立式輥磨機對菱鎂礦磨礦及浮選效果的影響

李 闖 許鵬云 孫傳堯 印萬忠 付亞峰 姚 金

（1.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819;2.沈陽理工大學材料科學與工程學院,遼寧 沈陽 110159;3.國家電子廢棄物循環利用工程技術研究中心,湖北 荊門 448124;4.鞍鋼集團北京研究院有限公司,北京 102200）

立式輥磨機又稱立磨,是一種用于水泥生料、水泥熟料、礦渣及煤渣粉磨加工的設備,集破碎、粉磨、快速烘干、高效選粉等工序為一體的高效節能環保型設備,具有結構簡單緊湊、工作可靠、流程簡單、占地面積小等諸多優點[1-3]。目前,有不少對立式輥磨機能耗和性能方面的研究,以及針對少數礦種的試驗都已開展。

DRUNICK、ALTUN等[4-6]對黃銅礦使用立式輥磨機進行磨礦中試試驗,比較了現有常規磨礦和立式輥磨機的比能耗和磨損率,試驗數據表明,使用立式輥磨機磨礦,不僅僅可以縮短工藝流程,同時還可以提高磨礦效率和降低磨礦能耗,立式輥磨機的能耗比傳統球磨工藝低18%左右,可降低38.1%的運行成本。REICHERT等[7]使用Loesche公司的立式輥磨機對2種類型的磁鐵礦進行大量試驗。結果表明,不同的磨機參數會影響磨礦能耗、生產效率和礦物解離等重要性能,并通過多元回歸分析,為這2種礦石類型建立一個最佳參數范圍,進行了參數預測,在后續的實際測試工作中得到了成功的驗證。付亞峰等[8]針對寬甸某低品級菱鎂礦石進行立式輥磨—浮選試驗研究,最終可獲得氧化鎂含量為47.24%、二氧化硅含量為0.27%、氧化鈣含量為 0.29%、氧化鎂回收率為65.14%的菱鎂礦精礦。長沙有色冶金設計研究院的董鵬等[9]利用立式輥磨機生產碳酸錳粉末,試驗結果顯示,立式輥磨機配套的熱風循環系統能有效地收集合格產品,所得產品中小于150 m的含量達到90%,含水率小于0.5%。該工藝相較于傳統的粉磨工藝不僅生產效率較高、工藝耗能較低,而且整套系統的自動化程度高、占地面積小,對整個金屬錳電解產業具有重要影響。馮裕果[10]對某釩礦的碎磨工藝進行了探討,從安裝功率、投資和生產成本等多方面進行了比較,結果表明:采用立式輥磨機工藝在投資成本、安裝功率、能耗和生產成本上都比傳統的三段一閉路加管磨工藝要有明顯的優勢。根據節能降耗、簡化工藝流程、節約投資的原則,同時確保良好的工藝指標前提下,引入立式輥磨機代替干燥設備和管磨的流程是處理類似石煤型釩礦新的發展方向。

本研究以丹東某菱鎂礦為試驗礦樣,分別利用立式輥磨機及球磨機進行磨礦試驗研究,并通過對比閉路試驗流程結果,考察立式輥磨機對菱鎂礦磨礦及浮選的影響,從而為立式輥磨機在菱鎂礦的應用提供技術支持。

1 立式輥磨機與球磨機工作原理

1.1 立式輥磨機的工作原理

立式磨的粉碎機理是高壓料層粉碎,其應用高壓料層粉碎原理完成對物料的加工,即物料在磨輥的高壓作用下相互聚集,彼此接觸形成料床,應力在顆粒間相互傳遞,物料在研磨體（即磨輥和磨盤）的擠壓、碾壓以及顆粒間相互作用下產生裂縫、斷裂、劈裂而粉碎,物料層在磨輥之間除主要受壓力作用之外,還受一定的剪切力。物料每通過磨輥一次,就要受到一次擠壓和剪切作用,就有被粉碎的可能,不像沖擊粉碎如球磨機那樣,物料受鋼球沖擊具有隨機性,因此立式輥磨機的粉碎效率較高。

