多泥高云母鱗片石墨礦磨礦工藝研究

尤大海，賀愛平*，楊 勇，張 晉，李國棟

(1.湖北冶金地質(zhì)研究所(中南冶金地質(zhì)研究所),湖北 宜昌 443000；2.礦產(chǎn)資源綜合利用宜昌市重點實驗室,湖北 宜昌 443000;3.湖北省地質(zhì)局,湖北 武漢 430022)

黃陵背斜北部蘊藏著資源量十分可觀的晶質(zhì)石墨礦,是湖北省石墨礦的主產(chǎn)地[1-2]。礦石中石墨結(jié)晶完整、片徑較大、純度較高,是湖北省乃至全國不多見的優(yōu)質(zhì)鱗片石墨礦。該區(qū)石墨礦主要賦存于石墨云母片巖和石墨黑云斜長片麻巖中,礦石中石墨含量較低，片狀云母含量和含泥量(尤其是淺表礦層)較高[3-4],加之石墨本身具有良好的潤滑性能,造成礦物分離加工的磨礦作業(yè)效率不高。本文對高含泥量和高云母含量的鱗片石墨礦石的可磨性進行研究，旨在查明影響磨礦效率的主要因素。

1 試驗原料及設(shè)備儀器

1.1 試驗礦樣

樣品采自于黃陵背斜北部某低品位石墨礦床,礦石類型為含石墨片麻巖、片巖,樣品主要化學(xué)成分見表1。鏡下鑒定發(fā)現(xiàn)，白云母含量約25%，黑云母含量約5%，石墨呈不等粒狀，+150目的石墨含量約40%。

表1 樣品主要化學(xué)成分含量(單位：%)Table 1 Content of main chemical components in the sample

礦石破碎過程及粒度分析結(jié)果(表2)表明,礦石極易破碎且含泥量較高,細粒級產(chǎn)率大,-0.50 mm粒級產(chǎn)率為66.66%,-0.075 mm粒級產(chǎn)率為26.09%。-0.10 mm、尤其是-0.045 mm粒級貧化嚴重,-0.10 mm粒級產(chǎn)率為33.39%,FC僅為1.81%,分布率為16.00%；-0.045 mm粒級產(chǎn)率為18.20%,FC僅為1.39%,分布率為6.70%。而-1.00+0.25 mm粒級有明顯富集現(xiàn)象,該粒級產(chǎn)率為44.44%,FC為5.40%,分布率為63.68%。

表2 原礦粒度分析結(jié)果Table 2 Analysis results of raw ore particle size

1.2 試驗藥劑

主要有工業(yè)用煤油、松醇油以及石灰、碳酸鈉、水玻璃、六偏磷酸鈉、三乙醇胺等分析純。

1.3 試驗設(shè)備與儀器

試驗設(shè)備為RK/ZQM-Ф250×100型智能錐形球/棒磨機、RK/BM型三輥四筒智能棒磨機、XFD型3 L/1.5 L/0.75 L單槽式浮選機、國際標準篩、天平。試驗儀器為pH848筆式pH檢測計、CN113BpH·電位·溫度儀。元素和礦物分析在中南冶金分析檢測中心完成。

2 試驗結(jié)果與討論

在試驗中發(fā)現(xiàn),按常規(guī)石墨磨浮工藝，采用球或棒磨機進行磨礦加工時,磨礦產(chǎn)品各粒級產(chǎn)率極不穩(wěn)定,而且重現(xiàn)性差,無法為后續(xù)選礦試驗研究提供可靠的原料。為此,對磨礦介質(zhì)種類、介質(zhì)充填率、磨機轉(zhuǎn)速、磨礦作業(yè)礦漿濃度、分散/助磨劑等主要磨礦工藝條件進行比較試驗研究。

2.1 礦漿濃度對磨礦的影響

由于礦石中原生礦泥含量較高,加之磨礦過程中產(chǎn)生次生礦泥,易使礦粒粘結(jié)在磨礦介質(zhì)上,嚴重時造成“悶筒”,磨礦效率趨零。引起這一現(xiàn)象的決定因素是礦漿濃度,為此進行磨礦濃度試驗(圖1)。試驗以鋼棒為磨礦介質(zhì)。當磨礦濃度為60%時,前3 min磨礦產(chǎn)品細粒級含量隨磨礦時間增加而增長;3 min之后因次生礦泥量增多、礦漿粘稠度變大,大部分介質(zhì)與礦石粘結(jié)而緊貼磨礦筒內(nèi)壁,造成大部分介質(zhì)、礦石和磨礦筒壁間無相對運動,磨礦效率降低。當磨礦濃度為62%時,2 min后磨礦效率就趨于零。當磨礦濃度為58%、55%和50%時,粘棒粘筒現(xiàn)象消失,磨礦過程趨于正常，磨礦濃度為58%時的磨礦效率最高。磨礦礦漿濃度變小,礦石與介質(zhì)的碰撞幾率減小,磨礦效率降低;在低濃度條件下,鱗片石墨和片狀云母的潤滑作用開始顯現(xiàn),使介質(zhì)與磨礦筒壁摩擦力降低,造成介質(zhì)及物料混合體在磨礦筒內(nèi)整體滑動而不作翻滾及拋落運動,磨礦效率急劇下降。

