某含鈷鐵尾礦鈷金屬綜合回收的工藝研究

姜志學(xué), 郭素紅, 劉志國

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

1 前言

礦產(chǎn)資源綜合利用一直是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中一項長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略方針,對節(jié)約資源、提高礦產(chǎn)資源經(jīng)濟(jì)效益都具有重要意義。我國鐵尾礦資源增量和存量都極其巨大。一方面,我國鐵礦資源儲藏豐富、礦床類型齊全,但以貧礦為主且伴生組分多。據(jù)估計,中國鐵礦石平均入選品位僅為 25.54%,因此每生產(chǎn)1 t鐵精礦需排出近3 t鐵尾礦。以 2018年為例,我國共產(chǎn)生約4.76億t鐵尾礦,占當(dāng)年全國尾礦總排放量的39.3%。另一方面,我國鐵礦資源呈現(xiàn)相對集中分布的特點(diǎn),超過半數(shù)鐵礦在鞍山、白云鄂博、攀枝花等成礦帶,歷年生產(chǎn)累積也造就了許多地區(qū)巨量的尾礦存量。有報告顯示,至 2018年年底,我國尾礦累積堆存量約為 207億t,鐵尾礦在上述堆存尾礦中所占比例最多。

鐵尾礦大量堆存給堆存地的生態(tài)環(huán)境、居民安全造成了很大的不利影響;鐵尾礦普遍粒徑小、細(xì)粒級尾砂缺乏有機(jī)質(zhì)固定,在尾砂入庫、尾礦干排的過程中極易造成大氣粉塵污染;同時尾礦中伴生的重金屬離子、選礦過程中殘余藥劑等有害組分也極易通過混入雨水、地面徑流的方式釋放和遷移,進(jìn)而破壞其附近的土壤結(jié)構(gòu)、造成大氣和水體污染。

近年來,隨著國家對礦山固體廢物及尾礦資源綜合利用的重視與相關(guān)法律法規(guī)的出臺,尾礦資源開發(fā)與利用的產(chǎn)業(yè)鏈條也逐步發(fā)展與完善,但是目前對尾礦資源的利用大多局限于粗粒級尾礦制砂、尾礦造磚、尾砂充填筑路等技術(shù)含量相對較低的領(lǐng)域;而對尾礦中共伴生的有價金屬、有益元素的開發(fā)和利用尚未形成規(guī)模;如內(nèi)蒙古白云鄂博地區(qū)的鐵尾礦中伴生的稀土、安徽銅陵地區(qū)鐵尾礦中伴生的硫等,均未能得到有效的綜合利用。

國內(nèi)某鐵礦礦石中共伴生有價金屬鈷,由于鈷品位較低,該礦山選礦工藝流程以磁選工藝回收鐵為主,未配置回收鈷金屬的設(shè)備與工藝;鑒于其前期選礦工藝流程中對共伴生有價金屬回收工藝的缺失,造成鈷以尾礦形式排入尾礦庫的資源浪費(fèi)現(xiàn)狀,為提高資源綜合利用率,實(shí)現(xiàn)尾礦資源中共伴生有價元素的綜合利用,本文以該礦鐵尾礦為研究對象,探索該鐵尾礦中鈷回收的可行性,針對該鐵尾礦中的鈷回收工藝進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究。

2 原礦性質(zhì)

試驗(yàn)原礦主要來自于生產(chǎn)現(xiàn)場的磁選尾砂,選擇其為研究對象的主要目的。一是當(dāng)前磁選尾砂為該礦山的主要入庫礦物;二是磁選尾砂已經(jīng)經(jīng)過磨礦工藝處理,部分目的礦物已經(jīng)單體解離,無須再進(jìn)行磨礦作業(yè);三是在尾礦輸送流程中植入鈷金屬回收設(shè)備,無須對前段破碎—磨礦—磁選工藝做過多變更,便于后續(xù)資源綜合利用工程化的實(shí)施。將磁選尾砂取樣、脫水、烘干做物相分析,原礦中主要元素含量見表1。

