青海夏乌日塔铜铅锌多金属矿工艺矿物学特征及浮选原则工艺的确定

罗仙平 何坤忠 周贺鹏 暴永泉

(1.江西省矿冶环境污染控制重点实验室,江西 赣州 341000;2.青海省高原矿物加工工程与综合利用重点实验室,青海 西宁 810006;3.青海平贵矿业有限责任公司乌兰分公司,青海 乌兰 817102)

青海夏乌日塔多金属矿属于热液-构造蚀变岩型矿床,位于青海省乌兰县柯柯镇赛什克村以南约15 km处,柴达木盆地东北缘希里沟盆地南侧山区为新近发现的铜铅锌多金属矿,具有良好的开发利用前景[1]。矿体产于断层破碎蚀变带中,围岩为糜棱岩化绿片岩,主要金属矿物为银黝铜矿、黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿等。矿石矿物组成复杂,金属矿物呈稠密浸染状或星点状均匀分布于岩石中[2]。矿体走向、倾向上延伸稳定,且向深部有矿体变厚、品位变富的趋势。在长期的地质演变过程中,部分金属矿物受到一定程度的氧化,衍生出孔雀石、白铅矿、菱锌矿等氧化矿物,使夏乌日塔多金属矿的矿石性质更加复杂,硫化矿与氧化矿交错嵌布。韧性动力变质形成的靡棱岩带不仅使岩石碎裂并靡棱岩化,而且形成了一些凝胶状的氧化硅溶液,使得剪切带内的岩石形成了许多孔隙和砂糖状石英,致使富铁镁质岩石发生强烈蚀变,并使分散的金、银、铜、铅、锌元素在二氧化硅溶液内活化、迁移,并在有利的构造部位和一定的构造岩相带内聚集成矿,使金属矿物紧密连生。此外,矿区开采矿石包括地表氧化矿、地表矿体围岩、原生矿石、原生低品位矿和原生矿体围岩等5种类型,造就了该铜铅锌多金属矿性质复杂、品位偏低、目的矿物嵌布粒度微细、单体解离较差的特点[3]。自该铜铅锌多金属矿床发现以来,大量学者对其矿床特征及成矿机制开展了系列研究。然而该多金属矿工艺矿物学研究鲜见报道,选矿原则工艺也亟待确定。据此,本文采用化学多元素分析、MLA矿物自动定量分析、扫描电镜及能谱分析等方法,查明了矿石的化学成分、矿物组成、嵌布特征、解离特性、有用和有害元素在矿石中的赋存状态和分布规律等工艺矿物学特征,确定其在当前技术经济条件下的利用价值,为该铜铅锌矿石选矿原则工艺的确定提供理论指导依据,并在此基础上确定了“铜铅锌优先浮选”工艺作为该矿石开发的原则工艺流程。该原则工艺可为此类铜铅锌资源的开发利用提供理论指导与技术支撑。

1 矿石物质组成

1.1 矿石化学多元素分析及主要元素物相检测

测试试样为青海乌兰县夏乌日塔多金属矿石。分析检测样品为粒径小于2 mm的细碎产品。表1为矿石化学多元素分析结果,表2～表4为矿石铜、铅、锌物相检测结果。

表1 矿石化学多元素分析结果Table 1 Chemical multi element composition analysis results in raw ore %

表2 矿石铜物相检测结果Table 2 Copper phase detection results in raw ore %

表3 矿石铅物相检测结果Table 3 Lead phase detection results in raw ore%

表4 矿石锌物相检测结果Table 4 Zinc phase detection results in raw ore%

从表1可知:矿石中铜、铅、锌含量相对较高,品位分别为0.43%、1.64%和2.65%,是矿石中主要有价元素;硫含量为 4.27%;贵金属银的含量为49.68 g/t,具有很高的回收价值,金的含量为1.69 g/t,具有一定的回收意义,可伴生回收。矿石中主要杂质成分为 SiO2、Al2O3、CaO。