圖1 磨礦濃度試驗結(jié)果Fig.1 Test results of grinding concentration

2.2 介質(zhì)種類對磨礦的影響

磨礦的基本原理：使介質(zhì)與被磨物料間產(chǎn)生相對運動,被磨物料在介質(zhì)之間和磨機筒內(nèi)壁上受到壓力和剪切力作用而破碎，粒度逐漸減小。被磨物料吸收能量的大小主要由介質(zhì)的運動方式?jīng)Q定,磨礦結(jié)果則取決于介質(zhì)大小配比、介質(zhì)形狀、物料充填率、濕磨時的礦漿體積濃度,因此介質(zhì)運動形式和介質(zhì)與物料的接觸方式對磨礦過程起著決定性作用。

常用的磨礦介質(zhì)種類包括鋼球、鋼棒、鋼柱、鋼筒棒、氧化鋯球、陶瓷球等。由于磨礦介質(zhì)外形不同,介質(zhì)在磨礦過程中與礦石的接觸形態(tài)也不同，可以是點接觸、線接觸或面接觸,從而對礦石顆粒產(chǎn)生不同的作用力和磨礦效果,即磨礦效率、磨礦產(chǎn)品粒形及粒度組成不同。相比面接觸,以點、線接觸形態(tài)為主的球類、棒類、柱類介質(zhì)作用到礦粒上時,容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,沖擊力更強,接觸點上的礦物或連生體更易產(chǎn)生脆裂，產(chǎn)生細粒級產(chǎn)品的磨礦效率更高,但礦物晶體特別是片狀礦物同時易遭到破壞。筒棒介質(zhì)則不同,礦粒在磨礦過程中作整體運動,介質(zhì)對物料只產(chǎn)生磨剝作用和輕微的沖擊作用;又由于筒棒介質(zhì)是面接觸,最先磨剝的是粗粒礦粒,已單體解離的礦物(相對礦漿中的最粗粒礦粒)不再受或較少受磨剝作用力,可以大大減少已解離礦物的過粉碎[5]。基于此,選取鋼球、鋼棒、鋼柱和鋼筒棒作為本次試驗的磨礦介質(zhì)進行比較研究。在磨礦濃度為58%情況下,將磨礦產(chǎn)品篩分后得到的粒度曲線見圖2，對磨礦產(chǎn)品進行選別和粗精礦篩分后得到的結(jié)果見表3。結(jié)果顯示，鋼球介質(zhì)磨礦效率最高,其次為鋼棒、鋼柱,效率最低者為鋼筒棒,但3分鐘后鋼棒介質(zhì)的磨礦效率曲線不平滑,磨礦產(chǎn)品各粒級產(chǎn)率穩(wěn)定性較差。若以磨礦效率高低表征磨礦結(jié)果的優(yōu)劣,則鋼球介質(zhì)最佳;若以粗粒鱗片石墨產(chǎn)率表征磨礦結(jié)果的優(yōu)劣,則鋼筒棒介質(zhì)最佳。

表3 不同磨礦介質(zhì)作用下粗精礦產(chǎn)品粒級產(chǎn)率Table 3 Medium size yield of coarse concentrate with different grinding media

2.3 介質(zhì)充填率對磨礦的影響

介質(zhì)充填率是決定磨礦效率的主要因素之一,其大小主要由磨機轉(zhuǎn)速、礦石硬度和含泥量等性質(zhì)決定。由于礦石原生和次生礦泥含量較高,磨礦探索試驗發(fā)現(xiàn),當介質(zhì)充填率>45%時,較易出現(xiàn)磨礦產(chǎn)品產(chǎn)量不穩(wěn)定現(xiàn)象。據(jù)此,進行固定磨機轉(zhuǎn)速條件下的鋼球介質(zhì)充填率試驗,在磨礦濃度為58%條件下的試驗結(jié)果見圖3。當介質(zhì)充填率高于40%時，礦泥粘聚作用隨著磨礦時間增加而加強,磨礦效率降低。因此，高泥、高云母含量的石墨礦石的介質(zhì)充填率較低，在磨礦時介質(zhì)充填率選擇上與常規(guī)礦石有較大差別。

