高壓輥磨超細粉碎對釩鈦磁鐵礦分選的影響

郭小飛，代淑娟，朱巨建，李麗匣，王洪彬

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高壓輥磨超細粉碎對釩鈦磁鐵礦分選的影響

郭小飛1，代淑娟1，朱巨建1，李麗匣2，王洪彬3, 4

(1. 遼寧科技大學 礦業工程學院，遼寧 鞍山，114051；2. 東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽，110819；3. 攀鋼集團礦業有限公司設計研究院，四川 攀枝花，617063；4. 釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室，四川 攀枝花，617063)

采用常規顎式破碎和高壓輥磨2種不同粉碎方式，進行釩鈦磁鐵礦的分選試驗，探究2種破碎方式對釩鈦磁鐵礦分選的影響，并結合粒度分析、單體解離度測試及比磁化系數分析，進一步研究高壓輥磨機在釩鈦磁鐵礦選別中的作用機理。研究結果表明：高壓輥磨機粉碎產品的粒度較小，可直接通過弱磁選將鈦磁鐵礦和鈦鐵礦分離開，進行“鐵鈦平行分選”；與顎式破碎機破碎產品相比，輥壓產品經過一段磨礦過程就能通過相同的分選條件獲得質量合格的鈦磁鐵礦精礦，并使鈦鐵礦精礦TiO2的作業回收率提高2.66%；2種破碎產品在球磨過程中的單體解離度存在差異，輥壓產品中的含鐵礦物能夠優先實現單體解離，有利于鈦磁鐵礦的分選；“鐵鈦平行分選”能夠簡化磨礦過程，減少微細粒鈦鐵礦的生成量，提高鈦鐵礦強磁選的回收率，有利于鈦鐵礦的窄級別浮選。

高壓輥磨機；釩鈦磁鐵礦；鐵鈦平行分選；單體解離度；比磁化系數

高壓輥磨機實施的是準靜壓料層粉碎，當料層受擠壓時，礦石本身作為傳壓介質，受到巨大壓力導致顆粒破碎或變形，其粉碎產品具有微裂紋多、細粒級質量分數高和單位破碎能耗低等特點[1?2]，符合“多碎少磨”技術的發展趨勢，已經廣泛應用于礦石粉碎領域。攀西地區是我國主要的釩鈦磁鐵礦生產基地，主要集中分布在攀枝花、白馬、紅格、太和4大礦區[3]。工藝礦物學研究[3?4]表明：鈦磁鐵礦的嵌布粒度主要集中在0.2~3.0 mm；鈦鐵礦的嵌布粒度主要集中在0.2~0.8 mm，粒度小于0.2 mm的TiO2分布率為92.03%；脈石礦物以鈦輝石、長石和綠泥石等為主。目前，攀枝花密地選礦廠主要采用“階段磨礦—階段磁選選鐵、尾礦再磨—強磁—脫硫—浮選鈦鐵礦”的選別工藝。鈦鐵礦與脈石礦物實現單體解離的過程，經過了3段或以上的磨礦過程，產生了大量的微細粒鈦鐵礦，導致鈦鐵礦選別難度增大，金屬流失嚴重[5?6]。本文作者針對攀西地區的釩鈦磁鐵礦礦石[7?8]，采用常規顎式破碎機和高壓輥磨機進行粉碎處理，對粉碎物料進行粒度特性分析，再對不同破碎方式下的釩鈦磁鐵礦礦石進行分選，分析不同分選產品單體解離度及鈦鐵礦比磁化系數，研究破碎方式對釩鈦磁鐵礦分選的影響機理。

1 分選試驗

試驗礦樣為攀枝花密地選礦廠的最終破碎產品(負累積產率為95%時的粒度為15.5 mm)，礦石中的主要金屬礦物以鈦磁鐵礦和鈦鐵礦為主，含少量磁黃鐵礦，脈石礦物主要為輝石、長石、綠泥石等。傳統破碎工藝采用PEX-150×250和XPC-60×100這 2種型號的顎式破碎機及直徑為3.2 mm圓孔篩組成的閉路破碎流程；超細碎工藝采用CLM-25-10型實驗室高壓輥磨機[7]，同樣采用控制粒度為3.2 mm的閉路破碎流程，高壓輥磨機的輥面比壓力為5.6 N/mm2，輥縫間距為4 mm，輥面速度為0.19 m/s；顎式破碎機排礦口和高壓輥磨機的輥縫間距相同。