从表2～表4可知,矿石属原生矿类型,基本以硫化矿的形式为主。矿石受到了一定程度的氧化,特别是铜、铅矿物氧化率不一,不利于浮选分离回收。

1.2 主要矿物组成及矿物含量

经电镜、能谱分析可知:矿石中锌矿物主要有闪锌矿及少量的菱锌矿;铅矿物主要有方铅矿以及少量的白铅矿;铜矿物主要有银黝铜矿、黄铜矿等;除此之外,还有少量或微量的锌铁尖晶石、辉铜矿、黑锰铁矿、辉银矿等金属矿物;脉石矿物主要由石英、长石、绿泥石、云母、方解石、白云石、高岭石、辉石及闪石、阳起石等组成,另有少量或微量的榍石、石膏、金红石、锆石、锡石、磷灰石等矿物。矿石中的矿物组成及相对含量见表5。

表5 矿石中主要矿物的含量Table 5 Contents of main minerals in raw ore %

2 矿石主要矿物的产出形式与嵌布特征

2.1 闪锌矿

闪锌矿是矿石中主要含锌矿物,主要由Zn、S及少量Fe组成,Zn理论品位67%,详见表6。闪锌矿多呈块状、结状、胶结结构产出,少量呈斑状、脉状、浸染状嵌布。在原矿-0.074 mm含量80%的细度下,闪锌矿的平均粒径为0.038 mm。闪锌矿与石英、长石、方解石等脉石矿物嵌布关系紧密,多呈块状、不规则状被脉石矿物包裹或边缘连生,连生边界多为不平直的锯齿状或港湾状,见图1(a);部分与方铅矿等铅矿物连生,闪锌矿与方铅矿交代连生,连生边界多呈港湾状,见图1(b);少量与黄铁矿等铁矿物连生,部分细小的闪锌矿分布于黄铁矿中,见图1(c);有的与菱锌矿等锌矿物连生,见图1(d),少量与银黝铜矿、黄铜矿等铜矿物连生,见图1(e)、(f)。

图1 闪锌矿嵌布特征分析Fig.1 Analysis of sphalerite distribution characteristics

表6 矿石中闪锌矿元素组成能谱分析结果Table 6 Energy spectrum analysis results of element composition of sphalerite in raw ore

2.2 方铅矿

方铅矿为选矿富集回收铅的主要目的矿物,在原矿-0.074 mm含量80%的细度下,方铅矿平均粒径为0.019 mm。能谱分析显示,矿石中的方铅矿主要由Pb、S组成,Pb理论品位88.62%,详见表7。方铅矿多呈交代侵蚀与交代残余结构、结状结构产出,呈星点状、脉状、条带状嵌布,少量呈蠕虫状嵌布,偶见方铅矿内部包含细小的脉石。方铅矿与石英、长石、白云石、方解石等脉石矿物关系紧密,多呈星点状、斑状、蠕虫状、细脉状嵌布于脉石矿物中,见图2(a)、(b);部分与闪锌矿、菱锌矿等锌矿物连生,方铅矿交代闪锌矿连生,部分方铅矿成细脉状沿闪锌矿裂隙填充,见图1(a);少量与黄铁矿等铁矿物连生,方铅矿与黄铁矿边缘交代连生,边缘呈交代侵蚀结构,见图1(c);少量与白铅矿等铅矿物连生,方铅矿边缘被白铅矿进行交代连生,见图2(c);少量与黄铜矿、银黝铜矿等铜矿物连生,方铅矿与黄铜矿以边缘连生为主,见图2(d)。

