某铜镍多金属矿石工艺矿物学研究

蒋 英 李 波 洪秋阳 梁冬云 刘 超

（1.广东省科学院资源综合利用研究所，广东 广州 510650；2.稀有金属分离与综合利用国家重点实验室，广东 广州 510650；3.广东省矿产资源开发和综合利用重点实验室，广东 广州 510650）

铜、镍是重要的金属原料，在钢材、机械制造、军事、航天航空等方面具有极其重要的作用，被各国作为保证国民经济健康发展的战略物资进行储备［1-2］。全球铜、镍资源开发利用以铜镍硫化矿石为主，随着世界各国对铜镍需求量不断提高，优质铜、镍资源的开发程度不断加大，铜、镍资源日趋贫、细、杂化［1，3-4］。铜镍硫化矿床的形成均与基性和超基性岩有关，蚀变的发生导致原生硫化矿物与次生硫化矿物交错共生，多数矿石具有矿物组成复杂、品位低、易被氧化的特征。此外，由于铜镍硫化矿石中含镁脉石矿物含量较高，普遍具有易泥化、可浮性好的特点，导致其选矿存在镍回收率低、铜镍分离困难等问题［5］。因此开展铜镍硫化矿工艺矿物学研究，查明铜、镍赋存状态，据铜镍硫化矿的矿石类型、矿物共生组合、嵌布特性、矿石品位和贵金属含量等因素合理选择分选流程，对减少金属铜镍损失、提高铜镍分离效率及综合回收率具有重要意义。

1 矿石物质组成

1.1 矿石化学成分分析

本次研究的样品取自某铜镍多金属矿，从矿样中选择具有代表性块状矿石样制成光片，其余样品经破碎、混匀、筛分（筛孔尺寸为2 mm）后，再混匀缩分制成实验样品备用。采用X射线荧光光谱并结合化学定量分析对矿石样品进行化学成分分析的结果见表1。

注：其中Au、Ag、Pt、Pd含量的单位为×10-6。

由表1表明，矿石中有价元素为铜和镍，其品位超出矿产工业品位要求，钴、金、铂、钯达到综合回收品位要求。

1.2 矿石矿物组成

XRD实验仪器为德国BRUKER D8 Advance型X射线衍射仪，测试条件：工作电压40 kV，工作电流40 mA，2θ扫描角度范围为5°～90°，狭缝0.2 mm，扫描速度4°/min。矿石X射线衍射图谱见图1，矿石MLA矿物组成结果见表2。

从图1、表2可知：矿石中主要有用矿物为镍黄铁矿和黄铜矿；其它金属硫化物为磁黄铁矿，少量黄铁矿；含微量贵金属矿物，包括砷铂矿、锑铂矿、斜铋钯矿、方铋钯矿、自然金、银金矿和自然银。脉石矿物主要为硅酸盐矿物，其中蛇纹石、绿泥石、阳起石、金云母、滑石、橄榄石、斜方辉石等镁硅酸盐矿物含量较高，蛇纹石是其中含量最多的脉石矿物，X射线衍射分析显示蛇纹石以叶蛇纹石和利蛇纹石为主，另含有少量方解石等碳酸盐矿物及磁铁矿等氧化物。

1.3 矿石贵金属成分分析

矿石中存在金、银、铂、钯等多种贵金属矿物，通过扫描电镜观察发现，贵金属矿物主要呈微细颗粒包裹于目的矿物镍黄铁矿及黄铜矿中，少数包裹于脉石矿物中。这些贵金属具有重要的综合回收价值，应予以关注并最大限度地进行回收。

1.3.1 铂钯矿物

矿石含 Pd 0.32×10-6、Pt 0.10×10-6。铂钯属于稀贵金属，极稀少，矿石中主要有斜铋钯矿、方铋钯矿、锑铂矿和砷铂矿，其化学成分见表3。

1.3.2 金矿物

矿石含Au 0.14×10-6、Ag 4.30×10-6。金粒化学成分见表4，其平均含Au 75.53%、Ag 24.47%，大部分金粒中Ag含量高于20%，可称为银金矿，少数为银含量小于5%的自然金。

