坦桑尼亞潘達地區某鈮礦工藝礦物學研究

吳師金，劉庭忠，周瑜，寧福俊

（1.江西省地質調查研究院，江西 南昌 330030；2.安徽地礦投資集團有限公司，安徽 合肥 230001）

鈮廣泛應用在冶金工業、原子能工業、航空航天工業、軍事工業、電子工業、超導材料以及醫療儀器等方面；鉭是電子工業和空間技術發展不可缺少的戰略原料，主要用于電子、機械、化工、宇航四大領域。世界鈮的年消費量已達2萬多噸，并且還在逐年增加[1]。

鈮鉭主要賦存于花崗巖或花崗偉晶巖中，少部分分布于碳酸巖型礦床中，以及區域變質礦床、風化殼型礦床等[2-3]。坦桑尼亞某鈮鉭礦床是響應我國 “走出去”發展戰略新勘探發現的，屬于碳酸巖型鈮鈣礦-鈮鉭鐵礦礦床，主要有價回收元素為鈮、鉭。本文通過采用光學顯微鏡、X-射線衍射分析（X-RD）、掃描電鏡、礦物自動分析儀（MLA）、EDS能譜分析手段及化學分析的手段，將從礦石化學成分、礦石礦物組成、主要鈮礦物的嵌布特征、解離特征等工藝礦物學特征等的角度對該鈮礦進行工藝礦物學研究，確定鈮元素在礦石中賦存狀態，為鈮的利用提供科學依據。

1 礦石的化學成分

礦石的主要化學成分見表1。

表1 礦石的多元素分析結果/%Table 1 Multi-element analysis results of the run-of-mine ore

主要為鈣、鎂、鐵、磷等，主要用益組分為鈮(Nb2O5 0.125%)、鉭(Ta2O5 0.006%)，根據現行國內標準（DZ/T 0203-2002），鈮、鉭達到綜合利用要求。

2 礦石的礦物組成

礦石中的金屬礦物主要有磁鐵礦、鈮鈣礦、赤鐵礦、鈮鉭鐵礦、褐鐵礦、磁黃鐵礦、黃鐵礦等，其中以磁鐵礦、鈮鈣礦為主；非金屬礦物主要為方解石、白云石，其次為磷灰石、黑云母，另有少量橄欖石、長石、金紅石等。礦石中主要礦物含量見表2。

表2 礦石的礦物組成及其相對含量分析結果Table 2 Analysis results of mineral composition and relative content in the ore

3 主要含鈮礦物工藝礦物學特征

3.1 鈮鈣礦[CaNb2O6]

3.1.1 化學成分

鈮鈣礦是該礦石中鈮的主要載體礦物。通過對典型鈮鈣礦進行能譜分析，其主要由鈮、鈣、氧組成，且含有少量鈦等，見表3，進一步進行電子探針分析，其結果見表4。

表3 典型鈮鈣礦元素組成Table 3 Chemical elements composition of fersmite

表4 鈮鈣礦電子探針分析結果/%Table 4 Results of electron probe analysis of fersmite

根據電子探針結果，鈮鈣礦除鈮和鈣外，還含有少量的Ti，Ta，Si，Fe，Mg等。它們多以類質同象的形式賦存于鈮鈣礦中，其中Fe，Mg等元素代替Ca的位置，Ti，Ta，Si的元素代替Nb的位置。

3.1.2 嵌布特征

鈮鈣礦主要以他形粒狀產出，與方解石、白云石、磷灰石、磁鐵礦等關系密切，其主要嵌布特點為：①常常包裹方解石(圖1)；②與白云石形成共結晶結構(圖2)；③與磁鐵礦交代伴生(圖3)；④可見被磷灰石包裹(圖4)，或者與磷灰石伴生。鈮鈣礦最大嵌布粒度為0.15 mm，粒度普遍在50～100 μm之間，粒度最小為20 μm。

圖1 鈮鈣礦包裹方解石Fig .1 Fersmite coated calcite

圖2 鈮鈣礦與白云石連生Fig .2 Fersmite inter-grown with dolomite

圖3 鈮鈣礦與磁鐵礦交代伴生Fig .3 Fersmite associated magnetite

圖4 鈮鈣礦被磷灰石包裹Fig .4 Fersmite coated by apatite

礦石破碎至小于1 mm時，鈮鈣礦僅有少量單體解離，絕大部分是與其他礦物呈包裹關系，其次是與其他礦物呈共生關系。在包裹關系中，以鈮鈣礦與碳酸鹽礦物的包裹關系為主（占81.6%），其次是鈮鈣礦與磷灰石的包裹關系（占10.9%）。在共生關系中，以鈮鈣礦與碳酸鹽礦物的共生關系為主（占80.3%），其次是以鈮鈣礦與磁鐵礦的共生關系（占15.6%）。鈮鈣礦與其他礦物的連生關系測試結果見表5。

