鞍鋼某選廠混磁精礦礦物特征及其低溫反浮選捕收劑的研究①

索明名，姜永良，辛思奇，金明鑒，姜效軍

（遼寧科技大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 鞍山114051）

中國(guó)鐵礦資源儲(chǔ)量豐富，約230 億噸，其中貧礦儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量97.3%，而富礦只有2.7%［1］。鞍山式貧赤鐵礦中磁鐵礦較多，脈石礦物中閃石型脈石較多，這種硅酸鹽脈石嵌布粒度細(xì)易泥化［2］。鞍鋼某選礦廠采用階段磨礦、粗細(xì)分級(jí)、重選-磁選-陰離子反浮選流程，從前使用普通脂肪酸陰離子捕收劑，藥劑價(jià)格貴，浮選溫度高，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，帶來更多的可變因素［3］。近年有以地溝油為原料，經(jīng)過磺化、皂化制備可用于鐵礦石、螢石礦浮選的陰離子捕收劑，在鐵精礦生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮了一定作用，但組成不穩(wěn)定［4］。文獻(xiàn)［5］研制的陰離子捕收劑在齊大山閉路浮選流程中獲得了浮選精礦全鐵品位65.38%、鐵回收率89.56%的指標(biāo)，但未能達(dá)到品位不低于68%的要求。文獻(xiàn)［6］研究得出，電動(dòng)電位在pH＝10～12 時(shí)，捕收劑可在石英表面發(fā)生吸附，此時(shí)石英的疏水性增強(qiáng)，與赤鐵礦分離效果最佳。文獻(xiàn)［7－8］中合成的表面活性劑Twen-1.3，以工業(yè)環(huán)烷酸和油酸為主要原料，通過表面張力和接觸角的測(cè)定，確定環(huán)烷酸鈉的加入可提高氧化鈣活化后SiO2界面上的疏水性，進(jìn)而提高氧化鈣活化后SiO2在氣泡上的吸附能力，使其可浮性增強(qiáng)，分選效果良好。

鞍鋼某選礦廠地處北緯39°，冬季漫長(zhǎng)寒冷，平均氣溫－5 ℃，整個(gè)冬季選廠燃煤加熱生產(chǎn)，不僅浮選能耗大，還對(duì)環(huán)境造成污染。針對(duì)這一問題，本文開展了低溫捕收劑研究，利用酯類表面活性劑和副產(chǎn)脂肪酸所研制的捕收劑，在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)16 ～18 ℃環(huán)境下取得了良好的反浮選效果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣及藥劑

試樣取自鞍鋼某選礦廠強(qiáng)磁選和弱磁選的混合精礦，鐵品位43.52%。

試驗(yàn)藥劑包括氫氧化鈉（2.5%）、淀粉（2.5%）、石灰（2.5%），均為工業(yè)品，取自選礦廠。自制新型低溫反浮選捕收劑，它由脂肪酸和表面活性劑按一定比例復(fù)合而成，其中脂肪酸為工業(yè)品，來自農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)品，酸值158 mgKOH／g，碘值83 gI2／g，凝點(diǎn)23 ℃；表面活性劑為非離子表面活性劑，結(jié)構(gòu)為聚氧乙烯及聚氧丙烯多枝嵌段共聚物，為流動(dòng)性液體，溶于水。

采用BT－9300S 型激光粒度儀對(duì)試樣進(jìn)行了粒度分析，結(jié)果如圖1 所示。試樣－0.074 mm 粒級(jí)占85%，－0.043 mm 粒級(jí)占47%，基本達(dá)到完全解離狀態(tài)；－0.02 mm 粒級(jí)占1.79%，＋0.1 mm 粒級(jí)占3.18%，基本不存在過粉碎或粒度過粗現(xiàn)象，達(dá)到常規(guī)浮選要求。鐵元素主要分布于磁鐵礦和赤鐵礦中。

圖1 試樣粒度分析

1.2 儀器和設(shè)備

儀器：德國(guó)蔡司sigma500 掃描電子顯微鏡；澳大利亞AMICS 礦物自動(dòng)分析系統(tǒng)；丹東百特儀器有限公司生產(chǎn)的BT－9300S 激光粒度分析儀。

