響應(yīng)面曲線法優(yōu)化貴州某磷塊巖浮選工藝研究①

王志強(qiáng)， 聶光華， 李德偉， 王 東

（貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽550025）

磷礦是一種不可再生的重要礦產(chǎn)資源，截止2017年，中國磷礦查明儲量為252.84 億噸［1］。 中國磷礦資源儲量較大，但磷礦平均品位僅為16.95%，P2O5品位大于30%的富礦僅占6.75%［2］。 隨著富礦儲量的減少， 中低品位磷塊巖已成為磷礦資源利用的重點(diǎn)［3］。浮選是處理該類礦石的首選方法［4-6］。

沉積鈣質(zhì)磷塊巖主要有用礦物氟磷灰石嵌布粒度細(xì)，呈均質(zhì)膠體或隱晶質(zhì)、微晶質(zhì)［7］，與主要脈石礦物白云石密切共生，氟磷灰石與白云石可浮性接近，且都含有Ca2＋，難以浮選分離［8］。 工業(yè)上多采用H2SO4或H3PO4抑制含磷礦物，陰離子捕收劑浮選白云石、方解石等碳酸鹽礦物的反浮選工藝［9］，以獲得適合濕法磷酸生產(chǎn)的磷精礦［10］。

本文以H2SO4為氟磷灰石抑制劑、BW?1 為白云石捕收劑對貴州某沉積鈣質(zhì)磷塊巖進(jìn)行浮選試驗(yàn)研究。 其中BW?1 為實(shí)驗(yàn)室自制的脂肪酸類藥劑。 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面曲線法優(yōu)化浮選工藝參數(shù)，提高分選效果。 同時(shí)利用響應(yīng)面曲線法，考察浮選主要影響因素磨礦細(xì)度、H2SO4用量、BW?1 用量之間的交互影響。

1 試驗(yàn)礦樣、藥劑與設(shè)備

1.1 礦樣性質(zhì)

礦樣取自貴州某地，屬沉積鈣質(zhì)磷塊巖。 采用XPF?100×125A 型破碎機(jī)破碎原礦至-2 mm；試樣經(jīng)破碎混勻縮分獲得分析樣品和試驗(yàn)樣品。

原礦X 射線熒光光譜分析結(jié)果見表1。 由表1 可知，礦石中MgO 含量較高，SiO2含量較低。 礦樣中磷礦物以氟磷灰石為主，脈石礦物以白云石為主。

表1 原礦X 射線熒光光譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

1.2 試驗(yàn)方法與藥劑

采用XMQ?240×90 型錐形球磨機(jī)磨礦；采用XFDIV1.0實(shí)驗(yàn)室用單槽1.0 L 浮選機(jī)浮選。 分析純藥劑H2SO4配成體積濃度20%的溶液，工業(yè)級藥劑BW?1配成質(zhì)量濃度1%的溶液。 試驗(yàn)用水為自來水，礦漿溫度為室溫。 試驗(yàn)流程如圖1 所示。

圖1 浮選試驗(yàn)原則流程

2 單因素試驗(yàn)

2.1 磨礦細(xì)度

H2SO4用量9.8 kg／t、捕收劑BW?1 用量200 g／t條件下，磨礦細(xì)度單因素試驗(yàn)結(jié)果見圖2。 由圖2 可知，隨著磨礦細(xì)度增加，精礦品位增加，但回收率先增加后下降，在-0.074 mm 粒級占55%時(shí)達(dá)到最高，為96.66%。 這是由于隨著磨礦細(xì)度增加，礦石中氟磷灰石與脈石礦物單體解離度增加，品位也增加；但同時(shí)，細(xì)度達(dá)到一定程度后，細(xì)粒礦物的機(jī)械夾帶現(xiàn)象越發(fā)明顯，微細(xì)粒氟磷灰石通過機(jī)械夾帶上浮進(jìn)入尾礦中，使得回收率下降。

圖2 磨礦細(xì)度對磷精礦浮選指標(biāo)的影響

2.2 抑制劑用量

磨礦細(xì)度-0.074 mm 粒級占55%，捕收劑BW?1用量200 g／t 條件下，抑制劑H2SO4用量單因素試驗(yàn)結(jié)果見圖3。 由圖3 可知，隨著H2SO4用量增大，回收率也增大，精礦品位變化不大。 綜合考慮，確定適宜的H2SO4用量為12.2 kg／t。

圖3 抑制劑H2SO4 用量對磷精礦浮選指標(biāo)的影響

2.3 捕收劑用量

磨礦細(xì)度-0.074 mm 粒級占55%，H2SO4用量12.2 kg／t 條件下，捕收劑BW?1 用量單因素試驗(yàn)結(jié)果見圖4。 由圖4 可知，隨著BW?1 用量增大，精礦品位增加，回收率先增大后減小，在BW?1 用量為300 g／t時(shí)回收率達(dá)到最大值，為97.46%。

圖4 捕收劑BW?1 用量對磷精礦浮選指標(biāo)的影響

3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

3.1 優(yōu)化方案

利用Design Expert 軟件，采用中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，對三因素（磨礦細(xì)度、H2SO4用量、BW?1 用量）及其水平進(jìn)行響應(yīng)曲線設(shè)計(jì)，優(yōu)化浮選工藝條件，同時(shí)考察3 個(gè)因素的交互影響。 在浮選單因素試驗(yàn)最優(yōu)條件下，確定了因子編碼和自變量水平見表2。