圖1 立式輥磨機工作原理Fig.1 Working principle of vertical roller mill

1.2 球磨機的工作原理

在球磨機磨礦過程中,鋼球在拋落過程中和隨筒體一起轉動過程中,鋼球對礦粒的破碎作用可能是沖擊破碎或者是擠壓破碎和研磨破碎或者是它們的混合作用的結果。或者說鋼球對礦粒的破碎作用帶有隨機性,鋼球下落或滾動中可能碰到礦粒,也可能碰不到礦粒,所以鋼球與礦粒的相碰是隨機的。鋼球即使碰到礦粒,但能否發生破碎行為也是隨機的,這就是說,鋼球碰上適宜它破碎的礦粒時可能出現破碎行為,而鋼球的能量破碎不了的礦粒,則破碎行為就不能發生。因此,球磨機內的破碎過程實際是一個隨機過程,在磨礦過程中,礦粒破碎發生的概率事件取決于鋼球碰到礦粒的概率（碰撞概率）及鋼球與礦粒碰撞后發生破碎的概率（破碎概率）。

圖2 球磨機工作原理Fig.2 Working principle of ball mill

2 試驗原料及試驗方法

2.1 試驗原料

以丹東寬甸某菱鎂礦為原料,來料粒度為-12 mm,礦樣的化學多元素分析結果見表1,礦樣的X射線衍射分析結果見圖3。

圖3 礦樣X射線衍射分析結果Fig.3 X-ray diffraction spectrum analysis results of ore sample

表1 礦樣化學多元素分析結果Table 1 Chemical mult-element analysis results of ore sample %

由表1可以看出,菱鎂礦樣品中MgO含量為45.23%,SiO2含量為3.36%,CaO含量為0.98%,TFe含量僅為0.18%,同時從圖3可以看出,菱鎂礦樣品中主要有用礦物為菱鎂礦,主要脈石礦物有石英、白云石、方解石以及滑石等。

2.2 試驗方法

2.2.1 立式輥磨機磨礦

將-12 mm的物料給入德國Gebr.Pfeiffer公司制造的MPS32型立式輥磨機,立式輥磨系統會進行粉磨—分級—物料收集,通過調節選粉機的參數,獲得不同細度的粉磨產品。MPS32型半工業試驗機如圖4所示,立式輥磨系統粉磨工藝流程如圖5所示。

圖4 MPS32型半工業試驗機Fig.4 MPS32 semi-industrial testing machine

圖5 立式輥磨系統粉磨工藝流程Fig.5 Grinding process flow chart of vertical roller grinding system

2.2.2 球磨機磨礦

采用武漢探礦機械廠制造的XMQ-φ150×50型錐形球磨機,試驗給料粒度小于3 mm,每次試驗加入250 g礦樣,磨礦濃度為60%,磨礦后產品經篩分確定-0.074μm粒級含量。

2.2.3 浮選試驗

將磨礦后的礦樣,放入XFD-0.75型750 mL單槽浮選機中,每組試驗礦樣質量為250 g,先后加入調整劑、捕收劑、起泡劑等,試驗后將泡沫產品及浮選槽中產品分別進行過濾、烘干、稱重,并取樣化驗品位,計算產率、回收率等數據,并依據各段產物的數據繪制數質量流程圖。

圖6 菱鎂礦浮選試驗流程Fig.6 Flow chart of magnesite flotation test

2.2.4 磨礦能耗與磨耗的數據獲取

通過MPS32型立式輥磨機試驗系統中的能耗反饋模塊,可計算出磨礦能耗。通過稱量粉磨前后磨輥的重量變化,可計算出磨輥的損耗。

通過現場生產數據的反饋,可知現場生產過程中球磨機的磨耗與能耗。

3 磨礦試驗對比分析

3.1 磨礦能耗與磨耗的對比

將礦樣放入MPS32試驗系統中,在試驗系統中通入冷風進行風力分級,每次試驗時間為1 h,分別獲得不同磨礦細度的粉磨產品,并測量試驗系統的能耗與磨耗（表2）,與現場生產數據相對比（表3）。

表2 立式輥磨機磨耗與能耗試驗數據Table 2 Experimental data of abrasion and energy consumption of vertical roller mill

表3 磨礦能耗與磨耗對比Table 3 Comparison of grinding energy consumption and wear

通過表2可以看出,使用立式輥磨機粉磨菱鎂礦,當粉磨產品-0.074 mm含量從73.8%提高至94.2%時,其能耗在由3.6 kWh/t升高至7.8 kWh/t,磨耗則穩定在6.1～6.2 g/t。

