伴生黃鐵礦石英砂礦石綠色提純工藝研究

姚 樂，段樹桐，謝永民,2，孫 翔,2

(1.中建材蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,蚌埠 233018;2.凱盛石英材料(黃山)有限公司,黃山 245000)

目前，我國浮法玻璃企業(yè)通常使用的原料主要包括石英砂(硅砂)、長石、白云石、石灰石、純堿、芒硝、碳粉等，將原料按一定比例配制，經(jīng)熔窯高溫熔融，玻璃液從池窯中連續(xù)流至并漂浮在相對密度較大的錫液表面上(即錫槽)，由于地心引力及本身表面張力作用，玻璃液在熔融錫表面上，攤成厚度均勻平整的玻璃帶，冷卻后引上過渡輥臺(tái)，輥臺(tái)輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)動(dòng)把玻璃帶拉出錫槽進(jìn)入退火窯，再經(jīng)退火切割而成透明無色平板玻璃產(chǎn)品。玻璃產(chǎn)品具有玻璃表面特別平整光滑、厚度非常均勻，光學(xué)畸變很小等特點(diǎn)[1]。

浮法玻璃配方中SiO2是形成浮法玻璃最主要的氧化物，SiO2：69%～73%，主要由石英砂提供。其中Fe2O3在無色透明浮法玻璃生產(chǎn)中屬于有害雜質(zhì)，它能使玻璃著成黃綠色而影響玻璃的光學(xué)性能。目前高檔無色浮法玻璃制品中Fe2O3≤0.08%[1]。

該文旨在探索以采用伴生黃鐵礦的石英砂巖礦為原料進(jìn)行綠色提純工藝研究，使其能夠滿足浮法玻璃對硅質(zhì)原料的化學(xué)成分要求。

1 試 驗(yàn)

1.1 原礦相關(guān)分析

原礦取自四川省某地石英砂巖礦區(qū)，樣品濕度較大，將樣品先進(jìn)行晾干。采用顎式破碎機(jī)和篩分設(shè)備對原礦進(jìn)行了加工，使物料在5 mm以下，篩下物混合均勻后制備成滿足試驗(yàn)要求的原料。

1.1.1 礦石多元素化學(xué)分析

為了查明礦石中所含化學(xué)元素及礦物的種類和數(shù)量，對礦石進(jìn)行了多元素化學(xué)分析，分析結(jié)果見表1。

表1礦石多元素化學(xué)分析結(jié)果/%

樣品SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOCr2O3K2ONa2O燒失量備注YP-197.131.420.280.0250.005 40.0250.520.1320.0020.460 6-5 mmYP-297.311.380.30.0210.006 20.0210.510.0920.0010.358 8-5～+0.71 mmYP-396.821.580.220.0290.005 10.030.580.2130.0030.519 9-0.71 mm

由表1中結(jié)果分析可知，該礦石中Fe2O3含量達(dá)到了0.28%，有害組分大大超出了浮法玻璃用砂對原料的質(zhì)量要求。因此，需要采用經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)工藝手段，以提高有益組分并降低有害組分，使試樣質(zhì)量滿足配方要求。

1.1.2 礦物組成及主要礦物嵌布特征

為了進(jìn)一步查明礦石的具體組成礦物，對礦石進(jìn)行了工藝礦物學(xué)分析。該礦是一種硅泥質(zhì)中粒石英砂巖；原礦以石英為主，占95%以上，粒徑范圍0.154～0.6 mm(28目～100目)；同時(shí)含少量或微量其它雜質(zhì)礦物，主要是黃鐵礦等。顯微鏡顯示見圖1：石英(Q，圖中無色部分)內(nèi)部及周圍嵌布有褐色黃鐵礦(P)和淺綠色云母(I)，包裹體礦物一般0.053～0.060 mm。對礦石質(zhì)量影響較大的是黃鐵礦和粘土礦物，它們以粒間填隙物無序散布于石英顆粒之間；Fe2O3含量為0.28%，主要來源于黃鐵礦，也有部分來源于粘土礦物。

1.2 試劑與儀器設(shè)備

該工藝不使用任何化學(xué)試劑。

破碎作業(yè)：顎式破碎機(jī)，型號：PE-150×250和PEX-100×125；輥式破碎機(jī)，型號：XPS-Φ250×150。

磨礦作業(yè)：棒磨機(jī)，型號：XMB-Φ240×200。

分級作業(yè)：水力分級機(jī)，型號：Φ50 mm。

擦洗作業(yè)：擦洗機(jī)，型號：XFD12、1.5 L。

磁選作業(yè)：高梯度磁選機(jī)，型號：SSS-I型周期式。

重選作業(yè)：螺旋溜槽，型號：Φ600 mm。

1.3 試驗(yàn)過程

1.3.1 磨礦作業(yè)