表7 矿石中方铅矿元素组成能谱分析结果Table 7 Energy spectrum analysis results of galena in raw ore

图2 方铅矿嵌布特征分析Fig.2 Analysis of galena distribution characteristics

2.3 黄铜矿

黄铜矿为矿石中含铜矿物之一,在原矿-0.074 mm含量80%的细度下,黄铜矿平均粒径为0.032 mm。能谱分析显示,矿石中的黄铜矿主要由Cu、Fe、S及少量Al组成,详见表8。未解离颗粒中部分与白云石、方解石、石英等脉石矿物连生,黄铜矿呈不规则粒状、细小的乳滴状沿脉石矿物边缘或裂隙中填充,见图2(b);部分与方铅矿等铅矿物连生,黄铜矿与方铅矿边缘交代连生,见图2(d)。

表8 矿石中黄铜矿元素组成能谱分析结果Table 8 Energy spectrum analysis results of chalcopyrite in raw ore

2.4 银黝铜矿

银黝铜矿为矿石中含铜矿物之一,也是主要含银矿物,银黝铜矿的平均粒径为0.036 mm,主要由Cu、Sb、S 及少量 As、Zn、Fe、Ag 组成,详见表 9。 未解离颗粒中多与石英、白云石等脉石矿物连生,以不规则粒状、脉状沿脉石粒间填充,见图1(e)、图2(b);少量与黄铜矿等铜矿物连生,银黝铜矿与黄铜矿边缘交代连生,见图2(b);部分与方铅矿等铅矿物连生,银黝铜矿与方铅矿边缘交代连生,见图2(b);少量与闪锌矿等锌矿物连生,见图1(e)。

表9 矿石中银黝铜矿元素组成能谱分析结果Table 9 Energy spectrum analysis results of freibergite in raw ore

3 矿石主要金属分布率与矿物单体解离分析

3.1 矿石主要金属分布率

矿石中主要目的矿物的粒度组成及其嵌布粒度对确定磨矿细度和制定合理的选矿工艺有着直接影响[4-6]。为合理地制订选矿工艺流程、确定合适的磨矿细度,考察了矿石中有价金属的粒度分布规律,对原矿在-0.074 mm含量80%左右的磨矿细度下开展了各粒级的筛分分析,分别检测各粒级矿样中铜、铅、锌元素含量,分析结果如表10所示。

表10 矿石中主要金属分布率分析结果Table 10 Distribution analysis results of main metals in ore

由表10可见,矿石中铜铅锌主金属粒度分布不均匀,呈细粒为主的不等粒嵌布,且主要分布在-0.038 mm的微细粒级。在原矿磨矿细度为-0.074 mm占80%左右的条件下,铜铅锌矿物的嵌布粒度特征不利于其选矿回收,影响主金属回收率的提高。

3.2 矿石主要矿物单体解离度分析

矿石中主要目的矿物的粒度组成及其分布特点对确定磨矿细度和制订合理的选矿工艺流程有着直接影响。矿石中锌、铅、铜、铁矿物的粒度使用BPMA工艺矿物学参数自动分析仪测量完成,矿物粒度用夹长椭圆短径表示,各粒级的矿物含量用质量(面积×密度)统计,结果见表11。

由表11可见,-0.074 mm含量80%细度下,矿石中铜铅锌矿物单体解离度总体较差,微细粒级单体解离度稍好。闪锌矿单体解离度约为43.56%,其中-0.038 mm粒级内单体含量为60.69%,+0.074 mm粒级范围内解离情况虽相对较差,但大于70%的富连生体与单体含量总计达63.88%。方铅矿单体解离度最差,全粒级单体解离度仅34.31%,解离度大于70%的富连生体含量占55.92%,微细粒级多呈富连生体存在,-0.038 mm粒级中解离度大于70%富连生体含量占77.34%。黄铜矿的单体解离度稍好,单体含量达45.91%,大于70%的富连生体与单体含量总计达72.94%,适当增加磨矿细度有利于浮选回收。与黄铜矿类似,银黝铜矿大于70%的富连生体与单体含量总计72.88%,总体而言,铜矿物单体解离稍好。

表11 主要矿物单体解离度分析结果Table 11 Analysis results of dissociation degree of main mineral monomers

