X射線衍射法快速測(cè)定銅精礦礦物組分的試驗(yàn)研究

摘要：快速鑒別礦物元素的賦存狀態(tài)，準(zhǔn)確地選擇適宜的處理工藝是推進(jìn)冶煉企業(yè)持續(xù)發(fā)展的客觀要求。傳統(tǒng)物相分析方法檢測(cè)銅精礦樣品的流程煩瑣，需要消耗較長(zhǎng)時(shí)間，難以滿足冶煉企業(yè)需求。采用X射線衍射法（X-Ray Diffraction，XRD）快速測(cè)定銅精礦樣品，根據(jù)X射線衍射圖譜確定不同進(jìn)口銅精礦樣品的物相組成及含量。X射線衍射儀的管電壓為30 kV，管電流為20 mA。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定結(jié)果對(duì)比，X射線衍射儀可以滿足快速檢測(cè)分析銅精礦物相的需求，方法適用性良好。

關(guān)鍵詞：X射線衍射法（XRD）；銅精礦；礦物組分；快速測(cè)定；物相

中圖分類號(hào)：O657.34；TD926.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）05-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.007

Experimental study on rapid determination of mineral components in copper concentrate by using X-ray diffraction method

LIU Zhongmei， ZHOU Anliang

（Jilin Zijin Copper Industry Co.， Ltd.， Hunchun 133300， China）

Abstract： Rapid identification of the occurrence status of mineral elements and accurate selection of appropriate processing techniques are objective requirements for promoting the sustainable development of smelting enterprises. The traditional phase analysis method for detecting copper concentrate samples is cumbersome and time-consuming， making it difficult to meet the needs of smelting enterprises. The copper concentrate samples are rapidly determined by using X-Ray Diffraction （XRD）， and the phase composition and content of different imported copper concentrate samples are determined based on the X-ray diffraction pattern. The tube voltage of the X-ray diffractometer is 30 kV and the tube current is 20 mA. Through experimental verification， compared with the results of national standard substance determination， X-ray diffractometer can meet the needs of rapid detection and analysis of copper concentrate phases， and the method has good applicability.

Keywords： X-Ray Diffraction （XRD）; copper concentrate; mineral components; rapid determination; physical phase

在X射線衍射法（X-Ray Diffraction，XRD）測(cè)試中，物相定量分析方法眾多[1-4]，但大部分方法穩(wěn)定性差。試驗(yàn)提出一種快速檢測(cè)分析銅精礦物相的方法，可大大提高工作效率，且方法穩(wěn)定性較好。試驗(yàn)以銅精礦樣品為分析對(duì)象，采用X射線衍射儀來測(cè)定樣品物相組成[5-7]。利用國(guó)際衍射數(shù)據(jù)中心（International Centre for Diffraction Data，ICDD）提供的物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射卡片（Powder Diffraction File，PDF），采用X射線衍射儀自帶的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，對(duì)樣品的物相組成進(jìn)行定量分析[8-11]。在測(cè)定過程中，每種化合物的強(qiáng)度信號(hào)被X射線衍射儀記錄下來[12-13]，

精礦粉的物相分析難度較大。經(jīng)分析，磨礦后，礦物實(shí)現(xiàn)充分的單體解離，連生體礦物最大限度地分離，經(jīng)選別得到精礦粉，經(jīng)選礦工藝[14-17]處理得到的精礦粉晶體粒子堆疊后形成新的晶面，其織構(gòu)發(fā)生變化，化合物的晶面角度也隨之改變，Jade軟件找不到與之對(duì)應(yīng)的卡片庫(kù)。為了得到穩(wěn)定的測(cè)定結(jié)果，配套使用X射線熒光光譜儀快速測(cè)定精礦粉中各元素的含量，為XRD確定化合物結(jié)構(gòu)提供重要依據(jù)。X射線熒光光譜儀采用X射線熒光光譜分析方法，能夠分析粉狀樣品中各種元素的含量，具有靈敏度高、準(zhǔn)確度高、分析速度快和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。使用X射線衍射儀掃描銅精礦樣品和銅精礦國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)后，對(duì)照掃描的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)圖譜目標(biāo)化合物響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的角度，綜合分析銅精礦樣品的物相含量[18-20]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

