TIMA测试技术在白云鄂博矿床铌工艺矿物学中的应用①

杨 波，杨 莉，沈茂森，刘 涛，孟文祥，于宏东

（1.包钢集团矿山研究院，内蒙古 包头014030；2.中国科学院过程工程研究所 湿法冶金清洁生产技术国家工程实验室，北京100190；3.中国科学院赣江创新研究院，江西 赣州341000）

铌素有“工业味精”之称号，少量的铌添加到材料中就能显著提高材料强度、导电性、抗腐蚀等性能。铌在航天、医疗、钢铁、电子等领域广泛应用，是高新技术产业的关键元素，受到各国青睐［1-5］。鉴于铌尚无替代品且高端市场需求大，考虑到国民经济发展需要，学者建议将铌列入战略性关键矿产［2］。我国铌资源对外依存度很高，90%的铌依靠进口，国内铌资源开发程度明显不足［4］。白云鄂博矿床作为一座资源宝库，拥有铌资源660万吨（以Nb2O5估算），但一直未得到有效利用，主要是矿石中铌品位低、粒度细、矿物种类多、分散程度高等原因［6-7］。如果对白云鄂博矿床中的铌资源进行单独开采，采选成本高、难度大，因此更适合综合利用。虽然我国第一条综合分选铌、萤石、钪、硫精矿生产线已在白云鄂博建成，但选铌工艺流程尚未彻底打通，选铌实验仍在进行，因而亟需对流程中铌矿物的工艺矿物学特征进行系统研究。由于铌矿物粒度细、含量低，光学特征不明显，常用的岩矿分析手段难以对铌元素的赋存状态、矿物含量、粒度等方面进行系统分析。

TIMA是TESCAN Integrated Mineral Analyzer的简称，代表了现代自动矿物学分析的先进水平。其原理是结合背散射电子和二次电子信息，利用多个能谱探测仪在高通量模式下以非常高的计数率（铂标样2 000 000个计数）对样品进行测量，并搭配强大的分析软件，实现对矿物成分、颗粒大小、矿物组成等方面的测量，尤其适用于组成复杂、粒度细小的样品［8-11］。

本文选取白云鄂博矿床综合利用过程中选铌给矿（以下简称原矿）与铌精矿（以下简称精矿）进行TIMA测试，利用这一新兴技术手段研究铌矿物在流程中的工艺特点，弥补其他测试手段不足，丰富工作资料，以期为今后选铌工作提供工艺矿物学方面的依据。

1 实验仪器及参数

TIMA测试在广州市拓岩检测技术有限公司利用MIRA3扫描电镜完成。样品在实验前进行喷碳。实验中加速电压25 kV、电流20 nA、工作距离15 mm，电流和BSE信号强度使用铂法拉第杯自动程序校准，EDS信号使用Mn标样校准。测试中使用解离模式，同时获取BSE图和EDS数据，每个点的X射线计数为1 000，像素3 μm，能谱步长9 μm。

2 分析结果

2.1 矿物组成

TIMA测试的样品物相分析结果见表1。从表1可见，原矿与精矿中矿物组成相当复杂，除未识别矿物外，共发现矿物60种，涉及铌矿物、稀土矿物、铁矿物、卤化物、碳酸盐矿物、磷酸盐矿物、硅酸盐矿物、硫酸盐矿物、其他氧化物等。原矿中铌矿物主要有7种，按质量分数从高到低分别为易解石、铌铁金红石、烧绿石、铌铁矿、铌钇矿、包头矿、铌钙矿。虽然铌矿物种类多，但所有铌矿物质量分数也仅有0.3%左右。脉石矿物主要为白云石、霓石、钠闪石、黑云母、磁／赤铁矿、方解石、钾长石、钠长石等。需要注意到，脉石矿物中萤石含量很少，仅为0.98%，稀土含量（氟碳铈矿+氟碳钙铈矿+氟碳钡铈矿+独居石）也仅为0.82%，表明前段流程选稀土和选萤石效果较好。要在如此杂乱的原矿中高效回收含量低、颗粒细的铌矿物是对选矿技术的极大挑战。

