助磨劑對氧化鐵礦石磨礦動力學行為的影響

謝冬冬，侯英，蓋壯，黃貴臣，齊雙飛，徐冬林，韓呈，陳來保，朱巨建

(1.遼寧科技大學礦業(yè)工程學院，遼寧鞍山，114051；2.鞍鋼集團鞍千礦業(yè)有限責任公司，遼寧鞍山，114051；3.鞍鋼集團礦業(yè)公司，遼寧鞍山，114001；4.鞍鋼集團弓長嶺礦業(yè)公司，遼寧遼陽，111008；5.中鋼集團安徽天源科技股份有限公司，安徽馬鞍山，243000)

助磨劑是一種提高研磨效率的添加劑。關于助磨劑的助磨作用機理，主要有吸附降低表面能假說、吸附對近表面位錯遷移、以降低礦漿黏度為主導的流變學理論及綜合假說[1-3]。助磨劑在磨礦過程中的作用機理主要以兩大學派為主導，即吸附降低硬度學說及以降低礦漿黏度為主導的流變學理論。吳明珠[4]認為助磨劑作用機理是上述兩種作用效果的疊加，粗磨時，吸附降低硬度學說起主導作用，宜用降低硬度型藥劑；細磨時，流變學理論占主導地位，宜用降低黏度型藥劑，較理想的助磨劑應是既能降低硬度，又兼有降低礦漿黏度作用的藥劑。李國峰等[5]研究了六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、Z-164D 這3 種助磨劑對鮞狀赤鐵礦磨礦效率的影響；梁冰等[6]研究了檸檬酸對河北灤縣某赤鐵礦磨礦效率的影響；楊華明等[7]分析了六偏磷酸鈉與滑石粉的表面作用及吸附特性；孫春寶等[8]研究了DY-1#、DY-2#、多聚磷酸鈉、AMPC、馬來酐、木質素磺酸鹽和聚丙烯酸鈉對大冶鐵礦銅鐵礦石磨礦效率的影響；謝志鵬等[9]研究了石灰、氫氧化鈉、六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、焦磷酸鈉、硅酸鈉、碳酸鈉對湖北某磁鐵礦礦石可磨性的影響；王澤紅等[10]研究了聚丙烯酸鈉對鋁土礦磨礦效率的影響；蔣恒等[11]研究了六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、檸檬酸鈉、硅酸鈉對攀西某稀土礦磨礦效率的影響；劉天洋等[12]研究了油酸、三聚磷酸鈉、十二烷基硫酸鈉對承德壽王鐵礦磨礦效率的影響；徐冬林等[13]應用正交篩選試驗設計方法篩選出對赤鐵礦石起主要作用的助磨劑，分別為六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉、氟硅酸鈉、羧甲基纖維素鈉(CMC)、NM-3、油酸鈉、乙酸銨。國內外很多學者對助磨劑進行了研究，研究方法都是采用單一助磨劑進行條件試驗，針對多種助磨劑協(xié)同作用方面的研究較少。本文作者研究六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉、氟硅酸鈉、CMC、NM-3、油酸鈉和乙酸銨對氧化鐵礦石的助磨效果，應用均勻試驗設計方法進行助磨劑復配試驗，找到添加助磨劑的最佳質量分數和配比，分析助磨劑對氧化鐵礦石磨礦動力學行為的影響。

1 試驗

1.1 試驗礦樣和試驗藥劑

本文采用的礦樣取自鞍鋼集團鞍千礦業(yè)有限責任公司，礦樣為選礦廠具有代表性的球磨機給礦。應用PE250×100 型顎式破碎機、PE60×100 型顎式破碎機和Φ60×100 型輥式破碎機將樣品閉路粉碎至粒徑小于3.200 mm。為了使試驗過程中每次加入物料的粒度組成盡可能保持一致，將原料篩分為4個粒級：[2.000,3.200)mm，[l.000,2.000)mm，[0.400,1.000)mm和[0,0.400)mm。礦樣的粒度組成見圖1。根據圖1中各個粒級的分布情況可知，各個粒級物料的質量分數分別為9.03%，15.07%，25.01%和50.89%。

試驗礦樣的物相分析結果如表1所示。

從物相分析結果可以看出：主要鐵礦物為磁鐵礦、假象半假象赤鐵礦和赤褐鐵礦，分布率分別為65.63%，12.74%和12.45%，硅酸鐵、碳酸鐵質量分數較低。

圖1 礦樣的粒度組成Fig.1 Particle size composition of ore samples

表1 礦樣的物相分析Table1 Phase analysis of ore samples

試驗藥劑為：油酸鈉，純度≥97%；乙酸銨，分析純；焦磷酸鈉，分析純；六偏磷酸鈉，分析純；羧甲基纖維素鈉(CMC)，黏度為：1 000～1 400 mPa·s，USP 級；氟硅酸鈉，分析純；均采購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。NM-3為有機助磨劑，取自弓長嶺選礦廠。

