谢建宏 姚燕燕 田晓珍 史玲 张治元
西安建筑科技大学矿物加工工程研究所
摘 要 经过对眉县红柱石矿矿石的工艺矿物学研究和可选性研究，确定了该矿石的选矿工艺流程及选矿技术指标，为决策者提供了科学依据，为该矿的开发利用提供了技术保证。
关键词 红柱石矿 工艺矿物学 可选性研究
1 原矿性质概述
眉县四沟红柱石矿床产于前震旦系秦岭群双水磨组变砂岩段中亚段第四层中部。矿床矿化类型为粒岩型。矿石基本为两大类型：红柱石粒状矿石和硬绿泥石红柱石粒状矿石。花岗变晶结构，粒状或块状构造。
1.1 矿石矿物组成及特征
矿物组成较简单。工业矿物（有益Al2O3矿物）以红柱石为主，少量刚玉，微量兰晶石和硅线石；有害矿物以金红石为主，少量白钛矿；脉石矿物以绢云母、应绿泥石为主，另有少量石英、堇青石、十字石等，以及微量的磁铁矿、褐铁矿、黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿、方铅矿等。
（1）红柱石 化学式Al2[SiO4]O, 含Al2O363.2%，SiO236.8%。晶体为斜方柱状，横断面为方形，多为半自形晶，粒度较小，一般0.3~2mm。肉眼观察为灰~微红灰色，细粒嵌布。镜下微具多色性，表面多有浑浊感，并有刚玉、金红石、碳质等包体。有的被后期热液作用呈净边现象。绢云母现象普遍，有呈绢云母假象者，亦有绢云母、金红石脉等穿插交代。
（2）刚玉 化学式Al2O3。晶体呈桶状，腰鼓状，多为半自形~它形粒状。有两种产出形式：呈包体状被包在红柱石中，粒度0.01~0.06mm；另一种呈脉状，粒度较粗，在0.02×0.1～0.1×0.3mm之间，形成较晚，分布较少。
（3）金红石 化学式TiO2。四方晶系，呈自形柱状、针状双晶常见。嵌布形式：一种，呈自形柱状、针状嵌布在应绿泥石或绢云母中，或呈脉状，这种类型的金红石含量不多，不到10%，，而粒度最粗，在0.2×1.3～0.3×1.5mm之间。另一种，呈包体包在红柱石中，一般呈微细粒状，相当一部分呈尘埃状、云雾状分散在红柱石，约占金红石的1/3，给选矿分离带来困难。
（4）兰晶石 化学式Al2[SiO4]O或Al2SiO5；三种晶系，晶体呈扁平的长柱状或板状。粒度较大者11.5mm～×0.07～0.1mm，一般为0.04×0.25mm，穿插在红柱石晶体中。兰晶石含量较少。
（5）硬绿泥石 化学式（Fe2+，Mg，Mn）2（Al，Fe3+）Al2O3[SiO4](OH)4,成分变化较大，Al2O339%～41%,FeO26~28%,MgO22～4%，SiO224～26%,H2O7～8%。呈单斜晶系，发育较好的晶体不多，通常为弯曲的片状，纤柱状。硬度较一般的绿泥石高（5~6左右），性脆，粒度多在0.25～1.5mm。
硬绿泥石的产出形式：
a．细小鳞片状，一般为粒度细，0.08～0.5mm。
b．纤板状，粒度稍粗，最大者2mm，一般0.3～0.15mm，多分布在红柱石矿体中，常在红柱石颗粒间或裂隙处。大的板片有时可见铁质析出物。
c．微细脉化，于红柱石裂隙中，粒度小，多在0.1mm以下。
（6）绢云母 化学式KAl2[ALSi3O10](OH)2,含K2O11.8%,Al2O338.5%,SiO245.2%,H2O4.5%,含少量铁等微量元素，呈片状及鳞片状。
绢云母赋存形式：
a．交代白云母 绢云母交代红柱石或沿其晶体表面面向内交代，形成镶片结构或沿其裂隙等薄弱地方穿插交代，形成残余结构，甚至全被绢云母交代成假象。上述几种形式的绢云母鳞片非常细小，大多在0.08mm以下，多在红柱石岩矿石中。
b．在硬绿泥石红柱石中呈脉状，脉宽0.5～4cm，鳞片大小多在0.3～0.5mm左右。有时还与电器石伴生。
c．在围岩中呈鳞片状，晶片常呈弯曲状。绢云母是主要脉石矿物，分布较广。
（7）锆石 化学式ZrSiO4,含ZrO232.9%.为岛状硅酸盐，多为浑园柱状。粒度较细小，粒径0.03～0.5mm为主，矿石中含量较少，重选精矿中有所富集。
