蘇興國， 周立波， 李文博， 馬自飛， 楊光， 張東， 程紹凱

1. 鞍鋼集團鞍礦公司 東鞍山燒結廠，遼寧 鞍山114041；2. 東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3. 難采選鐵礦資源高效開發(fā)利用技術國家地方聯(lián)合工程研究中心，遼寧 沈陽110819;4. 鞍鋼集團礦業(yè)公司 齊大山鐵礦，遼寧 鞍山114043

隨著我國鐵礦資源大規(guī)模的開發(fā)利用，富礦和易處理礦石資源日趨減少，鐵礦資源貧細雜的趨勢愈加明顯，因而解決微細粒鐵礦資源的回收利用問題，具有重大的現(xiàn)實意義[1-2]。微細粒鐵礦物分選過程動力學研究結果表明[3-4]，導致微細粒鐵礦物難選的主要原因是微細粒鐵礦物具有體積小、質(zhì)量輕、比磁化系數(shù)低和比表面積大的特點，使得在常規(guī)高梯度強磁選工藝中，磁性顆粒所受的磁場力較小，磁介質(zhì)對于弱磁性礦物的捕收能力不足；而在常規(guī)浮選工藝中，礦物顆粒微細一方面使得氣泡與顆粒的碰撞及附著概率降低，氣泡和水流夾帶現(xiàn)象嚴重，同時由于顆粒表面能和比表面積的增大顯著降低了藥劑選擇性。為此，選礦學者們提出增大礦物顆粒表觀尺寸來強化細粒礦物分選的方法，主要有凝結(coagulation)、疏水團聚(agglomeration)和絮凝(flocculation)三種，如添加凝結劑(如明礬和電解質(zhì))通過靜電引力使微細粒凝結；添加疏水捕收劑(如油酸和煤油)使疏水礦物發(fā)生疏水團聚；添加大分子絮凝劑(如淀粉、聚丙烯酰胺)通過高分子化學物的橋聯(lián)作用使細粒發(fā)生絮凝[5-7]。因此根據(jù)微細礦粒團聚機理的不同，將聚團分選工藝主要分為高分子絮凝分選工藝、磁團聚與磁種團聚分選工藝、疏水絮凝分選工藝及復合聚團分選工藝等。1975年美國蒂爾登選礦廠采用玉米淀粉為絮凝劑，采用選擇性絮凝-脫泥-反浮選工藝回收微細粒鐵礦物，標志著絮凝分選工藝進入新的發(fā)展時期[8]。李維湘[9]利用可溶性淀粉和丙烯酰胺為原料進行接枝共聚反應，制備了淀粉-丙烯酰胺接枝共聚物，所制備的絮凝劑對赤鐵礦的選擇性絮凝能力強于改性淀粉和磺化聚丙烯酰胺。宋少先等[10]利用利用油酸鈉和煤油作為選擇性疏水團聚劑，對國內(nèi)某微細粒赤鐵礦(d50=4.8μm)采用“選擇性疏水團聚脫泥—強磁選工藝”，最終取得了精礦鐵品位65.71%、回收率76.63%的分選指標。王東輝等[11]詳細考察了在赤鐵礦反浮選過程中添加磁鐵礦對赤鐵礦產(chǎn)生的選擇性磁團聚作用及機理，由于磁鐵礦對細粒赤鐵礦的磁團聚作用，增大了微細粒赤鐵礦的表觀粒度，增強了淀粉對赤鐵礦的抑制作用，提高了反浮選作業(yè)回收率。以上研究結果表明，通過選擇性團聚預處理對強磁選給礦進行物料性質(zhì)優(yōu)化，可促使鐵礦物預先形成團聚體，有效增加了強磁場下細粒鐵礦物的捕獲概率，從而強化微細粒鐵礦物的回收。

本研究以東鞍山含碳酸鹽典型微細粒復雜難選鐵礦為研究對象，基于絮凝分選理論開展強化細粒鐵礦資源回收利用新技術研究。首先通過赤鐵礦和石英兩種單礦物的絮凝沉降試驗研究了藥劑用量、礦漿pH值以及攪拌轉速等條件對礦物絮凝體沉降性能的影響，在單礦物團聚沉降試驗基礎上，進一步針對實際礦石體系開展了選擇性絮凝-強磁選分選試驗研究，考察了藥劑用量、礦漿pH值以及攪拌轉速等條件對分選指標的影響。