1.2 試驗設備和試驗方法

磨礦試驗采用武漢探礦機械廠生產的XMQФ240×90 型球磨機，充填率φ為22.36%，磨機轉速n為100 r/min，磨機容積V為6.25 L。用電子天平稱取礦樣500.0 g，磨礦礦樣質量分數為70%，用量筒量取214.0 mL水；先加入總水量的1/3，然后加入物料，再加入一定原礦質量分數的助磨劑，最后加入剩余水量；開啟球磨機，到達設定的磨礦時間后停機，將磨礦產品從球磨機內倒出后應用篩子進行濕篩，篩后產品用干燥箱烘干，溫度控制在100 ℃，烘干后稱質量；計算產品中各個粒級的質量分數作為試驗結果。

2 試驗結果與討論

2.1 助磨劑用量及配比試驗結果與討論

在磨礦質量濃度為70%，磨礦時間為3 min，添加NM-3、油酸鈉、六偏磷酸鈉、氟硅酸鈉、乙酸銨和羧甲基纖維素鈉(CMC)質量分數分別為0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，0.40%和0.50%情況下進行磨礦試驗，考察助磨劑質量分數對磨礦效果的影響，試驗結果如圖2所示。

圖2 助磨劑質量分數對磨礦效果的影響Fig.2 Influence of grinding aids mass fractions on grinding

由圖2可知：無機助磨劑中焦磷酸鈉和乙酸銨的助磨效果較好，有機助磨劑中NM-3的助磨效果較好。添加NM-3的質量分數為0.3%、添加焦磷酸鈉的質量分數為0.1%、添加乙酸銨的質量分數為0.2%時磨礦產品中粒徑小于0.074 mm顆粒質量分數分別為65.62%，64.52%和63.64%。徐冬林等[14]應用均勻試驗設計方法研究NM-3、焦磷酸鈉和乙酸銨配比對氧化鐵礦石助磨效果的影響，發(fā)現同時加入NM-3、乙酸銨和焦磷酸鈉會惡化磨礦效果，加入NM-3 和乙酸銨或者NM-3 和焦磷酸鈉會改善磨礦效果，加入NM-3和乙酸銨對氧化鐵礦石的助磨效果要好于加入NM-3和焦磷酸鈉的助磨效果。本文基于上述研究結果，論述NM-3和乙酸銨配比對氧化鐵礦石磨礦效果的影響。

應用均勻試驗設計方法研究NM-3和乙酸銨的最佳質量分數和配比，測定磨礦產品中粒徑小于0.074 mm顆粒質量分數。添加NM-3和乙酸銨質量分數為0～0.5%，每隔0.02%取1個水平，選用U25(259)均勻表安排試驗，試驗結果如表2所示[15]。

SPSS(statistical product and service solutions)為“統(tǒng)計產品與服務解決方案”軟件，是IBM公司推出的一系列用于統(tǒng)計學分析運算、數據挖掘、預測分析和決策支持任務的軟件產品及相關服務的總稱。針對上述試驗數據應用SPSS19.0 對其進行回歸分析，A，B，A2，B2和A×B為自變量(其中A和B分別為NM-3 和乙酸銨質量分數)，粒徑小于0.074 mm 顆粒質量分數Y為因變量，回歸分析結果分別如表3和表4所示。

由表3可以看出：回歸方程的顯著性概率p=0，小于0.05，說明回歸方程高度顯著，可以由參與回歸的因素對結果進行解釋，建立回歸方程。

由表4可以看出：所有回歸分析因素的顯著性概率都小于0.05，都為對Y起顯著影響作用的因素。由此可以得Y與助磨劑用量之間的回歸方程為

根據回歸方程確定助磨劑與磨礦效果之間的關系如圖3所示。

由圖3可知，NM-3 和乙酸銨同時使用有最佳的用量范圍，選取最佳用量范圍的中心點，確定添加NM-3和乙酸銨的質量分數分別為原礦質量的0.30%和0.13%，磨礦產品中粒徑小于0.074 mm顆粒質量分數大于68%，與不添加助磨劑相比，磨礦產品中粒徑小于0.074 mm 顆粒質量分數提高幅度大于8%。

表2 U25(259)均勻表及試驗數據Table2 U25(259)uniform table and test data

表3 均勻試驗設計方差分析Table3 Anova of uniform design

表4 均勻試驗設計回歸系數Table4 Coefficients of uniform design

2.2 助磨劑對氧化鐵礦石磨礦動力學的影響

磨礦動力學是指被磨物料的磨碎速率與磨礦時間的關系。假定磨礦速度(粗級別物料質量減少的速度)與該瞬間磨機中未磨好的粗粒級物料質量成正比[16]，根據這個假設可以得出下列關系式：

式中：R為經過時間t后粗級別殘留物的質量分數，%；t為磨礦時間，min；k為比例系數，決定于磨礦條件；負號表示粗級別物料減少。

在很多情況下，m階動力學方程更符合實際情況：

式中：R0為被磨物料中粗級別的原始質量分數，在磨礦開始時，t=0，R=R0；m為磨礦動力學的階數，當m=0 時稱為0 階動力學；當m=1 時稱為一階動力學。

圖3 助磨劑對氧化鐵礦石磨礦效果的影響Fig.3 Influence of grinding aids on grinding of oxidized iron ore

