輝鉬礦干法旋轉摩擦電選預拋尾研究

王乾帥，陶東平,趙通林,丁亞卓

(1.遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧 鞍山 114051；2.山東理工大學資源與環境工程學院，山東 淄博 255049；3.成都利君實業股份有限公司，四川 成都 610045)

鉬是一種不可再生具有重要戰略意義的稀有金屬資源[1-2]，用途十分廣泛。它的物理、化學特性非常好，熔點高，耐熱性好,被廣泛應用于鋼鐵、機械、化學、電子、武器、航空航天和核能等產業中[3]。最具有工業價值、儲量最多的一種鉬礦物是輝鉬礦，它是金屬鉬的主要來源[4]。近年來，由于鉬礦產資源的大量開發及需求量加大，開采貧細雜難選鉬礦石的比例不斷增加，這種現狀對鉬礦選礦技術有了更高的要求[5-6]。

礦物加工過程中磨礦作業階段占據選礦廠運行的成本較大，利用預拋尾工藝來減少磨機入磨量，提高入浮品位，可有效降低磨礦成本[7]。最常見的預拋尾技術有篩選、重力、重介質分選(DMS)、光學分選、靜電分選、X射線分選、電導率分選和磁選等方式[8]。電選是利用各種礦物或物料不同表面帶電性質，對顆粒進行分選的一種方法[9]。摩擦電選是電選中最具代表性的方法之一，因其工藝簡單、污染小、投資少、成本低等特點而被廣泛應用[10]。近年來，摩擦電選研究內容主要是高效摩擦電選設備的研制以及強化摩擦荷電的方法研究[11]。研究表明，摩擦電選效果與分選顆粒的荷電特性有很大的關系[12-13]。本文對某地區輝鉬礦中主要礦物組成進行了摩擦荷電特性研究，并以此為基礎使用實驗室旋轉摩擦電選系統對經由高壓輥磨機粉碎后的輝鉬礦進行預選拋尾實驗研究。

1 試樣性質及實驗方法

1.1 試樣性質

荷電特性實驗選取四種純礦物：石英、黑云母、長石以及輝鉬礦來進行實驗。他們的純度分別為94%、95%、92%以及90%。4種純礦物經破碎篩分為-0.5 +0.25 mm、-0.25 +0.15 mm、-0.15 +0.074 mm、-0.074 mm四個粒級樣品。

輝鉬礦石樣品取樣于高壓輥磨機后-0.5 mm篩下產品。樣品物相分析表明，其礦物組成主要是長石、石英、黑云母、輝鉬礦等，礦物的含量分析結果見表1。化學元素分析表明，該礦石中主要元素有O、Si、Al、K等。化學元素分析結果見表2。礦石中Mo元素僅存在于輝鉬礦中，Mo品位0.09%。

表1 鉬礦的物相分析結果 /%Table 1 Quantitative mineral composition analysis results of molybdenum ore

表2 鉬礦中多元素分析結果 /%Table 2 Elemental Analysis Results in Molybdenum Ore

1.2 實驗裝置與方法

實驗裝置[14]為自制的實驗室旋轉摩擦電選系統，主要由給料裝置、旋轉荷電裝置、分選區以及產品收集裝置等4部分組成。

顆粒荷電效果主要通過荷質比來表征。在探究不同純礦物的摩擦荷電特性時，由旋轉摩擦電選機的給料系統、摩擦荷電系統以及法拉第筒、數字電荷儀來完成荷質比測定。稱取5 g樣品給入振動給料機中，使物料均勻落下，順著槽體下落至摩擦荷電系統中與旋轉輥及腔體內壁摩擦，在高壓電源的共同作用下完成摩擦帶電，之后下落至法拉第筒中，觀察數字電荷測量儀的示數，然后對法拉第筒內物料進行稱重，計算出物料顆粒的荷質比，每組實驗重復三次取均值。

在探究實際輝鉬礦石分選效果實驗時，稱取50 g物料通過振動給料機給入系統。在旋轉輥的轉動下，顆粒與顆粒之間、顆粒與摩擦材料之間互相碰撞摩擦，并在外加電場下荷電。接著經過物料分配器進入分選室，在高壓電場作用下荷不同電性及電量的顆粒在極板之間發生偏移，經過分隔板完成分選過程，再經物料收集裝置對物料進行收集。每個實驗分兩個階段完成，第一階段的分選給料為原礦，分選完成后得出3個產品，即精礦、中礦和尾礦；第二階段對這3個產品重復上述分選步驟進一步分選，共產生9個產品。之后做累積品位-累積產率曲線圖評價分選效果。

2 實驗結果與討論

2.1 純礦物摩擦荷電特性實驗

純礦物單因素荷電實驗在如下基準條件下進行：荷電電壓+6 kV，摩擦轉速3000 r/min，給料速率5 g/min，給料粒級-0.25 +0.15 mm，作為考察因素時則此因素水平為變量。

2.1.1 荷電電壓實驗

荷電電壓對純礦物的摩擦荷電特性影響實驗，結果見圖1。

圖1 荷電電壓對純礦物摩擦荷電特性的影響Fig.1 Effect of charging voltage on charging characteristics of pure minerals