原矿试样中矿物组成，化学多元素分析及Al2O3物相分析分别如表1，表2及表3所示。
表1 原矿试样中矿物组成
|
矿物 |
红柱石 |
刚玉 |
硬绿泥石 |
绢云母 |
金红石 |
石英 |
其它矿物 |
|
含量(%) |
66 |
2 |
12 |
13 |
3 |
2 |
2 |
表2 原矿试样化学多元素分析
|
元素 |
Al2O3 |
TiO2 |
Fe2O3 |
K2O |
Na2O |
SiO2 |
CaO |
MgO |
S |
|
含量(%) |
53.68 |
2.76 |
1.73 |
1.56 |
0.12 |
38.00 |
0.41 |
0.28 |
0.02 |
表3 原矿试样中Al2O3d 物相分析（%）
|
TAl2O3 |
红柱石中
Al2O3 |
钢玉中
Al2O3 |
硬绿泥石中
Al2O3 |
绢云母中
Al2O3 |
其它矿物中
Al2O3 |
|
53.68 |
41.64 |
2.00 |
4.80 |
4.22 |
1.02 |
由表3结果分析计算，试样中有益Al2O3含量为43.64%。
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1.2 矿石的工艺特性
表4 矿石中工业矿物的物理性质参数
|
矿物
名称 |
硬
度 |
密度
(g/cm3) |
解
理 |
解理面
Al/Si |
零电点
PH |
比磁化系数
(×10-7m3/kg) |
体积膨
胀率(%) |
转变温
度(℃) |
耐火度
(℃) |
|
红柱石 |
7.5 |
3.1～3.2 |
完全 |
3 |
7.2 |
0.23 |
|
1400 |
＞1790 |
|
兰晶石 |
C5.5
C7 |
3.5～3.6 |
完全 |
3 |
7.9 |
1.13 |
16～18 |
1300 |
＞1800 |
|
硅线石 |
6～7.5 |
3.1～3.2 |
完全 |
2 |
6.8 |
0.29～0.03 |
6～7.2 |
1500 |
＞1790 |
|
刚玉 |
9 |
4.2 |
无 |
|
|
0.2～0.1 |
5.7 |
|
＞1900 |
表5 脉石矿物的主要物理性质参数
|
性质 |
金红石 |
绢云母 |
硬绿泥石 |
电气石 |
十字石 |
石英 |
堇青石 |
磁铁矿 |
褐铁矿 |
|
硬度 |
6.3 |
3.8 |
5.5 |
7.3 |
7.25 |
7 |
7.3 |
5.53 |
3.7 |
|
密度
(g/cm3) |
4.25 |
2.9 |
3.05 |
3.14 |
3.71 |
2.65 |
2.68 |
5.16 |
5 |
|
解理 |
完全 |
极完全 |
完全 |
无 |
中等 |
无 |
中等 |
无 |
无 |
|
介电性 |
31.42 |
6.42 |
7.9 |
6.28 |
中等 |
5.5 |
|
|
10 |
|
比磁化系数
(×10-7m3·kg-1) |
1.62 |
0.36 |
22 |
2.5 |
2.76 |
|
|
1005 |
3.6 |
1.3 矿物解离特性
对-2mm的原矿试样筛析，-0.071mm粒级矿物的单体解离度仅为63.98，-0.056mm单体解离度才87.19%。连生体中以红柱石与金红石连生体为主，其次是绢云母、绿泥石等脉石矿物。连生体类型上，红柱石与金红石以包裹型为主，与绢云母连生以穿插型为主。
通过对原矿试样的磨矿试验，当磨矿细度为40%-200目时，红柱石的单体解离度为45.13%；当磨矿细度为70%-200目时，红柱石单体解离度只达到83.19%。红柱石连生体以富连声体为主，≥7/8类型占50%以上。磨矿细度愈细，其含量比例愈高，磨矿细度为70%-200目时，≥7/8连生体占60.82%。即红柱石晶体中含星点状金红石，可视该类连生体为准单体。由此可见，欲同时除去红柱石中的TiO2，又要保护红柱石的颗粒粒度，极为困难，可以说是不可能的。但是，如果在能充分地除去其它杂质的前提下，红柱石中含有微量TiO2不会影响耐火度。因为它在高温度下会生成耐火度更高的钛酸铝化合物。
