西昌三圆石材厂废料中高钪矿物的浮选试验

冯艳虎 庄故章 周 平 李子豪 晋艳玲 张 培

(昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093)

钪(Sc)单质是一种柔软、银白色的金属，密度为2.985×103kg/m3，导电率为1.77×106mΩ，具有良好的导电性。钪的化学性质活泼，地球上的钪矿床资源稀少，主要以复杂的矿物形式存在，是一种难分离的稀土元素[1，2]。我国的钪资源储量约为65万t，占全球钪资源总量的33%，主要伴生在铝土矿、钒钛磁铁矿、钨矿和稀有稀土矿等矿种中[3，4]。钪合金具有耐高温性、高韧性、抗腐蚀性和良好的焊接性，广泛应用于航空航天、轻型汽车和国防军工等领域[5-7]。

目前钪的富集方法有：浸出、焙烧、磁选和浮选等工艺[8-10]。黄雯孝等[11]针对攀西钒钛磁铁矿尾矿中钪的回收制定出“选矿预富集—碱性焙烧—酸浸—萃取与反萃取富集分离钪—制备氧化钪产品”的工艺路线，最终得到99.22%的Sc2O3的产品。张宗华等[12]对三峡库淤沙重庆段中钪资源的回收利用采用了“重选抛尾，重磁选铁，尾矿高梯度磁选得到钪精矿，再进行摇床精选，精矿干燥后电选精选”最后得到钪精矿品位96.23 g/t，回收率62.11%。

四川西昌三圆石材厂废料中Sc2O3的品位为68 g/t，要求经过选别使Sc2O3的品位达到77 g/t可作为合格产品出售。目前，该矿石中Sc2O3的品位达不到要求，为了避免资源的流失，进行了浮选富集试验。

1 原矿和试验设备及药剂

1.1 原矿

原矿采自四川西昌三圆石材厂矿山的碎石堆，加工成-2 mm后混匀装袋供浮选试验所用，矿样加工流程见图1。原矿中含有低品位的氧化钪，还有钒、钛、铁等其他元素。为了得到原矿中矿物组成、构造、嵌布粒度和矿物之间的共生关系，更加有效地富集含钪的目的矿物，因此需要对原矿进行工艺矿物学研究。

图1 矿样加工流程图Fig.1 Flowsheet of ore sample processing

1.2 设备和药剂

试验所用设备见表1。

表1 试验设备Table 1 List of test equipment

试验所用药剂见表2。

表2 试验药剂Table 2 List of test chemical

2 工艺矿物学

2.1 化学组成

原矿多元素分析结果见表3。由表3可知，原矿中Sc2O3的含量为68 g/t，SiO2的含量为49.15%，SiO2是主要的脉石矿物。其他主要成分有TFe2O3、Al2O3、CaO、MgO等，其含量分别为11.48%、10.06%、10.08%、11.68%。

表3 原矿多元素分析Table 3 Multielement analysis of raw ore /%

2.2 矿物组成

原矿中所含主要矿物含量结果见表4。

表4 原矿中的矿物含量Table 4 Mineral content in raw ore /%

2.3 矿石的结构和构造

矿石类型为含长石辉石岩、辉长岩、含长石角闪石岩，为基性岩。

矿石主要的构造为块状构造，主要的结构为自形板柱状、半自形粒状结构、柱状结构、它形粒状结构。肉眼观察矿石呈黑色，矿物集合体之间无序无定向分布，构成块状构造；部分矿石中磁铁矿呈星散浸染状分布，构成磁铁矿的星散浸染状构造。镜下观察可知自形板柱状、半自形粒状结构是主要的结构之一，矿石中的辉石主要呈自形板状、柱状，斜长石主要呈半自行板状，钛铁矿呈自形板状，见图2(a)、(b)和(c)；矿石中的角闪石主要呈柱状、纤柱状结构，见图2(d)；它形粒状结构为次要的结构，矿石中的磁铁矿、石英、黄铁矿等矿物形态均呈它形粒状，星散分布，见图2(e)，矿石中的黑云母、绿泥石等矿物呈少见的片状、显微鳞片状，见图2(f)。

