低品位尾礦中錳資源的磁選回收利用

王華慶， 張樹光， 李江山

(1.遼寧工程技術大學 土木與交通學院， 遼寧 阜新 123000； 2.中國科學院 武漢巖土力學研究所， 武漢 430000)

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低品位尾礦中錳資源的磁選回收利用

王華慶1，2， 張樹光1， 李江山2*

(1.遼寧工程技術大學 土木與交通學院， 遼寧 阜新 123000； 2.中國科學院 武漢巖土力學研究所， 武漢 430000)

采用自主研發的高梯度水平勵磁永磁磁輥對低品位碳酸錳尾礦進行濕式磁選試驗，研究磨礦細度、磁場強度和礦漿濃度對濕式磁選效果的影響，從而獲得富錳效果最佳的工藝參數.研究結果表明：與傳統垂直勵磁磁輥相比，水平勵磁磁輥可顯著提高錳品位與錳回收率，降低漏選率；在磨礦細度為80%，磁場強度為796.18 kA/m、礦漿濃度為20%的工藝參數下錳精礦品位可達到21%以上，錳回收率達到86%以上，在低品位尾礦有價金屬資源回收利用方面工程的應用價值巨大.

低品位； 水平勵磁； 磁選； 錳精礦品位； 錳回收率

湖南省永州市零陵區錳礦石資源極為豐富，是湖南主要產錳區之一，有“湘南錳都”之稱，區內錳礦石分布點多面廣，開發利用潛力巨大.但錳礦床規模以中、小型為主，小礦多、大礦少，貧礦多、富礦少，共生礦多、單一礦少，難選礦多、易選礦少，錳品位普遍較低，符合國際商品級富礦Mn48%的根本沒有，并且磷、硫等有害元素含量較高，礦石結構復雜，有相當數量的選礦尾礦由于品位低、雜質多，二次利用成本高直接被用做充填材料、建筑用磚、筑路材料使用，造成錳資源的極度浪費[1-2].

當前低品位碳酸錳尾礦的提純富錳方法主要包括強磁選、浮選、化學浸出等.張紅新等[3]采用分級磁選工藝可將錳品位為14.80%的碳酸錳尾礦提高到20.15%，錳回收率可達到91.42%；鄧慶玲等[4]采用YHXTG-4012型永磁干式磁選機可將原礦品位為15.93%的碳酸錳尾礦提高到22.22%，錳回收率達到86.95%，效果顯著；曹雪鋒等[5]以油酸為捕收劑、SDBS為增效劑、水玻璃為抑制劑、碳酸鈉為pH調整劑對錳品位為10.45%的低品位碳酸錳礦進行浮選處理，在磨礦細度為-0.074 mm占90%的條件下可獲得錳品位為17.10%、錳回收率為87.65%的錳精礦；鄒松等[6]采用一粗三精二掃、中礦順序返回的工藝對錳品位為12.35%的碳酸錳尾礦進行浮選處理，可獲得錳品位為16.92%、錳回收率為85.13%的錳精礦；周曉艷等[7]用兩段浸出工藝處理碳酸錳尾礦，錳總浸出率可達到96.59%，效果顯著.

綜上所述，隨著礦產資源的急劇消耗，回收利用碳酸錳尾礦中的錳資源是未來發展趨勢，但是目前國內對錳品位為10%以上的碳酸錳尾礦研究較多，低于10%的碳酸錳尾礦研究很少，而且湖南永州零陵區錳品位低于10%的碳酸錳選礦尾礦儲量巨大，因此有必要采用一種成本低、操作簡便的選礦方法對錳資源進行回收利用.大量工程實踐證明，強磁選較浮選、浸出等選礦工藝成本低、操作簡便、效果好，適合低品位選礦尾礦的有價金屬資源回收[8]，但目前磁選機普遍采用垂直勵磁磁輥，該勵磁磁輥存在場強低、漏選率高等問題，難以應用于錳品位低于10%選礦尾礦的富錳提純[9].

基于當前錳資源回收現狀，本文采用自主研發的高梯度水平勵磁永磁磁輥對低品位尾礦進行濕式磁選試驗，以中國湖南永州零陵區東湘錳業公司的低品位碳酸錳尾礦為例，研究濕式磁選主要影響因素：磨礦細度、磁場強度與礦漿濃度對富錳提純效果的影響，從而獲得效果最佳的工藝參數.

