高強(qiáng)度調(diào)漿對微細(xì)粒磷灰石浮選效果的影響

張福亞 張 明 侯孝安 胡森偉

(1.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司，北京 100160；2.礦物加工科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102600)

常規(guī)浮選工藝對入浮物料的粒度有嚴(yán)格要求，礦物顆粒粒度低于或高于某一臨界值時都會造成浮選指標(biāo)急劇下降。微細(xì)粒礦物(粒度<20 μm)的浮選回收一般較為困難。原因?yàn)椋阂环矫?，微?xì)粒礦物質(zhì)量小，與氣泡碰撞和黏附概率低，浮選速度慢，回收率低[1]，微細(xì)粒親水性礦物夾帶嚴(yán)重，降低精礦品位[2]；另一方面，微細(xì)粒礦物比表面積和表面能大，其對浮選藥劑非選擇性吸附，且藥耗大，礦物之間也容易異相凝聚形成礦泥罩蓋[3]。

調(diào)漿作為浮選前重要的預(yù)處理環(huán)節(jié)，對浮選效果具有重要的影響[4]。對于加強(qiáng)微細(xì)粒含泥礦物的浮選前調(diào)漿預(yù)處理，高剪切調(diào)漿是一個重要的手段。高剪切調(diào)漿過程是一個機(jī)械攪拌分散的過程，捕收劑和吸附藥劑的礦物粒團(tuán)通過強(qiáng)剪切力等力的作用分散成更小的粒度級，并通過對礦漿進(jìn)行高強(qiáng)度剪切，使礦粒表面得到磨新，改善表面吸附性[4]。調(diào)漿有利于減少粗顆粒表面的細(xì)泥罩蓋，促進(jìn)非極性油在水中的分散，強(qiáng)化捕收劑在煤顆粒表面的吸附效果，尤其對于細(xì)粒礦物，高剪切調(diào)漿有利于促進(jìn)顆粒之間的剪切絮凝，提高細(xì)粒礦物浮選的選擇性和回收率[6]，且在浮選前對細(xì)粒煤進(jìn)行高剪切調(diào)漿可明顯促進(jìn)煤泥礦化效果，降低藥劑消耗，提高浮選回收率[7，8]。

承德某選礦廠開展了磁選鐵尾礦斜板溢流選磷工藝研究，溢流礦樣經(jīng)旋流器分級后進(jìn)入微細(xì)粒選磷工序。給礦粒級分析結(jié)果表明：-0.010 mm粒級含量占比21.31%、-0.020 mm粒級含量占比37.56%。礦石整體粒度較細(xì)，采用常規(guī)調(diào)漿手段很難產(chǎn)生優(yōu)良的浮選指標(biāo)，需要加強(qiáng)浮選前的調(diào)漿預(yù)處理。本文首先在清水條件下研究了不同高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)葉輪形狀對難溶性油類藥劑的分散程度的影響，然后在此基礎(chǔ)上開發(fā)出30 L半工業(yè)調(diào)漿機(jī)樣機(jī)，并采用該樣機(jī)在承德該微細(xì)粒尾礦選磷現(xiàn)場開展高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)性能測試試驗(yàn)，分析高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)不同的操作參數(shù)對浮選指標(biāo)的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和方案

1.1 清水試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由高速攝像機(jī)、光源、4 L試驗(yàn)高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)和變頻高速攪拌器組成。調(diào)漿機(jī)槽體采用透明玻璃材質(zhì)。調(diào)漿機(jī)筒體的一側(cè)截面做成了水平面，同時貼上黑色板，中心割除一塊8 mm×8 mm的觀察孔，有效避免由于曲面造成的微距圖像變形。拍攝時采用微距鏡頭，將鏡頭近距離貼近8 mm視窗，筒體周圍增補(bǔ)兩個強(qiáng)光源。調(diào)整焦距和光源角度，保證觀測的區(qū)域有足夠的亮度。采用高速攝像的方式研究不同形式的攪拌槳在水油體系中對油滴的分散效果，高速拍照，對油滴尺寸分布進(jìn)行靜態(tài)分析。同時，在攪拌過程中對水油溶液進(jìn)行濁度測量，定量表征油滴在水油體系中的分散狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1和圖2所示。

