剛果(金)SODIMIKA表層氧化銅鈷礦的工藝礦物學(xué)研究

任 玥 汪紫煙 白 丁

(湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心,湖北 武漢 430034)

剛果(金)SODIMIKA銅鈷礦位于剛果(金)加丹加省盧菲利弧形銅鈷構(gòu)造帶上[1-2],該構(gòu)造帶上存在大量待開發(fā)或已開發(fā)的氧化銅鈷礦。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),該礦帶上貯藏有全球5%的銅及50%的鈷,具有極高的開發(fā)價(jià)值[3]。該銅鈷礦屬于典型的表層深度氧化的銅鈷礦體,無(wú)論是成礦機(jī)制還是礦石中各元素的遷移特征均符合深度氧化礦的特性[4-6]。相比于深層硫化銅鈷礦床,表層氧化礦不同區(qū)域受到的淋洗[7]、遷移等次生作用的差異導(dǎo)致了次生作用的產(chǎn)物種類不同,所以礦石性質(zhì)亦有較大的差異[8]。因此,本文旨在通過(guò)系統(tǒng)的工藝礦物學(xué)研究確定SODIMIKA銅鈷礦表層氧化礦的綜合開發(fā)原則工藝。

1 礦石的物質(zhì)組成

1.1 礦石的化學(xué)組成

SODIMIKA表層氧化銅鈷礦代表性礦樣的化學(xué)多元素分析結(jié)果如表1所示。

表1 礦石的化學(xué)多元素分析結(jié)果Table 1 Analysis results of the chemical multielements of the ores %

由表1可知,礦石中主要可回收元素為Cu、Co,含量分別為2.15%、0.19%,Au、Ag具有一定的綜合回收價(jià)值;主要脈石成分為SiO2、Al2O3,含量分別為63.28%、9.25%。

1.2 礦石銅、鈷物相分析

對(duì)礦石中主要可回收元素銅、鈷進(jìn)行化學(xué)物相分析,結(jié)果分別見(jiàn)表2、表3。

表2 礦石中銅物相分析結(jié)果Table 2 Analysis results of the copper phase in the ores %

表3 礦石中鈷物相分析結(jié)果Table 3 Analysis results of the cobalt phase in the ores %

由表2可知,礦石中銅以硅孔雀石中銅、自由氧化銅、結(jié)合氧化銅、次生硫化銅、原生硫化銅的形式存在,其中硅孔雀石中銅、自由氧化銅分布率分別為42.79%、35.35%,其次為結(jié)合氧化銅15.35%。結(jié)合氧化銅和硅孔雀石在選礦工藝中難以回收[9]。

由表3可知,礦石中鈷主要以氧化鈷的形式存在,分布率達(dá)73.68%;其次為硫化鈷,賦存礦物多為含鈷的黃鐵礦,分布率為15.79%;賦存于其他形態(tài)中的鈷分布率較低。

1.3 礦石的礦物組成及含量

通過(guò)顯微鏡下鑒定及礦物自動(dòng)分析儀分析,礦石的礦物組成及含量見(jiàn)表4。

表4 礦石的礦物組成及含量Table 4 Mineral composition and contents of the ores%

由表4可知,礦石中主要金屬礦物為硅孔雀石、孔雀石、水鈷礦、黑銅礦、磷銅礦、錳銅鈷水合氧化物及赤(褐)鐵礦等;脈石礦物主要為石英、白云母、綠泥石、滑石等。

2 礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

2.1 礦石的結(jié)構(gòu)

礦石的結(jié)構(gòu)類型主要為半自形—他形粒狀結(jié)構(gòu)、自形纖維狀結(jié)構(gòu)、鱗片狀結(jié)構(gòu)及膠狀結(jié)構(gòu)等。

黑銅礦、磷銅礦及水鈷礦多呈發(fā)育不完全晶形的半自形—他形粒狀產(chǎn)出;孔雀石、綠泥石主要呈自形纖維狀結(jié)構(gòu)的集合體產(chǎn)出;脈石礦物如白云母呈自形鱗片狀晶形產(chǎn)出;褐鐵礦、錳銅鈷水合氧化物主要呈橢圓狀或偏圓狀膠狀產(chǎn)出。

