鋁硅礦物旋流分選特性與機理分析

高淑玲,魏德洲,劉文剛,馬龍秋

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

鋁土礦是生產(chǎn)氧化鋁的重要原料，也是其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。我國的鋁土礦資源以一水硬鋁石型為主，其主要特征是高鋁、高硅、低鋁硅比、礦物組成復(fù)雜,并且含鋁礦物和含硅礦物間的嵌布關(guān)系密切。這導(dǎo)致氧化鋁的生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品質(zhì)量差。為了適應(yīng)氧化鋁拜耳法對其原料的要求，進(jìn)行鋁土礦選礦脫硅的研究和實踐近年來得到了廣泛重視[1-5]。

作為分選的一種有效作用力，應(yīng)用離心力來強化微細(xì)顆粒的分選，越來越被認(rèn)為是一種重要的發(fā)展途徑。旋流器是利用離心力與重力復(fù)合力場的典型設(shè)備，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、運行費用低、處理工藝簡單等優(yōu)勢，而被廣泛用于礦業(yè)、化學(xué)、石油、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的固-固、固-液、液-液、固-氣等多種單元分離過程[6-11]。為了探討一水硬鋁石型鋁土礦中的鋁硅礦物能否在旋流力場中實現(xiàn)有效分離，本文通過改變錐角、底流口直徑、給礦壓強三個主要參數(shù)，來考察鋁硅礦物顆粒的旋流分選特性，并根據(jù)分選產(chǎn)物的礦漿體積產(chǎn)率和固體質(zhì)量產(chǎn)率的變化趨勢進(jìn)行機理分析。

1 試驗原料與方法

1.1 試驗原料

試驗所用礦樣為來自河南長城鋁業(yè)公司的低鋁硅比鋁土礦，其化學(xué)成分分析、化學(xué)物相分析及礦物組成，分別如表1、表2和表3所示。

表1 礦石的化學(xué)成分分析結(jié)果

由表1可看出，該礦石中Al2O3的含量為59.80%，SiO2的含量為13.62%，鋁硅比(A/S)為4.39。礦石中雜質(zhì)元素Fe、TiO2的含量分別為5.37%、3.12%，含量較高。

表2 礦石中Al2O3的化學(xué)物相分析結(jié)果(%)

表2 表明，一水硬鋁石為該鋁土礦中主要含鋁的成分，其占有率為84.21%，其他含鋁的礦物的占有率之和為15.79%。

表3 礦石的礦物組成及含量

表3中的結(jié)果表明，礦石中的含鋁礦物主要由一水硬鋁石、少量一水軟鋁石及微量的三水鋁石和鋁凝膠組成；含硅脈石礦物主要由高嶺石、綠泥石、伊利石和石英組成；硫化礦物主要是黃鐵礦；鐵礦物主要包括針鐵礦、水針鐵礦和赤鐵礦；鈦礦物主要由銳鈦礦、金紅石、板鈦礦和榍石組成；此外，還含有方解石等其他脈石礦物。

1.2 試驗研究方法

首先稱取一定量的礦樣，用球磨機磨至試驗所需要的粒度，然后對其進(jìn)行旋流分選試驗，旋流分選試驗設(shè)備聯(lián)系圖，如圖1所示。

進(jìn)行旋流分選試驗時，首先將礦漿調(diào)至合適的濃度，然后打開渣漿泵，把礦漿送入旋流器中進(jìn)行分選。給礦壓強通過閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用壓力表同步檢測。待系統(tǒng)運行平穩(wěn)后，取原礦、溢流及底流產(chǎn)品樣，分別量取礦漿體積后，烘干、稱重，并進(jìn)行化學(xué)成分分析，然后分別計算產(chǎn)品的產(chǎn)率、鋁硅比及回收率等指標(biāo)。

圖1 旋流分選試驗設(shè)備聯(lián)系圖1.φ75mm旋流器；2.攪拌桶；3.渣漿泵；4.壓力表；5.放料閥；6.進(jìn)料閥；7.出料閥；8.給礦取樣閥；9.溢流取樣閥

2 試驗結(jié)果

2.1 采用不同錐角時底流口直徑對鋁硅礦物旋流分選效果的影響

在旋流器溢流口直徑為17mm、給礦壓強為0.4MPa、給礦濃度為10%、給礦粒度為-0.074mm粒級含量占61.91%的試驗條件下，分別采用7°、11°、15°、19°的錐角，逐一考察底流口直徑對鋁土礦旋流分選效果的影響，試驗結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2可以看出，對于同一錐角而言，隨著底流口直徑的增大，鋁硅比基本呈下降趨勢。采用不同錐角時，底流口直徑對底流A/S的影響程度也是不同的，對錐角11°、15°、19°而言，隨著底流口直徑的逐漸增大，這些指標(biāo)的變化趨勢很顯著；而采用7°錐角時，呈現(xiàn)的變化趨勢則要平緩得多，且在一些點處出現(xiàn)了與整體變化趨勢相反的情況，例如，當(dāng)?shù)琢骺谥睆接?mm變?yōu)?mm時，底流的鋁硅比有一定幅度的上升，而不是下降。這表明，錐角較小時，適當(dāng)增加底流口直徑有利于分選過程的進(jìn)行。