對磨礦動力學方程中的參數m和k分別求偏導數得：

若參數m對R減少的影響大于k對R減少的影響，則：

由式(5)可得

上述分析說明：在t＞＞e1/k時，m對R減少的影響起主要作用，m越大，磨礦速度越快；在1≤t＜＜e1/k時，k對R減少的影響起主要的作用，k越大，磨礦速度越快，m越大，磨礦速度越快；在0＜t＜1時，k對R減少的影響起主要的作用，k越大，磨礦速度越快，m越小，磨礦速度越快，t=e1/k定義為磨礦特性分界時間[17]。

針對氧化鐵礦石添加助磨劑NM-3和乙酸銨質量分數為0.30%和0.13%與不添加助磨劑的分批磨礦結果，應用回歸分析的方法建立磨礦動力學方程[18]，獲得的磨礦動力學結果如表5所示。

由表5可知：[2.000，3.200)mm，[1.250，2.000)mm和[1.000，1.250)mm粒級的k添＞k不添，同時m添＜m不添，說明添加助磨劑的磨礦顆粒速度大于不添加助磨劑的磨礦速度。

試驗中的磨礦時間為3 min，在粒徑小于1.0 mm 各個粒級所對應的磨礦特性分界時間(e1/k)下，t＜e1/k，k對R減少的影響起主要的作用，k越大，磨礦速度越快，k添＞k不添，同樣說明添加助磨劑的磨礦速度大于不添加助磨劑的磨礦速度。

考慮粒度d為[0.074～0.100)mm，不添加助磨劑的磨礦動力學參數k不添=0.198，e1/k不添=156.101 min，添加助磨劑的磨礦動力學參數k添=0.296，e1/k添=29.323 min，試驗中的磨礦時間范圍為3 min，可見磨礦時間t＜＜e1/k，k對R減少的影響起主要作用，k越大，R越小，R減少得越多，磨礦速度越快，磨礦效果越好。添加助磨劑的各個粒級的磨礦動力學參數k添都顯著大于不添加助磨劑時的k不添，說明添加助磨劑的各個粒級的磨礦效果均好于不添加助磨劑的磨礦效果。

[2.0， 3.2)mm 粒 級 的k添比k不添大0.322；[0.038，0.056)mm 粒級的k添比k不添大0.097，隨著粒度的減小，k添與k不添的差值逐漸減小。上述結果說明粒度越大，添加助磨劑與不添加助磨劑的磨礦速度差值越大，吳明珠[4]認為粗磨時，吸附降低硬度學說起主導作用，宜用降低硬度型藥劑，添加NM-3和乙酸銨起到了降低硬度的效果。上述結果同時說明粒度越小，添加助磨劑與不添加助磨劑的磨礦速度差值逐漸減小，雖然差值逐漸減少，但添加助磨劑的各個粒級磨礦速度均比不添加助磨劑時的大，說明細磨時，流變學理論占主導地位，添加NM-3 和乙酸銨起到了降低黏度的作用。添加NM-3和乙酸銨既起到了降低物料硬度，又兼有降低礦漿黏度的作用。

侯英等[18-19]研究邦鋪鉬銅礦石和紫金山金銅礦石，考察高壓輥磨和顎式破碎對產品磨礦速度的影響，發(fā)現高壓輥磨產品粗粒級的磨礦速度顯著高于顎式破碎產品粗粒級的磨礦速度，高壓輥磨產品細粒級的磨礦速度等于顎式破碎產品細粒級的磨礦速度。不同粉碎方式只是影響粗粒級產品的磨礦速度，而本文獲得的添加助磨劑后各個粒級的磨礦速度均高于不添加助磨劑的磨礦速度，說明添加復配助磨劑既降低粗粒級產品的強度，又改善礦漿流變性，增加細粒級產品的磨礦速度。

表5 不同粒級的磨礦動力學參數Table5 Grinding kinetic parameters of different particle size

3 結論

1)氧化鐵礦石在添加NM-3 質量分數為0.3%、焦磷酸鈉質量分數為0.1%、乙酸銨質量分數為0.2%時的磨礦效果較好，磨礦產品中粒徑小于0.074 mm 顆粒質量分數分別為65.62%，64.52%和63.64%，相比不添加助磨劑時分別增加5.62%、4.52%和3.64%。

2)乙酸銨和NM-3共同使用助磨效果最好，添加乙酸銨和NM-3的最佳質量分數分別為0.13%和0.30%，磨礦產品中粒徑小于0.074 mm顆粒的質量分數大于68%，與不添加助磨劑相比，磨礦產品中粒徑小于0.074 mm顆粒的質量分數高8%以上。

3)磨礦動力學分析結果表明，添加乙酸銨和NM-3，既降低粗粒級產品的強度，又改善礦漿流變性，使得粗粒級和細粒級磨礦速度均顯著高于不添加助磨劑的磨礦速度。