圖1 高速攝像系統(tǒng)

圖2 濁度測試系統(tǒng)

開始攪拌之前向水相表面滴加1 mL分析純油酸。將攪拌器轉(zhuǎn)速設(shè)置在900 r/min，然后開始攪拌并計(jì)時。每隔15 s用高速攝像機(jī)拍照一次。將照片匯總后從中提取第0、2、6、10、14 min時的圖片進(jìn)行不同葉輪的對比。

在高速攝像開始的同時，采用便攜式濁度計(jì)測量濁度。攪拌開始后，每隔15 s用移液管從槽中固定位置取溶液并迅速轉(zhuǎn)移至濁度儀的測量皿中，讀取濁度數(shù)據(jù)并記錄。攪拌30 min后停止攪拌，同時按照每隔15 s從溶液中相同固定位置取樣測濁度，用以表征在停止攪拌后油滴的凝聚速度，凝聚越快，濁度降低的就越快。

1.2 半工業(yè)試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)建立在細(xì)粒磷浮選車間，工業(yè)流程中脫硫的尾礦進(jìn)入選磷作業(yè)。采用虹吸的方法將脫硫浮選機(jī)尾礦箱中的礦漿引入到一臺容積30 L的半工業(yè)高強(qiáng)調(diào)漿機(jī)中，將調(diào)漿后的礦漿引入到串聯(lián)的2臺30 L實(shí)驗(yàn)室浮選機(jī)中，通過改變調(diào)漿機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，探索其對浮選指標(biāo)的影響。開展普通調(diào)漿試驗(yàn)時則將尾礦箱中的礦漿引入到普通調(diào)漿機(jī)中，調(diào)漿后再通過蠕動泵引入到30 L浮選機(jī)中。

試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)接圖示意圖如圖3所示。以上兩套系統(tǒng)都是通過調(diào)節(jié)蠕動泵給礦，通過控制轉(zhuǎn)速控制浮選機(jī)給礦的流量。

1-選硫尾礦箱(調(diào)漿前取樣點(diǎn))；2-30 L高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)；3-排余蠕動泵；4-20 L緩沖槽；5-給礦蠕動泵；6-30 L尾礦箱；7-30 L雙聯(lián)槽浮選機(jī)；8-30 L給礦箱

由于本試驗(yàn)主要研究浮選前調(diào)漿機(jī)的調(diào)漿效果，因此浮選機(jī)本身的操作參數(shù)和藥劑制度均保持不變。浮選機(jī)的充氣量為0.3m3/(m2·min)，葉輪轉(zhuǎn)速為650 r/min。通過蠕動泵控制給礦流量，通過微調(diào)尾礦錐閥的開度控制泡沫層厚度，進(jìn)而控制精礦的產(chǎn)率。每調(diào)整一次錐閥開度，待產(chǎn)率穩(wěn)定后開始取樣，對原礦、精礦、尾礦分別取樣，每隔15 min取一次樣，取4次樣合成一個綜合樣，作為該產(chǎn)率條件下原礦、精礦、尾礦樣，分別烘干、制樣并化驗(yàn)品位，計(jì)算產(chǎn)率和回收率。

兩個試驗(yàn)系統(tǒng)涉及的4 L和30 L高強(qiáng)調(diào)漿機(jī)樣機(jī)參數(shù)見表1。

表1 樣機(jī)基本參數(shù)表

2 高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)的分散能力研究

高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)由于其較高的剪切力能夠充分將難溶的脂肪酸藥劑進(jìn)行強(qiáng)制溶解和分散，進(jìn)而能夠強(qiáng)化藥劑在礦物表面的吸附。因此，本節(jié)以油滴作為研究對象，研究不同調(diào)漿機(jī)葉輪形狀對油滴分散效果的影響。

2.1 基于CCD方法的分散特性可視化分析

高速攝像選擇了三種葉輪作為對比，一種是常規(guī)攪拌槽使用的螺旋葉輪。第二種是TBK系列高強(qiáng)調(diào)漿機(jī)使用的魚骨型葉輪，第三種是常規(guī)改質(zhì)機(jī)用的后傾豎齒葉輪[9]。葉輪直徑都是60 mm，設(shè)定葉輪轉(zhuǎn)速為900 r/min。葉輪距離容器底部高度為50 mm，液位高度為300 mm。圖4展示了相同調(diào)漿時間下不同葉輪形式調(diào)漿后的水油體系的油滴分散狀態(tài)。

