微細(xì)?；旌洗胚x精礦分級—分散浮選試驗(yàn)研究

李 東, 鐘河?xùn)|, 印萬忠, 胡 陽

(1. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083; 2. 東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819)

我國鐵礦資源具有“貧”、“細(xì)”、“雜”的特點(diǎn),大部分屬于復(fù)雜難選鐵礦,礦石的平均品位低、礦物組成復(fù)雜[1-2].其中,赤鐵礦作為我國重要的鐵礦資源,由于可選性較差,一直是礦物加工領(lǐng)域研究的難點(diǎn)問題,目前我國工業(yè)生產(chǎn)中回收赤鐵礦的經(jīng)典工藝流程是弱磁—強(qiáng)磁—反浮選,如鞍山式的貧赤鐵礦等都采用這一工藝[3-5].但近年來隨著礦產(chǎn)資源的不斷消耗,赤鐵礦的嵌布粒度越來越細(xì),大部分礦石甚至需要細(xì)磨才能實(shí)現(xiàn)赤鐵礦的有效單體解離,其分選難度較一般赤鐵礦更大,傳統(tǒng)的反浮選工藝更加難以滿足生產(chǎn)需求.因此,針對國內(nèi)日益嚴(yán)峻的鐵礦資源形勢,研究適合微細(xì)粒赤鐵礦石的分選流程具有重要意義[6-7].

一般來說,浮選過程中礦物的表面電性與礦漿pH密切相關(guān),當(dāng)兩種礦粒電性相反或pH在等電點(diǎn)(IEP)附近時(shí)容易發(fā)生無選擇性團(tuán)聚,上述現(xiàn)象通常會(huì)增大目的礦物與脈石礦物的分離難度,不利于浮選分離.因此,對于某些礦物組成復(fù)雜的浮選體系,需要加入具有分散作用的調(diào)整劑(分散劑)來改善礦粒的分散狀態(tài),例如“分散浮選”就是通過 “強(qiáng)化分散”的方式來提高分選效果[8-11].而分級浮選作為一種主要應(yīng)用于煤泥分選中的技術(shù),是指將礦樣分級后不同粒級物料分別進(jìn)行浮選,可提高捕收劑等的利用率，從而改善分選效果[12-14].雖然目前關(guān)于單一的“分散浮選”或“分級浮選”研究較多,但大都集中于煤泥或有色金屬礦領(lǐng)域中,而將兩者結(jié)合起來以改善微細(xì)粒赤鐵礦的浮選效果,則未見相關(guān)報(bào)道[15-17]. 鑒于此,本文以遼寧東鞍山混合磁選精礦為研究對象,進(jìn)行了分級—分散浮選的閉路試驗(yàn),對比了分散浮選與分級—分散浮選的分選效果,同時(shí)結(jié)合沉降試驗(yàn)、動(dòng)電位測試、濁度測試等方法分析了分選效果改善的原因,旨在為分級—分散浮選工藝應(yīng)用于微細(xì)粒赤鐵礦提供理論支撐.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中所用浮選礦樣為東鞍山鐵礦石經(jīng)弱磁選—強(qiáng)磁選得到的混合磁選精礦,其X射線衍射和化學(xué)多元素分析的結(jié)果分別如圖1和表1所示. 圖1表明該礦樣中的鐵礦物主要為赤鐵礦以及少量磁鐵礦、菱鐵礦,脈石礦物主要為石英,此外還有少量的綠泥石、白云石等.從表1中可以看出,該礦樣的全鐵(TFe)和亞鐵(FeO)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為42.97%和6.29%,SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(33.60%),但有害雜質(zhì)硫、磷元素含量很低，這與圖1 XRD分析結(jié)果基本一致.