1 樣品及試驗方法

1.1 試驗樣品

試驗所選用的樣品為遼寧東鞍山燒結廠強磁選給礦。樣品的化學多元素分析結果如表1所示。

表1 化學多元素分析結果

根據(jù)表1所示化學多元素分析結果可知，該樣品TFe含量為28.37%，其中FeO的含量為4.15%。主要脈石元素SiO2含量較高，為55.51%，其次Al2O3、MgO和BaO含量分別為0.86%、0.58%和0.73%，有害元素S和P的含量較低。

由圖1可知，該樣品中脈石礦物為石英和少量斜綠泥石，有用鐵礦物為赤鐵礦和少量磁鐵礦。

圖1 強磁選給礦的XRD分析譜圖

由表2可知，樣品中主要有用鐵礦物為赤鐵礦，其含量為35.16%，磁鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦都比較少，主要脈石礦物為石英，含量為50.36%，其次還含有少量綠泥石和鐵白云石。

表2 原礦礦物組成

由表3可知，鐵主要以赤(褐)鐵礦的形式存在，分布率高達90.28%，其次以碳酸鐵的形式存在，分布率為5.71%，磁鐵礦含量較少，僅為2.89%.

表3 原礦鐵化學物相分析結果

由表4可知，-38 μm粒級中鐵的分布率高達87.33%，由此可知，該樣品中有用鐵礦物主要分布在細粒級顆粒中，因此，樣品中細粒級鐵礦物的有效回收，成為提高選礦鐵回收率的關鍵。

表4 原礦粒度組成分析結果

1.2 試驗方法

(1)單礦物絮凝沉降試驗：分別稱取粒度為-0.023 mm的赤鐵礦或石英單礦物10 g，加入到50 mL燒杯中，然后加入30 mL去離子水，采用型號為JB90-D型數(shù)顯小型攪拌器進行攪拌調(diào)漿，根據(jù)試驗需要調(diào)節(jié)藥劑種類及用量、礦漿pH值、攪拌轉速，攪拌5 min后將礦漿倒入200 mL的量筒中，向量筒中加入100 mL去離子水，將量筒封口反復輕微顛倒10次，然后靜置5 min，抽取上清液，將沉積物過濾、烘干、稱重計算礦物絮凝體沉降率。

(3)絮凝—強磁分選試驗：使用多功能浸出攪拌機(XJT-Ⅱ)對試樣進行調(diào)漿，礦漿質(zhì)量濃度為30%，高速攪拌5 min，使礦物顆粒充分分散，然后調(diào)節(jié)攪拌轉速及礦漿pH值攪拌5 min后加入一定量的藥劑，繼續(xù)攪拌5 min使細粒礦物絮凝。調(diào)節(jié)高梯度強磁選機沖次、排水量及背景磁場強度等操作條件后，將礦漿均勻給入磁選機進行選別，所得磁選精礦和尾礦烘干制樣后進行化驗。絮凝-強磁分選試驗原則流程圖如圖2所示。

圖2 絮凝-強磁選試驗原則流程

1.3 選礦試驗指標評價方法

為了合理評價選礦試驗效果，引入選礦效率作為選礦試驗指標的評價依據(jù)。其公式如下[12]：

(1)

式中：E—選礦效率；ε—回收率；γ—精礦產(chǎn)率；α—原礦品位；βm—單礦物理論鐵品位。

2 試驗結果與討論

2.1 赤鐵礦及石英單礦物團聚-沉降性能研究

2.1.1 藥劑種類及用量對赤鐵礦及石英單礦物絮凝-沉降性能的影響

淀粉由于具有來源廣和綠色環(huán)保的特點，同時其分子結構中含有大量親水性羥基官能團，因此通常作為鐵礦反浮選抑制劑使用，聚丙烯酰胺由于具有良好的絮凝效果，通常作為絮凝劑用于礦漿濃密和污水處理中。但是由于未經(jīng)改性處理的天然淀粉和聚丙烯酰胺其選擇性較差，在礦物的絮凝分選工藝中導致大量脈石礦物的夾雜，反而惡化分選效果。本研究首先通過醚化反應和水解反應分別在淀粉和聚丙烯胺兩種藥劑分子結構中引入羧基和羧甲基活性官能團，羧基和羧甲基可以通過氫鍵吸附和形成羥基鐵配體的形式選擇性吸附于鐵礦物表面上，從而改善藥劑選擇性和絮凝性能。進一步通過礦物沉降性能來表征礦物的絮凝效果，在赤鐵礦和石英兩種單礦物的絮凝-沉降試驗中研究了玉米淀粉、改性聚丙烯酰胺(HPM)以及改性木薯淀粉(DLZ)等不同種類藥劑及其用量、礦漿pH值以及攪拌轉速等因素對礦物絮凝體沉降特征的影響。