表1 样品物相组成

精矿中铌矿物种类同样为7种，不过各矿物质量分数与原矿相比有所变化，精矿中铌矿物按质量分数从高到低排序为易解石、铌铁金红石、铌铁矿、烧绿石、包头矿、铌钇矿、铌钙矿，这是由于选别过程中各矿物富集程度不同。富集程度较高的是易解石和铌铁金红石，分别为13倍左右和7倍左右，表明选别流程对这2种铌矿物效果较好，同时由于原矿中易解石和铌铁金红石在铌矿物中本就含量较高，精矿中这2种矿物含量依然较高。铌矿物富集程度均大于1.88，说明选别流程对铌矿物均有富集效果，表明铌矿物工艺特性的相似性。对比精矿与原矿矿物组成发现，最值得回收利用的铌矿物均为易解石、铌铁金红石、铌铁矿、烧绿石等4种。精矿中脉石矿物组成与原矿相似，主要矿物为霓石、钠闪石、磁／赤铁矿、石英、白云石、黑云母等。但相比原矿，精矿中白云石含量下降明显，富集程度仅为原矿的22.6%，其他碳酸盐矿物富集程度大多小于1；对于硅酸盐矿物，链状硅酸盐矿物霓石、钠闪石等表现为富集程度略大于1，层状硅酸盐矿物富集程度大多小于1，说明选别流程对碳酸盐矿物、层状硅酸盐矿物的去除较为有效。在选别过程中，铌矿物富集程度与链状硅酸盐矿物富集程度基本正相关，与碳酸盐矿物和层状硅酸盐矿物富集程度呈负相关。

2.2 铌的赋存状态

从TIMA测试结果来看，铌元素虽然表现为分散的特点，但都以独立矿物形式存在，这对于选矿来讲是一个较为有利的条件。据前人研究，白云鄂博矿床铌矿物种类近20种，矿床中Nb2O5占有率较高的铌矿物为铌铁金红石、铌铁矿、烧绿石和易解石，其中易解石居首位［12］。而根据本次工作，原矿与精矿中Nb2O5占有率较高的4种铌矿物同样为铌铁金红石、铌铁矿、烧绿石和易解石。但无论是原矿还是精矿，铌铁金红石对Nb2O5的占有率相对其他3种矿物均较低，这与前人的研究似有相悖。原因有二：一是前人研究结论是基于原矿石；二是根据近期针对矿床开展的野外工作，铌铁金红石相对矿床开发早期已经有所下降，可能当前条件下铌的赋存规律已有变化，有必要补充新的工作继续验证。

样品中铌主要集中以7种铌矿物形式产出，而其中的铌铁金红石、铌铁矿、烧绿石和易解石等4种尤为集中，如果能开发专门针对这4种矿物的选别工艺，将能利用大部分的铌资源。

2.3 铌矿物粒度特征

TIMA方法获得的样品粒度分析结果见表2。从表2看出，原矿与精矿中铌矿物粒度都很细，7种铌矿物绝大部分分布在-25 μm粒级范围内，而-25 μm粒级范围内的大部分颗粒又都分布在-10 μm粒级中。精矿与原矿相比，各种铌矿物粒级分布基本接近，原矿中烧绿石和易解石有较大颗粒，铌钇矿和包头矿粒度较小；精矿中细粒铌富集更多。

表2 7种主要铌矿物粒度分析结果

从TIMA分析给出的矿物颗粒图中，选出主要的4种铌矿物的原矿和精矿，如图1所示。由图1可以直观看出，左列各铌矿物原矿中较大的矿物颗粒在右列精矿中并未出现，反而细粒铌矿物很多。以上现象均表明选别流程对细粒铌矿物比较有效。大颗粒矿物应该是由于与其他矿物的连生关系复杂，选别过程中进入尾矿。对原矿进行进一步细磨，有利于铌资源的回收利用。

图1 样品中4种铌矿物颗粒图

2.4 原矿铌矿物解离度

铌矿物解离度测定结果见表3。从表3可以看出，虽然矿物粒度很细，但原矿中铌矿物解离程度依然较差，将连生比例小于10%看作单体的话，各铌矿物的解离度基本小于1%，这对于铌资源回收利用非常不利。

表3 铌矿物解离度测定结果

3 结 语

1）白云鄂博选铌原矿矿物组成复杂，含60余种不同矿物，铌矿物含量低，主要有7种，按质量分数从高到低分别为易解石、铌铁金红石、烧绿石、铌铁矿、铌钇矿、包头矿和铌钙矿；精矿矿物组成同样复杂，铌矿物种类依然为上述7种。通过对比原矿与精矿中矿物含量，可见选别流程对于易解石和铌铁金红石分选效果较好，对碳酸盐矿物、层状硅酸盐矿物有较好的去除效果。

2）样品中具有回收利用价值的铌矿物为易解石、铌铁金红石、铌铁矿和烧绿石等，如果能开发专门针对这4种矿物的选别工艺，将能利用大部分铌资源。

3）各种铌矿物在原矿和精矿中粒级分布基本接近，绝大部分分布在-25 μm粒级范围内，不过总体来看精矿中细粒铌矿物富集更多，说明选别流程对于细粒铌矿物比较有效。原矿中铌矿物解离效果较差，对于如此细粒矿物的选别，应充分考虑磨矿条件。

4）从此次研究结果可以看出，白云鄂博矿床铌资源情况相当复杂，TIMA作为新技术虽然能给出多方面信息，但要把如此复杂的情形研究透彻，显然离不开多手段的综合应用。下一步应继续补充相应测试，多角度对白云鄂博矿床铌资源进行探究。