設(shè)備：長(zhǎng)沙順澤礦冶機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的XFD－III 變頻調(diào)速單槽浮選機(jī)，槽體積500 mL。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1）AMICS 測(cè)試樣品制備：取試樣3 g，用環(huán)氧樹脂和三乙醇胺固化；在烘箱105 ℃下烘4 h，固化后，研磨拋光樣品表面45 min，使樣品表面平整光滑。將樣品置于離子濺射儀中，進(jìn)行噴金處理，掃描測(cè)試各種礦物的形貌和連生、鑲嵌定量關(guān)系。

2）浮選試驗(yàn)：稱取200 g 礦樣，加入約400 mL 水，設(shè)定葉輪轉(zhuǎn)速1 800 r／min，自動(dòng)溫控加熱，降溫則使用冰調(diào)整至16 ～18 ℃。加入捕收劑質(zhì)量20%的NaOH，在90 ℃下水浴皂化45 min。依次加入濃度2.5%的氫氧化鈉溶液、2.5%淀粉溶液、2.5%氫氧化鈣溶液和2.5%捕收劑溶液，每次加藥間隔3 min，通氣浮選，粗選時(shí)間3 min，精選時(shí)間2 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 AMICS 全分析結(jié)果

AMICS 自動(dòng)全分析軟件對(duì)樣品的分析結(jié)果分別如圖2 和表1 所示。

圖2 礦物顆粒嵌布圖像

表1 礦物組成全分析結(jié)果

由AMICS 自動(dòng)全分析軟件得到的樣品元素分析數(shù)據(jù)見表2。由表2 可知，樣品中，鐵元素占比34.10%，由石英、角閃石、綠泥石、云母等礦物賦存的Si 元素占比21.64%，其次是C、Ca、Mg、Mn、Al 元素。

表2 試樣元素分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%

研究發(fā)現(xiàn)，試樣由15 種礦物組成，待富集的目標(biāo)礦物為Fe2O3和Fe3O4，欲反浮選分離的主要礦物含量順序?yàn)槭ⅰ⒔情W石、綠泥石、黑白云母、方解石、斜長(zhǎng)石等。

試樣中主要鐵礦物為磁鐵礦（占比39.2%），其次是赤鐵礦（占比9.56%）和少量菱鐵礦（占比0.66%）；脈石礦物主要為石英（占比42.56%），其次是角閃石（占比6.64%）和少量綠泥石、黑云母、碳酸鹽及長(zhǎng)石等。鞍山式赤鐵礦難選的主要原因與菱鐵礦和綠泥石的含量直接相關(guān)，該鐵礦菱鐵礦和綠泥石含量分別為0.66%和0.49%，低于1%，屬于易選鐵礦［9］。

2.2 18 ℃開路浮選試驗(yàn)

18 ℃下在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一粗一精三掃開路浮選試驗(yàn)，試樣200 g，礦漿濃度400 g／L，藥劑條件見表3。

表3 低溫開路浮選加藥量

在固定捕收劑用量不變的條件下，進(jìn)行了表面活性劑占比開路分選條件試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 不同捕收劑浮選試驗(yàn)結(jié)果

16～18 ℃下，隨著表面活性劑配比增加，浮選精礦全鐵品位增加，脂肪酸與表面活性劑的配比為95 ∶5時(shí)，精礦全鐵品位沒有達(dá)到一級(jí)品（全鐵品位不低于68.0%）的要求。配比為88 ∶12 時(shí)，雖然鐵精礦品位達(dá)到了70.41%，但鐵回收率低。為保證精礦品位在不低于68%的前提下盡可能提高鐵回收率，以配比93 ∶7為宜。

2.3 低溫一粗一精三掃浮選閉路試驗(yàn)

在開路試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一粗一精三掃低溫閉路浮選試驗(yàn)，藥劑條件見表5，結(jié)果見表6。

表6 閉路浮選試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)表5 數(shù)據(jù)，按入浮原料計(jì)算藥劑單耗為：氫氧化鈉1 125 g／t，淀粉660 g／t，石灰600 g／t，捕收劑425 g／t，在5 次循環(huán)后，精礦和尾礦產(chǎn)率和回收率接近100.00%，實(shí)現(xiàn)閉合。精礦全鐵品位始終在68%以上，符合現(xiàn)場(chǎng)精礦指標(biāo)要求。數(shù)質(zhì)量流程見圖3。

2.4 工業(yè)試驗(yàn)

按照上述研究結(jié)果，在鞍鋼某選礦廠進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，浮選給礦平均濃度560 kg／m3，入浮平均全鐵品位40.5%，浮選礦漿溫度17 ℃，藥劑單耗氫氧化鈉918 g／t，淀粉574 g／t，石灰460 g／t，捕收劑206.6 g／t。產(chǎn)品化驗(yàn)結(jié)果見表7。