2 矿石结构构造

2.1 矿石构造

矿石成矿母岩主要为橄榄岩和二辉橄榄岩，母岩普遍遭受蛇纹石化、阳起石化、局部有碳酸盐化。矿石构造主要有块状构造、条带状构造、浸染状构造和稀疏浸染状构造。

（1）块状构造：金属硫化物含量较高的矿石形成致密块状，多为富含铜镍的块状硫化矿石。

（2）条带状构造：磁黄铁矿、富铜镍硫化矿等金属硫化物在矿石中具有条带状，与脉石矿物相间排列。

（3）浸染状构造、稀疏浸染状构造：镍黄铁矿、富铜镍硫化矿等金属硫化物在脉石矿物中分布为较密集的点状或细脉状。

2.2 矿石结构

矿石结构主要有他形不等粒结构、海绵陨铁结构、固溶体分离结构（结状结构、格状结构），部分硫化物呈脉状穿插结构、脉状填充结构和网络状结构。

（1）他形不等粒结构：磁黄铁矿、镍黄铁矿、黄铜矿呈大小不一的他形粒状，分布于脉石矿物及其粒间。

（2）海绵陨铁结构：超基性岩中磁黄铁矿、镍黄铁矿、黄铜矿共生，呈他形晶集合体嵌布于蛇纹石等硅酸盐脉石中。

（3）固溶体分离结构（结状结构、格状结构）：在块状硫化矿石中，部分黄铜矿与镍黄铁矿或磁黄铁矿固溶体分离，沿磁黄铁矿晶粒间、双晶面呈微-细粒分布。

（4）脉状穿插结构：部分磁铁矿沿镍黄铁矿碎裂缝充填，呈脉状穿插分布。

（5）脉状填充结构：部分镍黄铁矿与黄铜矿沿着磁黄铁矿裂隙充填。

（6）网络状结构：部分磁铁矿沿镍黄铁矿碎裂缝充填，呈网络状分布。

3 矿石主要矿物的嵌布特征

3.1 镍黄铁矿（（Fe，Ni）9S8）

镍黄铁矿为矿石中最主要的镍矿物。显微镜下镍黄铁矿主要呈粒状、叶片状与磁黄铁矿和黄铜矿连生，具有以下几种嵌布形式：①镍黄铁矿与磁黄铁矿、黄铜矿固溶体分离，呈碎裂不规则粒状嵌布于磁黄铁矿中（图2（a）），为块状硫化矿石中镍黄铁矿的主要嵌布形式；②微细粒镍黄铁矿沿磁黄铁矿粒间、裂理或双晶面分布（图2（b））；③超基性岩中的磁黄铁矿、镍黄铁矿、黄铜矿充填于蛇纹石等硅酸盐矿物粒间呈海绵陨铁结构，磁铁矿沿着镍黄铁矿解理面充填，呈网络状（图2（c））；④镍黄铁矿呈细粒浸染状嵌布于方解石等脉石矿物中（图2（d））。

镍黄铁矿化学成分能谱检测结果显示其平均含Ni 35.41%、S 33.13%、Fe 29.83%、Co 1.24%、Mg 0.14%、Al 0.09%、Si 0.15%。n（Ni）∶n（Fe）≈1.15，钴以类质同象进入镍黄铁矿晶格，是钴的主要载体矿物。

3.2 黄铜矿（CuFeS2）

黄铜矿是矿石中最主要的铜矿物，与磁黄铁矿、镍黄铁矿紧密共生，嵌布形式主要有：①与镍黄铁矿、磁黄铁矿固溶体分离，呈不规则粒状包含于磁黄铁矿中（图2（e）），此为矿石中黄铜矿的主要嵌布形式；②黄铜矿沿磁黄铁矿粒间、双晶面分布，嵌布粒度微细（图2（f））；③少量微细粒黄铜矿零星嵌布于脉石矿物中。

黄铜矿化学成分能谱检测结果显示其平均含Cu 34.32%、Fe 30.47%、S 34.94%，普遍含少量镁、硅、铝杂质，部分黄铜矿含镍、锌、银。

3.3 磁黄铁矿（Fe1-xS）

磁黄铁矿为矿石中含量最高的硫化矿物，与镍黄铁矿和黄铜矿密切连生，粒间或双晶面间常有熔离分离的镍黄铁矿或黄铜矿（图2（a）、（b）、（f）），呈他形粒状集合体，或嵌布于硅酸盐脉石中（图2（c））。少量细粒微细粒磁黄铁矿零星嵌布于硅酸盐脉石中。

磁黄铁矿化学成分能谱检测结果显示其平均含Fe 59.82%、S 39.05%，普遍含少量杂质硅，部分含镍、铜、镁、铝等。

3.4 含镍蛇纹石（（Ni，Mg）6［Si4O10］（OH）8）

蛇纹石是矿石最主要的脉石矿物。X射线衍射分析显示蛇纹石以叶蛇纹石和利蛇纹石为主。能谱分析结果显示蛇纹石平均含Mg 20.80%、Fe 11.86%、Ni 0.14%，普遍含锰、铝、钙、铬、钾等杂质。镍存在于蛇纹石中将使部分镍损失于尾矿中，影响其回收。此外，蛇纹石可浮性较好，在磨矿过程中易泥化，极易在浮选过程中进入镍精矿中。