對磨礦作業(yè)影響的因素很多，這里主要考慮了磨礦時(shí)間、裝棒量等因素對磨礦產(chǎn)品的影響。

1)裝棒量試驗(yàn) 裝棒量試驗(yàn)條件及結(jié)果見表2。

表2 裝棒量試驗(yàn)條件及結(jié)果

注：1)磨礦時(shí)間：2 min；2)磨礦濃度：50%。

表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：裝棒量的多少對磨礦產(chǎn)品合格粒級含量有很重要的影響，適當(dāng)增加裝棒量，有利于磨礦作業(yè)產(chǎn)量的提高。綜合考慮，確定裝棒量為4.12 kg。

2)磨礦時(shí)間試驗(yàn) 磨礦時(shí)間試驗(yàn)條件及結(jié)果見表3。

表3 磨礦時(shí)間試驗(yàn)條件及結(jié)果

注：1)裝棒量：4.12 kg； 2)磨礦濃度：50%。

表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：磨礦時(shí)間為2 min時(shí)，磨礦效果最好，綜合考慮，確定磨礦時(shí)間為2 min。

1.3.2 分級作業(yè)

為了降低磨礦產(chǎn)品中-0.125 mm粒級含量，采用Φ50 mm水力分級機(jī)對磨礦產(chǎn)品進(jìn)行分級試驗(yàn)。分級作業(yè)流程試驗(yàn)條件及結(jié)果見表4。

表4分級試驗(yàn)條件及結(jié)果

序號上升水量/(L·h-1)產(chǎn)率/%分級沉砂粒度指標(biāo)/%+0.71 mm0.71～0.125 mm-0.125 mm12089.27096.083.9224088.66096.973.0336087.81097.252.75

表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：水力分級機(jī)是控制沉砂中-0.125 mm粒級含量的有效手段，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)上升水量，就可以較方便地控制細(xì)粒級的含量。當(dāng)上升水量為20 L/h時(shí)，分級沉砂中-0.125 mm粒級含量為3.92%，滿足浮法玻璃對石英砂原料的粒度要求。綜合考慮，上升水量控制在20 L/h為宜。

1.3.3 擦洗作業(yè)

為去除石英顆粒表面的膠結(jié)物，以進(jìn)一步降低試樣中Fe2O3、Al2O3的含量，進(jìn)行了擦洗試驗(yàn)。

擦洗作業(yè)是在較高礦漿濃度下，利用葉輪的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)礦漿旋轉(zhuǎn)，從而使砂粒與砂粒之間發(fā)生撞擊、磨擦，從而達(dá)到去除石英顆粒表面膠結(jié)物的目的[2]。由于該次試驗(yàn)采用綠色環(huán)保的工藝方法，不采用任何化學(xué)試劑，因此主要考慮擦洗時(shí)間對試樣的影響。擦洗條件及試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 擦洗條件及試驗(yàn)結(jié)果

注：脫泥采用虹吸脫泥方式，脫泥4次，擦洗濃度50%。

表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：擦洗作業(yè)能夠降低該試樣中Fe2O3含量，隨著擦洗時(shí)間的增加，F(xiàn)e2O3含量降低幅度逐漸減小。擦洗時(shí)間的增加會(huì)帶來電能的消耗增加，造成能源的浪費(fèi)。綜合考慮，該試驗(yàn)擦洗時(shí)間確定為10 min。

1.3.4 磁選作業(yè)

磁選是在磁選設(shè)備的磁場中進(jìn)行的。被選礦石給入磁選設(shè)備的選分空間后，受到磁力和機(jī)械力(包括重力、離心力、水流動(dòng)力等)的作用。磁性不同的礦粒受到不同的磁力作用，沿著不同的路徑運(yùn)動(dòng)。由于礦粒運(yùn)動(dòng)的路徑不同，所以分別接取時(shí)就可得到磁性產(chǎn)品和非磁性產(chǎn)品[3]。磁選作業(yè)條件及試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：通過磁選作業(yè)可以降低產(chǎn)品中的Fe2O3含量，隨著磁通量密度的增加，F(xiàn)e2O3含量逐漸降低，在磁通量密度為300 mT時(shí)到達(dá)平臺(tái)數(shù)據(jù)，趨于穩(wěn)定?？紤]經(jīng)濟(jì)成本和實(shí)現(xiàn)的難易程度，該次試驗(yàn)確定采用磁通量密度為300 mT作為磁選作業(yè)的條件。