表1 原礦主要元素含量

從表1中可知,該鐵尾礦中的主要元素為SiO2、MgO、Fe三種成分,其含量分別為36.02%、13.28%、9.53%,而目的礦物Co含量較低,僅占元素總量的0.012%,遠(yuǎn)低于工業(yè)利用品位;而尾礦中含量較多的SiO2、MgO與鈷伴生的可能性相對較小。因此,采用適當(dāng)?shù)倪x礦方式將鈷從上述脈石礦石中分離出來,使其達(dá)到相應(yīng)的工業(yè)品位,實(shí)現(xiàn)尾礦資源的綜合利用,是本研究的最終目的。

3 工藝礦物學(xué)研究

為了查明尾礦中鈷與硅、鎂元素的共伴生關(guān)系,對原礦進(jìn)行了工業(yè)礦物學(xué)研究,采用掃描電鏡和EDS能譜分析對原礦進(jìn)行研究,查明原礦中鈷元素在鐵尾礦中的賦存狀態(tài)及其與其他礦物的共伴生關(guān)系。根據(jù)掃描電鏡顯示、鈷在礦石中未見獨(dú)立礦物,主要與含鐵礦物伴生,圖1、圖2中亮白色的為含鐵鈷礦物、灰色的為脈石礦物。為探究與鈷伴生的鐵礦物類型,采用EDS能譜對圖1中的1點(diǎn)與2點(diǎn)進(jìn)行掃描,由圖3、圖4可知,硫、鐵、氧三元素能譜突出,目的礦物應(yīng)為磁鐵礦、磁黃鐵礦、黃鐵礦中的一種或數(shù)種,鑒于磁鐵礦與磁黃鐵礦在選鐵回收工藝中均能有效回收,故確定需要回收的目的礦物為黃鐵礦。從電鏡下可以觀察到目的礦物解離度較好,因此在后續(xù)研究過程中,不再對原礦進(jìn)行磨礦處理。

圖1 原礦掃描電鏡分析(BSD)

圖2 原礦掃描電鏡分析(元素面分布)

圖3 1點(diǎn)EDS能譜分析

圖4 2點(diǎn)EDS能譜分析

4 磁選工藝流程研究

由于黃鐵礦為弱磁性礦物,擬采用高梯度磁選機(jī)對其進(jìn)行回收,試驗(yàn)采用XCSQ50*70濕式強(qiáng)磁選機(jī),640 kA/m磁場強(qiáng)度,礦漿濃度15%(磁選后尾礦礦漿濃度),對原礦進(jìn)行分選,擬以此回收與之共伴生的鈷,試驗(yàn)流程及結(jié)果如圖5所示。

圖5 磁選試驗(yàn)流程

由表2可知,精礦總鈷含量為90×10-6、回收率18.22%,尾礦中鈷含量120×10-6、回收率為81.78%,鈷金屬在尾礦中出現(xiàn)反富集現(xiàn)象,由此可見磁選對鈷沒有明顯的富集作用。

表2 磁選試驗(yàn)結(jié)果

5 浮選試驗(yàn)研究

由于原礦為磁選后尾礦,前期工藝流程中不存在藥劑污染問題,同時根據(jù)工藝礦物學(xué)研究可知,目的礦物鈷與黃鐵礦伴生,因此在捕收劑選擇過程中,所選藥劑要避免浮選尾礦及生產(chǎn)回水中出現(xiàn)藥劑富集與藥劑污染現(xiàn)象。鑒于資源綜合利用、尾礦伴生礦物回收的,所選藥劑具有較高的性價比也是藥劑選擇所需考慮的內(nèi)容,因此該研究捕收劑藥劑的選擇以捕收能力強(qiáng),分解速度快、價格相對低廉的藥劑為主。

黃藥是應(yīng)用最廣的硫化礦捕收劑,黃藥類捕收劑的優(yōu)點(diǎn)是捕收性能強(qiáng)、水溶性良好、易制造、價格低廉;雖然黃藥具有一定的毒性和臭味,但是其性質(zhì)不太穩(wěn)定,見光受熱易于分解,使用后不會造成回水中的藥劑富集及浮選尾礦的藥劑污染。