混合磁選精礦的篩分分析結(jié)果如表2所示,從表中可以看出該礦樣的粒度較細(xì),大部分小于38 μm,其中>38 μm粒級的鐵品位較低(26.04%),鐵元素主要分布在<38 μm粒級中.本研究中所用赤鐵礦和石英單礦物均取自遼寧鞍山地區(qū),經(jīng)過破碎—手選除雜—磨礦—搖床等處理后得到高純度的單礦物,最后通過標(biāo)準(zhǔn)篩濕篩或水析法制得<74,<38,<18 μm三個(gè)粒級.其X射線衍射和化學(xué)多元素分析結(jié)果分別如圖2和表3所示,表明赤鐵礦和石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在95%和99%以上,滿足試驗(yàn)的要求.浮選試驗(yàn)中所用檸檬酸、淀粉、CaO為化學(xué)純,捕收劑KS-Ⅲ為東鞍山選礦廠現(xiàn)場所用的工業(yè)級產(chǎn)品,調(diào)整礦漿或溶液pH所用的HCl和NaOH均為分析純.

圖1 混合磁選精礦的XRD分析結(jié)果

表1 混合磁選精礦的化學(xué)多元素分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 混合磁選精礦的篩分分析結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 浮選試驗(yàn)

閉路浮選試驗(yàn)在XFD型單槽浮選機(jī)上進(jìn)行,首先稱取167 g礦樣置于0.5 L浮選槽內(nèi),然后按照試驗(yàn)要求依次加入一定量的浮選藥劑,然后經(jīng)過大致4～5次循環(huán),直至浮選精礦和尾礦的金屬量(質(zhì)量)與原礦平衡,最后將浮選的最終精礦、中礦和尾礦分別進(jìn)行烘干、稱重、化驗(yàn),計(jì)算其品位和回收率,其中浮選入料的分級采用標(biāo)準(zhǔn)篩濕篩的方法實(shí)現(xiàn).

圖2 赤鐵礦和石英的X射線衍射圖

表3 單礦物化學(xué)多元素分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2.2 沉降試驗(yàn)

首先在1 000 mL燒杯中放入m0=20 g微細(xì)粒(<18 μm)的混合礦(赤鐵礦與石英的質(zhì)量比為 1∶1),同時(shí)加入適量去離子水,通過機(jī)械攪拌器在500 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌4 min,然后按照試驗(yàn)要求加入pH調(diào)整劑、分散劑,待攪拌停止后沉降2 min，并用虹吸法吸取液面下500 mL 礦漿,燒杯中剩余礦漿過濾、烘干、稱重(質(zhì)量為m).礦漿中礦粒的分散程度可以用沉降率來描述,沉降率的計(jì)算方法如下:

(1)

1.2.3 動(dòng)電位測試

首先將待測礦物磨細(xì)至5 μm左右,每次稱取100 mg置于燒杯中同時(shí)加入100 mL去離子水,按照試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)礦漿pH以及加入適量藥劑,經(jīng)過磁力攪拌器攪拌一定時(shí)間后,吸取適量的礦漿懸浮液在Zeta電位分析儀(Nano ZS-90)上進(jìn)行礦物(赤鐵礦和石英)的動(dòng)電位測量,電位測量過程中所用溶液為1×10-3mol·L-1的KNO3溶液.

1.2.4 濁度測試

首先配制不同粒度組成赤鐵礦-石英混合礦的懸浮液(赤鐵礦5 g,石英5 g),通過HCl或NaOH調(diào)節(jié)懸浮液至一定pH,待其沉降2 min后吸取上清液,再對其進(jìn)行5倍稀釋后在濁度儀(CyberScan IR TB 1000)上進(jìn)行懸浮液的濁度測量.其中赤鐵礦與石英顆粒間的“團(tuán)聚”,可通過對比理論濁度εT與實(shí)驗(yàn)濁度εE的大小來確定.εT為根據(jù)石英或赤鐵礦單礦物懸浮液濁度而計(jì)算出來的算術(shù)平均值,εE定義為實(shí)際測量赤鐵礦-石英混合礦懸浮液獲得的濁度.根據(jù)理論假設(shè),如果赤鐵礦與石英顆粒間發(fā)生了“團(tuán)聚”,則實(shí)際測量值εE會(huì)小于理論計(jì)算值εT,并且εE與εT數(shù)值相差越大,表明這種“團(tuán)聚”現(xiàn)象越明顯.