3.5 贵金属矿物嵌布特征

矿石中铂钯矿物主要呈微细颗粒包裹于目的矿物镍黄铁矿中，少数包裹于脉石矿物中（图3）。金粒呈微细粒浑圆状、浑圆条状或自形晶包裹在镍黄铁矿、黄铜矿等硫化物中（图3）。

4 矿石目的矿物的嵌布粒度及解离特性

4.1 嵌布粒度

矿石中目的矿物镍黄铁矿、黄铜矿与磁黄铁矿关系密切，大部分镍黄铁矿、黄铜矿与磁黄铁矿连生或呈细小固溶体分布在磁黄铁矿中。基于铜、镍矿物与磁黄铁矿的难分离性，考虑到选矿不作分选，因此除分别测定镍黄铁矿、黄铜矿和磁黄铁矿的嵌布粒度外，也测定全硫化物（镍黄铁矿、黄铜矿与磁黄铁矿）的嵌布粒度，结果见图4。

由图4可知：由于硫化矿物之间紧密连生，全硫化矿物的嵌布粒度较粗，以粗粒-中粒嵌布为主，大于0.08 mm粒度占有率为88.58%；磁黄铁矿的嵌布粒度较粗，与全硫化物类似，以粗粒-中粒嵌布为主，镍黄铁矿与黄铜矿的嵌布粒度相似，以细粒嵌布为主，其中小于0.01 mm的难选粒级占7%左右。

4.2 解离特性

目的矿物黄铜矿和镍黄铁矿在不同磨矿细度下的解离度测定结果如图5所示。

图5表明：黄铜矿和镍黄铁矿由于嵌布粒度较细和嵌布关系复杂，解离性较差，黄铜矿解离性略差于镍黄铁矿；在磨矿细度-0.075 mm分别占67%、77%、87%、91%时，镍黄铁矿的解离度分别为60%、70%、76%、78%，而黄铜矿解离度分别为56%、65%、71%、74%，即使磨矿细度-0.075 mm占有率超过90%，黄铜矿和镍黄铁矿的解离度均不超过80%。镍黄铁矿与黄铜矿主要与磁黄铁矿紧密连生，其次与蛇纹石、磁铁矿等矿物连生，以多相连生体为主。

5 矿石矿物磁性分析

磁性分析采用WCF-3电磁分选仪，通过控制磁场强度对各矿物进行磁选分离，100 mT主要富集磁黄铁矿，1 200 mT非磁产品主要富集镍黄铁矿、黄铜矿等非磁矿物。取磨矿细度为-0.075 mm占67%的原矿，筛分为+0.12 mm、0.074～0.12 mm和-0.074 mm 3个粒级，取粒级为0.074～0.12 mm的产品（产率为20.80%）进行磁性分析试验，磁选分离得到的粗选单矿物经淘洗、双目镜下挑选得到最终单矿物，结果见表5。

表5表明，Cu、Ni和Co 3种元素在450 mT磁性产品和在非磁产品中富集。从矿物物性分析，黄铜矿和镍黄铁矿属于弱磁性或非磁性矿物，一方面铜、镍、钴与磁黄铁矿密切连生，随着强磁性矿物磁黄铁矿的富集而富集，另一方面单体的黄铜矿和镍黄铁矿依本身的磁性进入非磁产品。MgO主要赋存于蛇纹石、阳起石、橄榄石等多种镁硅酸盐矿物中，这类硅酸盐矿物磁性分布较广，因此MgO在各磁性段内均有分布，以非磁性产品中含镁最低。因此，采用强磁预富集，在650 mT磁性产品中，可获得产率为51.77%，Cu、Ni、Co和MgO的回收率分别为79.68%、88.78%、80.31%和56.05%，Cu、Ni、Co和MgO的品位分别为0.26%、0.59%、0.02%和26.02%的粗精矿。可见强磁预富集铜、镍、钴的富集比较低，而镁的去除效果也不显著。

6 主要元素在矿石中的赋存状态

根据矿石矿物含量和各矿物镍、铜、钴含量，作出镍、铜、钴在矿石中的平衡分布见表6。

表6表明：矿石中镍矿物主要以镍黄铁矿形式存在，其镍占总镍的68.98%；磁黄铁矿中含镍含量达2.38%，赋存于其中的镍占总镍的17.94%；分散于脉石矿物中镍占总镍的12.64%。因此，单独分选镍黄铁矿，镍的理论回收率约69%，浮选回收镍黄铁矿和磁黄铁矿等硫化矿物，镍的理论回收率为87%左右。矿石黄铜矿中铜占总铜的86.13%；赋存于磁黄铁矿中的铜占6.84%，镍黄铁矿中的铜占0.10%，分散于脉石矿物中铜占总铜的6.93%；由于磁黄铁矿和脉石中的铜主要以微细固溶体或包裹体的黄铜矿形式存在，无法通过细磨的方法将其解离，预计铜的理论回收率为86%左右。矿石中钴主要以类质同象方式赋存于镍黄铁矿中，其含钴量高达1.24%，赋存于镍黄铁矿中钴占总钴的55.79%；赋存于磁黄铁矿中的钴占总钴的13.85%；赋存于黄铜矿中的钴占总钴的1.12%；分散于脉石矿物中钴占总钴的29.23%。通过浮选镍黄铁矿和磁黄铁矿，可综合回收钴金属，预计钴的理论回收率为69%左右。

