細鱗片石墨浮選中擦洗代替再磨工藝試驗研究

丁大發 邱楊率，2 張凌燕，2 魏少巍

（1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北武漢430070；2.礦物資源加工與環境湖北省重點實驗室，湖北武漢430070）

石墨是一種用途廣泛的非金屬礦物。自然界的石墨按其結晶大小可分為晶質石墨（鱗片石墨）、微晶石墨（土狀石墨）和脈石墨（塊石墨）［1-2］。傳統石墨選礦工藝為階段磨浮工藝［3］，通過多段再磨、多段精選工藝及早回收石墨大鱗片，減少再磨—精選過程中脈石對大鱗片的破壞［4-7］。再磨設備通常為攪拌磨，利用攪拌磨沖擊力小和磨剝力強等特點，保護大鱗片在再磨過程中不被破壞，但該工藝存在能耗較大和介質易磨損等劣勢［8-10］。

近年來，含大鱗片的優質石墨資源日趨匱乏，部分鱗片石墨礦石中基本不含石墨大鱗片。在這種情況下，通過階段磨浮工藝保護石墨大鱗片意義不大。在不含大鱗片的石墨礦浮選過程中，再磨的主要作用有：①打散浮選精礦泡沫，釋放泡沫中夾帶的脈石礦物；②“清洗”石墨表面、解吸藥劑，產生的新鮮表面將更有利于藥劑再吸附，從而提高石墨可選性。

本研究采用擦洗機代替攪拌磨處理精礦泡沫，驗證擦洗工藝在細鱗片石墨選礦工藝中的可行性，確定了流程中擦洗代替再磨的適宜位置及擦洗工藝條件，最后通過全流程試驗進一步驗證擦洗工藝的可行性。

1 試樣性質

1.1 主要化學成分及礦物組成

試驗礦樣為江西上饒地區某石墨礦石，對其進行化學成分及XRD分析，結果分別見表1、圖1。

由表1可知，試樣SiO2含量高達57.61%，其次是Al2O3、K2O、SO3、Fe2O3等，固定碳含量為12.71%。對石墨選礦而言，除固定碳以外的其他化學成分都需通過選礦去除。

根據圖1并結合顯微鏡下分析可知，試樣中主要礦物為云母、石英、石墨、黃鐵礦、綠泥石、高嶺石及矽線石等，各礦物含量見表2。

1.2 嵌布粒度分析

在顯微鏡下，對光片進行垂直片理方向觀察，統計石墨集合體粒度，其嵌布特征見表3。

由表3可知，試樣中石墨鱗片普遍較細，小于0.025 mm的顆粒數占87.53%，小于0.010 mm的顆粒數占40.69%。當磨礦至-0.045 mm時，石墨單體解離度可達到43.95%；當磨礦細度到-0.018 mm時，石墨單體解離度達到84.66%；當磨礦細度到-0.013 mm時，石墨單體解離度可達93.15%。

礦石分選的目的，是為了有效地富集并回收有用礦物。首先經破碎、磨礦，使所含有用礦物和脈石礦物相互解離。物料在可選粒度范圍內的解離，直接影響分選效果。礦物粒度大小直接影響選礦方法及其工藝流程的選擇，它是決定有用礦物單體解離所需磨礦細度的主要因素。通過表3的礦物粒級分布率，可以預測一定磨礦細度下可能達到的單體解離，并由此確定有用礦物實現解離所需要的最佳磨礦細度［11］。

2 試驗設備及藥劑

粗磨采用XMQ-φ240 mm×90 mm錐形球磨機；再磨采用XMQ-φ150 mm×50 mm錐形球磨機；浮選在1 L掛槽浮選機中進行；擦洗設備為JSF-450攪拌砂磨分散多用機，主要由控制器、電機、攪拌桿、擦洗槽和葉輪等構成。浮選試驗選用煤油（工業純）為捕收劑，MIBC（工業純）為起泡劑。

