柏泉鐵礦常溫浮選磷的問題與應(yīng)用探討

黃志營，鄒正勤，肖晶晶，冀瑞峰，范志國

(河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司承德柏泉鐵礦，河北 承德 067500)

我國磷礦分為巖漿型磷灰石、沉積巖型磷塊巖、沉積變質(zhì)巖型磷灰石三大類，其中沉積磷塊巖礦床是我國的主要磷礦資源，占總儲量的80%以上[1]。這類磷礦資源絕大部分為硅鎂雜質(zhì)含量較高的中低品位礦石，有用礦物一般與脈石礦物緊密結(jié)合在一起，嵌布粒度細(xì)，呈均質(zhì)膠體或隱晶質(zhì)，不易解離，通常磨礦細(xì)度(-0.074 mm含量)需達(dá)90%才能單體解離。中低品位磷塊巖(俗稱膠磷礦)的浮選通常需要加溫，目的是提高脂肪酸類捕收劑的分散性和水溶性，改善其捕收性能[2]。近年來，我國選礦技術(shù)領(lǐng)域常溫或低溫浮選不加堿的理論研究陸續(xù)增加，研發(fā)高效低毒、水溶性好、選擇性強(qiáng)的抑制劑和捕收劑是實(shí)現(xiàn)我國難選性磷礦中與脈石礦物分離的有效途徑[3]。柏泉鐵礦位于河北省承德市平泉市，年平均氣溫較低，冬季最低氣溫達(dá)-30 ℃。礦石屬性為膠質(zhì)性低品位含磷釩鈦磁鐵礦，采出礦石中的P2O5品位(即原磷品位)為1.8%～2.3%，年處理鐵礦石800萬t。破碎系統(tǒng)采用粗-中碎-高壓輥磨細(xì)碎的三段兩閉路流程。磨選系統(tǒng)采用階段磨礦階段選別選鐵、“一粗一掃三精”浮選磷的流程。該礦作為承德地區(qū)含磷超貧磁鐵礦山的先進(jìn)企業(yè)，創(chuàng)新實(shí)踐采用常溫浮選的方式對選鐵尾礦中的磷元素進(jìn)行回收。受礦石性質(zhì)、氣候條件、工藝、設(shè)備等因素的影響，常溫浮選方法在該地區(qū)推廣案例極少，故生產(chǎn)中存在一系列瓶頸問題。

1 礦石性質(zhì)

承德柏泉鐵礦礦石為超貧釩鈦磁鐵礦，TFe平均為9%～12%，mFe平均為4%～6%，原礦中P2O5品位為2.0%。 礦石化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 礦石多元素分析Table 1 Multielement analysis of ore

通過礦石的XRD分析，礦石中含有少量磁鐵礦和磷灰石，主要脈石礦物有鉀長石、鈉長石、云母等硅酸鹽礦物，結(jié)果見圖1。

圖1 原礦XRD分析圖Fig.1 XRD analysis diagram of raw ore

磷灰石在脈石中多數(shù)以粒狀產(chǎn)出，粒度以細(xì)粒嵌布為主，與多種碳酸鹽礦物如長石、角閃石、云母等及金屬礦物均有密切的嵌布關(guān)系，且部分磷灰石包裹在長石、云母及金屬礦物顆粒中，部分磷灰石裂隙中充填碳酸鹽礦物，如圖2和圖3所示。

圖2 磷灰石與長石、磁鐵礦的嵌布關(guān)系Fig.2 Embedding relationship between apatite andfeldspar and magnetite

圖3 磷灰石與磁鐵礦、輝石的嵌布關(guān)系Fig.3 Embedding relationship between apatite andmagnetite and pyroxene

2 選磷工藝流程

浮選原礦是選鐵后的磁選總尾礦，采用“一粗一掃三精”的浮選工藝流程(圖4)。粗選和掃選均使用XCF/KYF-50浮選機(jī)，共8臺；精選使用XCF/KYF-20浮選機(jī)，共6臺。經(jīng)過浮選作業(yè)分選出P2O5品位33%以上的磷精礦。