圖4 三種葉輪相同調(diào)漿時間下的油滴分散狀態(tài)

從圖4可以看出，螺旋葉輪的油滴分散效果最差，即使到了14 min，仍然有較多的大尺寸油滴，且油滴的總個數(shù)較少，說明油滴并沒有充分分散。螺旋葉輪作為浮選工業(yè)上最為常用的調(diào)漿攪拌槽葉輪，其主要作用是混合礦漿，為浮選提供一個均勻穩(wěn)定的礦漿性質(zhì)，但是其并不能對油類藥劑進(jìn)行充分的剪切分散。而TBK魚骨型葉輪和改質(zhì)機(jī)后傾豎齒葉輪的的油滴分散效果都比較好，尤其是魚骨型葉輪，在10 min和14 min時，都能看出油滴尺寸非常小且油滴數(shù)量非常多。

2.2 基于濁度測試的分散特性分析

濁度測試選取的葉輪與高速攝像時所選取的葉輪形狀相同。圖5展現(xiàn)了不同葉輪攪拌隨著調(diào)漿時間延長后，水油體系濁度的變化趨勢，圖6展現(xiàn)了攪拌停止后，隨著靜止時間延長，水油體系濁度的變化趨勢。

圖5 葉輪攪拌時間與濁度的關(guān)系

圖6 葉輪攪拌靜置時間與濁度的關(guān)系

從圖5可以看出，隨著攪拌時間的延長，TBK魚骨型葉輪的濁度增加最快，后傾豎齒葉輪的濁度增加也較快，但是其濁度值始終低于魚骨型葉輪的濁度。螺旋葉輪的濁度最低，且隨時間延長其增長幅度也最小。以上結(jié)論與高速攝像拍攝油滴尺寸分布的趨勢一致。油滴分散的越好，濁度越高。攪拌停止后(圖6)，后傾豎齒葉片和螺旋葉片攪拌的溶液濁度降低較快，在0～15 s內(nèi)就已經(jīng)顯著下降(曲線中未能顯示，曲線所取得第一個點(diǎn)為15 s時的值，此時濁度已經(jīng)較剛停攪拌時下降較為明顯)，說明攪拌30 min終止時的乳濁液體系是極不穩(wěn)定的體系，油滴并未形成穩(wěn)定的小油滴。停止攪拌后，油滴迅速發(fā)生凝聚。與其它兩種葉輪相比，魚骨型葉輪的油滴凝聚效果要小得多。停止攪拌16 min后，其濁度值仍然高達(dá)150，說明在該水油體系中已經(jīng)有部分油滴形成了比較穩(wěn)定的膠體態(tài)。

綜上而言，魚骨型葉輪的油滴分散效果最好，其次是后傾豎齒葉輪，螺旋葉輪的油滴分散效果最差。

3 高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)的調(diào)漿性能特性分析

3.1 高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)和普通調(diào)漿機(jī)調(diào)漿與指標(biāo)的關(guān)系

30 L高強(qiáng)度調(diào)漿和普通調(diào)漿的浮選指標(biāo)對比結(jié)果如圖7所示。兩者的轉(zhuǎn)速均設(shè)置為800 r/min，葉輪直徑160 mm，線速度均為6.7 m/s，給礦速率為5.0 L/min。

圖7 30 L高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)與30 L普通調(diào)漿機(jī)調(diào)漿效果對比

從圖7可以看出，經(jīng)過高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)調(diào)漿后，在相同產(chǎn)率下的精礦回收率顯著提高。在產(chǎn)率為5%時，回收率提高了約10%，隨著產(chǎn)率繼續(xù)提高，兩者的差距逐漸減小，說明采用高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)處理后，有用礦物表面的礦泥罩蓋被打開，裸露的新鮮表面促進(jìn)了捕收劑在礦物表面的選擇性吸附，因此在產(chǎn)率較低的條件下就取得了較高的回收率。隨著產(chǎn)率的不斷提高，藥劑的選擇性變差，礦泥夾帶增加，兩者的差距逐漸減小。