表5 小于1mm粒級鈮鈣礦單礦物的連生關系測試結果Table 5 Test results of connate relation of ＜ -1mm monomer unitary fersmite

3.1.3 單體解離特征

鈮鈣礦的嵌布粒度較細，在0.074 ～ 0.045 mm的粒度范圍，鈮鈣礦的解離度為71.58%，在小于0.045 mm的粒度范圍，鈮鈣礦的解離度也只有72.36%。小于1 mm粒級鈮鈣礦單體解離度測試結果見圖6。

圖6 小于1mm粒級鈮鈣礦單礦物的單體解離度Fig .6 -1 mm monomer dissociation of unitary Fersmite

通過對-0.045 mm粒級以下鈮鈣礦連體分析，其中：與其他礦物毗鄰共生為主，占73.95%，其次，為以與其他礦物相互包裹關系，占26.05%。0.045 mm粒級鈮鈣礦單礦物的連生關系測試結果見表6。通常粒度情況下鈮鈣礦較難完全解離。

表6 -0.045 mm粒級鈮鈣礦單礦物的連生關系測試結果Table 6 Test results of connate relation of ＜ 0.045 mm monomer unitary fersmite

3.2 鈮鉭鐵礦[(FeMn)(NbTa)2O6]

3.2.1 化學成分

鈮鉭鐵礦是該礦石中鈮的主要載體礦物。通過對典型鈮鉭鐵礦進行能譜分析，其主要由鈮、鈣、氧組成，且含有少量鈦等，其化學元素組成見表7，進一步進行電子探針分析，其結果見表8。

表7 典型鈮鉭鐵礦元素組成Table 7 Chemical elements composition of columbite-tantalite

表8 鈮鉭鐵礦電子探針分析結果/%Table 8 Results of electron probe analysis of columbite-tantalite

圖7 鈮鉭鐵礦與方解石共生Fig .7 Columbite-tantalite and calcite symbiosis

圖8 鈮鉭鐵礦交代磁鐵礦Fig .8 Columbite-tantalite associateed magnetite

圖9 鈮鉭鐵礦嵌布于方解石裂隙中Fig .9 Columbite-tantalite embedded in calcite fissure

根據電子探針結果，鈮鉭鐵礦除鈮、鉭和鐵外，還含有少量的Ti，Si，Ca,Mn等。在鈮鉭鐵礦晶體中，它們多以類質同象的形式賦存于鈮鉭鐵礦中，其中Fe，Mn為完全類質同象，Nb和Ta同樣為完全類質同象，Ca為混入，多取代Fe和Mn位置。Ti與Nb呈完成類質同象，與Ta呈不完全類質同象，代替Nb和Ta的位置，Si的元素多取代Nb的位置。

3.2.2 嵌布特征

鈮鉭鐵礦主要以他形粒狀形式產出，與鈮鈣礦、磁鐵礦、碳酸鹽類礦物關系密切，其嵌布特征為：①與碳酸鹽類礦物形成共生或包裹結構（圖7）；②與磁鐵礦或鈮鈣礦交代伴生（圖8）；③部分鈮鉭鐵礦沿著碳酸鹽礦物的裂理呈脈狀析出（圖9）。鈮鉭鐵礦最大晶粒為300 μm，晶粒普遍在45～260 μm之間，最小晶粒為30 μm左右。

在原礦為-1 mm狀態下，鈮鉭鐵礦僅有少量單體解離，絕大部分是與其他礦物呈共生關系，其次是與其他礦物呈包裹關系。在共生關系中，以鈮鉭鐵礦與碳酸鹽礦物的共生關系為主（占95.6%），其次是以鈮鉭鐵礦與磁鐵礦的共生關系（占3.9%）。在包裹關系中，以鈮鉭鐵礦與碳酸鹽礦物的包裹關系為主（占97.2%）。鈮鉭鐵礦與其他礦物的連生關系測試結果見表9。

表9 小于1 mm粒級鈮鉭鐵礦單礦物的連生關系測試結果Table 9 The test results of connate relation of ＜1 mm monomer unitary columbite-tantalite

3.2.3 單體解離特征

鈮鉭鐵礦的嵌布粒度較細，在-0.074+0.045 mm的粒度范圍，鈮鉭鐵礦的解離度為68.97%，在-0.045 mm的粒度范圍，鈮鉭鐵礦的解離度也只有72.23%。小于1 mm粒級鈮鉭鐵礦單礦物的單體解離度測試結果見圖10。

圖10 -1mm粒級鈮鉭鐵礦單礦物的單體解離度Fig .10 ＜1 mm monomer dissociation of unitary Columbitetantalite

在-0.045 mm粒級中，仍有27.77%的鈮鉭鐵礦以連體的形式存在，通過分析，其中以鈮鉭鐵礦與其他礦物共生關系為主，占73.95%，以鈮鉭鐵礦與其他礦物包裹關系為其次。占26.05%。小于0.045 mm粒級鈮鉭鐵礦單礦物的連生關系測試結果見表10。通常粒度情況下鈮鉭鐵礦較難完全解離。