2 結(jié)果與討論

2.1 浮選閉路試驗(yàn)

由于該浮選礦樣的粒度較細(xì),<38 μm粒級占比70%以上,同時(shí)鐵元素主要分布在<38 μm粒級中,而>38 μm粒級的鐵含量則較低,鐵品位僅為26%左右.因此,本研究中的分級粒度確定為38 μm,通過標(biāo)準(zhǔn)篩濕篩的方法對混合磁選精礦進(jìn)行預(yù)先分級,其中細(xì)粒級(<38 μm)部分以檸檬酸為分散劑進(jìn)行“分散浮選”;考慮到粗粒級(>38 μm)部分的鐵品位較低,低于常規(guī)的鐵尾礦品位,故將其直接并入尾礦中.其預(yù)先分級—強(qiáng)化分散浮選的閉路流程及結(jié)果分別如圖3和表4所示,其中浮選藥劑的用量均按未分級前的總質(zhì)量計(jì)算.從表4中可以看出,東鞍山混合磁選精礦經(jīng)過分級—分散浮選最終可獲得精礦鐵品位66.24%、鐵回收率79.47%的浮選指標(biāo).而分散浮選的閉路流程及結(jié)果則分別如圖4和表5所示,可以看出在最優(yōu)浮選條件下,分級—分散浮選與單一分散浮選相比精礦鐵品位基本不變,而精礦鐵回收率則由75.00%提高至79.47%.

圖3 分級—分散浮選閉路流程圖

上述混合磁選精礦的浮選結(jié)果表明,分級—分散浮選工藝可以在單一分散浮選的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高分選指標(biāo),尤其是精礦的浮選回收率.對于同種礦物的粗顆粒與細(xì)顆粒來說,由于粗顆粒自身的重力相對較大,因而其浮選需要吸附更多的捕收劑,但細(xì)顆粒的表面活性更高且在礦漿中的彌散度更好,捕收劑會(huì)優(yōu)先吸附于細(xì)顆粒的表面,因此對于寬粒級的浮選入料來說,藥劑很難有效地作用于粗顆粒表面.因此,將“寬粒級”物料通過分級的方法實(shí)現(xiàn)“窄級別”浮選可以有效提高捕收劑等的利用率[18-20].而在預(yù)先分級—強(qiáng)化分散浮選工藝中,對浮選入料進(jìn)行分級除了起到上述作用外,還可能在分散劑“化學(xué)分散”的基礎(chǔ)上通過優(yōu)化粒度組成進(jìn)一步改善礦粒的分散狀態(tài),但相關(guān)的機(jī)理還需進(jìn)一步研究.

表4 分級—分散浮選閉路試驗(yàn)結(jié)果

圖4 分散浮選閉路流程圖[9]

2.2 沉降試驗(yàn)

礦漿中顆粒的分散度與其沉降率通常呈負(fù)相關(guān),即沉降率越低分散度越好,反之亦然.因此,沉降率的大小可反映礦漿的分散程度,浮選試驗(yàn)中所用分散劑檸檬酸對赤鐵礦-石英體系沉降率(分散特性)的影響如圖5所示.圖5a為檸檬酸用量的影響,可以看出隨著檸檬酸用量的增加,礦漿的沉降率逐漸降低,當(dāng)檸檬酸用量為200 mg/L時(shí),微細(xì)粒礦物的沉降率由54.15%降低至39.24%,這表明檸檬酸可改善赤鐵礦與石英顆粒間的分散狀態(tài).圖5b為礦漿pH對沉降率的影響,隨著pH的升高,赤鐵礦-石英混合礦的沉降率先升高后逐漸降低,其中當(dāng)pH為5左右時(shí)沉降率最高,這可能是由于此時(shí)赤鐵礦與石英顆粒間存在微弱的靜電引力,因而較易發(fā)生團(tuán)聚,故礦漿的沉降率也最高;當(dāng)pH在4～11范圍內(nèi)變化時(shí),檸檬酸均能降低礦物顆粒的沉降率,增強(qiáng)礦漿的分散特性.因此,對微細(xì)粒赤鐵礦來說,在浮選過程中加入檸檬酸可以減弱微細(xì)粒礦物間的無選擇團(tuán)聚,有利于提高浮選分離指標(biāo),這與文獻(xiàn)[9,11]基本一致.