2.2 礦石的構(gòu)造

礦石的構(gòu)造類型主要為塊狀構(gòu)造,其次為角礫狀構(gòu)造及皮殼狀構(gòu)造等。

主要目的礦物及脈石礦物多為不規(guī)則粒狀集合體聚集,呈不規(guī)則塊狀構(gòu)造;部分孔雀石及石英、滑石、長(zhǎng)石等呈不規(guī)則角礫狀構(gòu)造;部分表層的孔雀石呈翠綠色皮殼狀露出于塊狀礦石表面,形成皮殼狀構(gòu)造。

3 主要礦物的嵌布特征

3.1 孔雀石

孔雀石是主要的氧化銅礦物[10],礦石中的孔雀石多呈放射狀集合體、不規(guī)則粒狀或呈脈狀、網(wǎng)脈狀、皮殼狀等形式,根據(jù)孔雀石的晶形及分布特征可分為兩類:①以不規(guī)則粒狀集合體產(chǎn)出的孔雀石均勻分布于脈石基底中,其內(nèi)部常包裹細(xì)粒脈石及輝銅礦等(圖2(a)),嵌布粒度較粗,粒級(jí)為0.05～0.2 mm;②以細(xì)脈狀、纖維狀產(chǎn)出于巖石裂隙及脈石晶?？p隙中(圖2(b)),此類孔雀石嵌布粒度為0.01～0.1 mm。礦石中孔雀石的化學(xué)成分較穩(wěn)定(表5),平均含CuO 71.95%、CO218.98%,并摻雜了雜質(zhì)Fe,平均含量為0.15%。

表5 孔雀石的能譜微區(qū)成分分析結(jié)果Table 5 Analysis results of micro area components of the energy spectrum for malachite %

圖1 孔雀石與其他礦物嵌布特征Fig.1 Dissemination characteristic of malachite with other minerals

3.2 水鈷礦

水鈷礦是礦石中主要的氧化鈷礦物,自然界中產(chǎn)出的水鈷礦成分不固定,礦物晶格中的鈷原子可被Cu、Fe、Al、Ni等堿金屬元素取代[11-12]。 該礦區(qū)產(chǎn)出的水鈷礦多以非晶質(zhì)的球狀或腎狀團(tuán)塊、不規(guī)則粒狀形式分布,與孔雀石復(fù)雜連生(圖2),且粒度細(xì)小,多在0.05mm以下。礦石中水鈷礦的化學(xué)成分變化較大(表6),平均含Co 57.35%、O31.40%,并摻雜了雜質(zhì)Cu、Si,平均含量分別為6.19%、4.18%。

圖2 腎狀水鈷礦與孔雀石復(fù)雜連生Fig.2 Renal heterogenite associated complexly with malachite

表6 水鈷礦的能譜微區(qū)成分分析結(jié)果Table 6 Analysis results of micro area components of the energy spectrum for heterogenite %

3.3 黑銅礦、磷銅礦、硅孔雀石

(1)黑銅礦。黑銅礦是礦石中的氧化銅礦物之一,含量較少。黑銅礦為單斜晶系[13],礦石中的黑銅礦多呈不規(guī)則粒狀、同心放射狀、膠狀等形式產(chǎn)出,該礦物與孔雀石、水鈷礦、褐鐵礦、錳銅鈷水合物以及脈石等礦物關(guān)系密切,常分布在這些礦物的顆粒間隙、裂隙和空洞中,粒度為0.01～0.1 mm。

(2)磷銅礦。礦石中的磷銅礦礦物含量低于黑銅礦和硅孔雀石含量。磷銅礦為斜方晶系[14],理論含CuO66.54%、P2O529.69%、H2O 3.77%,呈淺綠色至深綠色、黑綠色,晶形多為不規(guī)則粒狀集合體,少數(shù)為皮殼狀集合體,鏡下可觀測(cè)到磷銅礦與孔雀石、黑銅礦等礦物關(guān)系密切,常分布于孔雀石礦物間隙、裂隙及空洞中,粒度為0.03～0.2 mm。礦石中磷銅礦的化學(xué)成分較穩(wěn)定(表7),除CuO、P2O5之外,還摻雜了雜質(zhì)Fe2O3。