1 材料和方法

1.1 水平勵磁磁輥

為了提高磁輥的磁能級和梯度，增強其對弱磁性礦物的分選能力，垂直勵磁磁輥普遍采用與芯軸同軸心、且沿芯軸軸向并列布置的圓形磁片或扇形磁片進行組合，相鄰圓形磁片或扇形磁片所對應的磁極極性相同，圓形磁片或扇形磁片間夾有高導磁激磁材料，由此聚合成軸向排列的勵磁磁輥.由于該結構勵磁磁輥的磁力線在其工作面上沿軸向呈正弦分布，沿圓周方向呈等值分布，每一磁片的邊端磁場最高，而中間磁場為零，在磁選過程中，磁輥磁力峰值不可能均衡地對所有的礦物單體產生作用.試驗數據表明：垂直勵磁磁輥的磁場峰值利用率低于50%，導致礦物漏選率高，精礦的錳回收率和品位低[10].

為解決上述問題，本文設計了水平勵磁磁輥(如圖1所示).軸芯的外面同軸心套裝有磁扼輥筒，其外圓筒壁上均勻開設有一圈軸向平行排列的、用于固定雙燕尾形永磁條的一級燕尾槽.相鄰雙燕尾形永磁條之間形成二級燕尾槽，其中嵌有與其形狀相匹配的單燕尾形永磁條，單燕尾形永磁條和雙燕尾永磁條間設有勵磁磁靴(鐵片).磁扼輥筒、永磁條通過法蘭盤與磁輥芯軸連為一體.

所設計的雙燕尾形永磁條和單燕尾形永磁條組合磁系的磁力線沿軸向等值分布，沿圓周方法周期性變化，可充分發揮勵磁磁輥磁力線峰值的作用，提高所選錳精礦品位，增大錳回收率和減少漏選率.所設計的雙燕尾形永磁條牢靠地嵌置在磁扼輥筒上的一級燕尾槽中，單燕尾形永磁條又牢靠地嵌置在二級燕尾槽中，其結構簡單、安裝方便、連接穩定、定位精確，增加了磁輥的安全性和可靠性，延長磁輥的使用壽命.自主研發的高梯度水平勵磁永磁磁輥如圖2所示，所用磁選機技術參數見表1.

1：磁輥軸芯；2：螺栓；3：磁軛輥筒；4：法蘭盤；5:雙燕尾磁條；6:單燕尾磁條；7:激磁磁靴.

圖2 水平勵磁磁輥Fig.2 Magnetic roller of horizontal excitation

表1 磁選機技術參數Tab.1 Technical parameters of magnetic separator

1.2 材料

試驗中所用碳酸錳尾礦(簡稱為尾礦)取自湖南永州零陵區東湘錳業公司，如圖3所示.

圖3 尾礦試樣Fig.3 The sample of tailings

由圖3可知，該碳酸錳尾礦屬于海相沉積原生類礦石，氧化程度較深造成礦石表面呈煙褐色，尾礦粒徑普遍分布在0.025～100 mm.

將該尾礦水洗除雜后烘干，采用顎式破碎機將尾礦逐級破碎至2 mm以下，然后將經立式行星球磨機球磨后的礦粉過200目篩，取1～2 g分別用德國布魯克公司的D8 Advance型X-ray diffractometer和荷蘭 PANalytical B.V.公司的Axios advanced型X射線熒光光譜分析儀測定尾礦的礦物成分與化學元素[11]，尾礦XRD圖譜如圖4所示，尾礦化學多元素分析見表 2.

圖4 尾礦XRD圖譜Fig.4 XRD of tailings

表2 尾礦化學多元素分析結果Tab.2 Results of tailings by chemical multi-element analysis %

由圖4可知，該尾礦中錳元素是以鐵錳云石(Mn(Fe， Mg)CO3)狀態存在，自然條件下Fe2+、Mg2+易與Mn2+發生等價離子置換，即類質同像，這是碳酸錳在礦物中賦存的主要形式，也是錳礦石中雜質較多的主要原因，該尾礦中脈石礦物主要有伊利石(K(Al4Si2O9)(OH)3)、石英(SiO2)、石膏(CaSO4·2H2O)、黃鐵礦(FeS2)等；由表2可知，該尾礦主要有Mg、Ca、Mn、Fe等元素和SiO2、Al2O3等氧化物，其中Mg元素含量達到38.29%，說明該碳酸錳尾礦中Mn、Fe類質同像現象嚴重，Mn元素不易分離，屬于難選尾礦.