3.3 主要矿物连生关系分析

矿石中主要矿物连生关系及其分布特点对研究矿石性质有着至关重要的作用。电镜、能谱分析样品经筛分、固化、磨片、喷碳等步骤制成,在电镜、能谱下测定分析锌矿物、铅矿物、铜矿物的矿物连生关系,分析结果见表12。

表12 主要矿物连生关系分析结果Table 12 Analysis results of intergrowth relationship of main minerals

由表12可见,闪锌矿主要与脉石连生,含量占37.51%,其中+0.074 mm粒级连生最为严重,其次与铅矿物嵌布关系较为紧密,占比达16.70%,不利于铅锌分离。方铅矿连生关系分析结果也证实其与锌矿物连生关系极为紧密,连生体含量达22.41%,且于各个粒级中均有分布,与脉石矿物连生占31.26%。黄铜矿在+0.074 mm粒级单体解离度较差,主要与脉石矿物紧密连生,占比达53.15%,微细粒级解离较好,其中-0.038 mm粒级单体解离达65.15%,可见,适当增加磨矿细度有利于黄铜矿回收,但全粒级中19.53%的铜矿物与铅矿物连生,且各粒级中黄铜矿均与铅矿物关系紧密,易造成铜精矿中铅含量较高。银黝铜矿与黄铜矿极为类似,其主要与脉石矿物连生。因此,在矿石入选前仍需适当提高磨矿细度。

4 选矿原则工艺流程

4.1 选矿原则流程论证

针对铜铅锌多金属矿,目前国内外主流浮选工艺为部分混合浮选,即“铜铅混浮—铜铅分离—尾矿再选锌”[7-8]。而青海乌兰夏日塔多金属矿铜铅氧化率差异较大,在铜铅混浮作业中,若保证铜矿物的硫化效果,易使铅矿物受到强烈抑制[9-11],造成锌精矿中铅锌互含严重。同时,因铜铅矿物表面吸附大量捕收剂,在分离作业中往往需添加大量重铬酸钾等有毒药剂或延长抑制剂的作用时间,提高了生产能耗的同时,不符合矿产资源绿色开发的理念[12-13]。此外乌兰夏日塔多金属矿矿物种类繁多、嵌布粒度微细、嵌布特征复杂,进一步增加了铜铅锌矿物分离回收难度。

依据笔者团队长期开发此类资源的经验,采用铜铅锌优先浮选工艺浮选回收该铜铅锌多金属矿具有分选效果好、药剂成本低、操作简便等优点。但基于该矿石性质,选矿回收过程中需着重注意以下几点:

(1)铜铅锌矿物嵌布粒度不同,铜铅嵌布粒度较细,-0.074 mm含量80%情况下,铜铅锌矿物单体解离度均较低。以铜矿物为例,+0.074 mm粒级内,半数以上铜矿物与脉石矿物连生,其次全粒级内铜矿物与铅矿物连生紧密,因此需适当提高磨矿细度,减少目的矿物与其他矿物的连生体含量,提高矿物分离效率。

(2)铜氧化率较高,在优先选铜作业中,需添加适量的硫化剂,提高氧化铜矿物的可浮性[14];黄铜矿与方铅矿可浮性均显著优于其他矿物,两者可浮性相近,此外,部分铜金属以银黝铜矿形式存在,过高的pH不利于金银等贵金属的回收,因此高选择性捕收剂是低碱工艺下铜铅分离的重点。

(3)铅矿物嵌布粒度微细,单体解离度极差,与锌矿物及脉石矿物紧密连生,不利于铅矿物回收及精矿质量的提高,仅通过药剂调节难以实现铅锌高效分离,致使精矿产品铅锌互含严重。因此铅矿物充分单体解离是解决该问题唯一路径,但直接提高原矿入选细度或铜尾矿再磨能耗大、成本高,同时易造成铅锌矿物单体过粉碎[15]。因此添加铅粗精矿再磨作业,可在能耗最小化的同时,实现铅矿物充分解离、提高铅锌分离效率。

