分選硫鐵礦用高密度重介懸浮液特性的分析研究

王 偉,孫華峰,李海軍

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013；2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山063012；3.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山063012)

我國煤中硫的平均含量為1.4%，硫分>2%的中高硫煤儲量占全部儲量的15%左右[1]。中高硫煤經(jīng)過洗選之后，硫大部分富集到煤矸石中，使其硫分成倍增加。目前，國內(nèi)對高硫煤矸石硫鐵礦的分選主要采用重選法，包括跳汰分選、搖床分選、旋流器分選(重介質(zhì)旋流器和大錐角水力旋流器)以及螺旋溜槽分選[2-3]。其中，重介質(zhì)旋流器分選法具有處理能力大、分選精度高等優(yōu)點，但要求配制的重介懸浮液密度較高。重介懸浮液是一種固相和液相的兩相體，是一種不均質(zhì)流體[4]，固相包括磁性物和非磁性物，液相一般是水。黏度和穩(wěn)定性是最常用于表征重介懸浮液性質(zhì)的指標(biāo)。目前，對于重介懸浮液屬于哪種流體還沒有統(tǒng)一的說法，且大多數(shù)研究都是針對選煤用低密度重介懸浮液。國內(nèi)大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，選煤用重介懸浮液近似于假塑性流體，而國外有報道稱煤泥含量較高的重介懸浮液存在明顯的屈服應(yīng)力，屬于賓漢流體[5]。鄧常烈等[6]測定了密度>2.0 g/cm3的重介懸浮液黏度，認(rèn)為該高密度重介懸浮液為賓漢流體。

與選煤常用的低密度重介懸浮液相比，高密度重介懸浮液穩(wěn)定性和流變性是否有顯著的不同，是否滿足分選要求，是一個值得研究與分析的問題。為此對高密度重介懸浮液的黏度、穩(wěn)定性與其密度和非磁性物含量之間的關(guān)系，以期找到一個合理的工藝參數(shù)范圍，為重介質(zhì)旋流器分選高硫煤矸石硫鐵礦提供依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗材料

將南桐干壩子洗選廠<0.5 mm粒級高硫煤矸石原生礦泥作為非磁性物，與磁鐵礦粉配制高密度重介懸浮液。通過排水法測得高硫煤矸石原生礦泥平均密度為2.50 g/cm3，磁鐵礦粉平均密度為5.04 g/cm3。高硫煤矸石原生礦泥和磁鐵礦粉的粒度分布見表1、表2。

表1 高硫煤矸石原生礦泥篩分試驗

表2 磁鐵礦粉粒度分布

1.2 試驗方法

所用黏度測量裝置為FUNGILAB visco star+旋轉(zhuǎn)黏度計，該型號黏度計對牛頓流體的測量精度可達(dá)到±1%，在測定時需要根據(jù)黏度大小選用合適的轉(zhuǎn)子型號和轉(zhuǎn)速[7]：黏度大的流體選用高型號轉(zhuǎn)子，低轉(zhuǎn)速；黏度小的流體選用低型號轉(zhuǎn)子，高轉(zhuǎn)速[8]。由于重介懸浮液不是均質(zhì)流體，存在不穩(wěn)定性，特別是磁鐵礦粉的快速沉降，使得測量過程中黏度讀數(shù)隨著時間的延長而逐漸增加[9]，為了測量精確，每次記錄10 s內(nèi)重介懸浮液的黏度值，每組懸浮液測量三次，取三次的平均值作為最終黏度值。

在每一組重介懸浮液黏度測量完成后，為了充分利用已配制好的重介懸浮液，將重介懸浮液再次攪拌均勻后倒入沉降量筒，進(jìn)行重介懸浮液沉降。

2 結(jié)果與討論

重介懸浮液的黏度和穩(wěn)定性與懸浮液的密度、固體容積濃度、非磁性物含量、加重質(zhì)密度和粒度組成等有關(guān)，并且常常是相互矛盾的，即黏度越大，穩(wěn)定性越好；黏度越小，穩(wěn)定性越差[10]。此研究主要探究高密度重介懸浮液密度和非磁性物含量對高密度重介懸浮液穩(wěn)定性和黏度的影響，綜合考慮找到分選高硫煤矸石硫鐵礦重介懸浮液的最佳工藝參數(shù)。

2.1 黏度特性研究

重介懸浮液的黏度與均質(zhì)液體不同，它是液體與液體、固體與固體以及固體與液體之間的內(nèi)摩擦力的體現(xiàn)[11]，重介懸浮液的密度、加重質(zhì)的粒度和形狀、非磁性物含量等均會影響懸浮液的黏度。配制的重介懸浮液具體參數(shù)見表3。

對表3中不同密度和非磁性物含量的重介懸浮液黏度進(jìn)行測定，結(jié)果如圖1、圖2所示。由圖1、圖2可知：

(1)在密度一定時，隨著非磁性物含量的增加，懸浮液的黏度值逐漸增大，且當(dāng)非磁性物含量>25%時，懸浮液的黏度值增長較快。原因在于，非磁性物含量越高，懸浮液的固體容積濃度越大，懸浮液結(jié)構(gòu)化現(xiàn)象越嚴(yán)重，使固體顆粒受到的粘滯阻力越大，黏度越高[12]。因此，在分選高硫煤矸石硫鐵礦時，高硫煤矸石原生礦泥的含量宜控制在25%以內(nèi)。

