李宇新， 田孟杰， 瞿定军， 胡学超， 孙伟， 高志勇

1.湖北宜化矿业有限责任公司，湖北 宜昌443100;2.中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙410083;3.中南大学 战略含钙矿物资源清洁高效利用湖南省重点实验室，湖南 长沙 410083

引言

宜昌磷矿含磷岩系产生于震旦系上统陡山沱组，属海相化学沉积型磷块岩矿床[1]。目前开采的主要工业矿层为下磷层和中磷层[1]。宜昌矿区西北部以中磷层为主，如杉树垭矿和江家墩矿等。中磷层磷矿共分三层，即Ph21、Ph22、Ph23[2]。其中，Ph21和Ph23以白云岩条带状磷块岩为主，矿层平均厚度较大[3]；矿层与围岩分界不明显，磷块岩条带占比为40%～70%，矿层P2O5含量较低，顶板和底板均为白云岩，但呈不紧密结合，在较粗粒度下可大部分解离[1]。含磷层Ph22为致密条带状磷块岩，磷块岩占比为75%～90%，P2O5含量高达28%以上。中磷层磷矿全层综合P2O5平均品位22%左右，难以直接进行工业利用。

宜昌中磷层有价矿物为碳氟磷灰石和氟磷灰石等，脉石矿物为白云石、石英、方解石等，主要的有价矿物与脉石矿物之间具有一定的密度差和表面疏水性差异，回收该类矿石中的含磷矿物时，目前多采用重介质选矿—反浮选工艺流程[4]。宜昌中磷层原矿P2O5含量约为22%，经过粗、中和细三段一闭路破碎，将矿石破碎到20 mm以下。经筛分分级-10 mm粒级P2O5含量约26%，+10-20 mm粒级产品经过重介质选矿，获得磷精矿P2O5含量26%，综合回收率78%。重介质分选磷精矿与-10 mm粒级产品合并进入反浮选，反浮选作业磷精矿P2O5含量30%以上。

宜昌中磷层磷矿的有价含磷矿物多以矿物集合体的形式存在，富磷矿物集合体密度2.93 g/cm3，脉石密度2.85 g/cm3，两者密度仅相差0.08 g/cm3，对重介质选矿的控制精度要求高。重介质选矿磷精矿中脉石夹杂严重，选矿效果不理想。要想提高重介质分选精矿品位和降低脉石含量，则会造成有价矿物跑尾，回收率明显降低。因此，亟需寻找新的处理工艺替代重介质分选。

X射线拣选技术，利用不同矿物在X射线透射后的光谱特异性进行识别[5-6]，分选精度更高，可克服重介质选矿过程中精矿脉石夹杂问题。而且，X射线拣选设备操作简单，容易实现全自动化控制。再者，在矿物集合体充分解离情况下，X射线拣选可以适当放宽入选粒级上限，实现大颗粒抛尾，有效代替人工手选，适用于预先抛尾作业。

本文针对宜昌中磷层磷矿，首先采用X射线衍射(XRD)分析和扫描电镜(SEM)研究其工艺矿物学信息，探索X射线拣选法处理该矿石的可行性，最终确定X射线智能分选—反浮选的联合工艺流程。

1 矿石性质

宜昌中磷层矿石新鲜面在肉眼下显灰色，结构较为致密，总体具块状构造，少量为斑杂状构造。经镜下鉴定、X射线衍射(XRD)分析和扫描电镜(SEM)分析综合研究表明，矿石中矿物组成较为简单，其中磷矿物主要是磷灰石，次为胶磷矿。脉石矿物以白云石为主，其次是石英，此外有少量方解石、绿泥石和云母等。金属矿物含量很少，为黄铁矿及褐铁矿等。中磷层矿石XRD分析结果见图1。

图1 中磷层磷矿XRD物相分析图谱Fig. 1 XRD phase analysis pattern of phosphorite ore of the middle phosphate layer