試驗(yàn)材料為銅精礦樣品和銅精礦國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（國(guó)家編號(hào)GSB04-2710-2011，樣品編號(hào)ZBK338）。

主要試劑為硼酸。主要設(shè)備有電熱鼓風(fēng)干燥箱、振動(dòng)磨、壓樣機(jī)、X射線熒光光譜儀和X射線衍射儀，如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品的制備

將銅精礦樣品裝入帶蓋的鋁盒中，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱，在105 ℃溫度下烘干2 h至恒重。采用四分法縮分樣品，縮分后的試樣裝入振動(dòng)磨磨盤，加工后粒徑小于45 μm，在105 ℃±5 ℃溫度下烘干2 h，冷卻至室溫，備用。取4 g銅精礦樣品，加適量硼酸，然后將其裝入壓樣機(jī)試樣盒中（裝滿約20 g），采用壓樣機(jī)，以300 kN壓力持續(xù)壓樣。壓制好的樣餅應(yīng)該具有平整光滑的表面。

1.2.2 X射線熒光光譜儀快速分析

將已用壓片機(jī)壓好的銅精礦樣品放到樣杯中，順時(shí)針擰緊樣杯，用洗耳球吹洗樣品表面，把樣杯放到相應(yīng)位置。在X射線熒光光譜儀的分析界面上點(diǎn)擊Analytical Group按鈕，選擇分析方法。測(cè)定目的為未知，點(diǎn)擊OK按鈕，然后輸入樣品名稱并點(diǎn)擊Apply按鈕，再點(diǎn)擊“開始”按鈕，分析銅精礦樣品中各元素的含量。

1.2.3 X射線衍射儀分析

打開循環(huán)冷卻水機(jī)，然后打開X射線衍射儀主機(jī)電源，進(jìn)入XRD試驗(yàn)系統(tǒng)操作界面，連接儀器信號(hào)。電壓設(shè)置為10 kV，電流設(shè)置為2 mA，開高壓預(yù)熱X射線管10 min后，關(guān)高壓。儀器狀態(tài)指示燈全部顯示綠色后，方可測(cè)試樣品。將打磨好的樣品放到樣品臺(tái)中心位置，關(guān)閉儀器的防護(hù)門，按下防護(hù)門下方操作面板上的SAFETY按鍵，按鍵紅燈亮起，防護(hù)門被鎖緊。按照表2設(shè)置測(cè)試參數(shù)[21-25]，點(diǎn)擊主界面左上方“樣品掃描”按鈕，依次測(cè)試銅精礦樣品和銅精礦標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

掃描完成后，利用X射線衍射儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行分析[26-28]。首先在保存的文件夾打開掃描的銅精礦國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)XRD圖譜（見圖1），點(diǎn)擊Find Peaks快捷鍵，然后點(diǎn)擊S/M快捷鍵，勾選ICSD Patterns和ICSD Minerals兩項(xiàng)，在Use Chemistry Filter快捷鍵里選中銅精礦國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)成分含量表的元素，進(jìn)行定性分析，分析時(shí)不需要扣除背景。根據(jù)軟件匹配的可能含有化合物的PDF卡片對(duì)出峰響應(yīng)值最高點(diǎn)的吻合程度，參照銅精礦國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)成分含量表的標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)化合物組合進(jìn)行定性確認(rèn)。銅精礦國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中，Cu含量為20.56%，F(xiàn)e含量為24.70%，S含量為22.87%。按照同樣的操作步驟分析銅精礦樣品，選擇元素時(shí)，以X射線熒光光譜儀檢出的元素為依據(jù)。根據(jù)軟件匹配的可能含有化合物的PDF卡片對(duì)出峰響應(yīng)值最高點(diǎn)的吻合程度，參照X射線熒光光譜儀檢出的元素，結(jié)合組合預(yù)判方案做出定性確認(rèn)。按照X射線衍射儀操作流程[29-32]，以面積歸一法完成定量分析，根據(jù)元素含量計(jì)算推導(dǎo)出化合物含量，對(duì)XRD測(cè)定值進(jìn)行修正，綜合分析報(bào)出試驗(yàn)結(jié)果。銅精礦1#樣品XRD圖譜如圖2所示，銅精礦2#樣品XRD圖譜如圖3所示。

