鋁硅礦物旋流分選特性與機(jī)理分析

高淑玲,魏德洲,劉文剛,馬龍秋

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

鋁土礦是生產(chǎn)氧化鋁的重要原料，也是其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。我國(guó)的鋁土礦資源以一水硬鋁石型為主，其主要特征是高鋁、高硅、低鋁硅比、礦物組成復(fù)雜,并且含鋁礦物和含硅礦物間的嵌布關(guān)系密切。這導(dǎo)致氧化鋁的生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品質(zhì)量差。為了適應(yīng)氧化鋁拜耳法對(duì)其原料的要求，進(jìn)行鋁土礦選礦脫硅的研究和實(shí)踐近年來(lái)得到了廣泛重視[1-5]。

作為分選的一種有效作用力，應(yīng)用離心力來(lái)強(qiáng)化微細(xì)顆粒的分選，越來(lái)越被認(rèn)為是一種重要的發(fā)展途徑。旋流器是利用離心力與重力復(fù)合力場(chǎng)的典型設(shè)備，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用低、處理工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，而被廣泛用于礦業(yè)、化學(xué)、石油、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的固-固、固-液、液-液、固-氣等多種單元分離過(guò)程[6-11]。為了探討一水硬鋁石型鋁土礦中的鋁硅礦物能否在旋流力場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)有效分離，本文通過(guò)改變錐角、底流口直徑、給礦壓強(qiáng)三個(gè)主要參數(shù)，來(lái)考察鋁硅礦物顆粒的旋流分選特性，并根據(jù)分選產(chǎn)物的礦漿體積產(chǎn)率和固體質(zhì)量產(chǎn)率的變化趨勢(shì)進(jìn)行機(jī)理分析。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用礦樣為來(lái)自河南長(zhǎng)城鋁業(yè)公司的低鋁硅比鋁土礦，其化學(xué)成分分析、化學(xué)物相分析及礦物組成，分別如表1、表2和表3所示。

表1 礦石的化學(xué)成分分析結(jié)果

由表1可看出，該礦石中Al2O3的含量為59.80%，SiO2的含量為13.62%，鋁硅比(A/S)為4.39。礦石中雜質(zhì)元素Fe、TiO2的含量分別為5.37%、3.12%，含量較高。

表2 礦石中Al2O3的化學(xué)物相分析結(jié)果(%)

表2 表明，一水硬鋁石為該鋁土礦中主要含鋁的成分，其占有率為84.21%，其他含鋁的礦物的占有率之和為15.79%。

表3 礦石的礦物組成及含量

表3中的結(jié)果表明，礦石中的含鋁礦物主要由一水硬鋁石、少量一水軟鋁石及微量的三水鋁石和鋁凝膠組成；含硅脈石礦物主要由高嶺石、綠泥石、伊利石和石英組成；硫化礦物主要是黃鐵礦；鐵礦物主要包括針鐵礦、水針鐵礦和赤鐵礦；鈦礦物主要由銳鈦礦、金紅石、板鈦礦和榍石組成；此外，還含有方解石等其他脈石礦物。

1.2 試驗(yàn)研究方法

首先稱(chēng)取一定量的礦樣，用球磨機(jī)磨至試驗(yàn)所需要的粒度，然后對(duì)其進(jìn)行旋流分選試驗(yàn)，旋流分選試驗(yàn)設(shè)備聯(lián)系圖，如圖1所示。

進(jìn)行旋流分選試驗(yàn)時(shí)，首先將礦漿調(diào)至合適的濃度，然后打開(kāi)渣漿泵，把礦漿送入旋流器中進(jìn)行分選。給礦壓強(qiáng)通過(guò)閥門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用壓力表同步檢測(cè)。待系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)后，取原礦、溢流及底流產(chǎn)品樣，分別量取礦漿體積后，烘干、稱(chēng)重，并進(jìn)行化學(xué)成分分析，然后分別計(jì)算產(chǎn)品的產(chǎn)率、鋁硅比及回收率等指標(biāo)。