矿石中磷矿物以磷灰石为主，具有明显的晶体特征，其次为成分相近的胶磷矿。磷灰石形态变化较大，多呈自形和半自形柱粒状，部分为不规则粒状和碎屑状，嵌布粒度一般在0.05～0.5 mm之间。磷灰石不均匀嵌布在以白云石为主的脉石中(图2)，磷灰石与白云石等脉石矿物紧密嵌布，矿石中磷灰石富集部分常呈团块状集合体。集合体中磷灰石含量一般在70%以上，粗粒集合体粒度可达2 mm以上，集合体部分与胶磷矿共生。

图2 中磷层矿石中磷灰石嵌布状态SEM背散射电子像Fig. 2 SEM backscattered electron images of apatite dissemination state in the middle phosphate layer

胶磷矿常呈球粒状或椭圆粒状、浑圆团粒状集合体，部分为碎屑状。其中常包裹数量不等的细小石英等矿物。粒度总体较磷灰石细小，一般在0.03～0.3 mm之间。部分重结晶形成磷灰石，二者交生构成磷矿物混合体(图3)。

图3 矿石中胶磷矿嵌布状态偏光显微镜照片(a)和SEM背散射电子像(b)Fig. 3 Polarizing microscope photo and SEM backscattered electron images of collophanite dissemination state in ore

磷矿物包括磷灰石和胶磷矿，不均匀分布在矿石中，在大部分矿块中磷矿物含量在20%～50%之间，少量矿块中含量可达60%以上，很少量矿块局部可见磷灰石密集聚集。矿块中磷矿物较密集部分多以磷灰石为主，胶磷矿分布则较稀疏。

主要脉石矿物白云石多集中以基底物形式产出，其次是嵌布在磷灰石颗粒间隙中。石英多以细小颗粒分散嵌布，部分为隐晶质玉髓集合体。方解石多呈细小脉状产出(图2b)。

SEM分析表明，中磷层磷矿物 含P2O5为33.41%、MgO 0.58%和CaO 37.87%。碳酸盐矿物含MgO 21.35%和CaO 34.31%。硅酸盐类矿物含SiO299.58%。黏土类矿物含SiO245.45%、Al2O334.65%和MgO 0.64%。MgO和SiO2是中磷层磷矿石的有害组分，9.67%的MgO赋存在碳酸盐矿物中，19.11%的MgO赋存在磷块岩单体中，只要能抛除大部分的碳酸盐矿物，就能将MgO含量降低到1%以下。43.48%的SiO2赋存在磷矿物单体中，35.19%的SiO2赋存在石英矿物中，14.77%的SiO2赋存在黏土类矿物中，只要能抛除大部分的石英和黏土类矿物，就能大大降低SiO2含量，满足磷铵原料指标要求。

2 试验方案

本文研究拟采用X射线拣选法抛除宜昌中磷层有害矿物组分、以回收富磷矿物集合体，不同品位的原矿经过破碎和筛分作业后，分为-10 mm、+10-30 mm和+30 mm三种粒级产品，-10 mm粒级产品P2O5品位为26%左右，能够直接进入下一步浮选作业；+10-30 mm产品P2O5品位约为20%，需要X射线拣选进一步富集；+30 mm粒级产品返回破碎作业流程。

3 试验研究

3.1 筛分试验

宜昌中磷层富磷矿物集合体硬度小，致密性差，易破碎。因此，能够通过预先筛分或粗级破碎筛分获得一部分磷精矿。如表1所示，宜昌中磷层磷矿P2O5品位约为22%，通过筛分处理，-10 mm粒级产品P2O5品位约为26%，回收率约为30%，能够直接给入下一步浮选作业中。

表1 中低品位(P2O5 22%左右)原矿筛分结果 /%Table 1 Size distribution of medium- and low-grade (P2O5 22%) raw ore

3.2 中磷层中低品位磷矿X射线拣选

3.2.1 磷矿采用X射线分选的可行性

宜昌中磷层磷矿之前生产采用重介质分选，但由于富磷矿物集合体与白云石等脉石矿物密度接近，重介质分选效果不佳，因此亟需改变生产方式[6]。宜昌中磷层含磷有价矿物为磷灰石和胶磷矿，其与白云石等脉石矿物对X射线吸收程度不同，利用X射线成像易于识别磷矿物、因此采用X射线拣选法能将含磷有价矿物与脉石矿物有效地分离[7-8]。