根據(jù)黃藥的上述特性,滿足該目的礦物浮選用藥標(biāo)準(zhǔn),因此以黃藥類藥劑為該試驗(yàn)捕收劑的主要選擇對象。

捕收劑種類選擇試驗(yàn)流程與結(jié)果如圖6所示。

圖6 捕收劑種類試驗(yàn)流程

由表3可知,在相同藥劑用量的情況下,使用丁基黃藥可獲得粗精礦鈷品位225.99×10-6,尾礦品位72.59×10-6,精礦鈷回收率57.45%,鈷在精礦中富集效果、回收率均比其他藥劑效果明顯,因此,選取丁基黃藥為捕收劑。

表3 捕收劑種類試驗(yàn)結(jié)果

在確定捕收劑種類之后,以捕收劑用量為變量做條件試驗(yàn),探尋在過程中捕收劑的最佳用量,試驗(yàn)流程與結(jié)果如圖7所示。

圖7 丁基黃藥用量試驗(yàn)流程

由表4可知,當(dāng)粗選Ⅰ丁基黃藥用量為120 g/t時,粗精礦的鈷回收率為67.54%,當(dāng)用量為140 g/t時,粗精礦的鈷回收率為65.82%,即當(dāng)丁基黃藥用量為120 g/t時,鈷回收率已經(jīng)達(dá)到最佳值。因此,粗選Ⅰ丁基黃藥用量選取120 g/t。

表4 丁基黃藥用量試驗(yàn)結(jié)果

6 礦漿濃度對浮選效果的影響

礦漿濃度是評價浮選作業(yè)的重要工藝參數(shù),對浮選作業(yè)的回收率、精礦質(zhì)量、藥劑用量、生產(chǎn)能力、浮選時間等指標(biāo)有較大影響。在實(shí)際生產(chǎn)中,最佳浮選礦漿濃度的確定需要依據(jù)礦石性質(zhì)、工藝條件及所處的作業(yè)階段來確定,從而獲得理想的浮選指標(biāo)。

濃度的調(diào)節(jié)通常遵循以下準(zhǔn)則:浮選比重大、顆粒粗的礦物時宜選擇高礦漿濃度;浮選比重小、粒度細(xì)的礦物時宜選擇低礦漿濃度;粗選作業(yè)的礦漿濃度較高,精選作業(yè)的礦漿濃度較低。

浮選濃度過低時會增加浮選過程中的生產(chǎn)用水與浮選藥劑的用量,降低單臺浮選設(shè)備的處理能力,浮選設(shè)備難以形成穩(wěn)定的浮選泡沫層,不利于粗粒級礦物的礦化與上浮,影響整體浮選作業(yè)的效果。

由于該研究原礦為磁選后的尾礦,礦漿濃度在15%左右。但在生產(chǎn)現(xiàn)場由于前段作業(yè)中的用水量未量化,磁選尾礦的礦漿濃度將會隨現(xiàn)場的操作條件產(chǎn)生大的波動。為了降低礦漿在后續(xù)工業(yè)化實(shí)施過程中對浮選效果的影響,探究該尾礦合適的浮選濃度也是本次研究的主要內(nèi)容。

將磁選尾礦礦漿濃縮、脫水、烘干后,為降低人為變量對浮選效果的影響,采用尾礦礦漿澄清液按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)進(jìn)行調(diào)漿配制,調(diào)制成15%、25%、35%三種礦漿濃度,在同等工藝流程、藥劑制度下進(jìn)行浮選試驗(yàn),工藝流程與結(jié)果如圖8所示。

圖8 礦漿濃度試驗(yàn)流程

表5可知,隨著礦漿濃度的提升,浮選精礦中鈷金屬的品位與回收率呈現(xiàn)先上升后下降的態(tài)勢,當(dāng)粗選礦漿濃度為25%時,精礦品位為304.38×10-6,精礦中鈷回收為67.54%;繼續(xù)提升浮選礦漿濃度,鈷精礦品位和回收率均有所下降;在浮選過程中發(fā)現(xiàn),在15%礦漿濃度進(jìn)行浮選時,浮選泡沫層薄、泡沫脆,浮選液面上難以形成穩(wěn)定的礦化泡沫層;當(dāng)以35%礦漿濃度進(jìn)行浮選時,浮選泡層厚,泡沫黏、且泡沫表層出現(xiàn)明顯的細(xì)粒級礦物附著層。

