低品位硬巖型鈾礦選冶技術(shù)的新進(jìn)展

崔拴芳，楊 帥

(1.中陜核工業(yè)集團(tuán)綜合分析測試有限公司，陜西 西安 710024；2.中陜核工業(yè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710100)

鈾礦是重要的戰(zhàn)略能源礦產(chǎn)。在地殼中，鈾礦物分布廣泛，鈾平均品位約為0.000 4%；但在特定的地質(zhì)條件下，鈾可以形成非常集中的高品位鈾礦床，如在加拿大不列顛哥倫比亞省的Athabasca盆地，已探明十幾個(gè)U3O8品位超過1%的富鈾礦床，最高品位超過20%；而在世界大多數(shù)鈾礦床中，鈾的品位低于0.2%[1]71。中國鈾礦資源雖然分布較廣，但大多數(shù)是低于0.1%的低品位礦石。中國的鈾礦按照開采條件一般分為可地浸砂巖型鈾礦和硬巖型鈾礦，其中硬巖型(包括花崗巖型、火山巖型和碳硅泥巖型)鈾礦一般采取原地爆破浸出、地表堆浸、攪拌浸出等處理工藝。自20世紀(jì)50年代末至21世紀(jì)初，經(jīng)過幾十年的開采，中國已探明的開發(fā)條件較好的硬巖型鈾礦，大部分已開發(fā)完畢，相對較易開采和選冶的鈾礦資源越來越少。目前，中國鈾礦開發(fā)利用重心已轉(zhuǎn)到北方的可地浸砂巖型鈾礦和從國外獲取鈾資源。鈾資源的特殊性決定了中國能從國際上獲得核燃料的途徑非常有限?？傻亟皫r型鈾礦品位本身較低，溶浸條件較嚴(yán)苛，僅靠目前已探明的可地浸砂巖型鈾礦資源很難保證中國核電高速發(fā)展對鈾資源的需求。從保證國家戰(zhàn)略安全和核電長遠(yuǎn)健康發(fā)展的要求看，加強(qiáng)中國低品位硬巖型鈾礦開發(fā)利用技術(shù)研究，提高中國鈾礦資源的自主保障能力勢在必行。

1 低品位硬巖型鈾礦水冶技術(shù)的新進(jìn)展

在鈾礦水冶技術(shù)創(chuàng)新方面，細(xì)粒級堆浸、串聯(lián)堆浸、低滲透礦石制粒堆浸等新方法在筑堆中得到應(yīng)用[3]；細(xì)菌堆浸、濃酸熟化高鐵淋濾、活化浸出、表面活性劑助滲、串聯(lián)逆流吸附等新技術(shù)成果得到迅速推廣；開發(fā)了D263、SLD新型離子交換樹脂，創(chuàng)新了新型密實(shí)移動(dòng)床和新型懸浮床離子交換吸附技術(shù)以及拌酸-堆浸-萃取無廢水提鈾工藝，優(yōu)化了新型鈾產(chǎn)品沉淀工藝及設(shè)備；在復(fù)雜鈾礦石的滲濾浸出技術(shù)研究、含鈾鐵礦、含鈾石煤釩礦以及鉬鎳鋅釩多金屬伴生鈾礦等資源的綜合回收等技術(shù)研究和應(yīng)用方面取得了較大突破[4]。這些新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備已經(jīng)在中國多個(gè)低品位硬巖型鈾礦山得到應(yīng)用，大大降低了礦石運(yùn)輸、磨礦、固液分離等工序的成本，提高了資源綜合利用水平，擴(kuò)大了中國可利用鈾礦資源的范圍和硬巖鈾礦資源儲量。

2 選礦方法在低品位硬巖型鈾礦選冶中的新進(jìn)展

低品位鈾礦石直接水冶工藝存在溶浸劑消耗大、含鈾廢水和尾礦渣量大的問題，噸金屬鈾生產(chǎn)成本較高，很多低品位鈾礦變成不能利用的“呆礦”。近20多年來，國內(nèi)多家研究單位針對低品位硬巖型鈾礦的開發(fā)利用進(jìn)行了大量的研究。