表10 -0.045 mm粒級鈮鉭鐵礦單礦物的連生關系測試結果Table 10 Test results of connate relation of ＜0.045 mm monomer unitary columbite-tantalite

3.3 金紅石[TiO2]

金紅石在該礦石中含量很少，以他形粒狀產出，且其嵌布粒度很小，一般為-20 μm，分散分布。金紅石中含有少量鈮和鉭，其含量分別為6.84%和1.88%，見表11。

表11 金紅石電子探針分析結果/%Table 11 Results of electronprobe analysis of rutile

3.4 磷灰石[A5[XO4]3Z]

磷灰石成分較復雜，A為二價陽離子，以Ca為主，鉛次之，也可以為鉀、鈉、鍶、錳等。絡陰離子[XO4]主要為[PO4]，但可被[SiO4]、[SO4]、[VO4]等代替。Z為附加陰離子，主要為OH和F，其次為Cl、O-2等。本礦中磷灰石在礦石中呈半自形柱狀，粒徑最小為50 μm，最大為1.25 mm，一般為100～500 μm。其嵌布特點主要是包裹鈮鈣礦或與鈮鈣礦連生（圖4）。磷灰石中只含有少量鉭(Ta2O5為0.01%)，通過電子探針分析未發現鈮，見表12。

表 12 磷灰石電子探針分析結果/%Table 12 Results of electron probe analysis of columbite-tantalite

4 鈮賦存狀態

該鈮鉭礦中含鈮礦物有4種，分別是鈮鈣礦、鈮鉭鐵礦、金紅石、碳酸鹽礦物（以白云石和方解石為主，含其他硅酸鹽礦物）。其中主要是以鈮鈣礦為主，其次為鈮鉭鐵礦。通過對鈮進行金屬量平衡計算，結果見表13。

表13 鈮金屬量平衡計算結果Table 13 Calculation results of element balance of niobium

結果表明，礦石中的鈮主要分布在鈮鈣礦中，其分布率為70.84%，其次分布在鈮鉭鐵礦和碳酸鹽礦物中，鈮鉭鐵礦和碳酸鹽礦物中鈮的分布率為22.22%和6.25%，另外金紅石中還有微量的鈮，其分布率為0.69%。

由此可見，必須充分富集鈮鈣礦和鈮鉭鐵礦，礦石中的鈮金屬才可得到較好的回收。

5 結 論

（1）礦石中主要有益組分為Nb2O5和Ta2O5，其含量分別為0.125%和0.0063%，其他金屬元素的含量都較低。

（2）礦石中鈮、鉭的載體礦物共有5種，分別是鈮鈣礦、鈮鉭鐵礦、金紅石、磷灰石、碳酸鹽礦物（包括白云石和方解石）。其中主要是以鈮鈣礦為主，其次為鈮鉭鐵礦。

（3）礦石中的鈮主要分布在鈮鈣礦中，其分布率為70.84%，其次分布在鈮鉭鐵礦和碳酸鹽礦物中，鈮鉭鐵礦和碳酸鹽礦物中鈮的分布率分別為22.22%和6.25%，另外金紅石中還有微量的鈮，其分布率為0.69%；礦石中鉭主要賦存于鈮鈣礦、鈮鉭鐵礦中，在磷灰石和金紅石中也有分布。

（4）礦石中鈮鉭礦物的嵌布粒度較細，鈮鈣礦嵌布粒度普遍在50～100 μm之間；鈮鉭鐵礦嵌布粒度普遍在45～260 μm之間。在粒度為-1 mm狀態下，鈮鈣礦的解離率為15.69%，鈮鉭鐵礦的解離率為12.08%，鈮鉭礦物單體解離率低；在粒級為-0.045 mm時，鈮鈣礦和鈮鉭鐵礦的解離率也分別僅有73.36%、72.23%，鈮鉭礦物需要在較細的磨礦細度下方能得到較大解離，但磨礦細度太細，勢必影響選礦回收效果。

（5）鈮鈣礦和鈮鉭鐵礦相互關系密切，在-0.045 mm粒級，兩者共生或包裹的關系占連體總量的17.98%、20.19%，在選別過程中，兩者較難分離；鈮鈣礦、鈮鉭鐵礦與磁鐵礦（含赤鐵礦）相互關系密切，其共生或包裹的關系分別占連體總量的39.27%和28.36%。鈮鈣礦和鈮鉭鐵礦在選別過程中與磁鐵礦（含赤鐵礦）也難于分離，因此，在確定選礦工藝時應充分考慮礦石的磨礦細度和含鈮礦物的工藝礦物學特征，制定合理的選礦方法和工藝，提高選礦回收率。