3 常溫浮選存在的問題與分析

3.1 入浮原礦粒級分布不合理

柏泉鐵礦選磷工藝流程自投產(chǎn)以來，入浮原礦粒級組成存在兩極分化現(xiàn)象。結(jié)合浮選磷工藝流程特點(diǎn)和泡沫吸附特性研究，-0.150～+0.038 mm粒級之間的物料具有最佳可浮性[4]。通過和周邊選磷礦山企業(yè)、同行業(yè)較好水平企業(yè)的入浮原磷進(jìn)行粒度篩分對比，結(jié)果見表2。在入浮物料的粒級篩析中，該粒級的含量只有26%左右，其他粒級無法有效分選，粒級分布形成“沙漏型”特性。相比西部地區(qū)同行業(yè)選磷礦山，該粒級所占比例明顯減少了約一倍。在粗選泡沫礦化效果不好時(shí)，需要適當(dāng)降低礦漿液位，減少充氣量，以避免粗選“冒槽”。經(jīng)過三次精選作業(yè)以后，磷精礦中-0.150～+0.038 mm粒級之間的礦粒含量更少，嚴(yán)重影響了P2O5回收率。

圖4 浮選“一粗三精一掃”工藝流程圖Fig.4 Flow chart of flotation process

表2 原磷粒級分布特性的對比Table 2 Comparison of particle size distributioncharacteristics of raw phosphorus

3.2 浮選時(shí)間過長

本節(jié)中的浮選時(shí)間是指礦漿在浮選槽內(nèi)停留的時(shí)間，即礦漿在浮選槽內(nèi)流過的時(shí)間。粗選和掃選使用XCF/KYF-50浮選機(jī)，精選使用XCF/KYF-20浮選機(jī)，浮選槽為單側(cè)刮料，粗選槽體的縱深長度為4.2 m，粗選、精選、掃選浮選機(jī)總?cè)莘e分別為250 m3、60 m3、150 m3，設(shè)計(jì)粗選、精選(三次)、掃選的浮選時(shí)間分別為6.0 min、16.0 min和3.5 min。在實(shí)際的浮選作業(yè)中，受槽體深度、充其量、礦漿量、礦漿濃度等因素的綜合影響，粗選時(shí)間約10 min。 由圖5可知，隨著浮選時(shí)間的增長，磷的回收率也不斷提高，但到了一定的時(shí)間以后，浮選時(shí)間再延長，磷回收率反而會(huì)下降，主要體現(xiàn)在精礦產(chǎn)率的顯著降低。 經(jīng)浮選氣泡原理分析，是由于已經(jīng)礦化的泡沫達(dá)到泡沫層后不能被及時(shí)刮出，造成氣泡不斷的兼并和溶解，使氣泡變大且不穩(wěn)定，減弱了氣泡的承載力和穩(wěn)定性[5]，增加了礦粒掉落的幾率，對礦化不利，可選礦粒最終從掃選排出，嚴(yán)重影響了磷的回收率。

圖5 粗選浮選時(shí)間對粗精礦磷產(chǎn)率和回收率的影響Fig.5 Effect of flotation time on phosphorus yield andrecovery of coarse concentrate

3.3 粗選容易“冒槽”

粗選消泡槽“冒槽”現(xiàn)象比較嚴(yán)重，粗精礦較難消泡，在消泡槽內(nèi)淤積，只能采取減少粗選刮泡量的措施，故嚴(yán)重影響了磷精粉產(chǎn)量。分析原因主要有以下幾個(gè)方面：①XCF型精選浮選機(jī)與KYF浮選機(jī)相比，吸漿能力不足，不能產(chǎn)生足夠的負(fù)壓將粗精礦順利吸進(jìn)浮選槽內(nèi)；②粗精礦中細(xì)顆粒物料含量占比較大，產(chǎn)生了較多比重小、體積大的礦化泡沫，有研究表明[6]，礦粒與氣泡的接觸幾率及黏著幾率隨著礦物粒度的增大而明顯降低；③雖然采用階梯浮選，精礦管路的坡度為18%，但不足以使粗精礦順利到達(dá)精礦槽內(nèi)；④粗精礦在通往精-浮選槽的管路內(nèi)，顆粒和氣泡在湍流環(huán)境中的脫附力包括振蕩力和離心力，故礦化泡沫產(chǎn)生了分層，受浮力的作用向上運(yùn)動(dòng)，在管路進(jìn)口處與不斷流入的粗精礦泡沫形成了強(qiáng)烈的紊流效應(yīng)，影響粗精礦的流通。