2.1 放射性選礦技術(shù)的應(yīng)用

天然鈾的半衰期非常長(235U半衰期約710萬年，238U半衰期約45億年)，因此礦石中能測到的來自鈾的放射性非常低，通常通過輻射儀測到的放射性主要是來自鈾衰變過程中產(chǎn)生的226Ra和222Rn及其子體繼續(xù)衰變產(chǎn)生的γ射線。就特定礦床而言，放射性的強(qiáng)度與鈾的含量呈正比例關(guān)系。放射性選礦技術(shù)正是通過輻射計(jì)量裝置，測量通過檢測窗口的礦塊產(chǎn)生的伽馬射線強(qiáng)度，并通過機(jī)械或氣動(dòng)裝置將放射性強(qiáng)度不同的礦塊進(jìn)行分離，達(dá)到礦石和廢石分選，提高礦石品位的目的。在20世紀(jì)50年代末，中國吸收前蘇聯(lián)技術(shù)研制出幾款放射性分選機(jī)，在721礦等鈾礦山投入使用。不過，放射性選礦對入選礦石的粒徑和粒級范圍要求很嚴(yán)，對微細(xì)浸染狀分布的鈾礦物的分選效果也不理想，放射性選礦在中國鈾礦山逐漸被淘汰。近年來，遼寧旅順某企業(yè)從俄羅斯引進(jìn)了一種新型的Y-AC型放射性選礦機(jī)，對國內(nèi)某鈾鉬伴生礦進(jìn)行了分選試驗(yàn)，可以拋除60%以上的廢石，目的礦物回收率達(dá)到75%以上；但近些年鈾礦山使用放射性選礦機(jī)的報(bào)道很少。另外，國內(nèi)有設(shè)備廠商研發(fā)出集X射線與光電選礦于一體的射線選礦機(jī)，集成技術(shù)的應(yīng)用和風(fēng)動(dòng)彈板代替機(jī)械彈板也使射線選礦機(jī)的靈敏度更高，在其他金屬礦粗選拋尾中，也有使用射線選礦的報(bào)道[1]75。

2.2 重選技術(shù)的應(yīng)用

在鈾礦物中，晶質(zhì)鈾礦密度在8～10 g/mL，瀝青鈾礦密度在6.5～8.5 g/mL，鈮鈦鈾礦密度在3.75～4.82 g/mL，一般圍巖礦物密度在2.8 g/mL以下?；诤櫟V物和圍巖的密度差，可以通過重選技術(shù)對低品位鈾礦石進(jìn)行富集。

某花崗偉晶巖型鈾礦，礦石構(gòu)造簡單，鈾礦物主要是晶質(zhì)鈾礦，以獨(dú)立礦物存在，呈粒狀、稀疏浸染狀分布在脈石礦物粒間，以中粗粒為主，試驗(yàn)礦石品位0.06%。通過系統(tǒng)條件試驗(yàn)和擴(kuò)大連續(xù)流程試驗(yàn)，在磨礦細(xì)度-200目占33%的條件下，通過新型螺旋溜槽(帶螺紋溝槽、中間集礦槽及反沖水裝置)單獨(dú)2次富集，得到精礦產(chǎn)率27.15%、回收率84.65%的選別效果；通過單獨(dú)尼爾森選礦，得到精礦產(chǎn)率4.57%、回收率90%的選別效果；通過螺旋溜槽和尼爾森選礦機(jī)聯(lián)合使用，得到重礦物產(chǎn)率9.88%、回收率90.29%的最佳選別效果[5]。新型螺旋溜槽+尼爾森選礦機(jī)結(jié)合了螺旋溜槽處理能力大、操作簡單和尼爾森富集比高的優(yōu)勢，對礦物結(jié)晶顆粒粗、密度差大的低品位鈾礦石選礦富集適應(yīng)性好。

