錫石多金屬硫化礦工藝礦物學(xué)及磨礦優(yōu)化

周文濤，韓躍新，李艷軍，孫永升，楊金林，馬少健

(1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽，110819；2.廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧，530004)

在錫石多金屬硫化礦磨礦實(shí)踐中，硫化礦物一般采用浮選方法富集和彼此分離，其適宜給料粒度范圍為10～150 μm，要求礦石細(xì)磨；錫石主要采用重選方法富集回收，其適宜給料粒度范圍為74～250 μm，要求礦石粗磨[1-3]。實(shí)際中往往難以同時(shí)滿足錫石重選粗磨要求和硫化礦浮選細(xì)磨的要求，大量的錫石被磨成細(xì)粒級，為減少細(xì)粒錫石生成，磨礦粒度又會偏大，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中長期存在硫化礦欠磨與錫石過磨的矛盾。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對微細(xì)錫石開展了大量研究[4-8]，浮選在細(xì)粒錫石選礦領(lǐng)域得到了主要應(yīng)用[9-13]。要取得細(xì)粒錫石的高效浮選，藥劑制度的優(yōu)化選擇是必需條件，眾多學(xué)者對藥劑開發(fā)與優(yōu)化也進(jìn)行了大量研究工作[14-18]。然而，浮選藥劑雖能取得一定的浮選效果，但也存在價(jià)格較貴、污染環(huán)境的缺點(diǎn)[19-20]。通過建立磨礦過程數(shù)學(xué)理論關(guān)系，模擬磨礦過程和預(yù)測磨礦作業(yè)指標(biāo)，已經(jīng)成為磨礦作業(yè)調(diào)節(jié)和優(yōu)化的重要途徑[21-25]。從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)角度考慮，從磨礦優(yōu)化角度出發(fā)，在浮選前采取措施緩解錫石過磨和硫化礦欠磨問題具有一定的經(jīng)濟(jì)意義和環(huán)保意義，相關(guān)工藝礦物學(xué)研究對于錫石多金屬硫化礦高效利用具有重要的意義。因此，本文作者通過化學(xué)分析、MLA、粒度分析儀等分析手段對廣西大廠錫石多金屬硫化礦的化學(xué)組成、礦物組成、礦物產(chǎn)出特征及粒度分布進(jìn)行分析研究，在此基礎(chǔ)上，提出一種優(yōu)化表征錫石多金屬硫化礦磨礦過程的方法，并設(shè)計(jì)磨礦試驗(yàn)，以求從理論和實(shí)踐意義上實(shí)現(xiàn)磨礦優(yōu)化。

1 試驗(yàn)原料和方法

1.1 試驗(yàn)原料工藝礦物學(xué)研究

1.1.1 礦石化學(xué)組成

試驗(yàn)所用礦樣取自廣西大廠某選廠。所取礦石經(jīng)曬干、破碎、混勻后，縮分裝袋備用。試驗(yàn)用錫石多金屬硫化礦的化學(xué)多元素分析結(jié)果如表1所示。

表1 錫石多金屬硫化礦的化學(xué)多元素分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Results of multi-element analysis of cassiterite polymetallic sulphide ore %

由表1可知：錫石多金屬硫化礦樣中含有鐵、錫、鉛、鋅、銅等大量的金屬元素以及硫、砷等非金屬元素，其中Fe2O3和SO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，總質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)57.7%，表明硫鐵礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，其重要金屬元素錫、鉛、鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%，1.8%和12.2%。雜質(zhì)成分為CaO，SiO2與Al2O3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17.1%，5.0%與1.3%，表明礦石含有一定量的石英和其他硅酸鹽礦物。

1.1.2 礦石礦物組成

利用MLA對礦石進(jìn)行物相分析，如表2所示。

表2 錫石多金屬硫化礦物定量檢測結(jié)果Table 2 Results of mineral quantitative detection of cassiterite polymetallic sulfide ore

由表2可知：錫石多金屬硫化礦中的主要成分是磁黃鐵礦和閃鋅礦，兩者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)合計(jì)約90%；鉛礦物主要是脆硫銻鉛礦；銻礦物為微量硫銻鐵礦、自然銻和黃銻礦；銀礦物主要是銀黝銅礦、自然銀、螺狀硫銀礦和輝銻銀礦；錫礦物主要是錫石，少量至微量黝錫礦和硫錫礦；其他金屬硫化礦物主要是黃鐵礦、毒砂、黃銅礦和輝鉬礦；脈石礦物主要是云母、石英等。

