某含钛矿石中钛的赋存状态研究

王越，王婧

（中国地质科学院矿产综合利用研究所，中国地质调查局金属矿产资源综合利用技术研究中心，四川 成都 610041）

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性，广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域[1-3]。目前，随着钛元素应用的日益广泛和矿产资源开发难度的增大，工艺矿物学在矿产资源开发过程中的作用日益显著。通过工艺矿物学研究，掌握矿石性质及有价元素的赋存状态，查明影响选冶指标的矿物学因素，可为矿产资源的开发和选冶工艺指标优化提供重要的参考依据[4-6]。

1 矿石的物质组成

矿石物质组成是矿石性质研究的基础，通过化学多元素分析作为矿石的定量依据，确定矿石的基本性质。最后通过光学显微镜、扫描电子显微镜及MLA确定矿石中的主要矿物及含量。

1.1 化学组成

矿石的化学多元素分析结果见表1。

表1 原矿化学多元素分析/%Table 1 Chemical analysis results of the ore

通过表1可知,矿石中TFe品位为11.36%，没有达到铁矿石的最低边界品位；TiO2品位为2.27%；矿石中SiO2、Al2O3、CaO、MgO的含量总计高达77.633%，说明矿石中铝硅酸盐类矿物含量非常高，矿石是含铁钛的铝硅酸盐矿石；化学分析检测出矿石中铜、锌等含量很低，没有检测出铌、钽等其他可供综合利用的有价元素；矿石中硫、磷元素含量很低，对矿石性质影响较小[7]。

1.2 矿物组成

经镜下鉴定、X射线衍射分析、扫描电镜分析和AMICS（矿物自动分析仪）测定结果表明，矿石中的金属矿物以铁、钛金属矿物为主，主要的含钛金属矿物为钛铁矿、金红石、榍石及微量的钛磁铁矿，含量分别为1.86%、0.13%、0.47%及0.09%，铁矿物为磁铁矿（或含少量的赤铁矿、褐铁矿等），含量约9.15%，以及微量的钛磁铁矿、黄铁矿等；脉石矿物以钛铁闪石、斜长石、绿帘石及绿泥石为主，总量达82.62%，除此之外还有微量的角闪石、云母、石英、磷灰石等，含量很低（表2）。

表2 矿石中矿物组成及含量/%Table 2 Mineral composition and content of the ore

2 主要矿物的矿物学特征

通过矿物种类和含量分析，原矿中主要可回收利用的铁矿物为磁铁矿及微量的赤铁矿，二者含量总计达36%左右。脉石矿物石英、白云母、绿泥石为主，还有微量的钾长石、普通辉石、方解石、橄榄石等。通过对矿石进行光学显微镜鉴定、扫描电镜分析、MLA分析、电子探针分析以及粒度统计，从而查明主要矿物产出形式。

2.1 钛铁矿

该矿石中钛铁矿是主要的含钛金属矿物，含量达总矿物的1.86%，常呈半自形、他形晶粒状结构，与金红石、榍石紧密共生，呈交代残余结构，粒径常介于50～500 μm之间。对钛铁矿进行电子探针微区分析得知，钛铁矿中平均含TiO248.16%，平均含FeO 44.14%，此外还有微量的镁、钙、锰等杂质（见表3）。对钛铁矿与磁铁矿的连生体进行能谱微区面成分扫描（图1、2），发现钛铁矿与磁铁矿常紧密连生赋存于斜长石、钛铁闪石等脉石矿物中，且钛铁矿常呈蜂窝状结构，被榍石和金红石交代，这三者紧密共生。

表3 钛铁矿电子探针微区分析元素含量/%Table 3 Element composition and content of the ilmenite by EPMA

图1 钛铁矿的嵌布特征Fig.1 Embedded characteristics of ilmenite

2.2 磁铁矿（含少量赤铁矿）

该矿石中磁铁矿为最主要的铁矿物，含量达9.15%，常呈自形、半自形晶粒状与钛铁矿连生，常呈晶粒状、条带状、脉状、碎裂状等构造，晶体粒径较大，一般介于200～500 μm之间，最小可达50 μm。除磁铁矿之外，矿石中偶见少量的没有与钛铁矿连生的赤铁矿晶体赋存于脉石矿物中（图3），粒径一般小于100 μm，由于其含量低、对矿石性质影响较小，且在背散射图中不便与磁铁矿区分，在此次矿石性质研究中与磁铁矿一并研究。对磁铁矿和赤铁矿进行电子探针微区分析得知，其中FeO平均含量为91.71%，TiO2平均含量为0.39%，此外还有微量钙、镁、硅等杂质（表4）。

表4 磁铁矿电子探针微区分析元素含量/%Table 4 Element composition and content of the magnetite by EPMA

图3 磁铁矿的嵌布特征Fig.3 Embedded characteristics of magnetite

图2 含钛矿物的X射线面扫描Fig.2 X-Ray surface-scanning pattern of titanium-bearing minerals

2.3 金红石

矿石中金红石含量很少，仅占矿物总量的0.13%，且常与榍石、钛铁矿共生，粒径较小一般介于30～60 μm之间，最大者不超过100 μm，根据其赋存状态推测该矿石中金红石与榍石由钛铁矿蚀变形成，构成了交代残余结构，没有独立的金红石晶体赋存于脉石矿物中（图4）。对金红石进行电子探针微区分析得知，金红石中TiO2平均含量为97.72%，此外还有1.02%的CaO、0.81%的FeO以及0.38%的SiO2等杂质。