3.4 水玻璃的作用效果

從理論上講，水玻璃能夠增加磷灰石表面疏水性，對磷礦浮選有“活化”的作用，同時(shí)在正浮選流程中能夠抑制部分螢石、石英等雜質(zhì)，因此浮選磷時(shí)常用水玻璃作為活化劑、抑制劑。但通過試驗(yàn)及長期應(yīng)用表明[7]，針對柏泉鐵礦礦區(qū)的伴生磷灰石而言，水玻璃的效果并不明顯，尤其是在冬季期間，礦漿平均溫度為5 ℃，浮選磷接近于低溫浮選條件，水玻璃在礦漿中的活化、分散、抑制等作用難以有效發(fā)揮，如圖6所示，水玻璃不能降低雜質(zhì)的泡沫夾帶，且過量的水玻璃自身極易與較細(xì)顆粒形成“微絮”狀態(tài)。通過成本測算，磷精礦質(zhì)量提高帶來的經(jīng)濟(jì)效益不足以彌補(bǔ)水玻璃的實(shí)際消耗成本。因此可以考慮適當(dāng)降低水玻璃用量或取消水玻璃的使用。

4 改進(jìn)應(yīng)用

1) 根據(jù)浮選原理，可通過降低浮選機(jī)槽深和攪拌強(qiáng)度、增大浮選充氣量、適當(dāng)提高浮選濃度、改進(jìn)藥劑制度、改善磨礦條件等措施，提高粗粒礦物的回收效果。

柏泉鐵礦在現(xiàn)有浮選工藝和設(shè)備前提下，采取了提高浮選濃度的措施，其小型浮選試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，將粗選浮選礦漿濃度由35%逐步提高至45%，粗精礦產(chǎn)率、品位明顯增加，但濃度超過45%后，粗精礦指標(biāo)顯著變差，是由于礦漿濃度過高時(shí)，含磷顆粒的礦化過程受限，與脈石、細(xì)泥礦物難以較好分散解離，已形成的礦化泡沫在上浮過程中受阻嚴(yán)重，故粗精礦品位和產(chǎn)量明顯降低。在工業(yè)試驗(yàn)現(xiàn)場，濃度達(dá)45%時(shí)，浮選槽液面呈“稠粥”狀，消耗大量藥劑，但難以得到較好分選。故生產(chǎn)現(xiàn)場控制浮選濃度為38%～45%。

圖6 水玻璃用量對粗精礦磷指標(biāo)的影響Fig.6 Effect of sodium silicate dosage on phosphorusindex of coarse concentrate

表3 不同礦漿濃度對粗精礦磷指標(biāo)的影響Table 3 Influence of different pulp concentration onphosphorus index of coarse concentrate

2) 從改善磨礦條件方面，考慮優(yōu)化一段磨礦介質(zhì)尺寸及補(bǔ)加球方法，利用經(jīng)典的破碎力學(xué)原理和戴維斯等的理論推導(dǎo)出球半徑理論公式[8]，由單一球徑(Φ120 mm)改為復(fù)合球徑合理搭配方式(即Φ120 mm∶Φ100 mm=60%∶40%)；改造后，入浮原礦中的平均粒度(-0.074 mm含量)提高了4.2%，且入浮原礦中，0.150～0.038 mm粒級占比提高了約8%，效果較顯著。

3) 在工藝方面，提出了在選鐵尾礦進(jìn)入浮選流程前，增設(shè)預(yù)先篩分工藝和脫泥工藝，減小入浮原礦中細(xì)泥和較粗顆粒的含量，將入浮原礦粒級分布由“沙漏型”變成“梭子型”，有利于提高常溫浮選效果。在上述措施實(shí)施后，柏泉鐵礦入浮原礦和磷精粉粒級分布均出現(xiàn)明顯變化，可選粒級含量明顯增加，磷的回收率提高了8%(表4和表5)。