圖1 旋流分選試驗(yàn)設(shè)備聯(lián)系圖1.φ75mm旋流器；2.攪拌桶；3.渣漿泵；4.壓力表；5.放料閥；6.進(jìn)料閥；7.出料閥；8.給礦取樣閥；9.溢流取樣閥

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 采用不同錐角時(shí)底流口直徑對(duì)鋁硅礦物旋流分選效果的影響

在旋流器溢流口直徑為17mm、給礦壓強(qiáng)為0.4MPa、給礦濃度為10%、給礦粒度為-0.074mm粒級(jí)含量占61.91%的試驗(yàn)條件下，分別采用7°、11°、15°、19°的錐角，逐一考察底流口直徑對(duì)鋁土礦旋流分選效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2可以看出，對(duì)于同一錐角而言，隨著底流口直徑的增大，鋁硅比基本呈下降趨勢(shì)。采用不同錐角時(shí)，底流口直徑對(duì)底流A/S的影響程度也是不同的，對(duì)錐角11°、15°、19°而言，隨著底流口直徑的逐漸增大，這些指標(biāo)的變化趨勢(shì)很顯著；而采用7°錐角時(shí)，呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)則要平緩得多，且在一些點(diǎn)處出現(xiàn)了與整體變化趨勢(shì)相反的情況，例如，當(dāng)?shù)琢骺谥睆接?mm變?yōu)?mm時(shí)，底流的鋁硅比有一定幅度的上升，而不是下降。這表明，錐角較小時(shí)，適當(dāng)增加底流口直徑有利于分選過(guò)程的進(jìn)行。

圖2中的結(jié)果還表明，采用11°錐角時(shí)，在大部分底流口直徑條件下，均能獲得比采用其他錐角更高的鋁硅比。當(dāng)其底流口直徑為6mm時(shí)，底流產(chǎn)品的鋁硅比為6.87，比其他試驗(yàn)條件的都高一些。

根據(jù)圖3可知，對(duì)于同一錐角而言，隨底流口直徑的增大，溢流的鋁硅比呈下降趨勢(shì)；對(duì)于不同錐角而言，曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)大體相同，但變化幅度不同，尤其是采用19°錐角時(shí)，溢流的鋁硅比曲線(xiàn)，與其他3條曲線(xiàn)相比要平緩一些，而且在各個(gè)底流口直徑條件下獲得的溢流的鋁硅比均比采用其他錐角時(shí)的高；錐角為7°時(shí)，溢流的鋁硅比基本上為最低。溢流的鋁硅比基本上隨著錐角的減小而降低。

從圖3可以看出，在各個(gè)錐角條件下，隨著底流口直徑的增大，底流中Al2O3的回收率均呈逐漸升高的趨勢(shì)，即當(dāng)?shù)琢骺谥睆綖?6mm時(shí)，底流中Al2O3的回收率達(dá)到最大值。圖3的試驗(yàn)結(jié)果還表明，采用19°錐角時(shí)，在各個(gè)底流口直徑條件下，底流中Al2O3的回收率基本上為最低；采用7°錐角時(shí)，底流中Al2O3的回收率則基本為最高，當(dāng)其底流口直徑為16mm時(shí)，底流中Al2O3的回收率高達(dá)90.10%。

2.2 采用不同錐角時(shí)給礦壓強(qiáng)對(duì)鋁土礦分選效果的影響

在旋流器溢流口直徑為17mm、給礦濃度為10%、給礦粒度為-0.074mm粒級(jí)含量占 61.90%的條件下，分別采用7°、11°、15°、19°的錐角(相應(yīng)的錐比為8/17、6/17、6/17、6/17)，分析了給礦壓強(qiáng)對(duì)鋁土礦旋流分選效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖2 底流口直徑對(duì)底流A/S的影響