首先分別考察了幾種藥劑體系下不同藥劑用量對赤鐵礦和石英兩種單礦物絮凝-沉降性能的影響，其試驗結果分別如圖3～圖5所示。

圖3 玉米淀粉用量對赤鐵礦和石英絮凝-沉降性能的影響

圖4 HPM用量對赤鐵礦和石英團聚沉降性能的影響

圖5 DLZ用量對赤鐵礦和石英絮凝沉降性能的影響

由圖3～圖5試驗結果可知，隨著藥劑用量的增加，赤鐵礦的沉降率逐漸增大，但增大趨勢逐漸減緩，最后趨于穩(wěn)定；石英的沉降率略有增加但變化幅度較小，基本維持在44.00%左右。由于玉米淀粉中直鏈淀粉含量較多，其分子量較小，而木薯淀粉主要以支鏈淀粉為主，其藥劑分子量較大，對微細粒赤鐵礦具有較好的絮凝效果，因此當藥劑用量相近時，赤鐵礦的沉降率在玉米淀粉體系中低于改性木薯淀粉；由于聚丙烯酰胺藥劑基體本身具有較強的絮凝性能，因此改性聚丙烯酰胺HPM在藥劑用量較少時即可使赤鐵礦團聚從而具有較高的沉降率，但是由于聚丙烯酰胺的選擇性較差，導致石英的沉降率有所增加，此外，在后續(xù)實際礦石體系分選過程中該藥劑會導致大量微細粒石英夾雜，顯著降低了磁選精礦品位，分選指標較差。因此，選取改性木薯淀粉作為添加藥劑。

2.1.2 礦漿pH值對赤鐵礦及石英單礦物絮凝-沉降性能的影響

礦漿pH值會顯著影響礦物顆粒表面的荷電性能，進而影響藥劑在礦物表面的吸附以及礦物顆粒的分散及絮凝行為，以改性木薯淀粉DLZ為絮凝劑，進一步考察了礦漿pH值對赤鐵礦及石英單礦物絮凝-沉降性能的影響，其結果如圖6所示。

圖6 礦漿pH值對赤鐵礦和石英絮凝-沉降性能的影響

由圖6可知，在酸性條件下，赤鐵礦沉降率較低，改性木薯淀粉DLZ對赤鐵礦的絮凝效果被惡化，而隨著礦漿pH值的增大，赤鐵礦的沉降率逐漸增大，藥劑對赤鐵礦的絮凝效果加強，在礦漿pH值為10.0時，絮凝效果最好，此時赤鐵礦的沉降率達到95.07%。對于石英單礦物，隨著礦漿pH值的增大，其沉降率逐漸減小，這是因為隨著礦漿pH值的增大，石英表面的電負性逐漸增大，顆粒之間的斥力逐漸增大，從而導致石英的分散行為增強，同時由于淀粉對石英礦物的絮凝性能較差，所以石英的沉降率會隨著礦漿pH值的增大而逐漸減小。

2.1.3 攪拌轉速對赤鐵礦及石英單礦物絮凝-沉降性能的影響

一定強度的攪拌動能輸入將有助于提高礦物顆粒的碰撞幾率及藥劑在礦物表面上的吸附，因此以改性木薯淀粉DLZ為絮凝劑，進一步考察了攪拌轉速對赤鐵礦及石英單礦物絮凝-沉降性能的影響，其結果如圖7所示。