表5 分散浮選閉路試驗(yàn)結(jié)果[9]

圖5 赤鐵礦-石英混合礦分散特性

2.3 動(dòng)電位測試

礦漿中礦物顆粒的分散狀態(tài)與其表面電性密切相關(guān),圖6為檸檬酸(30 mg/L)對石英和赤鐵礦動(dòng)電位的影響,當(dāng)pH在5～12范圍內(nèi)變化時(shí),檸檬酸可明顯降低赤鐵礦的動(dòng)電位(見圖6b),而石英的動(dòng)電位則受檸檬酸影響較小(見圖6a),這表明檸檬酸可能主要吸附在赤鐵礦表面而使其動(dòng)電位發(fā)生明顯變化,但與石英表面的相互作用則相對微弱而對其電性影響較小.因此,對于赤鐵礦-石英體系來說,檸檬酸的“化學(xué)分散”作用可能主要吸附在赤鐵礦表面而導(dǎo)致其表面電位負(fù)移,從而增大了赤鐵礦與石英(或赤鐵礦與赤鐵礦)顆粒間的靜電斥力.

根據(jù)DLVO理論,礦物顆粒間總的相互作用力VTD由長程范德華力VW和靜電力VE兩部分組成[21-22]:

VTD=VW+VE.

(2)

上述各部分的作用力(VW,VE)分別按照下式計(jì)算:

(3)

其中:

(4)

H為兩個(gè)球形顆粒間的距離；R1和R2分別為兩球形顆粒的半徑,假設(shè)均為5 μm；A132表示礦物1和礦物2在介質(zhì)3中的Hamaker常數(shù).本次計(jì)算中赤鐵礦、石英、水在真空中的Hamaker常數(shù)分別取值為23.20×10-20J,5.0×10-20J,4.0×10-20J[21].

圖6 礦物的zeta電位與pH的關(guān)系曲線

(5)

其中:

(6)

ε0和εr分別為真空介電常數(shù)(8.854×10-12F/m)和水的相對介電常數(shù)(εr=81);φ01和φ02分別表示赤鐵礦和石英的zeta電位(見圖6),檸檬酸在一定程度上會(huì)降低赤鐵礦的表面電位,但對石英的表面電位影響不大.κ是Debye常數(shù),取值為0.104 nm-1[23].根據(jù)式(2)～(6)計(jì)算了檸檬酸加入前后赤鐵礦與石英顆粒間的相互作用力VTD和VTD′(以pH=7為例),結(jié)果如圖7所示,可以看出,檸檬酸存在時(shí)VTD′的能壘明顯大于VTD,赤鐵礦與石英顆粒間發(fā)生團(tuán)聚的難度增大,表明檸檬酸加入后對赤鐵礦-石英體系起到了一定的分散作用,這與上述沉降試驗(yàn)的分析結(jié)果基本一致.

圖7 赤鐵礦與石英顆粒間的相互作用力VTD

2.4 濁度測試

為分析粒度組成對赤鐵礦-石英體系分散/團(tuán)聚的影響,進(jìn)行了懸浮液的濁度測試,結(jié)果如圖8所示.從圖中可以看出,當(dāng)混合礦為細(xì)粒赤鐵礦(<18 μm)和細(xì)粒石英(<38 μm)組成時(shí)(如圖8a所示),實(shí)驗(yàn)濁度εE略小于理論濁度εT,這表明赤鐵礦與石英顆粒間可能存在微弱的團(tuán)聚,導(dǎo)致濁度的測量值小于理論值;但當(dāng)混合礦的組成為細(xì)粒赤鐵礦(<18 μm)和粗粒石英(<74 μm)時(shí),εE與εT間的差值明顯增大,這表明與細(xì)粒石英相比,赤鐵礦可能更易與粗粒石英(<74 μm)發(fā)生團(tuán)聚或在石英表面發(fā)生粘附罩蓋.