表2 試驗(yàn)因素水平及編碼

3.2 優(yōu)化過程與結(jié)果分析

采用Design Expert 軟件進(jìn)行中心組合設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案見表3。 按照表3 方案進(jìn)行了正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果一并計(jì)入表3 中。 本文以綜合效率值為評價(jià)指標(biāo)，采用漢考克公式：

式中E為綜合效率，%；α為原礦品位，%；β為精礦品位，%；ε為回收率，%。

表3 中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案及結(jié)果

3.3 模型方差分析

應(yīng)用Design Expert 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面分析，建立多元二次回歸方程：

式中Cg為預(yù)測響應(yīng)精礦品位，%；Ry為預(yù)測響應(yīng)精礦回收率，%；A為-0.074 mm 粒級含量，%；B為H2SO4用量，kg／t；C為BW?1 用量，g／t。

對以上二次響應(yīng)面回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果分別見表4 和表5。

表4 精礦品位模型方差分析結(jié)果

表5 精礦回收率模型方差分析結(jié)果

表4 結(jié)果表明，模型P值小于0.05，說明模型是顯著的，即擬合良好，模型有效。 模型的失擬性檢驗(yàn)值為0.003，小于0.05，說明擬合結(jié)果很適合表達(dá)目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)三因素的P值大小，各因素對精礦品位的影響順序?yàn)椋築W?1 用量＞磨礦細(xì)度＞H2SO4用量。

表5 結(jié)果表明，模型P值小于0.05，說明模型是顯著的，即擬合良好，模型有效。 模型的失擬性檢驗(yàn)值為0.006 7，小于0.05，說明擬合結(jié)果適合表達(dá)目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)三因素的P值大小，各因素對精礦回收率的影響順序?yàn)椋築W?1 用量＞磨礦細(xì)度＞H2SO4用量。

3.4 因素間交互作用

為進(jìn)一步研究各因素間的交互作用，利用Design Expert 軟件對回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面分析，得到相應(yīng)的等高線圖和響應(yīng)面立體分析結(jié)果分別如圖5 ～6所示。

圖5 各因素間交互作用對精礦品位的影響

圖6 各因素間交互作用對精礦回收率的影響

由圖5 可知，隨著磨礦細(xì)度和H2SO4用量增加，精礦品位出現(xiàn)先降低后上升的趨勢。 這是因?yàn)?，磷礦石中含大量可溶性礦物，主要脈石礦物白云石的可溶性高，且隨著粒度減小溶解速度增加。 即礦石磨礦細(xì)度處于不同水平時(shí)對精礦品位的影響隨硫酸水平而變化，這說明磨礦細(xì)度和H2SO4用量間的交互作用對精礦品位影響顯著。

由圖6 可知，隨著H2SO4用量和BW?1 用量增加，回收率出現(xiàn)上升趨勢，隨著H2SO4用量和BW?1 用量繼續(xù)增加，回收率反而降低。 這是因?yàn)锽W?1 作為脂肪酸皂類捕收劑，在酸性條件下可水解成脂肪酸，減弱了捕收劑在白云石表面的吸附效果。 即BW?1 用量處于不同水平時(shí)對回收率的影響隨硫酸水平變化而變化，這說明BW?1 用量與硫酸用量的交互作用對回收率影響顯著。

3.5 最優(yōu)浮選工藝條件及模型驗(yàn)證

設(shè)定綜合效率值為最大值時(shí)為最優(yōu)條件。 采用軟件Design Expert 進(jìn)行優(yōu)化分析，得到最優(yōu)條件為：磨礦細(xì)度-0.074 mm 粒級占60%，H2SO4用量13.20 kg／t，BW?1 用量400 g／t。 此條件下模型預(yù)測綜合效率為19.185 1。 為驗(yàn)證響應(yīng)曲面模型的準(zhǔn)確性，在最優(yōu)浮選條件下進(jìn)行了浮選試驗(yàn)，獲得了品位30.94%、回收率92.45%的磷精礦，此條件下磷精礦綜合效率值為19.001 9，與響應(yīng)曲面的理論綜合效率值接近，表明該優(yōu)化模型所得結(jié)果可作為該礦物的浮選條件使用。

4 結(jié) 論

1） 對貴州某沉積鈣質(zhì)磷塊巖進(jìn)行了單因素試驗(yàn)研究，確定了較優(yōu)浮選條件。 在磨礦細(xì)度-0.074 mm粒級占55%、H2SO4和BW?1 用量分別為12.2 kg／t 和300 g／t 條件下，獲得了P2O5品位28.74%、回收率97.46%的精礦。

2） 進(jìn)行了三因素三水平正交試驗(yàn)，采用Design Expert軟件進(jìn)行分析，結(jié)果表明，BW?1 用量是影響精礦品位和回收率的主要影響因素；磨礦細(xì)度與H2SO4用量的交互作用對精礦品位影響顯著；H2SO4用量和BW?1用量之間的交互作用對精礦回收率影響顯著。

3） 通過軟件Design Expert 預(yù)測并驗(yàn)證，在磨礦細(xì)度為-0.074 mm 粒級占60%、H2SO4用量13.20 kg／t及BW?1 用量400 g／t 條件下，采用一段反浮選工藝，可獲得P2O5品位30.94%、回收率92.45%的磷精礦。