图2 矿石显微照片Fig.2 Ore micrograph

2.4 钪的赋存状态

矿石中的钪是以类质同象的形式存在，未发现钪的独立矿物。钪主要与CaO、MgO关系密切，在CaO、MgO富集的辉石、角闪石中，钪较为富集，在Fe、TiO2赋存的钛铁矿及Na2O富集的斜长石中，钪则未显示明显的富集现象。

各矿物中Sc2O3的分布率见表5。Sc2O3主要赋存在角闪石和辉石中，占比约93%，角闪石和辉石是选矿回收的主要载钪矿物，磁铁矿、钛铁矿和石英是主要去除的矿物。辉石嵌布粒度和角闪石嵌布粒度分别见图3、图4。

表5 Sc2O3在矿物中的分布率Table 5 Distribution rate of Sc2O3 in various minerals

图3 辉石嵌布粒度Fig.3 Embedding particle size of pyroxene

图4 角闪石嵌布粒度Fig.4 Embedding particle size of hornblende

由图3、图4可知，辉石粒度主要在0.05～2 mm，主体嵌布粒度较粗，粗粒级的占比约95%；角闪石粒度主要在0.03～1 mm，主体嵌布粒度较粗，粗粒级的占比约90%，对磨矿解离、选矿回收载钪矿物有利。

3 试验结果与分析

3.1 磨矿细度与时间的关系

为了找出磨矿时间与磨矿细度之间的关系并为后续试验提供参考，进行磨矿细度与时间试验。磨矿条件：取前述破碎后粒度为-2 mm的试验矿样500 g，磨矿浓度65%。试验结果如图5所示。

图5 磨矿细度曲线Fig.5 Grinding fineness curve

由图5可知，磨矿时间小于5 min时，-0.15 mm产品产率快速增加，5 min后增加速度减慢，矿石可磨性逐渐变差；磨矿时间小于10 min时，-0.074 mm的产品产率增加速度基本恒定，矿石可磨性好且变化不大，磨矿时间大于10 min后磨矿细度增加速度逐渐减小，细度变化逐渐不明显，矿石可磨性变差，当磨矿时间为12 min时-0.074 mm产率达到95%；-0.045 mm产品产率相对来说增加最缓慢，磨矿时间为20 min时，-0.045 mm产品的产率才达到95%。经上述分析-0.15 mm的产品容易产生过磨，而-0.045 mm的产品所需磨矿时间长，会产生较大能耗，所以综合考虑最终选取-0.074 mm占95%的磨矿细度。

3.2 油酸钠为捕收剂的探索试验

油酸钠作为阴离子脂肪酸类捕收剂，在针对硅酸盐矿物浮选方面使用较为广泛。该矿石主要的钪载体矿物为角闪石和辉石，可知油酸钠对角闪石等硅酸盐矿物具有很好的捕收能力，故优先采用油酸钠作为捕收剂[13]。取原矿500 g，磨矿浓度为65%，将矿浆pH值调至11，探索其浮选效果。试验流程见图6，试验结果见表6。

图6 油酸钠探索试验流程Fig.6 Flowsheet of sodium oleate exploration test

表6 油酸钠探索试验结果Table 6 Results of sodium oleate exploration test

由表6可知，浮选精矿中Sc2O3品位为82 g/t，尾矿中Sc2O3品位为66.10 g/t，采用油酸钠作捕收剂有明显的分选效果，为进一步确定不同pH值条件下，油酸钠对该矿物的捕收能力的影响，随后展开了油酸钠为捕收剂的pH值条件试验。

3.3 油酸钠为捕收剂的pH值条件试验

为更好地将目的矿物分选出来，试验决定采用分段刮泡的操作方式进行。取500 g原矿，磨矿浓度为65%，矿浆pH值分别为5、7、9、11、13。每次加药后充分搅拌，刮泡时直至泡沫较少或无泡沫。试验流程见图7，试验结果见图8。

图7 油酸钠作捕收剂时pH值条件试验流程图Fig.7 Flowsheet of pH value test with sodium oleate as collector

由图8可知，Sc2O3的品位随着矿浆pH值的升高而升高。在矿浆pH值为7～11时，Sc2O3品位的升高速率随着矿浆pH值的升高而增加；在pH值为11～13时品位增长速率有所下降，最高品位为矿浆pH值为13时达到81.28 g/t。Sc2O3的回收率在矿浆pH值为5～9增加缓慢，而矿浆pH值为9～13 时Sc2O3的回收率快速增加，在矿浆pH值为13时达到最高为79.30%。综合以上数据可知，使用油酸钠作捕收剂在高碱度的条件下选别情况较好，矿浆最佳pH值为13，氢氧化钠用量为2 200 g/t。