隨著荷電電壓的變化，摩擦體表面自由電子轉移行為的變化最終影響顆粒的電荷密度[15]。由圖1可知，隨著荷電電壓從-18 kV變化到+18 kV時，石英的荷質比有不斷增加的趨勢，從7.53 nC/g增加到了13.65 nC/g。輝鉬礦的荷質比由-4.96 nC/g減小到了-3.08 nC/g。長石荷質比則由-0.68 nC/g增加到為-2.25 nC/g。黑云母荷質比則由-18.03 nC/g一直減小，3 kV時變為正值，后增加到13.98 nC/g。荷電電壓對黑云母影響最為顯著。

2.1.2 旋轉輥摩擦轉速實驗

旋轉輥摩擦轉速對純礦物的摩擦荷電特性影響見圖2。

圖2 摩擦轉速對純礦物摩擦荷電特性的影響Fig.2 Effect of friction speed on charging characteristics of pure minerals

由圖2可知，旋轉輥摩擦轉速從1000 r/min增加到5000 r/min的過程中，石英、長石的荷質比均是先增加后降低，在3000 r/min時達到了峰值。石英荷質比從5.65 nC/g增加到了8.76 nC/g，后又逐漸減小到5.75 nC/g。長石荷質比則從-1.16 nC/g增加到-2.02 nC/g，后又降低到-1.53 nC/g。輝鉬礦荷電趨勢相同，從-3.78 nC/g增加到-4.11 nC/g，在2000 r/min時達到最大，隨后又逐漸降低至-3.11 nC/g。旋轉輥轉動速度越快，顆粒與摩擦材料碰撞的次數越多，顆粒荷質比的絕對值增大。但當轉速繼續升高時，旋轉輥表面的氣流速度也進一步提高，顆粒從旋轉輥獲得的切向速度不足以穿過旋轉輥表面的氣流邊界層，從而導致顆粒與摩擦材料的碰撞摩擦概率減小，使顆粒的荷質比降低[15]。黑云母則隨著旋轉輥轉數的不斷增加，荷質比從10.26 nC/g逐漸下降，之后趨于穩定。表明在低轉速下氣流已經影響了黑云母與摩擦材料之間的碰撞效果，隨著轉速的不斷增加導致黑云母荷質比不斷降低之后趨于穩定。

2.1.3 給料速率實驗

給料速率對純礦物摩擦荷電特性的影響見圖3。

圖3 給料速率對純礦物荷電特性的影響Fig.3 Effect of feed rate on charging characteristics of pure minerals

由圖3可知，隨著給料速率的增加，四種純礦物的荷質比均有下降，逐漸趨于平緩。石英荷質比由10.34 nC/g減少到5.74 nC/g，黑云母荷質比由2.79 nC/g減小到2.50 nC/g，長石荷質比由-2.02 nC/g減小到-1.23 nC/g，輝鉬礦荷質比則由-3.46 nC/g逐漸降為-1.65 nC/g。表明隨著純礦物的給料速率不斷增加，顆粒與摩擦材料之間的摩擦碰撞概率降低，進而降低了純礦物顆粒的荷質比[15]。

2.1.4 給料粒級實驗

給料粒級對摩擦荷電特性的影響見圖4。

圖4 給料粒級對純礦物摩擦荷電特性的影響Fig.4 Effect of feed particle size on charging characteristics of pure minerals

由圖4可以看出，四種純礦物在粒級不斷變小的情況下，荷質比先升高再降低，均在-0.15+0.074 mm的粒度條件下達到了最大值。石英荷質比由5.36 nC/g增加到了24.64 nC/g，后又降低到15.38 nC/g。黑云母荷質比由1.14 nC/g升高到了3.58 nC/g，隨后降低為2.54 nC/g。長石荷質比從-0.51 nC/g升高到了-2.02 nC/g，后降為-1.41 nC/g。輝鉬礦荷質比從-2.03 nC/g升高到-3.22 nC/g，后降為-1.67 nC/g。

隨著粒度的不斷減小，顆粒的比表面積不斷增加，從而與摩擦材料的接觸碰撞不斷增強，導致顆粒的荷質比不斷增大。Tao等[16]等對不同粒徑粉煤灰顆粒的荷電特性進行了研究，得出相同粒徑的碳和灰分的荷質比隨著粒徑的減小而增大。但在粒度更小的情況下，單個顆粒自身慣性較小，顆粒較難穿過摩擦輪表面的氣流邊界層，從而導致顆粒與摩擦材料的碰撞摩擦概率減小，降低顆粒的荷電效果。

2.2 實際礦樣分選實驗

利用實驗室旋轉摩擦電選系統，進行輝鉬礦實際礦樣單因素實驗，確定荷電電壓、旋轉輥摩擦轉速、給料速率、進風風速、給料粒級等因素對礦樣分選效果的影響。

礦樣分選實驗在如下基準參數條件下進行，荷電電壓+12 kV，摩擦轉速3000 r/min，給料速率50 g/min，進風風速1.6 m/s，給料粒級-0.15+0.074 mm，作為考察因素時其水平為變量。