3 試驗方法

3.1 浮選試驗

為確定較優的擦洗工藝條件，以1粗1精的精礦1為試樣，進行擦洗條件試驗，試驗流程見圖2；為對比擦洗工藝效果，進行傳統階段磨礦浮選全流程試驗，采用1次粗磨粗選、粗精礦5次再磨6次精選得到最終精礦；擦洗工藝試驗全流程見圖3。

3.2 藥劑吸附量測試

通過測定擦洗前后石墨表面煤油的吸附量來驗證擦洗對礦物表面顆粒的擦洗作用。由于煤油在石墨表面的吸附量不能直接測得，本試驗采用紫外-可見光分光光度計測定煤油的吸光度，再由煤油的吸光度間接求得吸附量。首先利用蘇丹紅Ⅲ對煤油染色（捕收劑煤油為淺色，無法測其吸光度），用分光光度計進行定性測量，得到被測溶液對波長為278 nm的單色光吸收程度最大；將染色煤油溶液攪拌稀釋至一定濃度，保證最大吸光度不超過1.0，在278 nm下測定不同的濃度條件吸光度值，用測定的吸光度數據擬合線性方程，繪制標準曲線，結果見圖4。

由圖4可知，煤油濃度-吸光度標準曲線的線性方程為 y=0.017 9x-0.000 6，R2=0.995 56。y為吸光度，x為煤油的質量濃度（單位為10-5），R為線性方程的相關系數，其R2達到了0.995 56，表明染色煤油的吸光度和濃度在測試的濃度范圍內有較好的線性關系，表明適宜用紫外-可見分光光度法對礦物表面煤油的吸附率進行定量測定分析［12］。

藥劑吸附率試驗：取3份0.18～0.30 mm粒級的鱗片石墨純礦物樣，每份20 g，加浮選藥劑進行浮選，捕收劑為煤油，起泡劑為MIBC，收集鱗片石墨精礦泡沫產品，此時石墨精礦表面已經吸附了一定量的浮選藥劑，將這3份石墨精礦1份進行再磨，1份進行擦洗，1份不再磨不擦洗，擦洗條件為試驗確定的最優擦洗條件，再磨時間為10 min。向3種不同處理方法的石墨精礦攪拌稀釋后的礦漿中加入一定量的染色煤油，攪拌后靜置，待礦漿澄清后取少量的澄清液測定吸光度，計算精礦對煤油的吸附率。每組試驗進行3次，測定吸光度后取平均值計算吸附率。

4 試驗結果及分析

4.1 擦洗條件試驗

4.1.1 擦洗轉速試驗

擦洗轉速是影響擦洗效果的關鍵工藝參數之一。擦洗轉速越快，擦洗強度越大，對浮選泡沫的打散作用越強，“清洗”礦物表面效果越明顯。為確定適宜的擦洗轉速，固定擦洗濃度25%、擦洗時間25 min，擦洗轉速試驗結果見圖5。

由圖5可知，隨著擦洗轉速的增大，石墨精礦固定碳含量升高、回收率下降。主要是因為擦洗脫除了石墨表面吸附的過剩藥劑，暴露出新鮮的礦物表面，且擦洗能將石墨精礦泡沫打散，“暴露”出泡沫中夾雜的脈石礦物，更有利于石墨浮選分離。因此，隨著擦洗轉速的增大，擦洗的強度逐漸增大，石墨表面“清洗”更徹底，浮選過程中的夾帶減弱，精礦固定碳含量升高，回收率下降。綜合考慮，確定后續試驗擦洗轉速為2 000 r/min。

4.1.2 擦洗時間試驗

擦洗時間長短影響石墨表面“清洗”程度。為確定適宜的擦洗時間，固定擦洗轉速2 000 r/min、擦洗濃度25%，擦洗時間試驗結果見圖6。

由圖6可知，擦洗時間由5 min增加至30 min，石墨精礦固定碳含量由57.66%上升至69.25%，回收率由96.92%下降至93.14%；繼續增加擦洗時間，石墨精礦固定碳含量降低、回收率略微升高。綜合考慮，確定適宜的擦洗時間為30 min。