3.2 高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)轉(zhuǎn)速與指標(biāo)的關(guān)系

控制給礦流量為5 L/min，改變調(diào)漿機(jī)的轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)高強(qiáng)調(diào)漿機(jī)轉(zhuǎn)速依次為600、800、1 000、1 200 r/min，研究高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)轉(zhuǎn)速與浮選指標(biāo)的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)不同轉(zhuǎn)速對指標(biāo)的影響

從圖8可以看出，產(chǎn)率和回收率隨著調(diào)漿機(jī)轉(zhuǎn)速的提高均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，產(chǎn)率和回收率最高，此時對應(yīng)的葉輪端線速度為8.35 m/s。

3.3 高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)調(diào)漿時間與指標(biāo)的關(guān)系

設(shè)定調(diào)漿機(jī)調(diào)漿時間分別為3、6、10 min，對應(yīng)的調(diào)漿機(jī)給礦量為10、5、3 L/min。給入到雙聯(lián)槽KYF-0.03浮選機(jī)礦漿量控制在3 L/min。從調(diào)漿機(jī)中排出的多余礦漿量通過管路分支排掉。結(jié)果如圖9所示。

圖9 高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)不同調(diào)漿時間對指標(biāo)的影響

從圖9可以看出，在產(chǎn)率低于15%時，調(diào)漿時間越短，回收率越高，在產(chǎn)率15%時，調(diào)漿時間從3 min增加到10 min時，回收率幾乎沒有變化，產(chǎn)率高于15%后，調(diào)漿6 min和調(diào)漿10 min的回收率幾乎沒有差異，說明調(diào)漿時間超過6 min后，時間延長對調(diào)漿效果影響不大。綜合而言，最佳的調(diào)漿時間為6 min。

3.4 高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)葉輪形式和擋板與指標(biāo)的關(guān)系

為了進(jìn)一步探究調(diào)漿機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對調(diào)漿效果的影響，選取了三種槳葉形式，分別為常規(guī)改質(zhì)機(jī)上使用的后傾豎齒葉輪、化工常用的雙葉直槳葉輪和此次試驗(yàn)高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)專用的魚骨型葉輪，同時對比了有無水平擋板的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 葉輪形狀和擋板對指標(biāo)的影響

從圖10可以看出，在選用后傾豎齒葉輪的條件下，有擋板不利于改善調(diào)漿效果。對比三種葉輪在無擋板條件下的指標(biāo)，在產(chǎn)率高于10%時，魚骨型葉輪和直槳葉輪的調(diào)漿效果幾乎一致，都高于后傾豎齒葉輪。

3.5 高強(qiáng)調(diào)漿機(jī)不同葉輪的功耗分析

對比了清水條件下，三種葉輪的功耗，結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出，直槳葉輪的功耗顯著高于后傾豎齒葉輪和魚骨型葉輪，而魚骨型葉輪在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的功耗都是最低的。

圖11 三種葉輪功耗對比

4 結(jié)論

1)微細(xì)粒礦物浮選需要高強(qiáng)度調(diào)漿預(yù)處理，合適的調(diào)漿機(jī)結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)對后續(xù)的浮選指標(biāo)有重要影響。

2)對水油體系，魚骨型葉輪對油滴的分散效果最好，形成的乳濁液體系最為穩(wěn)定，在取得較優(yōu)調(diào)漿效果的同時能耗最低。

3)帶礦條件下，在精礦產(chǎn)率相當(dāng)情況下，采用高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)調(diào)漿后的浮選回收率比采用普通調(diào)漿機(jī)調(diào)漿后的回收率高近10個百分點(diǎn)，魚骨型葉輪調(diào)漿后的浮選指標(biāo)好于其它形式的葉輪，結(jié)果與清水測試魚骨型葉輪對油滴分散能力相一致。高強(qiáng)度調(diào)漿機(jī)的調(diào)漿效率較高，30 L的調(diào)漿機(jī)樣機(jī)的最佳線速度為8.35 m/s，在調(diào)漿6 min時即達(dá)到最佳的調(diào)漿效果。