表7 磷銅礦的能譜微區(qū)成分分析結(jié)果Table 7 Analysis results of micro area components of the energy spectrum for libethenite %

(3)硅孔雀石。硅孔雀石是礦石中的主要銅礦物之一,常呈隱晶質(zhì)或膠態(tài)集合體[15],硅孔雀石在該礦樣中主要呈不規(guī)則粒狀與孔雀石、褐鐵礦共生(圖3),粒徑主要為0.02～0.5 mm。

圖3 硅孔雀石與孔雀石、褐鐵礦連生Fig.3 Chrysocolla associated with malachite and limonite

3.4 鐵礦物

礦石中主要的氧化鐵礦物為褐鐵礦、赤鐵礦等,含量較高,多以不規(guī)則狀產(chǎn)出,部分呈膠狀、環(huán)狀產(chǎn)出(圖4),其次以細(xì)脈狀充填于脈石礦物的顆粒間隙及礦石裂隙中。褐鐵礦與孔雀石、水鈷礦的嵌布關(guān)系密切,故磨礦時(shí)難以與目的礦物孔雀石等解離。鐵礦物嵌布粒度分布不均,主要集中在0.05～0.2 mm,且其內(nèi)部常含有一定量的雜質(zhì)Mn、Cu、Co,以機(jī)械混入的形式存在。

圖4 環(huán)狀結(jié)構(gòu)的膠狀褐鐵礦Fig.4 Colloidal limonite with ring structure

3.5 錳銅鈷水合氧化物

礦石中含少量的錳銅鈷水合氧化物,是主要的含錳礦物,含量低。錳銅鈷水合氧化物為黑色,呈膠狀、皮殼狀產(chǎn)出,與孔雀石、水鈷礦、黑銅礦、磷銅礦、褐鐵礦、石英、滑石等礦物關(guān)系密切,緊密鑲嵌。圖5為錳銅鈷水合氧化物的SEM圖。

圖5 錳銅鈷水合氧化物的SEM圖Fig.5 SEM images of manganese-copper-cobalt hydrated oxide

3.6 脈石礦物

礦石中脈石含量最高的是石英和云母,其次為綠泥石、滑石和黏土,并含少量角閃石及碳酸鹽礦物。云母礦物主要是白云母,微量黑云母,晶形主要為條紋狀、微細(xì)條紋狀、葉片狀、細(xì)粒狀、微細(xì)粒狀、自形鱗片狀,常為集合體產(chǎn)出,多數(shù)與石英一起構(gòu)成脈石角礫;綠泥石呈纖維狀、放射狀嵌布,多為角閃石蝕變而成;滑石呈他形粒狀集合體,部分呈粒度細(xì)小的不規(guī)則他形碎屑狀,與云母等伴生;黏土礦物主要是高嶺石,分散分布于白云母、石英等礦物間隙中。

4 主要礦物的嵌布粒度

鏡下對(duì)礦石中孔雀石、硅孔雀石、水鈷礦、黑銅礦、磷銅礦及錳銅鈷水合氧化物等含銅鈷礦物的嵌布粒度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表8所示。

表8 主要含銅鈷礦物的嵌布粒度Table 8 Embedded particle size of main copper and cobalt bearing minerals

由表8可知,礦石中孔雀石、水鈷礦均具不均勻中細(xì)粒嵌布的特征,而黑銅礦、磷銅礦、硅孔雀石及錳銅鈷水合氧化物則屬細(xì)粒嵌布的范疇[16]。

5 影響選礦的工藝礦物學(xué)因素及推薦的選礦工藝

目的元素銅賦存狀態(tài)復(fù)雜,除常見(jiàn)的孔雀石、硅孔雀石外,還含有大量的結(jié)合氧化銅,這些結(jié)合氧化銅多為與氧化鐵錳鈷緊密結(jié)合的銅,并有部分硅孔雀石與褐鐵礦緊密共生,且硅孔雀石中銅分布率為42.79%,而硅孔雀石在現(xiàn)階段普遍認(rèn)為難以浮選,如采用常規(guī)的硫化活化—長(zhǎng)鏈黃藥浮選方法處理SODIMIKA氧化銅鈷礦[17],僅能回收占總銅35.35%的自由氧化銅,大量其他賦存狀態(tài)的銅元素流失于尾礦之中。