1.1.3 礦物粒度組成

對所取礦樣進(jìn)行粒度測定，結(jié)果見表3。

由表3可知：0.075 mm以上粒級的礦物分布率為81.94%，0.038 mm 以下粒級的分布率為14.08%，可見礦物的粒度以中粗粒嵌布為主，顆粒不均勻。

表3 樣品的粒度分布Table 3 Particle size distribution of sample

1.1.4 礦石主要礦物產(chǎn)出特征

由MLA分析主要礦物的產(chǎn)出特征如圖1～3所示。

圖1 以粒狀或浸染狀產(chǎn)出的錫石(Sn)特征Fig.1 Characteristics of cassiterite(Sn)produced in granular or disseminated form

圖2 膠結(jié)于其他硫化礦物中的閃鋅礦(Zn)特征Fig.2 Characteristics of sphalerite(Zn)cemented in other sulphide minerals

圖3 膠結(jié)于脆硫銻鉛礦(Zn)中的磁黃鐵礦特征Fig.3 Characteristics of pyrrhotite(Fe)cemented in jamesonite(Pb)

由圖1～3可知：礦石中主要含Sn的礦物，能譜分析表明，錫石主要由Sn和O元素組成，含少量Fe，微量Si，其中，Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為77.76%，O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.5%，F(xiàn)e的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.29%；錫石呈自形-半自形粒狀，與石英、金云母等脈石緊密連生形成集合體，呈浸染狀、團(tuán)塊狀分布。硫化礦主要由脆硫銻鉛礦、磁黃鐵礦和閃鋅礦等礦物組成，脆硫銻鉛礦主要由Pb，Sb和S 組成，含少量Fe，其中，Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.98%，Sb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.6%，S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.77%，F(xiàn)e的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.34%。磁黃鐵礦主要由Fe和S 組成，含少量Si，其中，F(xiàn)e的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.06%，S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.88%，Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%。閃鋅礦主要由Zn，F(xiàn)e和S 組成，其中，Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.95%，F(xiàn)e的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.57%，S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.35%；各種硫化礦物關(guān)系密切，相互混雜以交生或共生的浸染狀細(xì)粒產(chǎn)出。錫石由于性脆、密度大，在磨礦中容易過磨泥化，導(dǎo)致回收率降低，降低其過磨泥化程度，硫化礦由于嵌布粒度較細(xì)而不能得到充分單體解離，最終導(dǎo)致金屬互損嚴(yán)重。

1.2 試驗(yàn)方法

基于錫石和硫化礦破碎特性和選別粒度的差別，將錫石多金屬硫化礦分為錫石和硫化礦二元結(jié)構(gòu)，其中，錫石以Sn金屬元素為代表；由于Sb金屬元素與Pb 金屬元素緊密共生，其物理特性較一致，因此，硫化礦物以Zn，Pb和Fe金屬元素為代表。受實(shí)驗(yàn)室配套篩子的限制，在盡量滿足后續(xù)適宜給料粒度范圍的前提下，以0.074～0.350 mm為錫石多金屬硫化礦中錫石的合格粒級，以0.038～0.150 mm為錫石多金屬硫化礦中硫化礦的合格粒級。基于以上分析，提出一種錫石多金屬硫化礦磨礦過程優(yōu)化表征方法，即以合格粒級的金屬分布率為目標(biāo)，通過調(diào)控磨礦條件，達(dá)到磨礦過程優(yōu)化的目的。

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)設(shè)備選用XMQ-Φ240×90 實(shí)驗(yàn)室錐形球磨機(jī)，磨機(jī)轉(zhuǎn)速為96 r/min，磨礦介質(zhì)充填率為35%。每次試驗(yàn)均對磨礦產(chǎn)物進(jìn)行濕篩篩分，考察入磨粒度、磨礦時(shí)間和礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素對磨礦產(chǎn)物中合格粒級金屬分布率的影響。

2.1 入磨粒級小于2 mm條件下磨礦時(shí)間和礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

在入磨粒級小于2 mm條件下，礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50%，65%，75%，85%和90%，磨礦時(shí)間對錫石和硫化礦物合格粒級金屬分布率的影響如圖4所示。

圖4 入磨粒級小于2 mm且不同礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)磨礦時(shí)間對合格粒級金屬分布率的影響Fig.4 Effect of grinding time on qualified particle size metal distribution rate with different ore pulp mass fractions when particle size is less than 2 mm