1.3.5 重選作業(yè)

為降低試樣中Fe2O3及重礦物的含量，對試樣進(jìn)行重選試驗(yàn)。重選作業(yè)是利用礦物比重不同，在重力離心力的作用下，使礦粒群在運(yùn)動(dòng)中按比重的不同分離，以達(dá)到對重礦物進(jìn)行分選的目的[4]。影響重選作業(yè)效果的因素很多，該次試驗(yàn)主要考慮重選次數(shù)對試驗(yàn)結(jié)果的影響。重選作業(yè)設(shè)備采用Φ600 mm螺旋溜槽，重選作業(yè)條件及結(jié)果見圖3，重選補(bǔ)加水量為1 296 L/h。

圖3試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：重選作業(yè)可以降低精砂中Fe2O3含量，重選次數(shù)越多降鐵效果越明顯，產(chǎn)品中的Fe2O3含量逐漸降低，二次重選和三次重選后的產(chǎn)品Fe2O3含量差別不大，二次重選后Fe2O3含量為0.058%，該指標(biāo)證明試驗(yàn)結(jié)果良好。重選次數(shù)過多會(huì)造成產(chǎn)品產(chǎn)率的降低，并且在工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)造成能耗的增加和資源的浪費(fèi)。因此，為了保證后續(xù)試驗(yàn)精砂質(zhì)量確定采用二次重選。

1.4 組合工藝穩(wěn)定流程試驗(yàn)

經(jīng)過上述試驗(yàn)過程的探索，最終確定以下試驗(yàn)流程：破碎—磨礦—篩分—分級—擦洗—磁選—重選—重選。穩(wěn)定流程試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 穩(wěn)定流程試驗(yàn)結(jié)果

穩(wěn)定流程試驗(yàn)結(jié)果表明：采用該組合工藝，得到的石英精砂產(chǎn)品中SiO2含量達(dá)到了99.02%～99.10%，F(xiàn)e2O3含量達(dá)到了0.057%～0.062%。該精砂指標(biāo)完全能夠滿足浮法玻璃對硅質(zhì)原料要求。

2 結(jié)果與討論

該試驗(yàn)根據(jù)伴生黃鐵礦的石英砂巖工藝礦物學(xué)的特點(diǎn)，采用無介質(zhì)擦洗作業(yè)、磁選和以塔式螺旋溜槽進(jìn)行重選的清潔提純技術(shù)，適用于以伴生黃鐵礦的石英砂巖礦為原料生產(chǎn)浮法玻璃用砂的企業(yè)。該試驗(yàn)具有一定的優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)無化學(xué)污染。該試驗(yàn)采用無介質(zhì)擦洗、磁選和重選等清潔提純技術(shù)，無任何化學(xué)試劑的加入，可以做到無化學(xué)污染，不會(huì)對環(huán)境造成傷害。

2)效果明顯。采用無介質(zhì)擦洗作業(yè)、磁選和以塔式螺旋溜槽進(jìn)行重選的清潔提純技術(shù)，可以有效地去除黃鐵礦，降低Fe2O3的同時(shí)，對降低Al2O3等有害成分也具有良好的效果。

3)工藝簡單。該試驗(yàn)工藝十分簡單，工作方便，容易掌握，實(shí)用能力強(qiáng)。

4)安全性好。該試驗(yàn)沒有任何化學(xué)試劑的加入，采用該發(fā)明不會(huì)對環(huán)境及人員產(chǎn)生不利的影響。

5)推廣容易。該試驗(yàn)工藝簡單，操作簡易，設(shè)備和材料成本低廉，沒有化學(xué)試劑的加入，非常容易掌握和學(xué)習(xí)，利于推廣應(yīng)用。

6)用途廣泛。該試驗(yàn)可以適用伴生黃鐵礦的石英砂巖礦，可以根據(jù)黃鐵礦含量的多少進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以適應(yīng)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)環(huán)境。

7)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。目前，關(guān)于伴生黃鐵礦的石英砂巖除鐵工藝采用的均為化學(xué)方法，其生產(chǎn)成本很高且對環(huán)境具有較大的影響，后續(xù)的處理工藝投入較大。

[1] 彭 壽.新玻璃概論(修訂版)[M].北京：高等教育出版社，2015.

[2] 王淀佐.資源加工學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[3] 鄭水林.非金屬礦加工技術(shù)與應(yīng)用手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[4] 謝廣元.選礦學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.