遼寧鳳城硼鎂鐵礦床礦石中，鈾以晶質(zhì)鈾礦形態(tài)賦存，主要與磁鐵礦、硼鎂石共生。采用水力旋流器、螺旋溜槽和搖床相組合，重選回收硼鎂鐵礦中的鈾礦物，可以從含鈾0.006 3%的原料中分選出品位為0.216%的鈾精礦，鈾回收率為44.24%[6]，實(shí)現(xiàn)了鐵、硼和鈾的綜合回收利用。

某超低品位鈾鈮鉛多金屬礦，含鈾礦物主要是鈮鈦鈾礦，通過選擇性粗碎-粗細(xì)分級分選-粗粒重介分選-細(xì)粒螺旋、搖床分選-磁選回收鐵鉛的聯(lián)合流程，得到鈮鈦鈾礦產(chǎn)率7.8%、鈾回收率83.8%、鈮回收率75.3%、鉛回收率51%、銀回收率57%的良好指標(biāo)，目的礦物鈾的品位由0.03%提高到0.33%，富集比達(dá)10倍以上。

2.3 浮選技術(shù)的應(yīng)用

地殼中的鈾主要以鈾礦物、與非鈾礦物類質(zhì)同象、吸附狀態(tài)等存在。鈾在礦石中大多以氧化物或含氧鹽礦物形式存在，多為四價(jià)和六價(jià)較穩(wěn)定的價(jià)態(tài)。主要的鈾礦物分為簡單氧化物(如晶質(zhì)鈾礦、瀝青鈾礦)、復(fù)雜氧化物(如含鈾的鈦、鈮、鉭礦物)、氫氧化物(如水鈾礦、水斑鈾礦、紅鈾礦)、鈾云母類、硅酸鹽類及其他鈾礦物和含鈾礦物(如含鈾鉬酸鹽類、硫酸鹽類、碳酸鹽含鈾類礦)。由于鈾是親氧元素，直接采用有色金屬礦常用的浮選辦法，很難富集得到高品位的含鈾精礦；但也有少量的鈾礦物和含鈾礦物(如鈣鈾云母、獨(dú)居石、鈮鈦鈾礦等)可以通過浮選進(jìn)行富集[2]80-81。

在鈾礦選冶中，浮選的主要目的是將不同組分的礦物分開。例如，將酸性礦物與堿性礦物分開，便于后續(xù)分別采取酸法或堿法浸出；將鈾礦物與其他有色金屬特別是硫化礦物分開，便于降低后續(xù)浸出過程中試劑消耗和除雜成本；或通過浮選富集含鈾礦物，盡可能拋棄一些貧礦和圍巖。

某鈾-磷灰石-綠泥石型鈾礦床，主要含鈾礦物為綠泥石和磷灰石，通過反浮選將磷酸鹽選出，浮選尾礦再進(jìn)行酸法加壓浸出，鈾浸出率達(dá)到90%以上，且試劑消耗大大降低。某沉積巖型鈾礦石，主要鈾礦物為瀝青鈾礦和少量鈾石及鈾黑，占總質(zhì)量10%的炭質(zhì)物質(zhì)為部分鈾礦物的載體；碳酸鹽礦物占總質(zhì)量的40%，其中90%為不含鈾礦物的白云石。采用分步浮選，首先通過浮選將礦石中硫化礦物浮出，得到含鈾硫精礦；再通過調(diào)漿后浮選含炭物質(zhì)得到含鈾混合精礦。含鈾硫精礦和含鈾混合精礦分別用硫酸浸出，鈾浸出率合計(jì)為90.7%，硫酸消耗量從原礦直接浸出的50%以上降到6.6%[7]。

