周文波 朱照強(qiáng) 王永剛 徐 敏 彭 暢 彭 宇

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430081;2.甘肅酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

微細(xì)粒嵌布的磁鐵礦石要實(shí)現(xiàn)單體解離,通常采用多段磨礦或者延長(zhǎng)磨礦時(shí)間的方式來(lái)提高磨礦細(xì)度,然而這種方式會(huì)導(dǎo)致磨機(jī)能耗的提高,增加選礦成本[1]。就選礦行業(yè)而言,礦石粉碎(含破碎、磨礦)所需電耗成本占選礦成本的50%～60%,因此提高礦石粉碎效率(特別是磨礦效率)、降低能耗并改善磨礦產(chǎn)品質(zhì)量,對(duì)選廠提質(zhì)、增產(chǎn)、降耗具有重大意義[2]。

有研究表明,在磨礦過(guò)程中加入助磨劑可以降低礦漿黏度或降低礦物表面硬度[3],從而提高磨礦效率和有用礦物的解離度。鄧善芝等[4]總結(jié)了助磨劑的助磨機(jī)理及發(fā)展趨勢(shì),得出磨礦過(guò)程中添加適量助磨劑能夠降低磨礦能耗,改善磨礦效果的結(jié)論。王澤紅等[5]研究了三乙醇胺、丙酮、氯化銨、氯化鈉和油酸鈉5種助磨劑對(duì)石英磨礦效率的影響,結(jié)果表明,油酸鈉對(duì)石英粉磨起阻礙作用,而其他4種助磨劑均能夠提高石英的粉磨效率,提高磨礦產(chǎn)品中-0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)品含量。印萬(wàn)忠等[6]研究了助磨劑十二胺、DA分散劑、硅酸鈉和氯化銨在粉磨過(guò)程中的助磨作用,結(jié)果表明,DA分散劑和硅酸鈉有顯著的助磨效果。劉天洋等[7]在對(duì)鐵礦石進(jìn)行磨礦研究時(shí),得出了分散劑類(lèi)型助磨劑對(duì)鐵礦石助磨效果較好的結(jié)論。

助磨劑在水泥行業(yè)應(yīng)用比較廣泛,在礦物領(lǐng)域的應(yīng)用較少,本試驗(yàn)結(jié)合前人的理論研究,以新疆某微細(xì)粒嵌布磁鐵礦石為研究對(duì)象,采用三聚磷酸鈉為助磨劑,研究其對(duì)微細(xì)粒嵌布磁鐵礦磨礦效率的影響,同時(shí)為了分析三聚磷酸鈉的助磨機(jī)理,采用粒度分析、紅外光譜分析、礦漿黏度測(cè)定、SEM分析等方法和技術(shù)手段對(duì)磨礦產(chǎn)品的各種特性進(jìn)行表征分析。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料為新疆某微細(xì)粒嵌布的磁鐵礦石,其化學(xué)多元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試樣化學(xué)多元素分析結(jié)果Table 1 Results of chemical multi-elements analysis for the sample %

從表1可以看出:試樣主要利用元素鐵的品位為31.67%,主要脈石成分為SiO2,含量為41.59%。

取礦石樣品制成光薄片,在偏反光顯微鏡下對(duì)礦石進(jìn)行觀察,礦石中主要礦物的嵌布特征分析如圖1所示。

圖1 試樣中主要礦物的嵌布特征Fig.1 Dissemination characteristic of main minerals in the sample

由圖1可知:磁鐵礦在礦石中分布不均勻,主要有3種分布狀態(tài):① 磁鐵礦局部呈稠密浸染狀分布;② 部分磁鐵礦呈稀疏浸染狀分布在脈石礦物中,多分布在脈石礦物晶粒間;③ 磁鐵礦局部呈微細(xì)條帶聚集分布,粒度為0.003～0.07 mm。采用點(diǎn)測(cè)法對(duì)磁鐵礦進(jìn)行嵌布粒度測(cè)量,發(fā)現(xiàn)磁鐵礦嵌布粒度在-38 μm粒級(jí)的含量為57.07%,在-15 μm粒級(jí)的含量為23.76%,可見(jiàn)磁鐵礦嵌布粒度極細(xì),要實(shí)現(xiàn)單體解離必須進(jìn)行細(xì)磨。