7 影响选矿的矿物学因素

7.1 铜镍赋存形式的影响

矿石中的铜主要以金属硫化物形式存在，但磁黄铁矿和脉石中的铜主要以微细固溶体或包裹体的黄铜矿形式存在，无法通过细磨的方法将其解离，因此，这部分铜将无法回收。矿石中的镍主要以金属硫化物形式存在，但分散于脉石中的镍由于粒度过细，细磨将增加选矿成本，并造成脉石矿物泥化严重，这部分镍极易损失于尾矿中。

7.2 铜镍矿物结构的影响

矿石中镍黄铁矿普遍较易破碎，其裂隙发育，磁铁矿和蛇纹石等脉石矿物充填于其中，这样的矿石结构容易造成部分镍黄铁矿在磨矿后表面被磁铁矿和脉石矿物颗粒罩盖［6-7］，从而影响镍黄铁矿表面与浮选药剂作用，最终影响镍的金属回收率。部分黄铜矿呈固溶体分离结构，沿磁黄铁矿粒间与双晶面呈微细粒分布，这部分黄铜矿因粒度过细而无法通过磨矿解离回收。

7.3 磁黄铁矿的影响

磁黄铁矿作为矿石中最主要的硫化矿物，且与镍黄铁矿、黄铜矿紧密共生。因此在选矿过程中，磁黄铁矿易随镍黄铁矿及黄铜矿进入铜镍精矿，从而降低铜镍品位。此外，铜镍也易随磁黄铁矿进入尾矿，进而影响铜镍的回收率。

7.4 脉石矿物的影响

矿石中蛇纹石、滑石、绿泥石、云母类层状硅酸盐矿物种类多，且总含量超过50%，因此在选矿过程中需加强对这些易浮脉石矿物的分散与抑制，进而减少其对铜镍回收的影响。此外，由于矿石中蛇纹石含镍，因此，存在于蛇纹石中的镍将损失在尾矿中，影响镍回收率。

根据以上工艺矿物学研究结果，为降低易浮的含镁硅酸盐矿物对后续镍精矿品位的影响，选矿小型试验采用“预先脱除脉石—铜镍混合浮选”工艺流程。通过对原矿进行选择性磨矿，利用MIBC预先脱除部分易浮脉石，碳酸钠作矿浆pH调整剂，CMC作MgO脉石的抑制剂，硫酸铜和丁基黄药分别作铜镍矿物的活化剂和捕收剂，全流程浮选闭路试验获得了含Ni 7.78%、Cu 2.91%、Co 0.24%，回收率分别为Ni 72.98%、Cu 66.57%、Co 51.29%的铜镍混合精矿，实现了铜、镍、钴的有效回收。

8 结 论

（1）矿石为赋存于蚀变超基性岩中的镍矿床，伴生铜、钴及贵金属铂、钯、金、银。矿石中目的矿物为镍黄铁矿和黄铜矿，主要金属硫化物为磁黄铁矿，脉石矿物主要为蛇纹石、橄榄石和阳起石等镁硅酸盐矿物。

（2）硫化矿集合体与磁黄铁矿的嵌布粒度较粗，以粗粒-中粒嵌布为主，镍黄铁矿与黄铜矿以细粒嵌布为主。磁黄铁矿、黄铜矿和镍黄铁矿三者紧密连生，不易磨矿解离，即使磨矿细度-0.075 mm含量超过90%，黄铜矿和镍黄铁矿的解离度均不超过80%。

（3）元素赋存状态研究表明，单独分选镍黄铁矿，镍的理论回收率约69%，同时浮选镍黄铁矿和磁黄铁矿，可综合回收钴金属，预计钴的理论回收率为69%左右，镍的理论回收率87%左右。磁黄铁矿和脉石中的铜主要以微细固溶体或包裹体的黄铜矿形式存在，无法通过细磨的方法将其解离，预计铜的理论回收率为86%左右。

（4）矿石存在金、银、铂、钯等多种贵金属矿物，这些贵金属具有重要的综合回收价值，应予以关注并最大限度地进行回收。