常規顎式破碎機產品(簡稱顎破產品)采用“階段磨礦—階段磁選選鐵、尾礦再磨—強磁—脫硫—浮選鈦鐵礦”工藝進行分選試驗。高壓輥磨機粉碎產品(簡稱輥壓產品)采用“鐵鈦平行分選”工藝進行分選試 驗[8]，即先使用弱磁場磁選機對超細碎后的釩鈦磁鐵礦直接進行選別，將具有強磁性的粗精礦作為鈦磁鐵礦選別給礦，將磁性較弱的尾礦和鈦磁礦選別后的最終尾礦混合后進行鈦鐵礦選別試驗。

釩鈦磁鐵礦的弱磁選粗選采用磁感應強度分別為0.15 T和0.12 T的2種濕式鼓式弱磁選機，精選采用分選空間直徑為80 mm的脈沖型電磁精選機。鈦鐵礦的強磁選采用CRIMM 70-200電磁夾板高梯度強磁選機(HGMS)，鈦鐵礦的浮選在充氣式單槽浮選機中進行。采用自動礦物分析儀(mineral liberation analyser，簡稱MLA)對試驗中重要礦物的粒度和解離度進行測定，比磁化系數測定設備為Modl-7404振動樣品磁 強計。

2 結果與討論

2.1 破碎產品粒度特性

對高壓輥磨機以及常規顎式破碎機得到的粒度小于等于3.2 mm的閉路破碎產品進行粒度分析，結果如圖1所示。

由圖1可知：輥壓產品中負累積產率為80%(80)時對應的粒度為1.02 mm，粒度小于74 μm顆粒的負累積產率為21.32%；顎破產品負累積產率為80%對應的粒度為1.45 mm，粒度小于74 μm顆粒的負累積產率為15.77%。輥壓產品中粒度小于74 μm顆粒的負累積產率增大5.55%，說明高壓輥磨機的破碎比大，粉碎效率高。

運用R-R方程(Rosin-Rammler)[9-11]對2種破碎產品的粒度特性進行分析：

=exp(?)×100% (1)

式中：為粒度大于的顆粒負累積產率，%；為顆粒粒度，mm；為與產物粒度相關的參數；為均勻性系數，越小，粒度分布越均勻。

圖1 不同破碎方式下閉路破碎產品粒度分布

利用式(1)對圖1中2種粉碎產品粒度曲線進行擬合分析，結果如表1所示(其中為擬合相關系數)。由表1可以看出：輥壓產品較顎破產品的粒度更小，均勻性系數降低，粒度分布更加均勻。

2.2 鈦磁鐵礦選別試驗

采用“鐵鈦平行分選”工藝對輥壓產品進行鈦磁鐵礦選別，1段磁選的磁感應強度為0.15 T，2段磁選的磁感應強度為0.12 T，輥壓產品開路選制鈦磁鐵礦的數量?質量流程圖如圖2所示。

表1 不同粉碎產品R-R方程擬合分析結果

由圖2可以看出：一段磁選精礦TFe品位可達41.28%，球磨至粒度小于0.18 mm的顆粒負積累產率為95%(相當于粒度小于74 μm顆粒負累積產率為45%)；進行二段磁選后，精礦TFe品位可達54.24%，精選后鈦磁鐵礦精礦TFe品位為55.05%，回收率為70.64%。一段磁選尾礦和鈦磁鐵礦選別的最終尾礦混合后進入鈦鐵礦選別流程。

采用“階段磨礦—階段磁選”工藝對顎破產品進行鈦磁鐵礦選別，2段磨礦粒度小于74 μm的顆粒負累積產率分別為45%和65%(參考密地選礦廠兩段磨礦的細度)[3]，其他試驗條件不變，開路試驗結果如圖3所示。

由圖2和圖3可以看出：2種破碎產品經過選別得到的鈦磁鐵礦精礦品位相差不大，顎破產品的鈦磁鐵礦回收率較前者高0.43%。輥壓產品采用“鐵鈦平行分選工藝”時，通過一段磨礦就能達到與常規顎式破碎機產品TFe品位相近的鈦磁鐵礦選別指標，簡化了鈦磁鐵礦選別工藝，能夠大幅度節約磨礦能耗。