經(jīng)6 d 浮選取樣測(cè)試，得出浮選精礦平均全鐵品位68.15%，浮選尾礦平均全鐵品位15.14%。現(xiàn)場(chǎng)原生產(chǎn)浮選尾礦平均全鐵品位17%～18%，新藥劑浮選尾礦品位降低約2 個(gè)百分點(diǎn)，既降低了浮選溫度、節(jié)約能源，又提高了鐵精礦回收率，效果理想。

圖3 閉路浮選數(shù)質(zhì)量流程

表7 工業(yè)試驗(yàn)產(chǎn)品化驗(yàn)結(jié)果

2.5 效益分析

鞍山年平均氣溫9 ℃，該捕收劑使浮選溫度由28 ℃降低到18 ℃，新藥劑加溫所需溫度占比原藥劑加熱溫度為（18－9）／（28－9）＝47.37%，可節(jié)煤100%－47.37%＝52.63%。

該選廠一年選礦加溫礦漿需煤11 000 t，冬季加溫節(jié)煤11 000×52.63%＝5 700 t，按動(dòng)力煤價(jià)550 元／t計(jì)，節(jié)煤313 萬(wàn)元。

選礦廠年處理原礦1 000 萬(wàn)噸，浮選給礦330 萬(wàn)噸，產(chǎn)出浮選精礦165 萬(wàn)噸，浮選尾礦品位降低2 個(gè)百分點(diǎn)，可多回收精礦165×2%／68%＝4.85 萬(wàn)噸，按精礦單價(jià)700 元／t 計(jì)，精礦增收創(chuàng)效4.85×700 ＝3 395 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益巨大。

3 機(jī)理分析

捕收劑由脂肪酸和表面活性劑配制而成，表面活性劑為聚氧乙烯和聚氧丙烯嵌段聚合酯類化合物，由于特殊的結(jié)構(gòu)具有耐強(qiáng)堿、高溫皂化不分解、低泡沫等特性，在水中可分散脂肪酸鈉，增大脂肪酸鈉的臨界膠束濃度，降低脂肪酸鈉生成膠束的程度［7］，提高捕收劑的捕收性能，吸附大部分硅石連生體，進(jìn)入尾礦中。脂肪酸在pH＝11.5 條件下以脂肪酸鈉存在，在低溫條件下會(huì)在礦漿中形成膠束，不易分散，自由舒展的濃度降低，陰離子捕收劑與帶正電荷的活化的硅石的締合能力變差，酸根離子在脈石礦物表面的吸附量減小，直接導(dǎo)致硅石礦物的疏水性變差，不能與有用礦物徹底分離，浮選精礦質(zhì)量變差［8，10］。

枝型嵌段聚氧乙烯聚氧丙烯醚分散油酸鈉過程如圖4 所示。嵌段聚醚分散脂肪油酸鈉模型為先生成內(nèi)核為疏水段PO、核外殼為油酸鈉，外冠為親水段EO（Ⅰ區(qū)），當(dāng)油酸鈉濃度接近或超過CMC（Ⅲ區(qū)），油酸鈉均勻分散在枝狀表面活性劑的周圍，實(shí)現(xiàn)低溫分散。

圖4 枝型嵌段聚氧乙烯聚氧丙烯醚分散油酸鈉過程

加入表面活性劑后，阻化脂肪酸鈉低溫條件下形成膠束，促進(jìn)脂肪酸鈉在水中的分散，提高脂肪酸根離子在氧化鈣活化后的SiO2表面的吸附，使其疏水性增強(qiáng)，上浮性變好，浮選分離結(jié)果達(dá)到了藥劑分子設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié) 論

利用表面活性劑和脂肪酸研制了一種新的反浮選捕收劑，將該捕收劑用于鞍鋼某選廠混磁精礦的反浮選，16～18 ℃條件下，實(shí)驗(yàn)室閉路浮選能使浮選精礦全鐵品位達(dá)68.50%左右，浮選尾礦全鐵品位10%左右，鐵回收率達(dá)90%以上；工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)閉路試驗(yàn)浮選精礦全鐵品位達(dá)到68.15%，浮選尾礦品位15.14%，與過去28 ℃現(xiàn)場(chǎng)捕收劑指標(biāo)一致，可節(jié)省燃煤52.63%，降低了浮選成本，減少了燃煤對(duì)環(huán)境的污染，經(jīng)濟(jì)效益明顯。