根據(jù)Levich理論,在攪拌條件和礦漿濃度不變的情況下,不同粒度組成顆粒間的凝聚速率可近似為[23]

Jc+f=12πβ(ε/ν)1/2·(Rc+Rf)3·ncnf=k·F(Rc,nc) .

(7)

式中:Jc+f為凝聚速率;β為常數(shù);ε為耗散的平均能量;ν為動(dòng)力學(xué)黏度;Rc為粗粒粒徑;Rf為細(xì)粒粒徑;n為礦漿濃度,nc和nf分別為相應(yīng)礦漿中的粗粒濃度和細(xì)粒濃度,n=nc+nf;k為常數(shù),F(x)為Rc和nc的函數(shù).

在假定細(xì)粒粒徑Rf不變的情況下,對式(7)求Rc的偏導(dǎo)數(shù)可得

(8)

由式(8)可知,Jc+f是關(guān)于Rc的單調(diào)遞增函數(shù),即礦漿中粗粒粒徑越大,礦物顆粒間的凝聚速率越大,這也與濁度的測試結(jié)果基本一致.

圖8 上清液的濁度隨pH變化的關(guān)系曲線

因此通過分級的方法,將粗顆粒和細(xì)顆粒分別進(jìn)行浮選,可以進(jìn)一步降低浮選過程中礦物顆粒間發(fā)生非選擇性團(tuán)聚的可能性.對于赤鐵礦浮選體系來說,相比于微細(xì)粒礦物間,粗粒與細(xì)粒礦物間的碰撞效率更高、相互作用力更強(qiáng),即細(xì)粒的赤鐵礦可能更容易與粗粒石英發(fā)生團(tuán)聚(或罩蓋),因此將物料粗細(xì)分級后分別進(jìn)行浮選可以減弱細(xì)粒赤鐵礦與粗粒石英的團(tuán)聚,減少細(xì)粒赤鐵礦在反浮選過程中進(jìn)入泡沫層而成為尾礦產(chǎn)品;并且對于細(xì)粒級部分的浮選來說,借助分散劑的“強(qiáng)化分散”作用可以進(jìn)一步減弱微細(xì)粒礦物間的無選擇性團(tuán)聚.因此,這種預(yù)先分級—強(qiáng)化分散的浮選工藝可在分散劑“化學(xué)分散”的基礎(chǔ)上通過優(yōu)化粒度組成進(jìn)一步改善礦粒的分散狀態(tài),因而與傳統(tǒng)反浮選或單一分散浮選工藝相比,更有利于提高細(xì)粒赤鐵礦等復(fù)雜難選鐵礦石的分選指標(biāo).

3 結(jié) 論

1) 浮選試驗(yàn)表明，東鞍山混合磁選精礦經(jīng)過預(yù)先分級—強(qiáng)化分散的工藝流程可最終獲得精礦鐵品位66.24%、鐵回收率79.47%的浮選指標(biāo)；在最優(yōu)浮選條件下,分級—分散浮選與單一分散浮選相比精礦鐵品位基本不變,而精礦鐵回收率則由75.00%提高至79.47%.

2) 沉降試驗(yàn)和動(dòng)電位測試表明檸檬酸可降低赤鐵礦-石英混合礦的沉降率,增強(qiáng)其分散特性.主要原因可能是檸檬酸能在赤鐵礦表面吸附而導(dǎo)致其表面電位負(fù)移,從而增大了礦漿中赤鐵礦-赤鐵礦及赤鐵礦-石英顆粒間的靜電斥力.

3) 濁度測試表明粒度組成對赤鐵礦-石英混合礦的分散特性也有一定影響,微細(xì)粒赤鐵礦更易在粗粒石英表面罩蓋(或團(tuán)聚),這可能是由于石英顆粒粒徑越大,顆粒間的相互作用力及凝聚速率也越大.因此,分級—分散浮選的分選效果改善的主要原因之一是,“預(yù)先分級”可在化學(xué)分散的基礎(chǔ)上通過優(yōu)化粒度組成進(jìn)一步改善分散狀態(tài),從而有利于后續(xù)的浮選分離.