圖3 底流口直徑對(duì)底流中Al2O3回收率的影響

圖4 給礦壓強(qiáng)對(duì)底流A/S的影響

由圖4中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用11°錐角時(shí)，隨著給礦壓強(qiáng)的逐漸增大，底流的鋁硅比呈現(xiàn)先升高、后略微下降的趨勢(shì)，當(dāng)給礦壓強(qiáng)為0.3MPa時(shí)，底流的鋁硅比達(dá)最高值(7.37)；采用19°錐角時(shí)，隨著給礦壓強(qiáng)的增大，底流的鋁硅比逐漸減??；采用15°和7°錐角時(shí)，底流鋁硅比的變化趨勢(shì)則不是很明顯。可見(jiàn)，采用不同錐角時(shí)，給礦壓強(qiáng)對(duì)底流鋁硅比的影響規(guī)律有所不同，這從某種程度上說(shuō)明，錐角與給礦壓強(qiáng)對(duì)鋁硅礦物的旋流分選過(guò)程存在著一定的交互影響。

由圖5可以看出，采用4種不同的錐角時(shí)，底流中Al2O3的回收率隨著給礦壓強(qiáng)的增大而增大，當(dāng)給礦壓強(qiáng)為0.4MPa時(shí), 底流中Al2O3的回收率最高；采用7°錐角時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與采用其他3個(gè)錐角時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異明顯，底流中Al2O3的回收率明顯較高，當(dāng)其給礦壓強(qiáng)為0.4MPa時(shí)，底流中Al2O3的回收率達(dá)最高值(87.01%)；當(dāng)采用11°、15°和19°錐角時(shí)，底流中Al2O3的回收率則相對(duì)較低，并且數(shù)值較為接近；在給礦壓強(qiáng)相同時(shí)，底流中Al2O3的回收率基本上隨著錐角的增大而降低。

3 機(jī)理分析與討論

為了分析各參數(shù)對(duì)液相及礦物顆粒運(yùn)動(dòng)行為的影響，考察了溢流體積產(chǎn)率及固體產(chǎn)率隨之變化的情況，分別見(jiàn)圖6、圖7。

由圖6可以看出，對(duì)于同一錐角而言，隨著底流口直徑的增大，溢流體積產(chǎn)率和溢流固體產(chǎn)率均呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)?，礦漿在旋流器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)存在一個(gè)軸向零速包絡(luò)面(LZVV)，它在空間的位置決定了分級(jí)粒度的大小，而底流口直徑的增大會(huì)使軸向零速包絡(luò)面向旋流器的中軸線(xiàn)收縮，從而使內(nèi)旋流的流量相對(duì)減少；對(duì)于不同錐角而言，曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)相同，溢流體積產(chǎn)率基本上隨著錐角的減小而降低，但降低幅度不大；溢流固體產(chǎn)率也基本上隨著錐角的減小而降低，尤其是當(dāng)?shù)琢骺谥睆捷^小時(shí)，采用7°錐角時(shí)的溢流固體產(chǎn)率明顯比采用其他3個(gè)錐角時(shí)的小?？梢?jiàn)，當(dāng)采用的錐角減小到一定程度后，分級(jí)粒度的減小趨勢(shì)將更加明顯，導(dǎo)致進(jìn)入溢流的顆粒數(shù)量也明顯減少。

以上分析表明，底流口直徑增大后，Al2O3品位較低的微細(xì)粒級(jí)從溢流排出的量相應(yīng)減少，而進(jìn)入底流的量相應(yīng)增加。這一方面使溢流產(chǎn)物的鋁硅比不斷降低，底流產(chǎn)物中Al2O3的回收率有所提高；另一方面使得底流中Al2O3的品位及鋁硅比降低，分選精確度及效果明顯變差。

圖5 給礦壓強(qiáng)對(duì)底流中Al2O3回收率的影響

圖6 底流口直徑對(duì)溢流體積產(chǎn)率的影響

圖7 給礦壓強(qiáng)對(duì)溢流體積產(chǎn)率的影響

由圖7可見(jiàn)，給礦壓強(qiáng)增大后，溢流體積產(chǎn)率變化不大，而溢流固體產(chǎn)率的下降趨勢(shì)則較為明顯。產(chǎn)率的變化趨勢(shì)說(shuō)明，給礦壓強(qiáng)的改變基本不影響軸向零速包絡(luò)面的空間位置，液流在底流和溢流的分配率基本保持恒定；增大錐角可使軸向零速包絡(luò)面向外擴(kuò)展，液流進(jìn)入溢流的量增加；增大給礦壓強(qiáng)，顆粒的慣性離心力增大，跟隨液相進(jìn)入溢流的幾率減小，所以溢流的固體產(chǎn)率會(huì)相應(yīng)降低。

