剛果(金)SODIMIKA表層氧化銅鈷礦的工藝礦物學研究

任 玥 汪紫煙 白 丁

(湖北省地質實驗測試中心,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造帶上[1-2],該構造帶上存在大量待開發或已開發的氧化銅鈷礦。據不完全統計,該礦帶上貯藏有全球5%的銅及50%的鈷,具有極高的開發價值[3]。該銅鈷礦屬于典型的表層深度氧化的銅鈷礦體,無論是成礦機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,表層氧化礦不同區域受到的淋洗[7]、遷移等次生作用的差異導致了次生作用的產物種類不同,所以礦石性質亦有較大的差異[8]。因此,本文旨在通過系統的工藝礦物學研究確定SODIMIKA銅鈷礦表層氧化礦的綜合開發原則工藝。

1 礦石的物質組成

1.1 礦石的化學組成

SODIMIKA表層氧化銅鈷礦代表性礦樣的化學多元素分析結果如表1所示。

表1 礦石的化學多元素分析結果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

對礦石中主要可回收元素銅、鈷進行化學物相分析,結果分別見表2、表3。

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

表3 礦石中鈷物相分析結果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%,其次為結合氧化銅15.35%。結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%;賦存于其他形態中的鈷分布率較低。

1.3 礦石的礦物組成及含量

通過顯微鏡下鑒定及礦物自動分析儀分析,礦石的礦物組成及含量見表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 礦石的結構構造

2.1 礦石的結構

礦石的結構類型主要為半自形—他形粒狀結構、自形纖維狀結構、鱗片狀結構及膠狀結構等。

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

2.2 礦石的構造

礦石的構造類型主要為塊狀構造,其次為角礫狀構造及皮殼狀構造等。

主要目的礦物及脈石礦物多為不規則粒狀集合體聚集,呈不規則塊狀構造;部分孔雀石及石英、滑石、長石等呈不規則角礫狀構造;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、不規則粒狀或呈脈狀、網脈狀、皮殼狀等形式,根據孔雀石的晶形及分布特征可分為兩類:①以不規則粒狀集合體產出的孔雀石均勻分布于脈石基底中,其內部常包裹細粒脈石及輝銅礦等(圖2(a)),嵌布粒度較粗,粒級為0.05～0.2 mm;②以細脈狀、纖維狀產出于巖石裂隙及脈石晶粒縫隙中(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成分較穩定(表5),平均含CuO 71.95%、CO218.98%,并摻雜了雜質Fe,平均含量為0.15%。

表5 孔雀石的能譜微區成分分析結果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]。 該礦區產出的水鈷礦多以非晶質的球狀或腎狀團塊、不規則粒狀形式分布,與孔雀石復雜連生(圖2),且粒度細小,多在0.05mm以下。礦石中水鈷礦的化學成分變化較大(表6),平均含Co 57.35%、O31.40%,并摻雜了雜質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雜連生Fig.2 Renal heterogenite associated complexly with malachite

表6 水鈷礦的能譜微區成分分析結果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則粒狀、同心放射狀、膠狀等形式產出,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,晶形多為不規則粒狀集合體,少數為皮殼狀集合體,鏡下可觀測到磷銅礦與孔雀石、黑銅礦等礦物關系密切,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成分較穩定(表7),除CuO、P2O5之外,還摻雜了雜質Fe2O3。

表7 磷銅礦的能譜微區成分分析結果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,常呈隱晶質或膠態集合體[15],硅孔雀石在該礦樣中主要呈不規則粒狀與孔雀石、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,多以不規則狀產出,部分呈膠狀、環狀產出(圖4),其次以細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、水鈷礦的嵌布關系密切,故磨礦時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,且其內部常含有一定量的雜質Mn、Cu、Co,以機械混入的形式存在。

圖4 環狀結構的膠狀褐鐵礦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、微細條紋狀、葉片狀、細粒狀、微細粒狀、自形鱗片狀,常為集合體產出,多數與石英一起構成脈石角礫;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,部分呈粒度細小的不規則他形碎屑狀,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行統計,結果如表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粒嵌布的范疇[16]。

5 影響選礦的工藝礦物學因素及推薦的選礦工藝

目的元素銅賦存狀態復雜,除常見的孔雀石、硅孔雀石外,還含有大量的結合氧化銅,這些結合氧化銅多為與氧化鐵錳鈷緊密結合的銅,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%,而硅孔雀石在現階段普遍認為難以浮選,如采用常規的硫化活化—長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粒包裹連生于孔雀石中,少量硫化態的鈷主要以含鈷的黃鐵礦賦存,這2種形態的鈷均可通過硫化活化—長鏈黃藥浮選工藝進入氧化銅精礦中,形成氧化銅鈷精礦,而與褐鐵礦緊密結合的硅孔雀石及錳銅鈷水合氧化物雖現階段無法通過浮選法回收,但其具有與赤鐵礦、褐鐵礦相近的比磁化系數,可通過高梯度強磁的方式加以回收,得到一個銅、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,結合其工藝礦物學特征,可在常規的硫化活化—長鏈黃藥浮選處理工藝后新增一個高梯度強磁選作業,經聯合工藝處理后,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 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)礦石的結構類型主要為半自形—他形粒狀結構、自形纖維狀結構、鱗片狀結構及膠狀結構等;構造類型主要為塊狀構造,其次為角礫狀構造及皮殼狀構造等。

(4)礦石中孔雀石、水鈷礦均具不均勻中細粒嵌布的特征,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系非常復雜,另外部分細粒的銅、鈷礦物與脈石礦物的關系較為密切,同時結合氧化銅多為與氧化鐵錳鈷緊密結合的銅,硅孔雀石、褐鐵礦共生現象嚴重。

(6)推薦采用浮—磁聯合工藝,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較高的、與氧化鐵錳緊密結合的銅鈷。