4.1.3 擦洗濃度試驗

料漿濃度升高，攪拌器與物料間、物料與物料間相互碰撞摩擦的幾率增加，有利于物料的擦洗。料漿濃度過高，料漿黏度增加，對介質運動的阻滯作用加強，減弱了攪拌器對物料的摩擦與沖擊作用，同時過高的料漿質量分數也加劇了物料間的團聚作用，特別是物料較細時團聚現象更為嚴重。料漿濃度過低，攪拌器與物料，特別是物料與物料之間的接觸幾率過小［13］，達不到充分分散泡沫、“清洗”石墨表面的效果，因此料漿濃度應在適宜的濃度范圍內。為確定適宜的擦洗濃度，固定擦洗轉速2 000 r/min、擦洗時間30 min，擦洗濃度試驗結果見圖7。

由圖7可知，擦洗濃度由15%提高至20%，石墨精礦固定碳含量由63.41%上升至70.41%，回收率由95.31%降至93.01%；當擦洗濃度提高至45%時，精礦品位下降至61.73%，精礦回收率上升至95.18%。由此可知，擦洗濃度過高會導致精礦品位過低。根據實際生產的浮選精礦正常濃度，本著簡化流程的原則，確定適宜的擦洗濃度為20%。

4.2 全流程試驗

在適宜的擦洗條件下，研究不同擦洗方案對石墨精礦指標的影響，其中流程1為傳統的1次粗磨5次再磨6次精選流程，流程2為1次粗磨1次再磨4次擦洗6次精選流程，流程3為1次粗磨2次再磨3次擦洗6次精選流程，流程4為1次粗磨5次擦洗6次精選流程，流程5為1次粗磨6次精選流程。

全流程試驗結果見圖8，全流程試驗各階段各流程磨礦細度見表4。

由圖8可知，再磨后一段或二段精選，精礦固定碳含量上升較快，流程2與流程1對比，磨礦細度一致，粗精礦固定碳含量一致，再磨1細度流程2較流程1細，因此流程2精選2精礦固定碳含量較流程1的高。隨著精選次數的增加，精選精礦固定碳含量上升速度逐漸降低，流程2最終精礦固定碳含量較流程1的93.16%低。因為流程3再磨1和再磨2細度較流程2細，故流程3較流程2精選精礦固定碳含量上升快。從精選3開始，流程2與流程3均采用擦洗代替再磨，因此流程2與流程3精選精礦上升的速度幾乎相同的。

由表4可知，流程4、5與流程1、2、3在磨礦上的差別是粗磨細度較細，為-45 μm占89.53%，經過粗選后，細度提升至-45 μm占93.47%。流程4每次精選前均進行擦洗，而流程5則將每次精選后的精礦泡沫不經過任何處理直接進行下次精選。在精選的初期階段（精選1、2）時，流程4、5的精選精礦固定碳含量均上升較快，但隨著精選次數的增加，流程5精選精礦固定碳含量上升的速度逐漸不及流程4，流程4精選3精礦固定碳含量就已達82.11%，僅比流程5最終精礦固定碳含量82.52%低0.41%，流程4最終精礦固定碳含量為90.06%。

流程3與流程4對比，流程4粗磨細度較流程3高，因此其粗精礦固定碳含量較流程3高。但流程3作業1和作業2為再磨，而流程4為擦洗，且流程3的磨礦細度較流程4細，因此在精選的初期階段（精選1、2、3），流程3的精選精礦固定碳含量上升速度比流程4快。在精選后期階段（精選4、5、6），流程3、4精選固定碳含量上升速度均變慢，且兩者的速度基本相同，但流程3最終精礦固定碳含量為94.53%，較流程4最終精礦固定碳含量90.06%高。流程1為傳統階磨階選，最終精礦固定碳含量低于流程3為93.16%，且流程3回收率略高于流程1。

