于宏?yáng)|， 王麗娜， 曲景奎， 齊 濤

(1. 中國(guó)科學(xué)院 過(guò)程工程研究所 濕法冶金清潔生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190； 2. 中國(guó)科學(xué)院 過(guò)程工程研究所 綠色過(guò)程與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190)

中國(guó)釩鈦磁鐵礦資源主要分布在四川攀西、河北承德、陜西洋縣、廣東興寧、湖北鄖陽(yáng)、新疆喀什和哈密，以及遼西朝陽(yáng)等地區(qū)[1-3].釩鈦磁鐵礦作為釩、鈦、鐵等多金屬共伴生的礦產(chǎn)資源，是世界公認(rèn)的緊缺資源，隨著該類特色資源的開(kāi)采利用，品位高的釩鈦磁鐵礦日益減少，低品位表外礦和超貧釩鈦磁鐵礦已相繼得到開(kāi)發(fā).本文對(duì)四川攀枝花、河北承德和遼寧朝陽(yáng)等地釩鈦磁鐵礦工藝礦物學(xué)進(jìn)行研究，為科學(xué)高效利用釩鈦磁鐵礦資源提供了基礎(chǔ)的礦物學(xué)資料和經(jīng)濟(jì)參考依據(jù).

1 釩鈦磁鐵礦的化學(xué)組成

攀枝花、承德和朝陽(yáng)釩鈦磁鐵礦的化學(xué)組成特征見(jiàn)表1、表2和表3.

表1 礦石的化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the raw ores(mass fraction) %

表2 礦石中鐵的化學(xué)物相分析Table 2 Chemical phase analysis results of iron for the raw ore %

表3 礦石中鈦的化學(xué)物相分析Table 3 Chemical phase analysis results of titanium for the raw ore %

由表1可知，攀枝花、承德和朝陽(yáng)釩鈦磁鐵礦中Fe的品位分別為27.11%，21.18%和11.28%；TiO2的品位分別為10.98%，4.53%和2.02%；V2O5的品位分別為0.22%，0.23%和0.055%.

由表2和表3可知，攀枝花、承德和朝陽(yáng)礦中鐵的理論選礦回收率分別為48.91%，60.62%和10.19%，鈦的理論選礦回收率分別為74.01%，52.03%和78.51%.

2 釩鈦磁鐵礦的礦物組成

礦石中礦物相對(duì)含量的測(cè)量有重量法、目測(cè)法(包括光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡下的線段和面積測(cè)量)、計(jì)算法、統(tǒng)計(jì)法、紅外光譜、發(fā)光光譜、X射線衍射相分析，以及熱重分析等方法[4-6].本文采用計(jì)算和目測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)釩鈦磁鐵礦中的礦物含量進(jìn)行研究，其中計(jì)算法是以鐵和鈦元素的化學(xué)物相分析為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)礦物化學(xué)成分測(cè)算獲得鐵和鈦金屬礦物的含量，其他礦物的含量由MLA(mineral liberation analyser)礦物自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)礦物的相對(duì)面積和密度折算后獲得[7-8].

典型釩鈦磁鐵礦的礦物組成見(jiàn)表4.由表4可知，攀枝花、承德和朝陽(yáng)釩鈦磁鐵礦中主要金屬礦物是鈦磁鐵礦和鈦鐵礦，它們的礦物相對(duì)含量有明顯差別：攀枝花礦中鈦磁鐵礦和鈦鐵礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(鐵精礦和鈦精礦的產(chǎn)率)分別為22.39%和15.92%，承德礦中分別為19.32%和4.46%，朝陽(yáng)礦中分別為2.59%和3.07%.

表4 礦石中的礦物組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 4 Mineral composition of the raw ore(mass fraction) %

3 釩鈦磁鐵礦中主要金屬礦物的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成

3.1 鈦磁鐵礦

鈦磁鐵礦是以磁鐵礦為主晶、鈦鐵礦為客晶組成的復(fù)合礦物相，鈦磁鐵礦中偶爾可見(jiàn)鎂鋁尖晶石[9].鈦磁鐵礦中鈦鐵礦和尖晶石等礦物產(chǎn)出粒度細(xì)小(小于0.005 mm)，從磨礦的角度看，磁鐵礦與鈦鐵礦客晶之間難以單體解離，這是鐵和鈦之間難以選礦分離的根本原因.攀枝花、承德和朝陽(yáng)礦中的鈦磁鐵礦集合體的礦物結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1～圖3所示.從圖中可知，攀枝花的鈦磁鐵礦中含有較多的鈦鐵礦客晶；承德的鈦磁鐵礦中鈦鐵礦客晶相對(duì)較少，偶爾可見(jiàn)鎂鋁尖晶石；朝陽(yáng)釩鈦磁鐵礦中的鈦鐵礦客晶也比較多.客晶含量多意味著鈦磁鐵礦中鈦的含量變高，而鐵的含量變低.