對2種破碎方式下的磨礦產品(粒度小于74 μm顆粒負累積產率為45%)進行粒度特性分析和MLA單體解離度分析[11?12]，結果分別如圖4和圖5所示。

圖2 輥壓產品開路選鐵試驗數量?質量流程圖

圖3 顎破產品開路選鐵試驗數量?質量流程

由圖4可知：當磨礦產品中粒度小于74 μm的顆粒負累積產率為45%時，輥壓產品中各粒級顆粒的負累積產率比顎破產品中相同粒級顆粒的負累積產率略高。由圖5可知：輥壓產品的單體解離度為84.94%，顎破產品為83.02%，輥壓產品較顎破產品高1.92%。輥壓產品及顎破產品中鐵氧化物的質量分數分別為81.59%和77.61%，輥壓產品較顎破產品高3.98%，說明含鐵礦物在高壓輥磨機粉碎過程中能夠優先實現單體解離。在該磨礦細度條件下，采用弱磁選工藝對輥壓產品進行分選，即可獲得鈦磁鐵礦精礦。

圖4 不同粉碎產品的粒度分布

圖5 不同產品中130≤d<170 μm顆粒MLA單體解離度分析

2.3 鈦鐵礦選別試驗

2.3.1 鈦鐵礦強磁選試驗

輥壓產品“鐵鈦平行分選”的選鈦給礦TiO2品位為11.47%，粒度小于74 μm的顆粒負累積產率為44.5%。顎破產品“階段磨礦—階段選別”的選鈦給礦TiO2品位為11.66%，粒度小于74 μm的顆粒負累積產率為53.5%[8]。分別將2種選鈦給礦球磨至粒度小于74 μm的顆粒負累積產率約為80%，采用磁感應強度為0.12 T的濕式鼓式磁選機將磨礦過程中解離出的強磁性礦物預先選出，在背景磁感應強度為0.3 T時采用電磁夾板強磁選機進行強磁選鈦試驗[13-14]，結果如表2所示。

表2 不同破碎方式下鈦鐵礦強磁選試驗結果

由表2可見：與顎破產品“階段磨礦—階段分選”獲得的強磁精礦相比，輥壓產品“鐵鈦平行分選”獲得的強磁精礦中TiO2品位降低0.25%，但TiO2回收率增加4.18%。對球磨后的2種產品進行MLA單體解離度分析[11]，其中，不同產品中顆粒(11≤＜19 μm) MLA單體解離度分析結果如圖6所示。

顎破產品的選鈦給礦中粒度小于74 μm顆粒的負累積產率比輥壓產品的高9%；當2種破碎產品中粒度小于74 μm的顆粒負累積產率達80%時，輥壓產品的單體解離度為91.25%，顎破產品的單體解離度為90.72%；輥壓產品(11≤＜19 μm)及顎破產品中鐵氧化物的質量分數分別為90.66%和91.91%；輥壓產品選鈦給礦的單體解離度較顎破產品高0.53%，但輥壓產品11≤＜19 μm粒級中鐵氧化物的質量分數比顎破產品的低1.25%，說明顎破產品中鐵氧化物泥化更加嚴重，這是輥壓產品“鐵鈦平行分選”的強磁精礦中TiO2回收率升高的主要原因。分別對2種分選工藝得到的強磁精礦和尾礦中粒度小于19 μm顆粒的TiO2負累積產率進行分析，結果如圖7所示。

由圖7可以看出：與顎破產品的“階段磨礦—階段分選”工藝相比，在高壓輥磨超細碎產品的“鐵鈦平行分選”過程中，強磁精礦中粒度小于19 μm的顆粒的TiO2負累積產率降低2.15%，強磁尾礦中粒度小于19 μm的顆粒的TiO2負累積產率也降低6.95%，由此可見微細粒級鈦鐵礦負累積產率的變化直接影響了鈦鐵礦后續的分選效果。