(2)在高硫煤矸石原生礦泥含量一定時，高密度重介懸浮液的黏度值也隨著懸浮液密度的增加而增加，且當(dāng)懸浮液密度<2.2 g/cm3時，懸浮液的黏度值變化相對平穩(wěn)；當(dāng)懸浮液密度>2.2 g/cm3時，懸浮液的黏度值迅速增加。

表3 配制的重介懸浮液參數(shù)

圖1 不同密度重介懸浮液黏度曲線

綜上所述，在分選高硫煤矸石硫鐵礦時，重介懸浮液的密度宜控制在2.2 g/cm3以內(nèi)，非磁性物含量宜控制在25%以內(nèi)。值得注意的是，以煤矸石原生礦泥作為非磁性物的重介懸浮液比加煤泥的重介懸浮液黏度值偏低。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是，與煤泥相比，煤矸石原生礦泥密度較高，在相同密度和非磁性物含量的條件下，固體容積濃度較低，且煤矸石泥化現(xiàn)象不嚴(yán)重。

圖2 不同非磁性物含量重介懸浮液黏度曲線

2.2 沉降特性研究

重介懸浮液是一個不穩(wěn)定體系，其中的固體顆粒會由于受到重力作用而發(fā)生沉降，需要借助外界能量來維持其各點密度的均一性，目前通常用沉降速度的倒數(shù)來表示其穩(wěn)定性[13]。影響重介懸浮液穩(wěn)定性的因素主要有加重質(zhì)的粒度和密度、懸浮液的密度、非磁性物含量和加入的藥劑。本試驗主要研究高密度重介懸浮液的密度和非磁性物含量對高密度重介懸浮液穩(wěn)定性的影響。

2.2.1 不同密度級高密度重介懸浮液沉降特性

首先研究在非磁性物含量一定時，懸浮液密度對高密度重介懸浮液沉降特性的影響。由于沉降數(shù)據(jù)量龐大，選擇了兩個具有代表性的非磁性物含量為25%和20%時的沉降特性曲線(圖3、圖4)，以此定性分析懸浮液密度對高密度重介懸浮液穩(wěn)定性的影響。

圖3 非磁性物含量為20%時高密度重介懸浮液沉降曲線

由圖3、圖4可知：

(1)在非磁性物含量一定時，高密度重介懸浮液沉降速率隨著懸浮液密度的升高而降低，穩(wěn)定性增強。原因在于，在非磁性物含量一定時，懸浮液密度越高，固體容積濃度越大，等體積懸浮液中固體顆粒數(shù)量越多，懸浮液結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化現(xiàn)象越明顯，固體顆粒在沉降過程中所受的阻力越大，沉降速率越小，穩(wěn)定性越強[14]。

(2)當(dāng)懸浮液密度<2.2 g/cm3時，沉降速率較大、穩(wěn)定性較差；當(dāng)懸浮液密度≥2.2 g/cm3時，沉降速率較小，穩(wěn)定性較好。

圖4 非磁性物含量為25%時高密度重介懸浮液沉降曲線

2.2.2 不同非磁性物含量的高密度重介懸浮液沉降特性

由于沉降數(shù)據(jù)量龐大，研究密度一定時不同非磁性物含量的高密度重介懸浮液的沉降特性，選擇了具有代表性的密度為2.1 g/cm3和2.2 g/cm3時的沉降特性曲線(圖5、圖6)，以此定性分析非磁性物含量對高密度重介懸浮液穩(wěn)定性的影響。

圖5 密度為2.1 g/cm3時高密度重介懸浮液沉降曲線

由圖5、圖6可知：

(1)當(dāng)密度相同時，隨著高密度重介懸浮液非磁性物含量的增加，懸浮液的沉降速率呈下降趨勢，穩(wěn)定性增強。原因是，非磁性物的密度低于加重質(zhì)的密度，在配制相同密度的重介懸浮液時，非磁性物含量越高，加重質(zhì)所占體積越小，固體容積濃度越大，使固體顆粒沉降受到的干擾作用越大，沉降速率越小[15]。

(2)當(dāng)非磁性物含量<25%時，懸浮液的沉降速率增加較快，尤其當(dāng)懸浮液密度<2.2 g/cm3時更為明顯；當(dāng)非磁性物含量>25%時，懸浮液沉降速率變化相對較小。

圖6 密度為2.2 g/cm3時高密度重介懸浮液沉降曲線

3 結(jié)論

通過對不同密度、非磁性物含量的高密度重介懸浮液進(jìn)行黏度測定和沉降研究，可得出以下結(jié)論：

(1)高密度重介懸浮液的黏度和穩(wěn)定性與低密度重介懸浮液具有相似的變化規(guī)律，都與懸浮液的密度和非磁性物含量息息相關(guān)，即懸浮液的密度和非磁性物含量越高，懸浮液的黏度越大，穩(wěn)定性越好；否則，反之。

(2)實際生產(chǎn)中高密度重介懸浮液在保持低黏度的同時，應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性，所以要綜合考慮選擇一個合理的工藝參數(shù)范圍。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，采用磁鐵礦粉和高硫煤矸石原生礦泥配制的高密度重介懸浮液，其密度宜控制在2.2 g/cm3以內(nèi)，非磁性物含量宜控制在25%以內(nèi)。