不同礦產(chǎn)地鈦磁鐵礦的X射線譜見(jiàn)圖4，鈦磁鐵礦的基本化學(xué)組成(EDS)見(jiàn)表5.由圖4和表5可知，攀枝花、承德和朝陽(yáng)礦中鈦磁鐵礦的成分比較復(fù)雜；因礦物形成條件及礦物結(jié)構(gòu)所限，不同礦產(chǎn)地鈦磁鐵礦這一礦物復(fù)合相中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都低于磁鐵礦的理論值(72.40%)，伴生的鈦和釩含量也有明顯差異.其中，承德的鈦磁鐵礦中含鐵量最高，其次是攀枝花的鈦磁鐵礦，而朝陽(yáng)的鈦磁鐵礦中含鐵量最少.承德和攀枝花的鈦磁鐵礦中含釩量比較接近，而朝陽(yáng)的鈦磁鐵礦中釩含量是攀枝花的兩倍以上.朝陽(yáng)、攀枝花和承德的鈦磁鐵礦中鈦的含量依次降低.鈦磁鐵礦與磁鐵礦、磁黃鐵礦等礦物相似，都屬于強(qiáng)磁性礦物[10]，弱磁選時(shí)鈦磁鐵礦也容易得到選擇性富集和高效回收，但因不同的釩鈦磁鐵礦中鈦磁鐵礦的化學(xué)組成不同，選礦獲得的磁選精礦中鐵的品位及鈦、釩的品位有顯著的差別.

3.2 鈦鐵礦

釩鈦磁鐵礦中的鈦鐵礦主要有以下三種典型的嵌布特征：其一是粒狀結(jié)構(gòu)的鈦鐵礦，是礦石中鈦鐵礦的主要結(jié)構(gòu)類型；其二是具有長(zhǎng)條狀結(jié)構(gòu)的鈦鐵礦，該類型的鈦鐵礦與鈦磁鐵礦共生較為密切，鈦鐵礦與鈦磁鐵礦之間實(shí)現(xiàn)單體解離需要較細(xì)的磨礦細(xì)度；其三是以片晶結(jié)構(gòu)分布在磁鐵礦基底中與尖晶石一起組成鈦磁鐵礦復(fù)合礦物相的鈦鐵礦， 其片晶寬度多數(shù)都小于0.005 mm， 磨礦作業(yè)時(shí)此部分鈦鐵礦無(wú)法與磁鐵礦之間實(shí)現(xiàn)充分單體解離，這是導(dǎo)致弱磁選鐵精礦中鈦含量高的根本原因.攀枝花、承德和朝陽(yáng)釩鈦磁鐵礦中鈦鐵礦的典型特征見(jiàn)圖5.從中可以看出：攀枝花和

表5 攀枝花、承德和朝陽(yáng)鈦磁鐵礦的基本化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 5 Basic chemical composition of Panzhihua, Chengde and Chaoyang titanomagnetite(mass fraction)%

承德礦中鈦鐵礦主要是以粒狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)出，少部分鈦鐵礦呈長(zhǎng)條狀嵌布在鈦磁鐵礦中；而朝陽(yáng)釩鈦磁鐵礦中的鈦鐵礦主要呈粒狀產(chǎn)出，且與鈦磁鐵礦常緊密共生.相比較而言，攀枝花礦中鈦鐵礦的礦物相對(duì)含量最高，其次是承德，而朝陽(yáng)礦中的鈦鐵礦最少.呈粒狀產(chǎn)出的鈦鐵礦粒度主要都分布在0.03～0.3 mm之間.

不同礦產(chǎn)地中鈦鐵礦的X射線譜見(jiàn)圖6，鈦磁鐵礦的基本化學(xué)組成(EDS)見(jiàn)表6.結(jié)果表明，攀枝花鈦鐵礦中普遍含有Mg和Mn元素，而承德鈦鐵礦中除鐵和鈦外，其他金屬元素含量極少，朝陽(yáng)鈦鐵礦中常常含有Mn.其中，攀枝花鈦鐵礦中各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Ti 30.60%(TiO251.00%)，F(xiàn)e 33.02%，Mg 3.53%，Mn 0.69%，O 32.16%, TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于該礦物的理論值(TiO252.63%)；承德鈦鐵礦的成分與該礦物理論值一致；朝陽(yáng)鈦鐵礦中各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Ti 30.37%(TiO250.62%)，F(xiàn)e 36.36%，Mg 0.20%，Mn 0.69%，O 32.38%.

表6 鈦磁鐵礦的基本化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 6 Composition of ilmennite(mass fraction) %

4 鈦磁鐵礦和鈦鐵礦的粒度分布

不同礦產(chǎn)地釩鈦磁鐵礦中鈦磁鐵礦和鈦鐵礦的粒度分布如圖7所示：在+74 μm粒級(jí)中，攀枝花鈦磁鐵礦累積的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58.93%，承德鈦磁鐵礦為81.49%，朝陽(yáng)鈦磁鐵礦為86.11%；可見(jiàn)，攀枝花釩鈦磁鐵礦中鈦磁鐵礦的嵌布粒度相對(duì)比較細(xì)，而承德和朝陽(yáng)釩鈦磁鐵礦中鈦磁鐵礦的嵌布粒度比較粗.在+74 μm粒級(jí)中，攀枝花鈦鐵礦累積的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70.94%，承德鈦鐵礦為83.93%，朝陽(yáng)鈦鐵礦為80.92%.