由圖4可知：不同礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，Zn，Pb和Fe 元素合格粒級金屬分布率隨著磨礦時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，這也證明了這3種元素代表硫化礦的合理性；當(dāng)?shù)V漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，Sn 合格粒級金屬分布率在磨礦時(shí)間為2 min 時(shí)最大，而Zn，Pb和Fe合格粒級金屬分布率在磨礦時(shí)間為6 min時(shí)均達(dá)到最大，說明錫石和硫化礦二元結(jié)構(gòu)磨礦特性存在差異，且分別在磨礦2 min和6 min 時(shí)，錫石和硫化礦適宜選別粒度的礦物單體解離最大；當(dāng)?shù)V漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%和75%時(shí)，Sn合格粒級金屬分布率磨礦4 min后均達(dá)到最大，而Zn，Pb和Fe合格粒級金屬分布率在磨礦6 min后均達(dá)到最大；當(dāng)?shù)V漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%和90%時(shí)，4種元素合格粒級金屬分布率都分別在磨礦時(shí)間為10 min和2 min時(shí)達(dá)到最大，說明礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時(shí)，罩蓋作用嚴(yán)重影響磨礦效果，弱化了錫石和硫化礦磨礦特性差異。

2.2 入磨粒級小于3 mm條件下磨礦時(shí)間和礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

在入磨粒級小于3 mm條件下，礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50%，65%，75%，85%和90%，磨礦時(shí)間對錫石和硫化礦物合格粒級金屬分布率的影響如圖5所示。不同磨礦條件下Sn，Zn，Pb和Fe合格粒級金屬分布率的優(yōu)化調(diào)控結(jié)果如表4所示。

圖5 入磨粒級小于3 mm且不同礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)磨礦時(shí)間對合格粒級金屬分布率的影響Fig.5 Effect of grinding time on qualified particle size metal distribution rate with different ore pulp mass fractions when particle size is less than 3 mm

表4 不同磨礦條件優(yōu)化調(diào)控下Sn，Zn，Pb和Fe合格粒級金屬分布率Table 4 Sn,Zn,Pb and Fe of qualified particle size metal distribution rate under different grinding conditions

由圖5和表4可知：入磨粒級小于3 mm 時(shí)的分析結(jié)果與入磨粒級小于2 mm時(shí)的結(jié)果類似；在不同礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，Zn，Pb和Fe 元素合格粒級金屬分布率隨著磨礦時(shí)間的變化規(guī)律也基本一致。當(dāng)?shù)V漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，Sn 合格粒級金屬分布率在磨礦2 min 后達(dá)到最大，而Zn，Pb和Fe 合格粒級金屬分布率磨礦4 min后均達(dá)到最大；當(dāng)?shù)V漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為65%和75%時(shí)，Sn合格粒級金屬分布率在磨礦4 min后均達(dá)到最大，而Zn，Pb和Fe合格粒級金屬分布率在磨礦8 min 后均達(dá)到最大；當(dāng)?shù)V漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%和90%時(shí)，這4種元素合格粒級金屬分布率都分別在磨礦8 min和10 min時(shí)達(dá)到最大值，說明礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時(shí)，罩蓋作用嚴(yán)重影響磨礦效果，弱化了錫石和硫化礦磨礦特性差異。

由表4 還可知：不同磨礦條件優(yōu)化調(diào)控下，Sn，Zn，Pb和Fe 這4 種元素合格粒級金屬分布率不同。磨礦優(yōu)化條件如下：入磨粒級小于2 mm、礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%、錫石磨礦4 min、硫化礦物磨礦6 min。此時(shí)，Sn，Zn，Pb和Fe 這4 種元素合格粒級金屬分布率分別取得最大值。因此，在入磨粒級小于2 mm、礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%時(shí)，采用“分步磨礦”方式，即磨礦4 min提Sn后，不改變其他磨礦條件，繼續(xù)磨礦至6 min時(shí)入選硫化礦物。

3 結(jié)論

1)錫石多金屬硫化礦中的主要成分是磁黃鐵礦和閃鋅礦，兩者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)合計(jì)約90%；鉛礦物主要是脆硫銻鉛礦；錫礦物主要是錫石；脈石礦物主要是云母、石英等。錫石呈自形-半自形粒狀，與石英、云母等脈石緊密連生形成集合體，呈浸染狀、團(tuán)塊狀分布；硫化礦主要由脆硫銻鉛礦、磁黃鐵礦和閃鋅礦等礦物組成，各種硫化礦物關(guān)系密切，相互混雜以交生或共生的浸染狀細(xì)粒產(chǎn)出。

2)基于錫石和硫化礦磨礦特性和選別粒度的差別，將錫石多金屬硫化礦分為錫石和硫化礦二元結(jié)構(gòu)，提出使用合格粒級金屬分布率為錫石多金屬硫化礦磨礦過程優(yōu)化表征方法。通過優(yōu)化調(diào)控磨礦條件，可得出優(yōu)化條件如下：入磨粒級小于2 mm、礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%、錫石磨礦4 min、硫化礦物磨礦6 min。因此，選擇入磨粒級小于2 mm、礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%時(shí)，采用“分步磨礦”方式，即磨礦時(shí)間為4 min時(shí)提Sn后，不改變其他磨礦條件，繼續(xù)磨礦至6 min時(shí)入選硫化礦物。