2 选矿试验
根据该矿石高铝矿物硬度较大，脉石矿物易碎而泥化，高铝矿物没有磁性，而大多有害矿物有磁性的特点，初步确定采用重选抛尾脱泥，强磁选除杂的联合选矿工艺进行选矿试验。
2.1 磨矿细度试验
该矿分选的主要条件是磨矿细度，细度不足，矿物不能充分解离，过细，细粒红柱石易漂流损失。强磁选主要脱除硬绿泥石及褐铁矿等弱磁性矿物，故确定磁场强度为1.5（T）。试验工艺流程如图1，试验结果见表6。
图1 重选·强磁选工艺流程
表6 重磁联合工艺磨矿细度试验结果
|
磨矿细度
-200目(%) |
精矿产率
(%) |
精矿品位(%) |
精矿回收率(%) | ||||
|
Al2O3 |
TiO2 |
TFe |
Al2O3 |
TiO2 |
TFe | ||
|
55 |
46.17 |
60.20 |
2.91 |
1.01 |
51.78 |
48.36 |
9.03 |
|
60 |
43.16 |
61.08 |
3.61 |
1.07 |
49.11 |
56.51 |
8.91 |
|
70 |
31.26 |
62.93 |
3.42 |
1.08 |
36.65 |
38.74 |
9.33 |
|
80 |
25.60 |
62.86 |
2.69 |
0.78 |
29.97 |
24.91 |
5.51 |
从试验结果分析可见，随着磨矿细度的增加，精矿Al2O3品位上升，精矿Al2O3回收率下降，且当磨矿细度达60%-200目以上时，选别指标变化显著。该矿石原矿品位为Al2O353%，当细度为-200目55%时，精矿品位才提高到60%左右，若继续降低磨矿细度，精矿品位在生产中难以保证Al2O3达58%以上，故继续降低磨矿细度，实际意义不大。因此，确定细度55～60%-200目较好，磁场强度H=1.5(T)。
2.2 降钾钠试验
通过精矿质量化学分析，红柱石精矿中钾钠含量超标，TiO2含量超标。如前分析，TiO2的分离难度较大，而TiO2的少量存在，又不影响其耐火度，故暂不考虑，而钾钠对耐火度影响较大，因此，必须尽量脱除。
2.2.1 粗磨降钾钠试验
磨矿细度45%-200目，仍采用重磁联合工艺，精矿产率达49.14%，精矿品位可达59% Al2O3，回收率略有提高，但钾钠含量并未降低，主要原因是粗、中粒云母在重选中难以从精矿带中分离所致。
2.2.2 重选—强磁—反浮选试验
试验用工艺流程如图2，试验结果详见表7。
图2 重磁选精矿反浮选除钾钠工艺流程
图7 重磁选精矿反浮试验结果
|
矿浆
PH值 |
产物名称 |
产率
(%) |
品位(%) |
回收率(%) | ||
|
K2O |
Na2O |
K2O |
Na2O | |||
|
PH=6～7 |
精矿 |
96.26 |
0.77 |
0.49 |
81.80 |
96.48 |
|
中矿 |
3.74 |
4.41 |
0.46 |
19.20 |
3.52 | |
|
粗精矿 |
100.00 |
0.91 |
0.49 |
100.00 |
100.00 | |
|
PH=3～4 |
精矿 |
88.00 |
0.72 |
0.54 |
69.67 |
96.98 |
|
中矿 |
12.00 |
2.30 |
0.12 |
30.33 |
3.02 | |
|
粗精矿 |
100.00 |
0.91 |
0.49 |
100.00 |
100.00 | |
可见，经反浮选，钾、钠含量仍未达标。
2.2.3重磁选精矿酸浸试验