鈷作為SODIMIKA表層氧化銅鈷礦中的伴生元素,其主要賦存礦物水鈷礦多呈細(xì)粒包裹連生于孔雀石中,少量硫化態(tài)的鈷主要以含鈷的黃鐵礦賦存,這2種形態(tài)的鈷均可通過(guò)硫化活化—長(zhǎng)鏈黃藥浮選工藝進(jìn)入氧化銅精礦中,形成氧化銅鈷精礦,而與褐鐵礦緊密結(jié)合的硅孔雀石及錳銅鈷水合氧化物雖現(xiàn)階段無(wú)法通過(guò)浮選法回收,但其具有與赤鐵礦、褐鐵礦相近的比磁化系數(shù),可通過(guò)高梯度強(qiáng)磁的方式加以回收,得到一個(gè)銅、鈷品位較低的磁選銅鈷精礦。

為提高SODIMIKA表層氧化銅鈷礦中主要金屬元素的綜合回收率,結(jié)合其工藝礦物學(xué)特征,可在常規(guī)的硫化活化—長(zhǎng)鏈黃藥浮選處理工藝后新增一個(gè)高梯度強(qiáng)磁選作業(yè),經(jīng)聯(lián)合工藝處理后,浮選氧化銅鈷精礦及磁選銅鈷精礦中的銅回收率可達(dá)到75%以上(部分與褐鐵礦共生不明顯的硅孔雀石難以磁選回收),鈷回收率可達(dá)到80%以上,推薦的選礦原則工藝流程如圖6所示。

圖6 推薦的選礦原則工藝流程Fig.6 Recommended beneficiation principle process

6 結(jié) 論

(1)SODIMIKA氧化銅鈷礦屬于深度氧化的表層氧化銅鈷礦石,礦石中主要可回收元素為Cu、Co,含量分別為2.15%、0.19%。銅主要以硅孔雀石中銅、自由氧化銅的形式存在,鈷主要以氧化鈷、硫化鈷的形式存在。

(2)礦石中主要金屬礦物為硅孔雀石、孔雀石、水鈷礦、黑銅礦、磷銅礦、錳銅鈷水合氧化物及赤(褐)鐵礦等;脈石礦物主要為石英、白云母、綠泥石、滑石等。

(3)礦石的結(jié)構(gòu)類型主要為半自形—他形粒狀結(jié)構(gòu)、自形纖維狀結(jié)構(gòu)、鱗片狀結(jié)構(gòu)及膠狀結(jié)構(gòu)等;構(gòu)造類型主要為塊狀構(gòu)造,其次為角礫狀構(gòu)造及皮殼狀構(gòu)造等。

(4)礦石中孔雀石、水鈷礦均具不均勻中細(xì)粒嵌布的特征,而黑銅礦、磷銅礦、硅孔雀石及錳銅鈷水合氧化物則屬細(xì)粒嵌布。

(5)礦石中的孔雀石、硅孔雀石、黑銅礦和磷銅礦及水鈷礦、錳銅鈷水合氧化物的嵌布關(guān)系非常復(fù)雜,另外部分細(xì)粒的銅、鈷礦物與脈石礦物的關(guān)系較為密切,同時(shí)結(jié)合氧化銅多為與氧化鐵錳鈷緊密結(jié)合的銅,硅孔雀石、褐鐵礦共生現(xiàn)象嚴(yán)重。

(6)推薦采用浮—磁聯(lián)合工藝,即浮選回收部分粗粒單體的自由氧化銅礦物、磁選回收比磁化系數(shù)較高的、與氧化鐵錳緊密結(jié)合的銅鈷。