1.3 試驗方法

使用PE150*250型顎式破碎機(出料粒度為10～40 mm)將大塊尾礦進行破碎，繼續用Φ900*1800型濕式球磨機(出料粒度為0.025～2 mm)對其進行球磨，最后使用Cersm200*300型水平勵磁永磁強磁選機對湖南永州東湘錳業公司的低品位碳酸錳尾礦進行濕式磁選試驗，探究濕式磁選主要影響因素：磨礦細度、磁場強度與礦漿濃度對富錳提純效果的影響，磁選試驗工藝參數見表3.試驗中統一采用美國尼通生產的XL2-500型便攜式元素分析儀對分選前后的礦物品位進行測定，每次試驗進行3次，結果取平均值.

表3 磁選工藝參數Tab.3 Parameters of magnetic separation

注：磨礦細度表示200目以下礦粉所占比例．

2 試驗結果及分析

2.1 垂直勵磁永磁磁輥磁選試驗

2.1.1 磨礦細度對磁選效果的影響 試驗中固定磁選機磁輥轉速為180 r/min，每份樣品質量為500 g，礦漿下流速度為0.87 L/min，沖洗水流速度為18.39 L/min，磁場強度為875.80 kA/m，礦漿濃度為30%，試驗結果如圖5所示.

圖5 不同磨礦細度下磁選試驗結果Fig.5 Results of magnetic separation under different slag fineness

由圖5可知，錳品位隨磨礦細度升高逐漸提高，錳回收率隨磨礦細度升高逐漸降低，當磨礦細度大于90%時，錳品位曲線逐漸趨于平緩，變化基本穩定，由磁場力公式可知，錳精礦所受磁場力與比磁化系數成正比，比磁化系數與錳精礦品位成正比，磨礦細度的提高使得錳精礦品位顯著提高，但會導致錳精礦顆粒無法克服自身重力和水流阻力而造成流失，錳回收率下降[12].考慮到磨礦成本，因此該尾礦的最佳入料磨礦細度在90%以上，即200目篩下礦粉所占比例大于或等于90%，此時可獲得錳品位為10.63%，錳回收率為52.03%的錳精礦.

2.1.2 磁場強度對磁選效果的影響 試驗中磨礦細度在90%以上，試驗結果如圖6所示.

圖6 不同磁場強度下磁選試驗結果Fig.6 Results of magnetic separation under different magnetic filed intensity

由圖6可知，錳品位隨磁場強度升高逐漸降低，錳回收率則完全相反，當磁場強度小于796.18 kA/m時錳品位基本穩定.磁選過程中，磁場強度的升高會使脈石礦物被夾帶進入精礦的可能性變大，降低了錳精礦品位，但提高了錳回收率[13]，考慮到錳回收率，磁場強度為796.18 kA/m時磁選效果最佳，此時錳精礦品位達到12.47%，錳回收率達到59.13%.

2.1.3 礦漿濃度對磁選效果的影響 磨礦細度在90%以上，磁場強度為796.18 kA/m，試驗結果如圖7所示.

圖7 不同礦漿濃度下磁選試驗結果Fig.7 Results of magnetic separation under different concentration

由圖7可知，錳品位和錳回收率均隨礦漿濃度的升高逐漸降低，當濃度低于20%時，錳品位和錳回收率曲線較平緩，濃度高于20%時曲線坡度變陡，下降明顯加快，因此當礦漿濃度為20%時，磁選效果最好，此時錳精礦品位達到14.05%，錳回收率達到65.45%.

2.2 水平勵磁永磁磁輥磁選試驗

2.2.1 磨礦細度對磁選效果的影響 工藝參數同2.1.1，試驗結果如圖8所示.

圖8 不同磨礦細度下磁選試驗結果Fig.8 Results of magnetic separation under different slag fineness

由圖8可知，錳品位隨磨礦細度逐漸提高，錳回收率隨磨礦細度逐漸降低，當磨礦細度大于80%時錳品位與錳回收率基本穩定，此時可得到錳品位為14.18%，錳回收率為81.84%的精錳礦，最佳礦粉入料細度取80%.