图4 金红石的嵌布特征Fig.4 Embedded characteristics of rutile

2.4 榍石

矿石中的榍石是含钛的脉石矿物之一，含量为0.47%，与金红石、钛铁矿紧密共生，常呈他形结构，是钛铁矿的交代残余产物，没有独立的榍石晶体，粒径较小，一般在-100 μm。一般都赋存在钛铁矿晶体内。对榍石进行电子探针微区分析得知，榍石中平均含有37.79%的TiO2。

2.5 钛铁闪石

矿石中钛铁闪石是最主要的含钛脉石矿物，矿物含量高达38.68%，常呈自形、半自形晶，晶型较大，粒径常介于+500 μm，大者可达几毫米（图5），是矿石中最主要的脉石矿物。对钛铁闪石进行电子探针微区分析得知，钛铁闪石中TiO2平均含量为2.59%，此外还有9.98%的CaO、13.93%的FeO以及13.14%的MgO等（表5）。

表5 钛铁闪石的电子探针微区分析元素含量/%Table 5 Element composition and content of the kaersutite by EPMA

图5 钛铁闪石的嵌布特征Fig.5 Embedded characteristics of kaersutite

2.6 其他矿物

除了上述几种主要矿物外，矿石中还有斜长石、绿帘石、绿泥石及微量的石英、磷灰石、云母、黏土矿物等，含钛、含铁量很低，对矿石性质影响较小。

3 有用矿物的粒度和单体解离度

运用AMICS图像分析仪对不同粒级的原矿样品进行测定，发现原矿中的各矿物工艺粒度具有不同的特性。矿石中最重要的三种含钛矿物金红石、钛铁矿和榍石在破磨至-0.25 mm后，粒径有较大区别，相对而言，钛铁矿粒径最大，主要集中在-210+75 μm之间，其次为金红石，粒径主要集中于-63+27 μm之间，最后为榍石，粒径主要集中于-32+11.4 μm之间。对不同筛级中的主要矿物进行单体解离度测定，得知随着粒径变小，单体解离度都稳步提高，在同一粒级内，钛铁闪石、斜长石、绿泥石、绿帘石等脉石矿物的单体解离度明显高于钛铁矿、金红石、榍石等含钛金属矿物。其中金红石的单体解离度最低，与其粒度最微细直接相关，钛铁矿与榍石的单体解离度基本一致（表6）。

表6 原矿中主要矿物的单体解离度/%Table 6 Monomer dissociation of main minerals in the ore

4 钛的赋存状态及分布规律

本次研究的某含钛原生矿矿石主要为含铁、钛的铝硅酸盐矿石，最主要的含钛金属矿物为钛铁矿、榍石、金红石，含钛脉石矿物有钛铁闪石。通过化学分析，钛、铁物相分析、电子探针、扫描电镜、AMICS矿物自动分析系统测试研究，确定了矿石钛的赋存状态及分布规律。

矿石中的TiO2品位为2.270%，钛主要赋存于钛铁矿及钛铁闪石中，分布率分别为40.02%和44.75%，占总分布率的84.79%；其次主要分布在榍石、金红石和磁铁矿（赤铁矿）中，分布率分别为7.93%、5.67%和1.59%（表7）。该矿石中金红石的矿物含量仅为0.13%，钛铁矿含量仅为1.86%，没有达到《矿产资源工业要求手册》中原矿金红石边界品位需达1%以上、钛铁矿边界品位需达10%以上的要求。

表7 矿石中钛的金属量平衡Table 7 Metal mass balance of titanium content in the ore

5 结 论

(1) 矿石中SiO2、Al2O3、CaO、MgO 的含量总计高达77.633%，矿石中铝硅酸盐类矿物含量非常高，主要有价元素为铁和钛，TFe品位为11.36%，TiO2品位为2.27%，其他有价元素含量很低，矿石中硫、磷元素含量很低，对矿石性质影响较小。

(2) 矿石中主要的含钛金属矿物为钛铁矿、金红石，含量分别为1.86%、0.13%，铁矿物为磁铁矿（含少量的赤铁矿、褐铁矿等），含量约9.15%，以及微量的钛磁铁矿、黄铁矿等；脉石矿物以钛铁闪石、斜长石、绿帘石、榍石及绿泥石为主，总量达82.62%，除此之外还有微量的角闪石、云母、石英、磷灰石等，含量很低，对矿石性质影响较小。

(3) 矿石中最重要的三种含钛矿物金红石、钛铁矿和榍石在破磨至-0.25 mm后，粒径有较大区别，相对而言，钛铁矿粒径最大，主要集中在-210+75 μm之间，其次为金红石，粒径主要集中于-63+27 μm之间，最后为榍石，粒径主要集中于-32+11.4 μm 之间。

(4)矿石中TiO2品位为2.270%，金红石的矿物含量仅为0.13%，钛主要赋存于钛铁矿及钛铁闪石中，分布率分别为40.02%和44.75%，占总分布率的84.79%，其次主要分布在榍石和磁铁矿（赤铁矿）中，分布率分别为7.93%和1.59%，金红石中TiO2分布率仅为5.67%。由于矿石中金红石含量低，多与榍石、钛铁矿等连生，粒度微细，经电子探针分析得知金红石中含有钙、铁、硅等杂质元素，这些因素会直接影响精矿的品位及回收率，采用阶磨阶选流程及重选、磁选及浮选的联合工艺，可有效回收矿石中的有用矿物。