表4 實(shí)施應(yīng)用前后入浮原礦粒級篩析結(jié)果Table 4 Results of particle size screening of floating raw orebefore and after application

表5 實(shí)施應(yīng)用前后磷精粉粒級篩析對比Table 5 Comparison of particle size analysis of phosphorusconcentrate before and after application

4) 通過調(diào)整粗選浮選槽礦漿液位，監(jiān)測粗精礦產(chǎn)率、品位、濃度等指標(biāo)的變化情況，見表6。由表6可知，隨著粗選液位的增高，精礦濃度也不斷增加(即產(chǎn)率有所升高)，品位略有降低，但對最終精礦品位不會(huì)產(chǎn)生較大影響。

所以將粗選和精三作業(yè)保持較高液位，在液位自動(dòng)控制PLC程序里，把液位參數(shù)控制在90附近，-0.150～+0.038 mm粒級的含量會(huì)分別增加5.1%和3.7%，具體數(shù)據(jù)見表7。

5) 為了改變浮選時(shí)間過長的現(xiàn)狀，主要途徑就是加快回收磷精礦的速度。在現(xiàn)場實(shí)踐中，可以提高浮選機(jī)泡沫刮板的轉(zhuǎn)速，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表8。由表8可知，提高刮板轉(zhuǎn)速可以提高單位時(shí)間內(nèi)的粗精礦濃度，但粗精礦磷品位并無明顯變化。刮板轉(zhuǎn)速提高能夠間接的增加一定單位時(shí)間內(nèi)的刮泡量，提高單位時(shí)間內(nèi)的刮泡速度、增加浮選機(jī)槽體橫向中心線后邊泡沫層的前進(jìn)速度。同時(shí)可以考慮增加刮板葉片數(shù)量，即由傳統(tǒng)的雙刮板改為“四刮板”，在前述效果的基礎(chǔ)上，能夠?qū)⒌V化泡沫的刮出速度提高一倍。

表6 不同礦漿液位條件下的粗精礦磷指標(biāo)Table 6 Index of roughing concentrate underdifferent slurry levels

表7 不同液位下粗選和精選精礦的篩析結(jié)果Table 7 Screening results of roughing and cleaningconcentrates at different liquid levels

表8 不同浮選機(jī)刮板轉(zhuǎn)速條件下粗精礦指標(biāo)Table 8 Index of roughing concentrate under differentscraper speeds of flotation machine

5 結(jié) 論

1) 承德地區(qū)含磷鐵礦石嵌布粒度細(xì)，粗顆粒的磷品位較高，具有很好的回收價(jià)值，因此，要充分考慮入浮前工序的指標(biāo)控制，合理制定入浮原礦的粒級分布目標(biāo)。

2) 粗顆粒比重大，在浮選過程中不易懸浮，與氣泡碰撞的幾率小，即便是附著于泡沫后，受自身重力的影響，極易從氣泡上脫落。若浮選機(jī)槽體有效深度較大，無形中就增加了礦化泡沫上浮的距離和時(shí)間。可以適當(dāng)減小槽體深度、提高礦漿液位、減小泡沫層厚度，以增加粗精礦產(chǎn)率和濃度，降低其平均粒徑，提高粗選浮選效果。

3) 采用階梯浮選的工藝布置，要合理計(jì)算粗選容積和精選容積的合理匹配。結(jié)合承德地區(qū)礦石分布特性，可適當(dāng)增加浮選機(jī)的吸漿能力，緩解礦漿流速慢的弊端，減小泡沫的紊流效應(yīng)，避免礦化泡沫堆積，增加動(dòng)能。

4) 柏泉鐵礦在常溫浮選磷方面的技術(shù)研究，成為冀東地區(qū)含磷超貧釩鈦磁鐵礦山綜合利用尾礦資源常溫浮選磷的重要應(yīng)用借鑒。