2.2.2 磁場強度對磁選效果的影響 磨礦細度在80%以上，試驗結果如圖9所示.

圖9 不同磁場強度下磁選試驗結果Fig.9 Results of magnetic separation under different magnetic filed intensity

由圖9可知，磁場強度小于796.18 kA/m時錳精礦品位逐漸趨于穩定，考慮到磁場強度大于796.18 kA/m時錳品位下降較快，最佳磁選強度取796.18 kA/m，此時錳精礦品位達到19.31%，錳回收率達到84.5%.

2.2.3 礦漿濃度對磁選效果的影響 磨礦細度大于80%，磁場強度為796.18 kA/m，試驗結果如圖10所示.

圖10 不同礦漿濃度下磁選試驗結果Fig.10 Results of magnetic separation under different concentration

從圖10可知，錳品位與錳回收率隨礦漿濃度變化趨勢基本一致，當礦漿濃度小于20%時，錳品位與錳回收率趨于穩定，因此取礦漿濃度為20%，此時錳精礦品位達到21.03%，錳回收率達到86.21%.

3 討論

分別在磨礦細度為90%、磁場強度為796.18 kA/m、礦漿濃度為20%和磨礦細度為80%、磁場強度為796.18 kA/m、礦漿濃度為20%下應用垂直勵磁磁輥和水平勵磁磁輥對該碳酸錳尾礦進行濕式磁選試驗，每組試驗重復3次，結果取平均值，試驗結果見表4.

表4 濕式磁選試驗結果Tab.4 Comparison of wet magnetic separation experimental results

由表4看出，在最優磨礦細度、磁場強度和礦漿濃度的濕式磁選工藝參數下，經水平勵磁磁輥磁選后的錳品位和錳回收率，分別高出垂直勵磁磁輥7%、20%，符合對錳精礦進一步加工提純的工程標準[15]，而且水平勵磁磁輥對磨礦細度的要求更低，可有效降低工藝成本，因此該水平勵磁磁輥適用于低品位尾礦有價金屬資源的回收利用.

4 結論

1)與傳統垂直勵磁磁輥相比，水平勵磁磁輥可顯著提高錳品位與錳回收率，降低漏選率，排雜提純能力增強，適用于低品位尾礦有價金屬資源的回收利用．

2)應用該高梯度水平勵磁永磁磁輥在磨礦細度為80%，磁場強度為796.18 kA/m、礦漿濃度為20%的工藝參數下對錳品位為7.02%的低品位碳酸錳尾礦進行濕式磁選試驗，可使錳精礦品位達到21%以上，錳回收率達到 86%以上．

3)接下來將進一步對磁選工藝參數進行優化，加深對磁選機理的探索研究.

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Recycling manganese resource by magnetic separation from low-grade tailings

WANG Huaqing1，2， ZHANG Shuguang1， LI Jiangshan2

(1.Institute of Civil and Traffic Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin, Liaoning 123000;2.Institute of Rock and Soil Mechanics， Chinese Academy of Sciences， Wuhan 430000)

Wet magnetic separation experiment was carried out on low-grade manganese carbonate tailings by self-developed magnetic roller which is of permanently high gradient and horizontal excitation. Grinding fineness， magnetic field intensity and pulp density were studied on the effect of magnetic separation to obtain the best parameters. The results showed that the magnetic roller of horizontal excitation increased manganese concentrate grade and recovery and decreased manganese missing rate significantly comparing with the magnetic roller of vertical excitation. Manganese concentrate grade and manganese recovery was increased to more than 21% and 86%, respectively, under the parameters that slag fitness is 80%， magnetic field intensity is 796.18 kA/m and pulp density is 20%. These indicated that the magnetic roller of horizontal excitation is of great engineering application in recycling valuable metals resource．

low-grade; horizontal excitation; magnetic separation; manganese concentrate grade; manganese recovery

2015-03-29.

國家重大水專項課題(2011ZX07104-002-02)； 國家自然科學基金項目(51274109).

1000-1190(2015)04-0584-06

X753< class="emphasis_bold">文獻標識碼： A

A

*通訊聯系人. E-mail: ljs_cersm@163.com； whq_cersm@163.com.