5 礦石的選礦指標(biāo)與價(jià)值

不同礦產(chǎn)地釩鈦磁鐵礦中鐵、鈦、釩的理論選礦指標(biāo)見(jiàn)表7.由表7可知，承德的釩鈦磁鐵礦更容易獲得品位高的鐵精礦，其次是攀枝花，而朝陽(yáng)礦難以獲得高品位的鐵精礦；對(duì)比鐵精礦中V2O5的理論品位可知，朝陽(yáng)鐵精礦釩的品位是攀枝花鐵精礦中釩的品位的2.23倍，是承德鐵精礦中釩品位的1.81倍，可見(jiàn)朝陽(yáng)鐵精礦是提釩最好的礦物原料，其次是承德和攀枝花鐵精礦.此外，因不同礦產(chǎn)地中鈦鐵礦的化學(xué)組成所限，理論上承德的鈦精礦質(zhì)量相對(duì)較好，其次是朝陽(yáng)和攀枝花的鈦精礦.

表7 攀枝花、承德和朝陽(yáng)釩鈦磁鐵礦的理論選礦指標(biāo)Table 7 Beneficiation index of vanadium-titanomagnetite from Panzhihua,Chengde and Chaoyang%

依據(jù)鐵精礦(含釩單獨(dú)計(jì)價(jià))和鈦鐵礦精礦的現(xiàn)貨價(jià)格以及理論選礦指標(biāo)對(duì)礦石的價(jià)值進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)表8).鐵精礦現(xiàn)貨價(jià)格按62%干基鐵精礦價(jià)格629.33元/t折算為10.15元/(t·度)計(jì)算鐵的價(jià)格，鐵精礦中V2O5按14.73元/kg單獨(dú)計(jì)價(jià)(按高純V2O5為165元/kg，采用提取率50%和5.60的調(diào)整系數(shù)進(jìn)行折價(jià))；鈦精礦按TJK46價(jià)格1 225元/t折算為26.63元/(t·度)測(cè)算(參考2019年4月25日國(guó)內(nèi)鐵精礦、鈦精礦和高純V2O5的價(jià)格).由表8可知，攀枝花、承德和朝陽(yáng)釩鈦磁鐵礦的礦石價(jià)值分別為381.44元/t，225.34元/t和63.93元/t；其中攀枝花礦石價(jià)值中鐵精礦的貢獻(xiàn)率為43.32%，鈦精礦的貢獻(xiàn)率為56.68%；承德礦石價(jià)值中鐵精礦的貢獻(xiàn)率為72.26%，鈦精礦的貢獻(xiàn)率為27.74%；朝陽(yáng)礦石價(jià)值中鐵精礦的貢獻(xiàn)率為35.27%，鈦精礦的貢獻(xiàn)率為64.73%.

表8 攀枝花、承德和朝陽(yáng)釩鈦磁鐵礦的礦石價(jià)值Table 8 Ore value of vanadium-itanomagnetite from Panzhihua,Chengde and Chaoyang

6 結(jié) 論

1) 攀枝花、承德和朝陽(yáng)釩鈦磁鐵礦中鐵的品位分別為27.11%，21.18%和11.28%，其中磁性鐵品位分別為13.26%，12.84%和1.15%，TiO2的品位分別為10.98%，4.53%和2.02%，V2O5的品位分別為0.22%，0.23%和0.055%.

2) 釩鈦磁鐵礦中選礦目的礦物為鈦磁鐵礦和鈦鐵礦，不同的礦產(chǎn)地中這兩種礦物的含量和成分有顯著差別.理論上，承德礦容易獲得高品位的鐵精礦，而攀枝花和朝陽(yáng)礦不能獲得高品位的鐵精礦；朝陽(yáng)的鈦磁鐵礦中含釩量較高，且具有含鐵量低、含鈦量高的特點(diǎn)，與攀枝花和承德鐵精礦不同，是一種特殊的含釩鐵精礦.

3) 承德釩鈦磁鐵礦中鈦磁鐵礦和鈦鐵礦的嵌布粒度較粗，其次是朝陽(yáng)礦和攀枝花礦，由工業(yè)礦物的嵌布粒度可知，承德礦易于選別，而朝陽(yáng)礦和攀枝花礦次之.

4) 礦石的價(jià)值計(jì)算結(jié)果表明：攀枝花、承德和朝陽(yáng)釩鈦磁鐵礦的礦石價(jià)值分別為381.44元/t，225.34元/t和63.93元/t.

5) 通過(guò)工藝礦物學(xué)研究和礦石價(jià)值的測(cè)算，可直接獲取礦產(chǎn)資源的理論選礦指標(biāo)，對(duì)礦床技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)具有一定的意義.