攀西地区某用于制造纤维的玄武岩工艺矿物学研究

2021-05-24张凯军霍冀川黄阳于鹏鹏李俊李兴平霍泳霖

矿产综合利用 2021年2期

张凯军，霍冀川，黄阳，于鹏鹏，李俊，李兴平，霍泳霖

（1.环境友好能源材料国家重点实验室，四川绵阳 621010；2.西南科技大学材料科学与工程学院，四川绵阳 621010）

然而，用于制造玄武岩纤维的天然玄武岩矿石成分及组成波动大，不同地区都有所差异，没有非常固定的组成和比例,且由玄武岩原矿制备的玄武岩纤维的性能，取决于玄武岩原料的化学成分及其质量分数，所以并不是所有地方的玄武岩都是制造玄武岩纤维的优质原料。但是天然玄武岩原矿的化学成分还是比较相似的，主要有：SiO2、Al2O3、Na2O、Fe2O3、FeO、MgO、K2O、TiO2、CaO 等及少量的其他杂质，只是在各成分的含量上有些差别[2]。

现在玄武岩纤维的原料选取主要有两种主要方式，其一是根据配方直接寻找符合度较好成、分波动小且储量较丰富的玄武岩矿石，后经过人工配料、混料得到符合要求的原料，可以称为配合工艺，另一种则不经过配料且仅以玄武岩矿石作为制备纤维的原料，这种对玄武岩原矿的要求更高，可以称为原矿工艺。两者对比起来本各有优劣，配合工艺的原矿选择面广原材料易得但需要额外消耗其他配料在混料中也需要额外能耗，而原矿工艺由于只用矿石原料相对节省能耗也无需消耗其他资源，但由于对原矿要求高很难找到相符的原矿，同时相符原矿的储量不高也是制约其发展的重要原因之一。

当前，攀西某地的玄武岩被用作配合工艺制造玄武岩纤维的原料，为了高效合理的利用和开发该资源，本研究系统的考察该玄武岩矿石的工艺矿物学特征[3-6]，并在此基础上开展初步的磁选除铁实验，获得了一定的选别指标，为利用该玄武岩制造玄武岩纤维提供参考。

1 玄武岩矿石的物质组成

1.1 玄武岩矿石的主要化学成分分析

玄武岩矿石的主要化学成分分析结果见表1。

表1 玄武岩矿石主要化学成分分析结果/%Table 1 Analysis results of main chemical composition of the samples

可以看出玄武岩矿石的主要化学成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO 、MgO、TiO2、Na2O、K2O 和少量的P2O5、MnO、BaO、SrO、ZrO2、SO3、CuO、ZnO 等。

其中SiO2和A12O3是玄武岩所含有的基本氧化物,由它们组成纤维的结构骨架，他们的含量会影响熔体的粘度,含量增加更容易制备长纤维但同时也需要形成纤维的温度也会提高，基本氧化物含量在60% ～ 80%时，纤维具有较好的强度，热稳定性和化学稳定性，此矿石基本氧化物含量为64.28%，在此范围内；铁质组分能够影响玄武岩的热性能，提高纤维的使用温度，使玄武岩纤维具有高温稳定性[7]，但是铁质组分的含量影响纤维的结晶能力，当其含量高时，在纤维形成过程中会形成磁铁矿，其中铁离子在磁铁矿结构中占据八面体位置，而磁铁矿在此过程中会沉积在坩埚底部，堵塞喷丝头开口，导致纤维断裂，不利用长纤维的制造[8-11]，因此通过磁选得到铁品位不同的玄武岩纤维原料对后续配料生产高性能纤维有重要意义。

1.2 玄武岩矿石的矿物组成

原矿矿物成分分析结果见表2。

表2中各待测元素的分析同位素质谱线及分辨率就是按照上述原则优选出来的。其中Ca和In的选择稍有不同。理论上Ca元素的同位素中40Ca的丰度最大(96.94%)但它被40Ar完全覆盖，即便在高分辨(R>10 000)下也无法完全分开，而Ar气正是产生辉光放电的重要部分，它充满了整个激发室，对40Ca的干扰无法避免。因此只能选择丰度第二(2.09%)的44Ca作为分析Ca含量的质谱线。

表2 玄武岩矿石主要矿物成分分析结果Table 2 Analysis results of main mineral composition of the samples