3.2.2 XNDT-104X射线拣选原理

XNDT-104X射线拣选分选系统由X射线源、传感系统、识别系统和分离系统构成。采用X光透射性能(传感系统)及电脑图像处理技术(识别系统)对矿物进行识别后，再采用高压喷吹装置(分离系统)进行分离(图4)[6]。针对宜昌磷矿矿物特性，采集具有代表性的磷矿石样品，用于X射线拣选设备识别模型初步建立。并对不同粒度下的矿石样本，综合优化模型，在保证磷矿石较好回收率的情况下最大化提高分类的准确率。图5为湖北宜昌杉树桠磷矿石聚类训练效果图，其中红色为胶磷矿矿样本类训练后的识别结果，蓝色为脉石矿物样本类训练后的识别结果，可以看到基于经过设计后的X 光系统，两类矿石在识别系统中具有较好的类间差异，可以实现有效区分[6]。

图4 XNDT-104X智能分选系统图Fig. 4 XNDT-104X intelligent separation system

图5 湖北宜昌杉树桠磷矿石聚类训练效果图[6]Fig. 5 Effect drawing of cluster training on phosphorus ore of Shashuya in Yichang city, Hubei Province

3.2.3 X射线拣选技术指标

原矿经破碎和筛分后，+10-30 mm粒级产品X射线拣选结果如表2所示。在X射线拣选3次试验中，磷精矿P2O5含量均在27%以上，精矿回收率80%～86%；尾矿产率36.5%～45.1%之间，P2O5品位7.5%～9.0%之间。

表2 X射线分选试验结果 /%Table 2 Results of X-ray sorting of +10-30 class ore

3.3 中磷层磷矿反浮选

-10 mm粒级产品与X射线拣选磷粗精矿合并后磨矿给入下一步浮选作业，宜昌中磷层磷矿中主要的脉石矿物是白云石、石英和方解石等，反浮选技术是提高磷精矿P2O5品位的主要选矿方法[9-10]。

宜昌中磷层磷矿反浮选工艺采用磷酸作为调整剂、复配油酸类捕收剂浮选白云石等脉石矿物，具体的反浮选工艺及药剂制度如图6所示。磷精矿P2O5品位32%以上，回收率94.7%。

图6 反浮选工艺流程和药剂制度Fig. 6 Reverse flotation flowsheet and reagent regime

归一化处理筛分、X射线拣选和浮选试验结果表明，最终浮选磷精矿相对于初始原矿的产率为52.18%～57.18%之间、P2O5回收率82.02%～85.66%之间。

表3 反浮选技术指标 /%Table 3 Technical index of reverse flotation

4 结论

宜昌中磷层磷矿主要的有价磷矿物为磷灰石和胶磷矿，二者嵌布粒度较细，无法直接回收，磷灰石和胶磷矿多与白云石等脉石矿物紧密嵌布，形成粒度较粗的富磷矿物集合体。富磷矿物集合体易碎，为此，应首先预先筛分或粗碎筛分获得一部分富磷细粒级产品，即-10 mm粒级产品P2O5品位26%左右，能够直接给入下一步浮选作业。+10-30 mm粒级产品采用X射线拣选法进一步处理，X射线拣选得到的磷粗精矿P2O5品位26%以上、回收率80%～86%。-10 mm粒级产品和X射线拣选磷精矿合并给入下一步反浮选流程，反浮选磷精矿P2O5品位32%以上、作业回收率94.7%，相对原矿回收率82%以上。

原有工艺单纯采用浮选工艺很难获得P2O5品位30%以上的磷精矿。宜昌中磷层磷矿采用筛分和粗粒级X射线拣选，预先抛除产率为35%～45%的粗粒废石，提高浮选给料P2O5品位，矿山产能提高1倍，降低运输成本和后续反浮选作业难度，最终获得的浮选磷精矿P2O5品位达到32%以上。在处理其它类似低品位、有价矿物嵌布粒度细的磷矿资源时，X射线拣选—浮选联合工艺有巨大的推广潜力。