(4)与铅矿物类似,总计37.51%的锌矿物与脉石矿物连生,降低了锌精矿品位与回收率,因此同样设置锌粗精矿再磨作业,有利于提高精矿质量与锌金属回收率。

基于上述几点,笔者团队对该铜铅锌多金属矿进行了详细的选矿工艺试验研究,确定了其最佳浮选工艺并进行了选矿流程验证。

4.2 选矿原则流程验证

在工艺矿物学研究基础上,以“铜铅锌优先浮选工艺”为原则工艺流程,确定了其最佳浮选工艺参数,并进行了闭路试验。实验室小型闭路试验流程如图3所示,试验结果如表13所示。

图3 小型闭路试验流程Fig.3 Flow chart of closed circuit test of the process

表13 小型闭路试验结果Table 13 Results of the mini-type closed-circuit test

由表 13可知,在含铜 0.43%、铅 1.64%、锌2.65%、金1.69 g/t、银 49.68 g/t的情况下,获得了含铜26.90%、铅 4.42%、锌 7.03%、金 59.41 g/t、银2 980.00 g/t,铜回收率65.22%、金回收率37.31%、银回收率 63.58%的铜精矿;含铅 51.05%、铜0.82%、锌7.54%、金 11.18 g/t、银 222.00 g/t,铅回收率85.04%、金回收率18.15%、银回收率12.24%的铅精矿;含锌 50.17%、铜 0.60%、铅 1.31%、金4.29 g/t、银 98.11 g/t,锌回收率85.01%的锌精矿,试验指标良好,铜铅锌及伴生金银均获得了较好的回收。

4 结 论

(1)青海乌兰夏乌日塔多金属矿主要有价矿物为黄铜矿、银黝铜矿、方铅矿和闪锌矿,矿石中铜、铅、锌品位分别为0.43%、1.64%和2.65%;贵金属金、银的含量为分别为1.69 g/t、49.68 g/t,具有很高的回收价值,可伴生回收。矿石中主要的脉石矿物为石英、长石、绿泥石、云母、方解石、白云石、高岭石、辉石、闪石、阳起石等。

(2)矿石中铜铅锌金属粒度分布不均,主要矿物嵌布特征复杂、嵌布粒度微细。闪锌矿多呈块状、结状、胶结结构产出,少量呈斑状、脉状、浸染状嵌布;方铅矿呈交代侵蚀与交代残余结构、结状结构产出,主要呈星点状、脉状、条带状嵌布,少量呈蠕虫状嵌布,偶见方铅矿内部包含细小的脉石;黄铜矿与银黝铜矿多呈不规则粒状、细小的乳滴状沿脉石矿物边缘或裂隙填充。

(3)矿石中目的矿物单体解离度较差,微细粒级解离度稍好,在-0.074 mm含量80%细度下,各矿物全粒级的单体解离度在40%左右,各矿物的连生体主要与石英、方解石、钠长石等脉石关系紧密;因铅矿物单体解离度最差,致使大量铜、锌矿物与铅矿物连生,适当提高入选细度、设置粗精矿再磨作业有利于提高精矿质量与目的金属回收率。

(4)针对矿石性质,确定了 “铜铅锌优先浮选”的原则工艺流程。试验结果表明,在矿石含铜0.43%、铅1.64%、锌 2.65%、金 1.69 g/t、银49.68 g/t的情况下,可获得含铜 26.90%、铅 4.42%、锌7.03%、金 59.41 g/t、银2 980.00 g/t,铜回收率65.22%、金回收率37.31%、银回收率63.58%的铜精矿;含铅51.05%、铜0.82%、锌7.54%、金11.18 g/t、银222.00 g/t,铅回收率85.04%、金回收率18.15%、银回收率 12.24%的铅精矿;含锌 50.17%、铜0.60%、铅1.31%、金4.29 g/t、银 98.11 g/t,锌回收率85.01%的锌精矿,研究成果可为该铜铅锌矿石的开发利用提供技术支撑。