圖3 介質(zhì)充填率試驗結(jié)果Fig.3 Test results of medium filling rate

2.4 磨機轉(zhuǎn)速對磨礦的影響

實驗室磨礦機筒內(nèi)壁為光滑鋼質(zhì)體,在介質(zhì)充填率為30%～40%、磨礦濃度較低條件下,若磨機轉(zhuǎn)速較高可提高磨礦效率。但本次試驗用礦石礦泥含量大、礦漿粘稠,過高的轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致礦石和磨礦介質(zhì)受到更大的離心力,從而更容易形成粘筒。

為確定最大轉(zhuǎn)速,首先在不加礦石和水的條件下觀察介質(zhì)在不同轉(zhuǎn)速時的運行狀態(tài),當轉(zhuǎn)速提高到臨界值R1時,最靠近磨礦機筒壁的介質(zhì)受離心力作用而緊貼筒壁,介質(zhì)和筒壁間無相對運動;然后在礦漿濃度為58%、介質(zhì)充填率為35%的條件下觀察礦石和介質(zhì)在不同轉(zhuǎn)速時的運行狀態(tài),當轉(zhuǎn)速提高到臨界值R2時,礦石、介質(zhì)和筒壁間因無相對運動而失去磨礦作用。上述試驗結(jié)果顯示，臨界值R1高于R2，因此將R2定為最大轉(zhuǎn)速,進行磨機轉(zhuǎn)速對磨礦的影響試驗,結(jié)果見圖4。結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)速過高或過低均不利于提升磨礦效率，當轉(zhuǎn)速過高時粘稠礦漿和介質(zhì)因離心力過大而緊貼磨礦筒內(nèi)壁,介質(zhì)、礦石和筒壁間相對運動減少,降低了磨礦效率;當轉(zhuǎn)速過低時，磨礦介質(zhì)減少或失去拋落沖擊作用,同樣使磨礦效率降低。

圖4 磨機轉(zhuǎn)速試驗結(jié)果Fig.4 Test result of mill speed

2.5 分散/助磨劑對磨礦的影響

由于礦石中原生和次生礦泥含量高,并含有一定數(shù)量的粘土礦物,會造成礦漿體系中的細顆粒表面積大、表面能高,極易產(chǎn)生團聚;片狀云母和石墨及其連生體在礦漿渦流中因負壓作用也極易相互吸附形成團聚。分散劑可以吸附于微細顆粒的表面,降低固—液之間的界面張力,使凝聚的固體顆粒表面易于濕潤,并通過同種電荷排斥或高分子位阻效應(yīng),使固體微粒穩(wěn)定地懸浮在分散體系中。助磨劑多由一種或多種表面活性物質(zhì)和其它化學(xué)助劑組成,可以顯著降低微細顆粒的表面能,克服微粒間引力,減小粉碎阻力,防止團聚,提高物料流動性,從而降低磨機功耗,提高磨礦效率。因此,分散劑和助磨劑可以消除礦泥及片狀礦物對磨礦的影響，提高磨礦效率[6]。鑒于此,進行碳酸鈉、水玻璃、六偏磷酸鈉、三乙醇胺等分散/助磨劑的磨礦試驗,碳酸鈉、水玻璃、六偏磷酸鈉的添加量為礦石質(zhì)量的0.1%,三乙醇胺的添加量為礦石質(zhì)量的0.01%,結(jié)果見圖5。由圖5可知，添加碳酸鈉、水玻璃、六偏磷酸鈉等分散/助磨劑的磨礦效果較好,有機表面活性劑三乙醇胺次之。

圖5 分散/助磨劑試驗結(jié)果Fig.5 Test result of dispersant/grinding aid

3 結(jié)論

黃陵背斜北部某多泥、高云母含量石墨礦的磨礦與常見的金屬礦石和非金屬礦石的磨礦相比,在磨礦濃度、介質(zhì)充填率等工藝條件上有較大區(qū)別,其磨礦濃度和介質(zhì)充填率均較低。試驗表明，磨礦濃度和介質(zhì)充填率是影響磨礦效率的主要因素;鋼球介質(zhì)條件下的磨礦效率最高,但鋼筒棒介質(zhì)有利于保護石墨鱗片少受破壞;過高和過低的磨機轉(zhuǎn)速均不利于提高磨礦效率;添加分散/助磨劑有利于提高磨礦效率。