2 結(jié)果與討論

經(jīng)X射線熒光光譜分析，銅精礦1#樣品Cu含量為22.00%，銅精礦2#樣品Cu含量為33.06%。經(jīng)XRD分析，根據(jù)銅精礦1#樣品PDF卡片（編號(hào)CSD#80094），礦物成分為黃銅礦（CuFeS2），含量為63.5%；根據(jù)銅精礦

2#樣品PDF卡片（編號(hào)CSD#80094和CSD#15012），礦物成分為黃銅礦和黃鐵礦，黃銅礦含量為95.4%，黃鐵礦（FeS2）含量為4.6%。黃銅礦主衍射峰的衍射角分別為29.54°、49.19°和58.02°[3]；黃鐵礦主衍射峰的衍射角分別為28.51°、33.04°、37.07°和47.42°。結(jié)合X射線熒光光譜測(cè)定值，XRD分析結(jié)果通過計(jì)算和修正報(bào)出[33-35]。下面分析不同參數(shù)選擇的影響。

2.1 掃描模式的選擇

掃描模式有兩種，即連續(xù)掃描和步進(jìn)掃描。驅(qū)動(dòng)方式為雙軸聯(lián)動(dòng)。連續(xù)掃描是指試樣與接收狹縫以1∶2的角速度比進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，檢測(cè)器連續(xù)測(cè)量X射線的衍射強(qiáng)度，各晶面的衍射線依次被接收，工作效率較高，適用于定性分析和定量分析。連續(xù)掃描可以滿足樣品快速檢測(cè)分析的要求。步進(jìn)掃描是指試樣每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)寬度的角度就停下來，測(cè)量記錄系統(tǒng)會(huì)測(cè)量這個(gè)位置的衍射強(qiáng)度，然后試樣轉(zhuǎn)動(dòng)一步，再進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)量。這樣一步步測(cè)下去，直到完成指定角度范圍內(nèi)的掃描。采用步進(jìn)掃描時(shí)，可以在每個(gè)衍射角進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)數(shù)測(cè)量，減少統(tǒng)計(jì)起伏的影響。步進(jìn)掃描適用于精確測(cè)定衍射峰線型，單個(gè)樣品的步進(jìn)掃描需要1.5 h左右。

2.2 步進(jìn)寬度的設(shè)定

步進(jìn)掃描時(shí)，步進(jìn)寬度取衍射峰半高寬度的10%～

20%做基準(zhǔn)。步進(jìn)寬度過大會(huì)降低分辨率，還會(huì)掩蓋衍射線剖面的細(xì)節(jié)。設(shè)定的步進(jìn)寬度不應(yīng)超過最尖銳衍射峰半高寬度的1/2。步進(jìn)寬度設(shè)定越小，掃描時(shí)間越長(zhǎng)。在測(cè)定銅精礦樣品時(shí)，步進(jìn)寬度宜取0.03°。

3 結(jié)語(yǔ)

為了快速準(zhǔn)確地完成銅精礦物相分析，準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)狀態(tài)，以銅精礦標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)XRD圖譜為參照，根據(jù)X射線熒光光譜儀檢測(cè)值進(jìn)行計(jì)算、推導(dǎo)和修正，采用X射線衍射法測(cè)定銅精礦樣品礦物組成及含量。這種分析方法適用性良好，但是也存在一定的客觀誤差，需要更多的試驗(yàn)儀器和算法進(jìn)行驗(yàn)證。

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