表5 礦漿濃度試驗(yàn)結(jié)果

7 原礦礦漿脫泥試驗(yàn)

由上述浮選試驗(yàn)可知,原礦中含有的大量細(xì)泥對浮選效果有很大的影響,原礦中細(xì)泥含量較多,使得藥劑消耗大增,大量細(xì)泥被夾帶進(jìn)粗精礦,致使粗精礦產(chǎn)率較高,精選作業(yè)分離困難,進(jìn)而導(dǎo)致整個浮選流程結(jié)構(gòu)復(fù)雜,浮選成本相對較高。同時考慮后續(xù)工業(yè)化實(shí)施過程中的流程簡化、設(shè)備穩(wěn)定及現(xiàn)場工藝的可行性等相應(yīng)因素,本研究模擬現(xiàn)場作業(yè)條件,取尾礦礦漿用旋流器進(jìn)行脫泥;脫泥旋流器型號為FX75-PU-B,旋流器給料礦漿濃度為15%,溢流口直徑為20 mm,沉砂嘴直徑3 mm;旋流器采用G13-1小型不銹鋼單螺桿泵給料,給礦壓力0.6 MPa,脫泥后分別測旋流器底流和溢流礦漿濃度、-500目含量及礦漿中鈷金屬含量,試驗(yàn)流程及結(jié)果如圖9所示。

圖9 旋流器脫泥試驗(yàn)流程

表6結(jié)果顯示,采用旋流器脫泥可以拋除產(chǎn)率為40.43%的細(xì)泥,鈷隨細(xì)泥損失率為25.18%。且脫泥后底流礦漿濃度為24.63%,接近礦漿濃度條件試驗(yàn)最優(yōu)值;底流中-500目含量為42.39%,溢流中-500目為99.15%,脫泥效果良好。

表6 旋流器脫泥試驗(yàn)結(jié)果

8 閉路試驗(yàn)

在確定了影響工業(yè)實(shí)施的礦漿濃度、脫泥效果及浮選過程捕收劑種類和用量等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)后,對浮選過程中的調(diào)整劑種類及用量、起泡劑種類及用量均做了系統(tǒng)性的研究,因篇幅所限在此不再贅述。在上述研究的基礎(chǔ)上,依據(jù)上述關(guān)鍵試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行閉路試驗(yàn),工藝流程如圖10所示,試驗(yàn)結(jié)果見表7。

圖10 閉路試驗(yàn)流程

表7 閉路試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知,鐵尾礦在經(jīng)過旋流器脫泥作業(yè),在礦漿濃度25%的情況下,經(jīng)過“一粗兩精一掃”的浮選工藝流程,可獲得品位4 659.11 PPm精礦鈷,精礦中鈷回收率為54.41%。浮選段鈷金屬回收率為54.41%,是脫泥作業(yè)段部分細(xì)粒級鈷金屬隨礦泥流失所致,脫泥作業(yè)造成的金屬損失為25.2%。

9 結(jié)論

(1)該鐵尾礦中有價金屬鈷以伴生狀態(tài)賦存在黃鐵礦中,采用磁選工藝不能進(jìn)行有效回收,可以通過脫泥—浮選工藝回收。

(2)采用旋流器對礦漿進(jìn)行濃縮、脫泥處理,當(dāng)?shù)V漿濃度為25%,礦漿中-500目含量為42.39%時,以CMC為調(diào)整劑、MIBC為起泡劑、丁基黃藥為捕收劑,采用“一粗-二精-一掃”的工藝流程,可獲得精礦鈷品位為4.659 11%,鈷回收率為54.41%的浮選精礦。

(3)旋流器脫泥可以拋除產(chǎn)率為40.43%的細(xì)泥,鈷隨細(xì)泥損失率為25.18%。脫泥后底流礦漿濃度為24.63%;底流中-500目含量為42.39%,溢流中-500目為99.15%,部分鈷金屬隨細(xì)泥損失。

(4)該研究以資源綜合利用為目的,研發(fā)工藝以磁選尾礦為后續(xù)流程切入點(diǎn),對前段磁選回收鐵的流程沒有影響,鈷金屬回收工藝流程及藥劑制度均簡單易行,便于工程化實(shí)施。