圖7 攪拌轉速對赤鐵礦和石英絮凝-沉降性能的影響

由圖7可知，DLZ對赤鐵礦的絮凝性能受攪拌轉速的影響較大，隨著攪拌轉速由540 r/min增大到780 r/min時，赤鐵礦的沉降率逐漸增大，在攪拌轉速為780 r/min時，沉降率增大到最大值97.74%，再增大攪拌轉速，赤鐵礦的絮凝沉降率開始減??；與赤鐵礦相比，石英的沉降率隨攪拌轉速變化不明顯。由此說明，在一定的攪拌強度范圍內(nèi)，攪拌強度的增加，有利于提高赤鐵礦顆粒間的碰撞，從而促進絮團的形成和增大；由于絮團結構強度較低，當攪拌強度超過此范圍時，繼續(xù)增大攪拌強度，形成的絮團就會被強烈的機械攪拌所破壞，不利于絮團的形成。由于藥劑對石英顆粒的絮凝性能能較差，因此改變攪拌強度對石英顆粒沉降率影響不大。

2.2 微細粒弱磁性鐵礦絮凝-磁選試驗研究

以東鞍山燒結廠強磁選給礦為試驗原料，在單礦物絮凝-沉降試驗研究基礎上，通過絮凝調(diào)漿-高梯度強磁選試驗，進一步考察了藥劑種類及用量、攪拌轉速、攪拌時間及礦漿pH值等因素對微細粒弱磁性鐵礦物絮凝-分選指標的影響，以確定適宜的絮凝操作條件，為微細粒弱磁性鐵礦資源的開發(fā)利用提供試驗依據(jù)。

2.2.1 藥劑種類及用量對微細粒弱磁性鐵礦物絮凝-磁選指標的影響

首先分別考察了玉米淀粉、改性聚丙烯酰胺(HPM)和改性木薯淀粉(DLZ)三種藥劑的用量對細粒弱磁性鐵礦絮凝-強磁分選指標的影響。在攪拌礦漿質(zhì)量濃度為30%，調(diào)節(jié)礦漿pH值為10.0，在高攪拌強度下攪拌5 min后，降低攪拌轉速至900 r/min，然后分別加入三種藥劑，攪拌5 min后進行強磁選，磁選時調(diào)節(jié)磁選機沖程為11.4 mm，沖次為180次/min，磁選機排水量140 mL/s，磁選背景場強為0.9 T，磁介質(zhì)采用2mm直徑、填充率為13%的圓棒介質(zhì)條件下，根據(jù)試驗需要調(diào)節(jié)藥劑用量，其結果分別如圖8～圖10所示。

圖10 DLZ用量對分選指標的影響

圖8 玉米淀粉用量對分選指標的影響

由圖8可知，隨著玉米淀粉用量由0 g/t逐漸增加至300 g/t，磁選精礦鐵回收率和選礦效率逐漸增加，磁選精礦鐵品位略有下降，當藥劑用量為300 g/t時，磁選精礦鐵品位為47.54%，鐵回收率為71.03%，選礦效率為49.16%，與不添加藥劑相比，其磁選精礦鐵品位變化不大，提高了3.46個百分點，選礦效率提高了2.12個百分點。繼續(xù)增加玉米淀粉用量，鐵回收率和選礦效率逐漸下降。因此適宜的玉米淀粉用量為300 g/t。

由圖9可知，隨著HPM用量由0 g/t逐漸增加至20 g/t，鐵回收率逐漸增大，繼續(xù)增加HPM用量，選礦指標逐漸下降；由于HPM藥劑選擇性較差同時具有較強的絮凝性能，使得絮團中脈石礦物增加，導致磁選精礦鐵品位隨著藥劑用量的增加磁選精礦鐵品位逐漸降低，分選指標較差。

圖9 HPM用量對分選指標的影響

由圖10可知，隨著DLZ用量由0 g/t逐漸增加至150 g/t，選礦效率和鐵回收率逐漸增加，鐵品位略有下降。當DLZ用量為150 g/t時，此時磁選精礦鐵品位為47.05%，鐵回收率為71.05%，選礦效率為48.86%，與不添加藥劑相比，其磁選精礦鐵品位降低了0.52個百分點，鐵回收率提高了3.48個百分點，選礦效率提高了2.12個百分點，繼續(xù)增加用量，鐵回收率和選礦效率逐漸下降。即適宜的DLZ用量為150 g/t。

