溶的钛磁铁矿（图1 b）。③单一尖晶石出溶矿物的钛磁铁矿（图1 c）。④同时有赤铁矿、钛铁矿、尖晶石出溶矿物的钛磁铁矿（图1 d）。各类型钛磁铁矿占比约为89.55%、5.78%、2.97%、1.70%。赤铁矿和钛铁矿片晶分为宽度5 ～ 20 μm的宽片晶和宽度1 ～ 2 μm的窄片晶；钛磁铁矿中的尖晶石有粒状和片状两种形态。其中，片状尖晶石较常见，片晶宽约1 μm，长10 ～19 μm，在主晶基底上定向排列。粒状尖晶石一般自形程度较高，粒径5 ～ 20 μm，它们有时单独产出，有时和片状尖晶石一起产出。不同类型钛磁铁矿之间的结构差异对钛磁铁矿整体成分的影响较小，其成分特征见表3、表4。

表3 均一钛磁铁矿电子探针分析/%Table 3 Electron probe analysis of homogenous titanium magnetite

表4 钛磁铁矿单矿物化学分析/%Table 4 Chemical analysis of a single mineral of ilmenmagnetite

图1 钛磁铁矿镜下结构Fig .1 Photomicrographs of titanomagnetite textures

2.2 钛铁矿

钛铁矿主要以纯净粒状颗粒或片晶形式产出。实体镜下，钛铁矿为黑色，半金属光泽，粒度及磨圆度与钛磁铁矿相似。颗粒形态为厚板状、六方柱状、偶见肘状连晶。多数呈单体，少数与脉石连生。反射偏光显微镜下，未见赤铁矿固溶体分解片晶。同一钛铁矿颗粒内FeO 及TiO2含量差异较小，但不同钛铁矿s 颗粒之间FeO 及TiO2含量差异较大，FeO 和TiO2含量区间分别为46.78%～ 54.07%和38.27% ～ 52.04%（表5）。

表5 钛铁矿电子探针分析/%Table 5 Electron microprobe analysis of ilmenite

Lokasi 矿砂中的钛铁矿TiO2含量较世界各典型矿床中的钛铁矿低，平均值比理论值低7.97%[6]。

在电子显微镜下，将扫描图像放大3000 倍可观察到钛铁矿颗粒成分其实并不均一，钛铁矿颗粒表明可见明显灰色微细条纹，能谱分析结果表明（表6，图2），灰色条纹与浅灰色部分的化学组成基本一致，氧原子数占总原子数的60%左右，接近刚玉型晶体的氧原子比例，但是A 位原子和B 位原子(Fe ＋Mg)/Ti=1.527，较钛铁矿这一比值的理论值高出约30%。有理由推测，Lokasi 海滨砂矿中的钛铁矿可能是由FeTiO3分子和Fe2O3分子组成的固溶体矿物。根据电子探针分析结果，先固定阳离子总数，将离子数分配值标准化，再通过理想化学配比计算法确定Fe3+离子数，最终计算得Lokasi海滨砂钛铁矿分子式为：0.83(Fe0.878Mg0.104Mn0.017Ca0.001)TiO3·0.17(Fe1.921Al0.046V0.028Cr0.005)O3,即钛铁矿固溶体颗粒中钛铁矿与赤铁矿比例约为8:2。因此就目前的技术水平而言，不能从Lokasi 海滨砂矿中选出独立的高品位钛精矿。

表6 钛铁矿能谱分析结果Table 6 Energy spectrum analysis of ilmenite

图2 能谱分析图像Fig .2 Image of energy spectrum analysis

3 元素的配分

在测得矿砂平均品位，矿物含量，矿物固溶体特征，单矿物成分的基础上，估算出各矿物密度，对Fe、Ti 配分比进行计算，结果见表7。

表7 Fe、Ti 在矿物中的配分Table 7 Element distribution of Fe and Ti

矿砂中大部分的Fe 和Ti 元素都赋存于钛磁铁矿颗粒中，由于钛铁矿的矿物含量较少，其Fe、Ti分配占比率均较低。脉石矿物中含有大量的橄榄石、角闪石及辉石类矿物，这些矿物的阳离子容易被Fe2+或Fe3+取代，因此脉石中的Fe 配分比相对较高。约99.88%的Ti 都赋存于钛磁铁矿和钛铁矿中，分配相对集中。

4 粒度及解离度特征

通过筛析分级，测得钛磁铁矿粒度分布特征（表8）。80%钛磁铁矿粒度介于0.1 ～ 0.2 mm，粒径-0.1 mm 3%，+0.3 mm 6%。钛磁铁矿粒度分布曲线和累计曲线见图3，属于均匀型矿石，粒度范围较窄，且分布较为集中，通常情况下，采用一段磨矿即可得到理想的选矿条件。

表8 钛磁铁矿粒度分布特征Table 8 Grain size distribution characteristics of titanomagnetite

图3 矿物工艺粒度分布特征Fig .3 Characteristics of process grain size distribution

Lokasi 海滨砂矿钛磁铁矿解离状态测定结果表明（表9），钛磁铁矿原矿单体解离度达90%，单体和大于3/4 连生体之和达99%，自然解离情况极好。由此可见，该矿砂不需再磨就能选得高纯度的铁精矿。不过由于其氧化程度稍深，约有8%的钛磁铁矿因为磁性减弱，易损失于尾矿。

表9 钛磁铁矿解离特征Table 9 Mineral locking and liberation characteristics of titanomagnetite

5 结 论

（1）Lokasi 海滨砂矿中可供考虑选矿回收的主要元素为Fe、Ti、V，原矿砂铁品位为26.03%，伴生TiO2和V2O5含量分别为5.66%和0.22%。

(2) 主要的矿石矿物为钛磁铁矿，含量25.59%。钛铁矿含量较少，仅3.87%。通过元素配分计算可知大部分的Fe、Ti 赋存于钛磁铁矿中。

(3)接近90%的钛磁铁矿颗粒和所有钛铁矿颗粒在偏光显微镜下没有观察到固溶体片晶，与攀西地区的矿石矿物明显不同。推测在成矿过程中，温度下降过快，结晶时间不充分，固溶体未能分离。因此，Lokasi 海滨砂矿中大部分的钛磁铁矿和钛铁矿实际都是成分不均一的固相完全混溶固溶体。这可能是造成钛铁矿TiO2含量比理论值低7.97%的直接原因。目前不能从Lokasi 海滨砂矿中选出独立的高品位钛精矿。

(4)钛磁铁矿颗粒粒度范围较小，分布集中，解离度高，结合选矿成本和前期试验结果，可考虑一段磨矿或不磨矿直接分选。