1.2 試驗(yàn)方法

原礦經(jīng)過(guò)顎式破碎機(jī)、輥式破碎篩分機(jī)破碎為-3 mm顆粒后進(jìn)行混勻、縮分、裝袋備用。本次試驗(yàn)采取二段磨礦二段磁選工藝,第一段磨礦時(shí)間為5 min,磨礦產(chǎn)品經(jīng)過(guò)磁選所得的粗精礦用孔徑為0.030 mm的標(biāo)準(zhǔn)泰勒篩進(jìn)行篩析并進(jìn)行全鐵品位化驗(yàn),粗精礦-30 μm粒級(jí)含量為24.02%,全鐵品位為38.31%,作為二段磨礦助磨劑條件試驗(yàn)的原料。第二段磨礦條件試驗(yàn)中,選用型號(hào)為XMQ-240×90的錐形球磨機(jī)進(jìn)行濕式磨礦,磨礦濃度70%,介質(zhì)填充率為45%,磨機(jī)轉(zhuǎn)速96 r/min,有效容積6.25 L。在第二段磨礦加入的三聚磷酸鈉(化學(xué)純)提前配制為5%濃度溶液加入球磨機(jī)中,本文中的試驗(yàn)內(nèi)容主要是針對(duì)二段磨礦試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用孔徑為0.030 mm的標(biāo)準(zhǔn)泰勒篩對(duì)磨礦產(chǎn)品進(jìn)行粒度篩析;用傅立葉VERTEX-70型紅外光譜儀檢測(cè)三聚磷酸鈉在礦石顆粒表面的吸附特性;用Nova NanoSEM400場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)磨礦產(chǎn)品進(jìn)行形貌觀察;在Nikon LV100POL型偏反光顯微鏡下采用礦物顯微圖像測(cè)量法測(cè)定磨礦產(chǎn)品中磁鐵礦的單體解離度;用Brookfield DVS數(shù)顯式旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量礦漿的黏度;采用濕式電磁圓筒磁選機(jī)對(duì)磨礦產(chǎn)品進(jìn)行磁選試驗(yàn),磁場(chǎng)強(qiáng)度150 kA/m。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 助磨劑用量對(duì)磨礦產(chǎn)品細(xì)度的影響

在二段磨礦時(shí)間8 min的條件下,進(jìn)行批次磨礦試驗(yàn),分別探究六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉和水玻璃這3種助磨劑在不同用量條件下對(duì)磨礦產(chǎn)品粒度的影響,結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同助磨劑用量對(duì)磨礦產(chǎn)品粒度的影響Fig.2 Influence of grinding aids dosage on particle size of grinding products

由圖2可知:六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉和水玻璃對(duì)微細(xì)粒磁鐵礦石均具有助磨作用。在不加助磨劑的條件下,磨礦產(chǎn)品中-30 μm含量為60.68%;隨著助磨劑用量的增加,磨礦產(chǎn)品中-30 μm含量先明顯增加后略有降低。當(dāng)三聚磷酸鈉用量為1 kg/t時(shí),-30 μm含量達(dá)到最高,為73.33%;當(dāng)水玻璃用量為1 kg/t時(shí),-30 μm含量達(dá)到最高,為70.32%;當(dāng)六偏磷酸鈉用量為2 kg/t時(shí),-30 μm含量達(dá)到最高,為72.07%。相較于不加助磨劑的情況,磨礦產(chǎn)品中-30 μm含量分別提高了12.65個(gè)百分點(diǎn)、9.64個(gè)百分點(diǎn)和11.39個(gè)百分點(diǎn),對(duì)比可知,3種助磨劑中三聚磷酸鈉對(duì)磁鐵礦磨礦產(chǎn)品-30 μm含量提升最大,因此選擇三聚磷酸鈉作為助磨劑,探究其對(duì)微細(xì)粒嵌布磁鐵礦磨礦效果的影響和助磨機(jī)理。

2.2 三聚磷酸鈉對(duì)磨礦產(chǎn)品粒度的影響

在三聚磷酸鈉最佳用量條件下,考察三聚磷酸鈉在不同磨礦時(shí)間條件下對(duì)磨礦產(chǎn)品中-30 μm含量的影響,試驗(yàn)分加和不加三聚磷酸鈉分別進(jìn)行,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同磨礦時(shí)間下磨礦產(chǎn)品中-30 μm含量Fig.3 -30 μm content of grinding products with different grinding time

從圖3可以看出:相同磨礦時(shí)間下,添加1 kg/t三聚磷酸鈉的磨礦產(chǎn)品中-30 μm含量比不加的情況下都要高。在不添加三聚磷酸鈉的條件下,磨礦產(chǎn)品中-30 μm含量達(dá)到73.33%所需時(shí)間為11.5 min,而添加1 kg/t三聚磷酸鈉后,磨礦時(shí)間為8 min,縮短了30.43%,降低了磨礦能耗。

2.3 三聚磷酸鈉對(duì)磨礦效果的影響

以磨礦產(chǎn)品中-30 μm粒級(jí)的比生產(chǎn)率和磨礦效率來(lái)評(píng)價(jià)磨礦效果。其中-30 μm的比生產(chǎn)率是指單位時(shí)間、單位有效容積所新生成的-30 μm粒級(jí)質(zhì)量,磨礦效率是指每消耗1 kW·h能量所新生成的-30 μm粒級(jí)質(zhì)量。采用DTSD/D型三相多功能電能表測(cè)定磨礦過(guò)程中球磨機(jī)所消耗電能。