圖2中的結(jié)果還表明，采用11°錐角時，在大部分底流口直徑條件下，均能獲得比采用其他錐角更高的鋁硅比。當(dāng)其底流口直徑為6mm時，底流產(chǎn)品的鋁硅比為6.87，比其他試驗條件的都高一些。

根據(jù)圖3可知，對于同一錐角而言，隨底流口直徑的增大，溢流的鋁硅比呈下降趨勢；對于不同錐角而言，曲線的變化趨勢大體相同，但變化幅度不同，尤其是采用19°錐角時，溢流的鋁硅比曲線，與其他3條曲線相比要平緩一些，而且在各個底流口直徑條件下獲得的溢流的鋁硅比均比采用其他錐角時的高；錐角為7°時，溢流的鋁硅比基本上為最低。溢流的鋁硅比基本上隨著錐角的減小而降低。

從圖3可以看出，在各個錐角條件下，隨著底流口直徑的增大，底流中Al2O3的回收率均呈逐漸升高的趨勢，即當(dāng)?shù)琢骺谥睆綖?6mm時，底流中Al2O3的回收率達(dá)到最大值。圖3的試驗結(jié)果還表明，采用19°錐角時，在各個底流口直徑條件下，底流中Al2O3的回收率基本上為最低；采用7°錐角時，底流中Al2O3的回收率則基本為最高，當(dāng)其底流口直徑為16mm時，底流中Al2O3的回收率高達(dá)90.10%。

2.2 采用不同錐角時給礦壓強對鋁土礦分選效果的影響

在旋流器溢流口直徑為17mm、給礦濃度為10%、給礦粒度為-0.074mm粒級含量占 61.90%的條件下，分別采用7°、11°、15°、19°的錐角(相應(yīng)的錐比為8/17、6/17、6/17、6/17)，分析了給礦壓強對鋁土礦旋流分選效果的影響，試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖2 底流口直徑對底流A/S的影響

圖3 底流口直徑對底流中Al2O3回收率的影響

圖4 給礦壓強對底流A/S的影響

由圖4中的試驗結(jié)果可以看出，采用11°錐角時，隨著給礦壓強的逐漸增大，底流的鋁硅比呈現(xiàn)先升高、后略微下降的趨勢，當(dāng)給礦壓強為0.3MPa時，底流的鋁硅比達(dá)最高值(7.37)；采用19°錐角時，隨著給礦壓強的增大，底流的鋁硅比逐漸減小；采用15°和7°錐角時，底流鋁硅比的變化趨勢則不是很明顯。可見，采用不同錐角時，給礦壓強對底流鋁硅比的影響規(guī)律有所不同，這從某種程度上說明，錐角與給礦壓強對鋁硅礦物的旋流分選過程存在著一定的交互影響。

由圖5可以看出，采用4種不同的錐角時，底流中Al2O3的回收率隨著給礦壓強的增大而增大，當(dāng)給礦壓強為0.4MPa時, 底流中Al2O3的回收率最高；采用7°錐角時的試驗數(shù)據(jù)與采用其他3個錐角時的試驗數(shù)據(jù)差異明顯，底流中Al2O3的回收率明顯較高，當(dāng)其給礦壓強為0.4MPa時，底流中Al2O3的回收率達(dá)最高值(87.01%)；當(dāng)采用11°、15°和19°錐角時，底流中Al2O3的回收率則相對較低，并且數(shù)值較為接近；在給礦壓強相同時，底流中Al2O3的回收率基本上隨著錐角的增大而降低。

3 機理分析與討論

為了分析各參數(shù)對液相及礦物顆粒運動行為的影響，考察了溢流體積產(chǎn)率及固體產(chǎn)率隨之變化的情況，分別見圖6、圖7。

由圖6可以看出，對于同一錐角而言，隨著底流口直徑的增大，溢流體積產(chǎn)率和溢流固體產(chǎn)率均呈下降趨勢。這是因為，礦漿在旋流器內(nèi)的運動存在一個軸向零速包絡(luò)面(LZVV)，它在空間的位置決定了分級粒度的大小，而底流口直徑的增大會使軸向零速包絡(luò)面向旋流器的中軸線收縮，從而使內(nèi)旋流的流量相對減少；對于不同錐角而言，曲線的變化趨勢相同，溢流體積產(chǎn)率基本上隨著錐角的減小而降低，但降低幅度不大；溢流固體產(chǎn)率也基本上隨著錐角的減小而降低，尤其是當(dāng)?shù)琢骺谥睆捷^小時，采用7°錐角時的溢流固體產(chǎn)率明顯比采用其他3個錐角時的小。可見，當(dāng)采用的錐角減小到一定程度后，分級粒度的減小趨勢將更加明顯，導(dǎo)致進(jìn)入溢流的顆粒數(shù)量也明顯減少。