微細粒鈦鐵礦比磁化系數及其在高梯度磁選中受力特性的變化[8, 15?16]是“鐵鈦平行分選”工藝中強磁選精礦TiO2回收率發生變化的根本原因。為分析鈦鐵礦在強磁選中的磁選行為，采用Modl-7404振動樣品磁強計測試不同粒級鈦鐵礦的磁化曲線，背景磁感應強度為0.3 T時的鈦鐵礦比磁化系數如圖8所示。

圖8 不同粒級鈦鐵礦比磁化系數

由圖8可見：隨著鈦鐵礦粒度減小，各粒級鈦鐵礦的比磁化系數逐漸變小，當礦石粒度小于19 μm時，比磁化系數小于1.657 cm3/kg。礦石顆粒在磁選過程中所受的比磁力m為

式中：0為真空磁導率，0=4π×10?7H/m；0為鈦鐵礦的比磁化系數，m3/kg；0grad0為磁場力，A2/m3。

鈦鐵礦顆粒沿磁力方向運動時受到的比阻力R為

式中：為顆粒的質量，kg；為顆粒的密度，kg/m3；為礦漿黏滯系數，取1.25×10?6m2/s(礦漿質量分數為20%)；為鈦鐵礦進入分選區時速度，取0.05 m/s。

隨著礦物顆粒粒度減小，強磁選過程中礦漿對礦物顆粒產生的比阻力增大，弱磁性礦物顆粒被磁場捕獲所需的比磁力也增大。比磁力取決于礦物顆粒的比磁化系數和磁選機的磁場特性。根據式(2)和(3)，計算不同粒度鈦鐵礦顆粒在強磁選過程中所受到的比阻力和比磁力，結果如圖9所示。

圖9 不同粒級鈦鐵礦在強磁場中的受力分析

由圖9可知不同粒度鈦鐵礦所受比阻力的變化規律可以分為3個階段[8]：當38≤＜106 μm時，鈦鐵礦受到的比阻力緩慢增大；當19≤＜38 μm時，鈦鐵礦受到的比阻力迅速增大；當＜19 μm時，鈦鐵礦受到的比阻力急劇增大。當鈦鐵礦粒度由106 μm減小到7 μm時，鈦鐵礦所受到的比阻力增大約660倍，回收鈦鐵礦所需的比磁力卻降低約12%。在磁選條件一定的情況下，當粒度降低時，鈦鐵礦被磁場捕獲的難度急劇增加。這也進一步說明了微細粒鈦鐵礦的增加將導致強磁選難度的增加，尤其是粒度小于 19 μm的顆粒的增加將會導致強磁選過程中鈦鐵礦回收率降低。

2.3.2 鈦鐵礦浮選試驗

采用相同浮選條件對不同破碎方式下的釩鈦磁鐵礦進行鈦鐵礦選別試驗[3, 5]，輥壓產品選鈦閉路試驗的數量?質量流程如圖10所示。由圖10可知：最終得到的鈦鐵礦精礦TiO2品位為47.78%，TiO2作業回收率為35.16%，浮鈦尾礦的TiO2品位為10.94%，選鈦總尾礦的TiO2品位為7.85%。

顎式破碎機破碎產品選鈦試驗獲得鈦精礦的TiO2品位為47.85%，回收率為32.50%，浮鈦尾礦的TiO2品位為11.30%，選鈦總尾礦的TiO2品位為8.34%。輥壓產品選別出的鈦精礦品位較顎破產品低0.08%，但作業回收率提高2.66%，浮選尾礦和總尾礦的TiO2品位分別降低0.36%和0.49%。

圖10 輥壓產品選鈦閉路試驗數量?質量流程圖

微細粒鈦鐵礦增加會導致鈦鐵礦浮選回收率降低[6, 17]。與顎式破碎機破碎產品采用“階段磨礦—階段磁選選鐵、選鐵尾礦再磨—強磁拋尾—脫硫—浮鈦”工藝相比，高壓輥磨機超細碎釩鈦磁鐵礦采用的“鐵鈦平行分選”工藝在一段濕式粗粒磁選之后，能夠將部分鈦鐵礦分離出來，進行鈦磁鐵礦和鈦鐵礦同時分選，一方面使鈦磁鐵礦和鈦鐵礦的分選更有針對性，另一方面，傳統工藝中的鈦鐵礦選別經過了3段磨礦，而“鐵鈦平行分選”工藝縮短了磨礦過程，能夠減少磨礦產品中微細顆粒的生成量，為鈦鐵礦的選別提供窄級別的給礦條件，從而提高鈦鐵礦在后續選別過程中的分選效率，提高鈦鐵礦的回收率。同時，輥壓產品的“鐵鈦平行分選”也可簡化釩鈦磁鐵礦選別的工藝，節約系統能耗，降低生產成本，提高選別指標。