鉴于红柱石耐酸碱，而钾钠矿物有可能被酸浸出脱除，对重磁选精矿采用10%浓度硫酸浸泡5.5小时后，水洗至中性，经分析，酸浸后K2O为0.39%，Na2O为0.33%，但工艺复杂，污染严重，成本较高，仍不理想。
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2.2.4反浮选—强磁选试验
如上所述，采用反浮或酸浸工艺可降低钾钠含量，但效果不明显，只有在磨矿细度较细，在重选时牺牲Al2O3回收率为代价的情况下，才能获得钾钠含量较低的精矿，为此，设计了先反浮选脱泥和细粒绢云母等钾钠矿物，省略重选作业，简化工艺流程，同时，可减少在重选脱泥过程中Al2O3的损失。试验流程如图3，试验结果详见表8。
图3 反浮——强磁联合工艺流程
表8 反浮——强磁工艺流程试验结果
|
磨矿细度
-200目(%) |
产物
名称 |
产率
(%) |
品位(%) |
回收率(%) | ||||
|
Al2O3 |
K2O |
Na2O |
Al2O3 |
有益Al2O3 |
备 | |||
|
45 |
精矿 |
56.61 |
58.63 |
0.56 |
0.34 |
61.54 |
75.70 |
|
|
中矿 |
11.57 |
42.12 |
|
|
9.08 |
|
| |
|
31.82 |
49.56 |
|
|
29.38 |
|
| ||
|
原矿 |
100.00 |
53.68 |
|
|
100.00 |
|
氟硅酸 | |
|
65 |
精矿 |
57.04 |
58.60 |
0.50 |
0.16 |
62.22 |
76.59 |
钠600g/T |
|
中矿 |
12.05 |
41.29 |
|
|
9.26 |
|
| |
|
尾矿 |
30.91 |
49.56 |
|
|
28.52 |
|
| |
|
原矿 |
100.00 |
53.72 |
|
|
100.00 |
|
| |
试验结果表明，采用反浮选—强磁选联合工艺流程，可以有效地降低精矿中钾钠含量，同时红柱石回收率也有所提高，磨矿细度的增加，有利于钾钠降低，但继续增加细度，需采用两段磨矿，投资及生产成本成倍增加，技术上可行，经济上未必合理，故选择磨矿细度为65～70%-200目为佳。
3 红柱石精矿理化性能检测
3.1红柱石精矿化学多项分析结果
红柱石精矿化学多项分析结果详见表9。
表9 反浮强磁精矿多项分析结果
|
元素 |
Al2O3 |
TiO2 |
Fe2O3 |
K2O |
Na2O |
SiO2 |
|
含量(%) |
58.6 |
2.68 |
0.81 |
0.50 |
0.16 |
34.45 |
|
元素 |
MgO |
CaO |
灼烧 |
|
|
|
|
含量(%) |
＜0.01 |
＜0.01 |
1.29 |
|
|
|
3.2红柱石精矿耐火度测试
红柱石精矿经耐火度测试，耐火度＞1790℃
4 结论
（1）眉县四沟红柱石矿矿物组成简单，主矿物以红柱石为主，刚玉少量，有害矿物以金红石为主，脉石矿物以绢云母、硬绿泥石为主。红柱石与金红石关系密切，连生类型以包裹为主，在红柱石晶体中呈星点状分布，故采用物理方法很难使该矿中红柱石和金红石分离。
（2）针对该矿石特点，推荐采用反浮选强磁选联合工艺流程，在磨矿细度为65～70%-200目条件下，可获得精矿产率57%，精矿品位58%，Al2O3回收率76%的选矿技术指标。
（3）眉县四沟红柱石矿品位高，储量大，精矿品位可达58%以上，精矿耐火度大于1790℃，是利用前景较好的红柱石矿床。
（4）为增强红柱石与脉石矿物的浮选选择性，反浮选工艺矿浆应为酸性矿浆，相应的浮选应采用耐酸浮选机和耐酸搅拌机，矿浆输送应选耐酸泵。
（5）基于酸性矿浆浮选的原因，设计中选矿废水应全部返回使用，以降低硫酸用量，降低生产成本，减少环境污染。
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