比生產(chǎn)率:

式中:q-30為-30 μm粒級(jí)比生產(chǎn)率,kg/(h·L);Q為單位時(shí)間內(nèi)新給入磨機(jī)的物料量,kg;βp為磨礦產(chǎn)品中-30 μm粒級(jí)含量,%;βf為磨機(jī)給料中-30 μm粒級(jí)含量,%;V為球磨機(jī)有效容積,L。

磨礦效率:

式中:u為磨礦效率,kg/(kW·h);P為球磨機(jī)功率,kW。

在二段磨礦時(shí)間為8 min條件下,將添加1 kg/t三聚磷酸鈉和不加三聚磷酸鈉的磨礦產(chǎn)品進(jìn)行磨礦效果分析,結(jié)果如表2所示。

表2 三聚磷酸鈉對(duì)磨礦效果的影響Table 2 Influence of sodium tripolyphosphate on grinding effect

由表2可知:添加1 kg/t三聚磷酸鈉后,-30 μm粒級(jí)比生產(chǎn)率和磨礦效率相較于不加助磨劑分別提高了36.36%和34.54%。說(shuō)明添加三聚磷酸鈉后,球磨機(jī)的比生產(chǎn)率和磨礦效率能夠得到提高。通過(guò)解離度測(cè)試結(jié)果可知,添加1 kg/t三聚磷酸鈉的磨礦產(chǎn)品中磁鐵礦單體解離度為90.82%,相對(duì)于沒(méi)有添加三聚磷酸鈉條件下單體解離度提高了5.81個(gè)百分點(diǎn)。

2.4 三聚磷酸鈉對(duì)精礦分選指標(biāo)的影響

將二段磨礦時(shí)間為8 min的磨礦產(chǎn)品進(jìn)行磁選試驗(yàn),給礦產(chǎn)品中-30 μm含量為73.33%。表3為添加和不添加1 kg/t三聚磷酸鈉情況下磁選精礦的分選指標(biāo)。

表3 三聚磷酸鈉對(duì)分選指標(biāo)的影響Table 3 Influence of sodium tripolyphosphate on separation indexes %

從表3可以看出:磨礦過(guò)程中添加1 kg/t三聚磷酸鈉的情況下,磁選后的精礦品位相較于不添加三聚磷酸鈉提高了2.55個(gè)百分點(diǎn),回收率則略有下降。由于在細(xì)磨過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量細(xì)粒級(jí)顆粒,這些顆粒比表面積大,表面能較高,容易產(chǎn)生團(tuán)聚[8],導(dǎo)致有用礦物和脈石顆粒間互相夾雜,影響精礦產(chǎn)品指標(biāo)。三聚磷酸鈉為分散劑類(lèi)助磨劑,在磁選中,能夠弱化細(xì)粒級(jí)顆粒之間的團(tuán)聚[9],使磁鐵礦與脈石更易分離,提高精礦品位。

3 機(jī)理分析

3.1 三聚磷酸鈉在磁鐵礦表面的吸附特性

用傅立葉交換紅外光譜儀檢測(cè)三聚磷酸鈉在磁鐵礦表面的吸附特性,添加三聚磷酸鈉和不添加三聚磷酸鈉的紅外光譜如圖4所示。

圖4 磁鐵礦粗精礦與三聚磷酸鈉作用前后的紅外光譜Fig.4 Infrared spectra of coarse magnetite concentrate before and after interaction with sodium tripolyphosphate

由圖4可知:三聚磷酸鈉與磁鐵礦發(fā)生作用后,顆粒表面羥基吸收峰發(fā)生變化,3 425.10 cm-1處吸收峰消失,P—O—(X)從1 062.6 cm-1處平移到1 024.1 cm-1處,說(shuō)明有氫鍵形成。三聚磷酸鈉分子中存在著P＝O鍵,在礦漿中,與水分子之間形成氫鍵從而吸附于磁鐵礦顆粒表面,吸附在礦物結(jié)構(gòu)表面的助磨劑小分子很容易進(jìn)入礦物相內(nèi)部的層狀空隙,在層片上吸附,這樣在粉磨時(shí),礦物結(jié)構(gòu)內(nèi)部相當(dāng)于包裹上一層潤(rùn)滑劑,礦物結(jié)構(gòu)層與層之間很容易出現(xiàn)滑移,使礦石更易磨碎。

3.2 三聚磷酸鈉對(duì)礦漿黏度的影響

室溫條件下,用DVS旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量礦漿的黏度,礦漿濃度與球磨機(jī)磨礦濃度保持一致,分別測(cè)量不同三聚磷酸鈉用量條件下的礦漿黏度,結(jié)果如圖5所示。