3 結論

1) 與顎式破碎相比，高壓輥磨破碎方法具有細粒級粉碎產品負累積產率高、粒度分布均勻、易實現單體解離等特點，高壓輥磨機超細碎后的釩鈦磁鐵礦可經過弱磁選將強磁性的鈦磁鐵礦和弱磁性的鈦鐵礦在一定程度上分離，進行“鐵鈦平行分選”。

2) 輥壓產品中的含鐵礦物在磨礦過程中可實現優先單體解離，經過一段磨礦過程，就能通過相同的分選條件獲得與顎破產品TFe品位相近的鈦磁鐵礦精礦；隨著磨礦粒度減小，輥壓產品較顎破產品單體解離度的增加幅度逐漸減小，但顎破產品中鐵氧化物的泥化更加嚴重。

3) 當鈦鐵礦的粒度小于19 μm時，其在強磁選過程中所受的比阻力迅速增加，比磁力卻迅速減小，導致強磁選的難度增加。高壓輥磨機超細碎的釩鈦磁鐵礦在分選中能夠降低微細粒鈦鐵礦的新生成量，提高鈦鐵礦強磁選的精礦回收率，為鈦鐵礦浮選提供了窄級別的入浮給礦，從而減少了鈦鐵礦的流失。

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Influence of ultrafine comminution by high pressure grinding rolls on separation of vanadium titanium magnetite

GUO Xiaofei1, DAI Shujuan1, ZHU Jujian1, LI Lixia2, WANG Hongbin3, 4

(1. School of Mining Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China; 2. School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China; 3. Design and Research Institute of Pangang Group Mining Co. Ltd., Panzhihua 617063, China; 4. State Key Laboratory of Vanadium and Titanium Comprehensive Utilization, Panzhihua 617063, China)

The separation experiments of vanadium titanium magnetite (V-Ti) crushed by conventional jaw crusher and high pressure grinding rolls (HPGR) were conducted. The influences of two different comminuting processes on separation of V-Ti magnetite were studied. Combined with the anslysis of particle size, degree of mineral liberation and specific susceptibility, the mechanism of HPGR in the separation process of V-Ti magnetite was studied. The results show that the products of HPGR are finer than those of conventional jaw crusher. Parallel separation of titanium magnetite(Fe) and ilmenite(Ti) can be realized through direct separation of Fe and Ti by low intensity magnetic separation from product crushed by HPGR. Qualified titanium magnetite can be obtained by only once grinding and other similar conditions, and the TiO2operational recovery of ilmenite increases by 2.66%. The mineral degree of liberation in the primary grinding from this two comminuting processes become obviously different. Iron minerals of HPGR product preferentially achieve monomer dissociation, which benefits the separation of titanium magnetite. On the other hand, the parallel separation of Fe and Ti simplifies the grinding and reduces the generation of micro-fine ilmenite, which is beneficial to the high intensity magnetic separation and flotation of narrow size for ilmenite.

high pressure grinding rolls; vanadium titanium magnetite; parallel separation of Fe and Ti; liberation degree; specific susceptibility

TD921

A

1672?7207(2019)05?1013?08

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.05.001

2018?05?31；

2019?07?30

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2015BAB19B01)；釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室開放基金資助項目(2014)；遼寧省教育廳項目(2017LNQN21) (Project (2015BAB19B01) supported by the National Science and Technology Pillar Program during the 12th “Five-year” Period of China; Project(2014) supported by the Open Fund for the State Key Laboratory of Vanadium and Titanium Comprehensive Utilization; Project (2017LNQN21) supported by the Education Department of Liaoning Province)

郭小飛，博士，副教授，從事金屬礦高壓輥磨粉碎理論及分選技術研究；E-mail：gxf0957@126.com

(編輯 伍錦花)