以上分析表明，底流口直徑增大后，Al2O3品位較低的微細(xì)粒級從溢流排出的量相應(yīng)減少，而進(jìn)入底流的量相應(yīng)增加。這一方面使溢流產(chǎn)物的鋁硅比不斷降低，底流產(chǎn)物中Al2O3的回收率有所提高；另一方面使得底流中Al2O3的品位及鋁硅比降低，分選精確度及效果明顯變差。

圖5 給礦壓強對底流中Al2O3回收率的影響

圖6 底流口直徑對溢流體積產(chǎn)率的影響

圖7 給礦壓強對溢流體積產(chǎn)率的影響

由圖7可見，給礦壓強增大后，溢流體積產(chǎn)率變化不大，而溢流固體產(chǎn)率的下降趨勢則較為明顯。產(chǎn)率的變化趨勢說明，給礦壓強的改變基本不影響軸向零速包絡(luò)面的空間位置，液流在底流和溢流的分配率基本保持恒定；增大錐角可使軸向零速包絡(luò)面向外擴展，液流進(jìn)入溢流的量增加；增大給礦壓強，顆粒的慣性離心力增大，跟隨液相進(jìn)入溢流的幾率減小，所以溢流的固體產(chǎn)率會相應(yīng)降低。

根據(jù)上述結(jié)果可知，給礦壓強增大時，礦漿在底流和溢流中的分配比例基本保持恒定，但顆粒的慣性離心力增大，因此其跟隨液相進(jìn)入溢流的幾率減小，使得溢流的固體產(chǎn)率降低，鋁硅比也不斷降低。在錐角一定時，增大給礦壓強可對旋流分選產(chǎn)生有利影響，使分選效果得以改善。

4 結(jié) 論

1) 增大底流口直徑，溢流體積產(chǎn)率降低，溢流固體產(chǎn)率隨之相應(yīng)減少。底流口直徑的增大還使底流中Al2O3的品位及鋁硅比下降，SiO2的品位上升；使溢流中Al2O3的品位及鋁硅比下降，SiO2的品位上升；盡管底流中Al2O3的回收率有所提高，但是分選的精確度下降。

2) 增大給礦壓強，液流在底流和溢流中的分配率基本保持恒定，但顆粒所受到的離心慣性力增大，跟隨液相進(jìn)入溢流的幾率減小，所以溢流的固體產(chǎn)率降低，其鋁硅比也不斷降低；底流中Al2O3的回收率則隨著給礦壓強的增大而增大，而底流產(chǎn)物的鋁硅比則因給礦壓強和錐角的交互影響而呈現(xiàn)不同的變化趨勢。

3) 增大錐角可使礦漿進(jìn)入溢流的量增加，溢流的固體產(chǎn)率相應(yīng)增加；與采用其他錐角時的情況比較，采用7°錐角更適于鋁土礦脫泥作業(yè)的進(jìn)行。

[1] Li H P, Hu Y H, Wang D Z, et.al. Effect of hydroxamic acid polymers on reverse flotation of bauxite[J]. J.CENT.SOUTHUNIV.TECHNOL, 2004, 11(3): 291-294.

[2] Zhao S M, Wang D Z, Hu Y H, et.al. The flotation behaviour of N-(3-aminopropy1)-dodecanamide on three aluminosilicates[J]. Minerals Engineering, 2003, 16(12):1391-1395.

[3] Song S X, Alejandro L V, Lu S C, et.al. Selective dispersion in diaspore-rutile suspension by sodium fluorosilicate[J]. Powder Technology, 2002, 123(2/3):178-184.

[4] 王大鵬，劉炯天，周長春，等.旋流-靜態(tài)微泡浮選柱分選鋁土礦的半工業(yè)試驗[J].金屬礦山，2009，394(4)：46-49.

[5] 歐樂明，馮其明，盧毅屏,等.鋁土礦碎解方式與鋁硅礦物選擇性分離[J].金屬礦山，2005，344(2)：28-31.

[6] 汪太平.水力旋流器在銅山礦業(yè)公司的應(yīng)用 [J].現(xiàn)代礦業(yè)，2009，480(4)：110-111.

[7] 姚齊國.旋流技術(shù)在船舶油污水分離中的應(yīng)用[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報，2008，26(6)：770-772.

[8] 張士瑞，薛敦松. 應(yīng)用微型旋流器脫除催化裂化油漿殘留固體的初步研究[J].石油煉制與化工，2007，38(9)：65-68.

[9] 王富平，全學(xué)軍，趙清華,等. 水力噴射空氣旋流分離器脫氨[J].化工學(xué)報，2009，60(5)：1186-1192.

[10] 洪彩霞，袁惠新.旋流技術(shù)在強化多相流反應(yīng)過程中的應(yīng)用[J].化工進(jìn)展，2008，27(9)：1328-1331.

[11] 谷新春，王偉文，王立新,等.環(huán)流式旋風(fēng)除塵器內(nèi)流場的數(shù)值模擬[J].高等化學(xué)工程學(xué)報，2007，21(3):411-416.