研究流程1～5精礦固定碳含量變化規律，可以得到以下結論：①擦洗可以替代再磨，只要磨礦達到單體解離所需細度，使石墨與脈石礦物充分單體解離，經過多次精選，采用擦洗也能獲得理想固定碳含量的最終精礦，且精礦固定碳含量與經過再磨—精選獲得的最終精礦固定碳含量基本相同，驗證了多段再磨—精選流程中再磨的主要作用為打散精礦泡沫及“清洗”石墨表面；②精選后不進行再磨或者擦洗直接進行下段精選，即使達到了充分的單體解離，最終都會因為石墨表面被“污染”和脈石夾帶而導致石墨可選性變差［14］，從而得不到高品位石墨精礦；③磨礦作業后的精選精礦固定碳含量上升速度較擦洗快，可能的原因是再磨對石墨表面的“清洗”強度要高于擦洗，因此，若進一步優化擦洗工藝條件，理論上應該能使擦洗達到與再磨相同的“清洗”效果。

4.3 藥劑吸附測試結果

按3.2節所述流程對經不同處理方式處理后的石墨精礦進行浮選藥劑吸附量測定，結果見表5。

由表5可知，再磨后精礦對煤油的吸附率要明顯高于未再磨的精礦，造成這個差異的原因可能有：①再磨后鱗片石墨粒度變細，細粒礦物顆粒比表面積增大，能吸附更多的藥劑；②再磨的擦洗作用能去除礦物顆粒表面吸附的過剩藥劑，使礦物顆粒“新鮮”表面暴露，有利于藥劑的再吸附。吸附量測定所用試樣為高純度的細鱗片石墨純礦物，潤滑性較好，再磨對其磨碎作用較弱，理論上再磨后其粒徑變化不大，因此其顆粒比表面積也變化不大，理論上對藥劑的吸附量變化不大，因此可以認為再磨與未再磨精礦對煤油吸附量之間的差異主要為再磨對精礦表面吸附藥劑的去除造成的，驗證了再磨對礦物顆粒表面吸附的藥劑有“清洗”作用。

擦洗相較于再磨效果相對較弱，但也能較大幅度地提高精礦表面的藥劑吸附量，證明擦洗能在一定程度上替代再磨作用。

4.4 浮選精礦擦洗前后SEM照片

將浮選精礦泡沫進行擦洗，擦洗前后掃描電鏡結果見圖9，其中圖9（a）和（b）為擦洗前精礦照片，圖9（c）和（d）為擦洗后精礦照片。

圖9（a）～（d）顯示石墨精礦顆粒表面均粘附有微細的鱗片石墨及脈石礦物等“細屑”，但擦洗后表面的“細屑”明顯少于擦洗前，表面更加光滑，這說明擦洗對石墨精礦顆粒表面的“清洗”效果很明顯。經過擦洗后，石墨精礦顆粒表面粘附的“細屑”基本都被清除，礦物暴露出新鮮表面，更有利于藥劑的吸附，提高石墨礦石的可選性。

5 結 論

（1）工藝礦物學研究表明原礦中主要脈石礦物為石英以及云母類，還含有少量的黃鐵礦、矽線石等；原礦石墨固定碳含量為12.71%，當磨礦至-0.018 mm時，石墨的單體解離度可達到84.66%。

（2）擦洗條件試驗確定了最佳擦洗轉速2 000 r/min，擦洗濃度20%，擦洗時間30 min；三者在適宜的工藝條件下才能使擦洗效果達到最優。

（3）全流程試驗對比結果顯示，擦洗可以代替再磨，只要磨礦達到單體解離所需細度，石墨與脈石礦物充分單體解離，采用擦洗獲得固定碳含量為94.53%的石墨精礦比再磨流程精礦固定碳含量93.16%略高；石墨表面被“污染”和脈石夾帶而導致石墨可選性變差，可以通過擦洗或再磨進行改善。從實踐中驗證多段再磨—精選流程中再磨的主要作用為打散精礦泡沫及清洗石墨表面，擦洗也能起到與再磨相同的打散與“清洗”效果，且擦洗工藝比再磨工藝更方便、經濟。

（4）藥劑吸附驗證試驗結果表明擦洗能清除部分石墨表面吸附的藥劑，提高石墨可選性。從石墨精礦的SEM照片可以看出擦洗對精礦表面的“清洗”效果明顯。