圖5 三聚磷酸鈉用量對(duì)礦漿黏度的影響Fig.5 Influence of sodium tripolyphosphate dosage on pulp viscosity

由圖5可知:未加助磨劑時(shí),礦漿黏度最大,為1 563 mPa·s;加入助磨劑后,礦漿黏度迅速降低,當(dāng)三聚磷酸鈉用量為1 kg/t時(shí),礦漿黏度降低到724 mPa·s;繼續(xù)增加三聚磷酸鈉用量,礦漿黏度雖然還在繼續(xù)減小,但是減小的趨勢(shì)變得緩慢。

在一定的磨礦濃度下,降低黏度有助于提高磨礦效率。磁鐵礦在細(xì)磨過(guò)程中,隨著顆粒變細(xì),比表面積和表面能增大,顆粒間相互作用力增大,容易相互吸附、黏結(jié),不利于粉碎。助磨劑能改善礦漿的流動(dòng)性,是因?yàn)殡S著粉磨的進(jìn)行,助磨劑與礦物顆粒發(fā)生物理和化學(xué)吸附,由于助磨劑分子的吸附,降低了顆粒的表面能,從而增加了礦漿的流動(dòng)性,防止了細(xì)粒級(jí)顆粒的再次團(tuán)聚[10],使礦漿處于相對(duì)穩(wěn)定的分散狀態(tài)。

3.3 三聚磷酸鈉對(duì)磨礦產(chǎn)品形貌的影響

圖6為三聚磷酸鈉對(duì)磁鐵礦磨礦產(chǎn)品形貌的影響。通過(guò)對(duì)比可知:在磨細(xì)過(guò)程中,未加入三聚磷酸鈉時(shí),磨礦產(chǎn)品顆粒表面趨于光滑,裂隙較少;加入三聚磷酸鈉之后,在三聚磷酸鈉的侵蝕作用下,原本光滑的磁鐵礦顆粒表面變得凹凸不平,分布著大量新的空隙和裂縫,從而降低了顆粒表面硬度。在磨礦的過(guò)程中,磁鐵礦顆粒表面不飽和鍵能不斷累積[11],導(dǎo)致助磨劑分子自發(fā)地在其表面發(fā)生化學(xué)吸附,降低了礦物顆粒的表面自由能,從而導(dǎo)致鍵合力的減弱,在單分子層的吸附下,顆粒之間相當(dāng)于有潤(rùn)滑介質(zhì)的存在,可以減少粉末過(guò)程中的顆粒團(tuán)聚和靜電吸附,顆粒上現(xiàn)存裂縫形成吸附層后更易擴(kuò)展,使破壞它的外力減小。與此同時(shí),裂縫形成后,儲(chǔ)在礦物顆粒體內(nèi)的形變能繼續(xù)使裂縫擴(kuò)展并生成斷面,三聚磷酸鈉可加速磁鐵礦顆粒裂縫的擴(kuò)展。另一方面,在裂縫擴(kuò)展的過(guò)程中,助磨劑分子起到“楔入粒子”的作用,防止新生裂縫的再閉合,加快粉碎過(guò)程,進(jìn)而提高磨礦效率[12]。

4 結(jié) 論

(1)要實(shí)現(xiàn)微細(xì)粒嵌布磁鐵礦單體解離難度較大,使用三聚磷酸鈉可以明顯提高其磨礦效果。當(dāng)磨礦產(chǎn)品中-30 μm含量達(dá)到73.33%時(shí),加入1 kg/t的三聚磷酸鈉可以縮短30.43%的磨礦時(shí)間,降低了磨礦能耗。

(2)在其他條件相同的情況下,磨礦過(guò)程中添加1 kg/t的三聚磷酸鈉能夠使磨礦產(chǎn)品中-30 μm含量提高12.65個(gè)百分點(diǎn),-30 μm粒級(jí)比生產(chǎn)率和磨礦效率相較于不加三聚磷酸鈉時(shí)分別上升了36.36%和34.54%。

(3)磨礦過(guò)程中添加1 kg/t的三聚磷酸鈉能夠使磨礦產(chǎn)品中磁鐵礦的解離度提高5.81個(gè)百分點(diǎn),同時(shí)磁選精礦的品位相較于不添加三聚磷酸鈉時(shí)提高了2.55個(gè)百分點(diǎn)。

(4)三聚磷酸鈉通過(guò)降低礦漿的黏度、改變礦粒表面的吸附特性、減少礦粒表面吸附的微細(xì)礦粒、增加礦粒表面的微細(xì)裂隙等方式促進(jìn)磁鐵礦顆粒的粉碎,提高了磨礦效率。