2.2.1 荷電電壓實驗

荷電電壓對礦樣分選效果的影響見圖5。

圖5 荷電電壓對礦樣分選效果的影響Fig.5 Effect of charging voltage on the sorting of ore samples

由圖5可以看出，荷電電壓對礦樣的分選有較大的影響。在荷電電壓為正值時，有利于產生品位較低的尾礦產品，+12 kV條件下，尾礦品位相對較低，且拋尾產率較高。相反，在荷電電壓為負值時，尾礦品位較高，不利于拋尾。

2.2.2 旋轉輥摩擦轉速實驗

旋轉輥摩擦轉速對礦樣分選效果的影響見圖6。

圖6 摩擦輪轉速對礦樣分選效果的影響Fig.6 Effect of friction roller speed on the sorting of ore samples

由圖6可以看出，在旋轉輥轉速從1000 r/min到4000 r/min不斷增加的過程中，存在累積品位-累積產率曲線左移的情況，表明在此過程中尾礦品位不斷降低，對應的產率不斷增大，拋尾效果好。在4000 r/min時達到峰值，尾礦品位低，拋尾產率高，效果較好。Tao等[12]通過利用摩擦電選機對煤、粉煤灰的分選結果表明，高轉速條件下顆粒和旋轉充電器之間的相對速度較大，分選效果較好。隨著轉速的不斷增加，關系曲線又相對于右移，分選效果減弱。原因是當轉速繼續升高時，旋轉輥表面的氣流速度也進一步提高，顆粒獲得的切向速度不足以穿過旋轉輥表面的氣流邊界層，降低了物料的分選效果。

2.2.3 給料速率實驗

給料速率對礦樣分選效果的影響見圖7。

圖7 給料速率對礦樣分選效果的影響Fig.7 Effect of feed rate on the sorting of ore samples

由圖7可以看出，不同的給料速率對物料分選效果有著較大的影響。在給料速率為25 g/min時尾礦品位較高且產率低，拋尾效果差。在50 g/min的條件下，尾礦品位低，且產率高，有著較好的拋尾效果。表明給料速率一定程度的增大時，促進了顆粒之間的相互摩擦，使得碰撞效果加強。在50 ～ 200 g/min范圍內，隨著給料速率的不斷增大，尾礦品位變得更高、產率更低，拋尾效果變得很差。這是因為在較大給料速率下，進入荷電腔體的物料較多，降低了顆粒與摩擦材料的碰撞概率，從而導致分選效果下降。這與Tao[12]等人的研究結果一致。

2.2.4 進風風速實驗

進風風速對礦樣分選效果的影響見圖8。

圖8 進風風速對礦樣分選效果的影響Fig.8 Effect of injection air rate on the sorting of ore samples

由圖8可以看出，在小于1.6 m/s的進風風速條件下，尾礦品位較高，拋尾產率低。在1.6m/s的條件下，達到了較好分選效果。進風速度越大，顆粒與顆粒、顆粒與旋轉摩擦材料摩擦強度越大，更有利于分選。隨著進風風速的進一步增加到2.4 m/s以上，關系曲線右移，產率下降。這是因為進風風速過大，會使得顆粒在分選室停留的時間變短，分選室氣流紊亂程度高，從而使分選效果變差[15]。Zhang[17]等人的數值模擬研究結果也表明，隨著進風風速的增加，旋轉摩擦荷電腔體內的平均氣流速度呈現先增大后減小再增大的趨勢，進而驗證了這一結果。

2.2.5 給料粒級實驗

給料粒級對礦樣分選效果的影響見圖9。

圖9 給料粒級對礦樣分選效果的影響Fig.9 Effect of feed particle size on the sorting of ore samples

由圖9可以看出，在給料粒度+0.15 mm粒級的分選過程中，尾礦品位較高，拋尾產率低。在-0.15+0.074 mm粒級達到了較好分選效果。這是因為在一定程度上給料粒度的不斷減小，顆粒的比表面積不斷增加，從而使顆粒與摩擦材料、顆粒與顆粒之間的的接觸碰撞效果不斷增強，分選效果變好[18]。但隨著給料粒度的再次減小，尾礦品位高，分選效果變差。因為顆粒小自身慣性較小，從而導致顆粒與摩擦材料的碰撞摩擦概率減小，減弱了分選效果。還有較小的顆粒也容易發生團聚以及中和的現象，從而不利于分選。

3 結 論

（1）輝鉬礦純礦物與石英等脈石礦物的摩擦荷電特性存在差異，可為分選提供依據。

（2）荷電電壓、旋轉輥轉速、給料速率以及給料粒級均影響礦物顆粒的荷電效果，進風風速影響顆粒在分選室的停留時間以及氣流紊亂程度，進而顯著影響了輝鉬礦的分選效果。

（3）實際礦樣單因素結果表明，在荷電電壓+12 kV、摩擦轉速4000 r/min、給料速率50 g/min、進風風速1.6 m/s、給料粒級-0.15 +0.074 mm時，可以獲得較好的預拋尾效果。預拋品位0.04%，產率24.6%的尾礦產品，可有效降低磨礦負荷。