由表2 可知，矿石中的主要矿物为斜长石，其他矿物还有辉石、绿泥石、石英、磁铁矿等，其中其中铁质组分主要分布在磁铁矿、辉石和绿泥石中，磁铁矿属于强磁性矿物，可以在较弱的磁场下分离；绿泥石、辉石属于弱磁性矿物，需要在磁场强度H=480 ～ 1840 kA/m的磁选机才可以选出；斜长石，石英属于非磁性矿物，可以通过强磁选使之与磁性矿物分离。

2 玄武岩矿石的类型与结构构造

2.1 玄武岩矿石结构构造

玄武岩矿石为亚碱性拉斑玄武岩，具斑状结构，主要为斜长石，辉石斑晶，基质是介于粗玄结构和间隐结构之间的过渡结构，也称间粒间隐结构，在杂乱排列的斜长石长条状微晶形成的间隙中，除了有粒状辉石和磁铁矿外，还有隐晶质物质[12]。基质主要成分为斜长石、辉石、绿泥石、石英、隐晶质集合体及金属矿物等。

矿石主要为气孔状构造、局部杏仁状构造，杏仁体含量为2% ～ 25%，形态有椭圆状、扁豆状、水滴状等，杏仁体中的填充物主要为绿泥石和石英。

2.2 玄武岩矿石中主要矿物的结构和嵌布特征

（1）斜长石

斜长石是矿石中含量最多的矿物，约占46%，斜长石斑晶，呈自形厚板状，大小约0.4 ～ 3.00 mm，表面干净光亮，轻微绢云母化、绿泥石化蚀变，以单体或团块状集合体分布在基质中；在基质中的斜长石，板条状，针状，大小约0.04 ～ 0.20 mm，轻微绢云母化，绿泥石化蚀变，均匀分布（见图1A、C）。

图1 玄武岩矿石显微镜下特征Fig.1 Microphotographs showing ore characters of the basalt deposit

（2）辉石

辉石，粒状，大小约0.02 ～ 0.07 mm，具绿泥石化蚀变，蚀变析出铁质矿物呈尘状分布在其颗粒表面，均匀分布在斜长石颗粒，含量约27%（见图1 A、C）。

（3）绿泥石

绿泥石，分布在斜长石间或充填在气孔中构成杏仁状构造，含量约14%（见图1 B、C）。

（4）石英

石英呈细微晶充填在气孔中，含量约9%（见图1 B）。

（5）金属矿物

金属矿物主要为磁铁矿及少量钛铁矿、黄铜矿、黄铁矿、斑铜矿，磁铁矿两种赋存形式，一为自形、半自形粒状，分布斜长石、隐晶质集合体间，大小约0.01 ～ 0.06 mm，含量约2%，另一种呈星点状、浸染状分布在辉石颗粒表面及隐晶质集合体中，大小约0.004-0.01 mm，含量约1%（见图1 D、E、F）。

3 选矿实验

3.1 磁选实验

由上述分析可知，铁组分可能对玄武岩纤维制备和性能造成影响，故得到适宜制备连续玄武岩纤维的低铁玄武岩原料很有必要。因此，本文针对攀西地区某用于制造纤维的玄武岩进行了初步的磁选除铁实验。根据工艺矿物学研究选择原矿细度为-0.10 mm 53%的条件下进行弱磁选磁场强度条件实验，考察磁选指标与背景场强的关系，实验结果见图2、3。

图2 强磁选磁场强度对磁性组分选别指标的影响Fig.2 Effect of magnetic separator for field intensity on the magnetic component selection index of high-intensity magnetic separation

图3 强磁选磁场强度对贫磁组分选别指标的影响Fig.3 Effect of magnetic separator for field intensity on the nonmagnetic component selection index of high intensity magnetic separation

由图2，3 结果可知：随着磁场强度的增加，高铁样品铁的品位呈现先增加后降低的趋势，磁性组分的含量在逐渐增加，低铁样品铁的品位呈现先逐渐降低后增加的趋势，非磁性组分的含量逐渐减少。在640 kA/m 的磁场强度下，低铁样品铁品位最低为9.88%。在此条件实验中，遵循重品位次回收率的原则，选定较佳的强磁选磁场强度为640 kA/m。