陜西華陽川鈾多金屬礦屬于超大型多金屬超低品位礦，單獨(dú)回收其中任何一種元素都不具有經(jīng)濟(jì)性，必須通過低成本拋尾富集和多元素綜合回收才能使該礦由“呆礦”變“活礦”。通過企業(yè)與科研院所的聯(lián)合攻關(guān)，最終開發(fā)出以磨前重選拋尾和多相鈾鈮稀土同步直接浮選為特色的“細(xì)碎-重選拋尾-粗細(xì)粒分選、粗粒粗磨浮選-微細(xì)粒選擇性絮凝浮選”的新工藝，綜合回收了鈾、鈮、稀土、鉛、銀等多種金屬，鈾回收率達(dá)到77.4%，富集比達(dá)10倍以上[8]。另外，該礦采用螺旋溜槽拋尾-螺旋溜槽粗精礦浮選回收鉛和銀-磁選回收鐵-反浮選脫硅得到鈾鈮稀土精礦工藝，鈾鈮稀土混合精礦產(chǎn)率11.7%，鈾回收率75%，鈮回收率86%[9]104-107。

2.4 選礦和水冶技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用

低品位硬巖型鈾礦通過選礦富集得到的精礦，還必須通過水冶工藝才能生產(chǎn)出滿足核燃料生產(chǎn)要求的初級產(chǎn)品。一般來說，1 t原礦的選礦處理成本和水冶處理成本相比要低很多，選礦廢水基本可以做到完全循環(huán)使用；選礦尾渣大多數(shù)屬于一般性固廢，采用普通防洪防滲要求的尾礦庫堆放即可。但水冶過程產(chǎn)生的廢水即使處置后也較難做到完全循環(huán)使用，水冶尾渣一般屬于危險(xiǎn)廢物，尾礦堆存的要求和處理成本比選礦尾渣要高得多。因此，就需要盡可能提高選礦產(chǎn)品的品位，同時(shí)結(jié)合選礦產(chǎn)品的水冶浸出特性和綜合效益研究，找到兩者最佳的結(jié)合點(diǎn)。

某花崗偉晶巖型鈾礦通過螺旋溜槽和尼爾森選礦機(jī)重選富集后，重選精礦品位達(dá)到1.23%。通過再磨-拌酸熟化-加溫浸出-固液分離-分步沉淀流程，在液固比1.75∶1 mL/g、浸出溫度50 ℃、浸出時(shí)間4 h、硫酸用量8%、氯酸鈉用量0.5%的條件下，鈾的浸出率達(dá)到99%。固液分離后，通過碳酸鈉除雜和氫氧化鈉沉淀得到干基鈾含量60%的合格“111”產(chǎn)品[10]。

某鈾多金屬礦通過重選浮選聯(lián)合流程獲得了含鈾鈮稀土的混合精礦，通過冶金試驗(yàn)探索出“硫酸熟化-浸出-N235萃取鈾-樹脂吸附鈮-樹脂吸附稀土”的水冶工藝流程。在酸礦比0.8∶1 g/g、熟化溫度270～290 ℃、熟化時(shí)間1 h、浸出液固比3∶1 mL/g、浸出溫度50～60 ℃的條件下，鈾、鈮、稀土的浸出率分別為96.4%、86.4%和76.0%。采用N235與仲辛醇協(xié)萃體系從浸出液直接萃取鈾，碳酸鈉反萃、氫氧化鈉沉淀，獲得了干基鈾含量67%的合格“111”產(chǎn)品；采用樹脂選擇性吸附分離鈮，雙氧水-硫酸解析-水解沉淀，得到含鈮90%的鈮氧化物；采用樹脂選擇性吸附稀土-硝酸解析-草酸沉淀-煅燒，得到稀土含量82.5%的混合稀土氧化物[9]147。

3 存在問題與建議

在鈾礦資源的稟賦條件方面，中國是一個(gè)鈾礦資源分布較廣但資源稟賦欠佳的國家：一是鈾礦資源種類多，礦石成分和賦存狀態(tài)復(fù)雜；二是鈾礦資源品位總體偏低；三是礦床規(guī)模普遍偏?。凰氖堑V體埋藏深、建礦條件較差。此外，在中國目前已探明的鈾資源中，可地浸砂巖型鈾礦占比不到24%，大多屬于低品位硬巖型鈾礦，已探明的大大小小鈾礦床(田)有200多個(gè)，但多數(shù)已被開發(fā)利用。另外，近20年來，硬巖型鈾礦的探礦權(quán)多集中在已屬地化的鈾礦地質(zhì)勘查隊(duì)伍手中，雖然鈾礦權(quán)登記和勘查已面向社會單位和個(gè)人放開；但鈾礦的開發(fā)依然實(shí)行?？貙I，加之近十年來國際天然鈾價(jià)格低迷，導(dǎo)致鈾礦探礦權(quán)人的找礦積極性不高、勘查投入不足，硬巖型鈾礦新增資源量非常有限。中國自產(chǎn)天然鈾在核燃料供給中的份額逐年下降，鈾礦資源儲備與核電長遠(yuǎn)發(fā)展的需求不匹配。