2.2.2 攪拌條件對微細粒弱磁性鐵礦物絮凝-磁選指標的影響

進一步以DLZ為添加藥劑，分別考察了攪拌轉速、攪拌時間和礦漿pH值等攪拌條件變化對分選指標的影響，其結果分別如圖11、圖12和圖13所示。

圖13 礦漿pH值對分選指標的影響

圖12 攪拌時間對分選指標的影響

圖11 攪拌轉速對分選指標的影響

由圖11可知，隨著絮凝攪拌轉速由450 r/min增加至900 r/min時，分選指標逐漸增加。當攪拌轉速為900 r/min時，此時磁選精礦鐵品位為47.41%，鐵回收率為71.39%，選礦效率為49.04%，繼續(xù)提高攪拌強度，鐵回收率和選礦效率逐漸下降。即適宜的攪拌轉速為900 r/min。

由圖12可知，隨著絮凝攪拌時間由2 min延長至5min時，分選指標逐漸增加，當攪拌時間為5 min時，此時磁選精礦鐵品位為46.90%，鐵回收率為71.11%，選礦效率為47.91%，繼續(xù)增加攪拌時間，鐵回收率逐漸下降。即添加完藥劑后適宜的攪拌時間為5 min。

由圖13可知，隨著礦漿pH值由7.0增加至10.0時，磁選精礦鐵品位略有下降，鐵回收率和選礦效率逐漸增加。當?shù)V漿pH值為10.0時，磁選精礦鐵品位為47.15%，鐵回收率為71.24%，選礦效率為49.20%，繼續(xù)增加礦漿pH值，分選指標逐漸下降。適宜的礦漿pH值為10.0。

根據(jù)以上試驗結果，固定強磁選作業(yè)操作參數(shù)相同的條件下，對比了常規(guī)強磁選工藝和絮凝-強磁選工藝分選指標的差異，其分選結果如表5所示。

表5 常規(guī)強磁選工藝和絮凝-強磁選工藝分選指標對比

基于以上試驗結果，以DLZ為絮凝劑在適宜的攪拌條件下，可獲得磁選精礦鐵品位47.15%，鐵回收率71.24%的分選指標，與不添加藥劑相比，其磁選精礦鐵品位下降了0.52個百分點，鐵回收率增加了3.67個百分點，選礦效率增加了1.54個百分點。

3 結論

(1)該樣品中TFe含量為28.37%，其中FeO的含量為4.15%，SiO2含量較高為55.51%，其他元素含量較少；該樣品中金屬礦物主要為赤鐵礦，含量為35.16%，其次為少量磁鐵礦和褐鐵礦，含量分別為1.85%和0.79%。另外根據(jù)鐵物相分析結果，鐵主要賦存在赤(褐)鐵礦、碳酸鐵、磁鐵礦和硫化鐵中。樣品粒度微細，-38 μm粒級中鐵的分布率高達87.33%。

(2)單礦物絮凝-沉降試驗結果表明，改性木薯淀粉(DLZ)對于赤鐵礦具有較好的選擇性絮凝效果。隨著藥劑用量的增加，三種藥劑對赤鐵礦的絮凝效果增強，沉降率逐漸增大，而對石英的絮凝效果較差，沉降率變化不明顯；隨著礦漿pH值的增大，由于靜電吸附和氫鍵吸附赤鐵礦沉降率逐漸增加，而由于靜電排斥作用，藥劑在石英表面的吸附量下降，同時石英顆粒間的排斥作用增強，石英的沉降率逐漸減?。浑S著攪拌轉速的增加，赤鐵礦的沉降率呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，適宜攪拌強度有利于提高赤鐵礦顆粒間的碰撞，從而促進絮團的形成和長大，沉降率增加；當攪拌轉速過高時，形成的絮團就會被強烈的機械攪拌所破壞，沉降率反而下降。

(3)強磁選給礦樣品絮凝-磁選試驗結果表明，隨著幾種藥劑用量的增加，磁選精礦鐵回收率和選礦效率均先增大后減小。與其它兩種藥劑相比，改性木薯淀粉 (DLZ)由于含有支鏈淀粉結構和較多活性基團，因此分選指標較好。通過考察絮凝作業(yè)攪拌轉速、攪拌時間及礦漿pH值等因素對分選指標的影響，確定適宜的攪拌轉速為900 r/min，攪拌時間為5 min，礦漿pH值為10.0，與常規(guī)強磁選工藝相比，在適宜條件下，其磁選精礦鐵品位下降了0.52個百分點，而鐵回收率增加了3.67個百分點，選礦效率增加了1.54個百分點。