图8 油酸钠作捕收剂时pH值试验结果Fig.8 Results of pH value test with sodium oleate as collector

3.4 油酸钠为捕收剂的用量试验

油酸钠用量试验依旧采用分段刮泡的方法。取500 g原矿，磨矿浓度为65%，矿浆pH值用氢氧化钠2 200 g/t调至13，初始油酸钠用量为150 g/t，之后每次增加油酸钠50 g/t。试验流程见图9，试验结果见图10。

图9 油酸钠用量试验流程图Fig.9 Flowsheet of sodium oleate dosage test

由图10可知，油酸钠用量150 g/t时，Sc2O3精矿品位为83.44 g/t，回收率为39.06%。随着油酸钠用量的增加，Sc2O3精矿的品位呈先增加后降低的趋势，Sc2O3精矿的回收率则一直保持增加。当油酸钠用量为225 g/t时，Sc2O3精矿的品位达到最高约85.50 g/t，回收率约为60%。综合各因素考虑后，最终采用油酸钠用量约为350 g/t，此时所得Sc2O3精矿品位约为82.01 g/t，回收率约为79.95%。

图10 油酸钠用量试验结果Fig.10 Results of sodium oleate dosage test

3.5 开路试验

为了验证药剂用量试验的可靠性以及确定产品的可选性，在磨矿浓度为65%，矿浆pH值为13的条件下进行开路试验。开路试验流程见图11，开路试验结果见表7。

由图11可知，矿物首先进行一次粗选，之后将粗选精矿再次精选得到精矿，粗选尾矿进行多次扫选得到中矿和尾矿。由表7可知，第Ⅰ次精选得到的精矿回收率偏低，所以决定在闭路流程中粗选后不再精选。一次粗选两次扫选的Sc2O3累计品位为85.06 g/t，指标较好可作为合格精矿。第Ⅴ次扫选中矿再选的尾矿品位为51.70 g/t，已经与总流程尾矿品位相近，说明四次扫选已经足够。尾矿Sc2O3品位为52.50 g/t，回收率为29.16%，可作为合格尾矿。决定在闭路试验流程中将第Ⅲ、Ⅳ次中矿采取集中返回方式进行再选。

图11 开路试验流程Fig.11 Flowsheet of open-circuit test

表7 开路试验结果Table 7 Results of open-circuit test

3.6 闭路试验

根据开路试验得出的结果，闭路试验确定采用“一粗一扫一精，精选尾矿再扫”的流程，将前两次的扫选并入粗选，后两次精选的尾矿再返回进行扫选。试验磨矿浓度为65%，矿浆pH值为13，其他试验条件不变。闭路试验流程见图12，闭路试验结果见表8。

图12 闭路试验流程Fig.12 Flowsheet of closed-circuit test

由表8可知，原矿采用油酸钠作为捕收剂，使用氢氧化钠将矿浆pH值调整至13，经过“一粗一扫一精，精选尾矿再扫”浮选试验流程，得到精矿Sc2O3品位为79.75 g/t，回收率为65.11%。试验过程中中矿循环量基本稳定，集中返回的效果较好，闭路试验中各指标没有恶化，证明闭路试验方案可行。

表8 闭路试验结果Table 8 Results of closed-circuit test

4 结论

1)原矿中Sc2O3含量为68 g/t，Sc2O3主要赋存在角闪石和辉石中，矿石中角闪石和辉石的含量共占71%，角闪石和辉石的嵌布粒度较粗有利于磨矿解离、提高钪矿物回收率，最终确定磨矿细度为-0.074 mm含量占95%。

2)浮选富集过程中，油酸钠作为捕收剂，油酸钠用量为350 g/t，在矿浆pH值为13的碱性条件下有较好的浮选效果。浮选试验采用分段加药、分段刮泡的方法，泡沫稳定、正常。

3)闭路试验流程中，中矿返回量稳定，闭路试验成功。最终可得到精矿Sc2O3的品位为79.75 g/t，回收率为65.11%。