在鈾礦選冶技術(shù)發(fā)展方面，近十多年來，中國在低品位硬巖型鈾礦的選礦和水冶技術(shù)方面取得了較大的進(jìn)步，有關(guān)單位在理論創(chuàng)新、技術(shù)革新、工藝和設(shè)備研發(fā)方面取得了一些成績，也申請了較多的技術(shù)發(fā)明專利；但因需求不旺，相比其他有色金屬，在選冶技術(shù)方面開展的研究無論在數(shù)量上還是質(zhì)量上都存在較大差距。開展鈾礦選冶研究的單位少，雖然天然鈾礦石的放射性并不高，甚至比不上有些和鈾共伴生關(guān)系密切的鉬、釩、稀土礦；但公眾普遍對鈾礦輻射知識缺乏，甚至談“鈾”色變。許多研究單位和科研人員不愿意接受鈾礦和鈾伴生礦的選冶研究課題。由于近些年國家鈾礦找礦重心向北方砂巖型鈾礦轉(zhuǎn)移，硬巖型鈾礦勘查項(xiàng)目少、找礦成果不突出，開展的試驗(yàn)研究和礦床評價(jià)工作也隨之減少。鈾礦選冶成果和技術(shù)的轉(zhuǎn)化難，一方面是鈾礦權(quán)和鈾礦勘查成果的市場化交易難；另一方面是鈾礦屬于稀有礦種，針對某礦床或某種類型鈾礦取得的研究成果對其他礦床或其他類型鈾礦借鑒意義不大。

目前，中國已經(jīng)成為世界上在建核電規(guī)模最大的國家。預(yù)計(jì)到2035年前后，中國核電總裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到1.5億千瓦左右，對天然鈾的年需求量將超過20 000 t[11]。中國天然鈾供需存在非常大的缺口，須采取必要的措施，提高天然鈾的采選冶技術(shù)水平，提升天然鈾的自給保障能力。

針對中國鈾礦資源開發(fā)利用中存在的問題，提出以下幾點(diǎn)建議：1)有限放開國內(nèi)鈾礦開發(fā)市場，以中核、中廣核等央企和大型地方國企為控股企業(yè)，以產(chǎn)權(quán)為紐帶，組建一批混合所有制的聯(lián)合礦業(yè)公司，盤活現(xiàn)有鈾礦探礦權(quán)，實(shí)現(xiàn)勘查、開發(fā)一體化經(jīng)營，并以需求帶動(dòng)科研和技術(shù)的進(jìn)步。2)積極實(shí)施找礦突破戰(zhàn)略，切實(shí)按照“公益先行、基金銜接、商業(yè)跟進(jìn)、整裝勘查、快速突破”的方針，加大對自2012年以來已設(shè)立的12個(gè)國家級鈾礦整裝勘查區(qū)的基礎(chǔ)性、公益性地質(zhì)工作和選冶技術(shù)研究的資金投入。3)充分發(fā)揮高等院校、科研院所和鈾礦冶企業(yè)的科研力量，支持國家級和省級鈾礦選冶及綜合利用科研平臺和工程中心建設(shè)，鼓勵(lì)開展多部門、跨行業(yè)聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)。積極申報(bào)國家和省級科研基金項(xiàng)目，開展多領(lǐng)域、多學(xué)科交叉研究和技術(shù)融合，把其他有色金屬礦種選冶的新工藝、新技術(shù)、新材料、新設(shè)備引入到低品位硬巖型鈾礦的選冶中來。