根據(jù)上述結(jié)果可知，給礦壓強(qiáng)增大時(shí)，礦漿在底流和溢流中的分配比例基本保持恒定，但顆粒的慣性離心力增大，因此其跟隨液相進(jìn)入溢流的幾率減小，使得溢流的固體產(chǎn)率降低，鋁硅比也不斷降低。在錐角一定時(shí)，增大給礦壓強(qiáng)可對(duì)旋流分選產(chǎn)生有利影響，使分選效果得以改善。

4 結(jié) 論

1) 增大底流口直徑，溢流體積產(chǎn)率降低，溢流固體產(chǎn)率隨之相應(yīng)減少。底流口直徑的增大還使底流中Al2O3的品位及鋁硅比下降，SiO2的品位上升；使溢流中Al2O3的品位及鋁硅比下降，SiO2的品位上升；盡管底流中Al2O3的回收率有所提高，但是分選的精確度下降。

2) 增大給礦壓強(qiáng)，液流在底流和溢流中的分配率基本保持恒定，但顆粒所受到的離心慣性力增大，跟隨液相進(jìn)入溢流的幾率減小，所以溢流的固體產(chǎn)率降低，其鋁硅比也不斷降低；底流中Al2O3的回收率則隨著給礦壓強(qiáng)的增大而增大，而底流產(chǎn)物的鋁硅比則因給礦壓強(qiáng)和錐角的交互影響而呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。

3) 增大錐角可使礦漿進(jìn)入溢流的量增加，溢流的固體產(chǎn)率相應(yīng)增加；與采用其他錐角時(shí)的情況比較，采用7°錐角更適于鋁土礦脫泥作業(yè)的進(jìn)行。

[1] Li H P, Hu Y H, Wang D Z, et.al. Effect of hydroxamic acid polymers on reverse flotation of bauxite[J]. J.CENT.SOUTHUNIV.TECHNOL, 2004, 11(3): 291-294.

[2] Zhao S M, Wang D Z, Hu Y H, et.al. The flotation behaviour of N-(3-aminopropy1)-dodecanamide on three aluminosilicates[J]. Minerals Engineering, 2003, 16(12):1391-1395.

[3] Song S X, Alejandro L V, Lu S C, et.al. Selective dispersion in diaspore-rutile suspension by sodium fluorosilicate[J]. Powder Technology, 2002, 123(2/3):178-184.

[4] 王大鵬，劉炯天，周長(zhǎng)春，等.旋流-靜態(tài)微泡浮選柱分選鋁土礦的半工業(yè)試驗(yàn)[J].金屬礦山，2009，394(4)：46-49.

[5] 歐樂(lè)明，馮其明，盧毅屏,等.鋁土礦碎解方式與鋁硅礦物選擇性分離[J].金屬礦山，2005，344(2)：28-31.

[6] 汪太平.水力旋流器在銅山礦業(yè)公司的應(yīng)用 [J].現(xiàn)代礦業(yè)，2009，480(4)：110-111.

[7] 姚齊國(guó).旋流技術(shù)在船舶油污水分離中的應(yīng)用[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，26(6)：770-772.

[8] 張士瑞，薛敦松. 應(yīng)用微型旋流器脫除催化裂化油漿殘留固體的初步研究[J].石油煉制與化工，2007，38(9)：65-68.

[9] 王富平，全學(xué)軍，趙清華,等. 水力噴射空氣旋流分離器脫氨[J].化工學(xué)報(bào)，2009，60(5)：1186-1192.

[10] 洪彩霞，袁惠新.旋流技術(shù)在強(qiáng)化多相流反應(yīng)過(guò)程中的應(yīng)用[J].化工進(jìn)展，2008，27(9)：1328-1331.

[11] 谷新春，王偉文，王立新,等.環(huán)流式旋風(fēng)除塵器內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].高等化學(xué)工程學(xué)報(bào)，2007，21(3):411-416.