通過現場的數據反饋,當現場球磨機磨礦產品粒度在-0.074 mm含量為70%左右時,球磨機生產能耗為21～22 kWh/t,鋼球及襯板的磨耗為100 g/t。

從表3可以看出,立式輥磨機磨礦的能耗與磨耗均低于球磨機磨礦,其中立式輥磨機磨礦的能耗僅為球磨機磨礦能耗的17%左右,立式輥磨機的磨耗約為球磨機磨耗的6%左右,通過對比可知,在降低菱鎂礦磨礦成本方面,立式輥磨機具有較大的優勢。

3.2 磨礦產品粒度分析

選取-0.074 mm含量為81.6%的立式輥磨產品與球磨磨礦產品分別進行篩分,并測試各粒級元素含量,試驗結果見圖7。

圖7 2種粉磨方式下不同粒級中元素分布分析Fig.7 Distribution of elements in different partical size under two grinding modes

通過圖7可知,立式輥磨機磨礦產品中沒有超大顆粒（+0.420 mm粒級）的存在,而且立式輥磨機磨礦產品中,有利于浮選的中間粒級（0.105～0.045 mm）含量比球磨機磨礦產品中的中間粒級含量高2.39個百分點,這也將影響著磨礦產品的浮選效果。

3.3 礦漿中Fe3+濃度對比

不同的碎磨方式會導致后續浮選作業時礦漿中難免離子的種類和濃度不同,很多研究表明[11-13],金屬陽離子的存在會影響菱鎂礦的浮選效果,尤其是Fe3+會顯著降低菱鎂礦的浮選回收率。

在球磨濕式磨礦中,由于磨礦介質為鋼球,磨礦環境中有大量的水的存在,因此會發生鋼球的機械損耗、鋼球的微電池反應等,由此在礦漿中會出現大量的Fe3+。在立式輥磨磨礦中,由于磨輥與磨盤之間有縫隙,磨礦介質之間不會直接接觸,因此磨礦產品中的鐵屑很少,磨礦介質的機械損耗較低;而且立式輥磨磨礦過程是干式磨礦,磨礦介質的微電池反應無法發生,因此礦漿中Fe3+濃度會比較低。表4為2種磨礦方式下礦漿中Fe3+濃度的測試結果。

表4 不同磨礦方式下礦漿中Fe3+濃度Table 4 Pulp concentration of Fe3+in different grinding methods

由表4可以看出,立式輥磨機磨礦礦漿中的Fe3+濃度非常低,僅為0.002 mg/L,約為球磨機磨礦礦漿中Fe3+濃度的0.179%。Fe3+在礦物表面會生成氫氧化物沉淀,并在礦物表面產生吸附與罩蓋,從而改變礦物表面的性質,阻礙浮選藥劑與礦物表面的吸附作用,對菱鎂礦的浮選過程產生不利影響。

4 浮選試驗研究

4.1 磨礦細度試驗

磨礦作業是浮選前的一道重要工序,其目的是使礦石中的有用礦物與脈石礦物實現單體解離,并制備適宜浮選的合格粒度產品。取經過破碎后的樣品,經立式輥磨機磨至不同細度,在捕收劑十二胺用量為150 g/t、起泡劑2#油用量為20 g/t條件下考察磨礦細度對浮選指標的影響,結果見圖8所示。

圖8 立磨機磨礦細度條件試驗結果Fig.8 Results of vertical roller mill grinding fineness test

由圖8可以看出,當立式輥磨機磨礦細度增加時,精礦中的MgO品位及回收率均呈先上升后降低的趨勢,但精礦中SiO2品位隨著磨礦細度的增加而升高。綜合考慮精礦中MgO品位、回收率以及SiO2品位,選擇磨礦細度為-74μm含量81.6%。

4.2 十二胺用量對比試驗

控制磨礦細度為-74μm含量81.6%,將立式輥磨機和球磨機磨礦產品分別給入浮選機中,在2#油用量為20 g/t條件下,考察十二胺用量對浮選指標的影響,結果見圖9。

圖9 反浮選十二胺用量試驗結果對比Fig.9 Comparison of experimental results of dodecylamine dosage in reverse flotation

由圖9可以看出,隨著十二胺用量的增加,立式輥磨機與球磨機磨礦產品的浮選精礦中,MgO品位均呈先上升后下降的趨勢,MgO回收率則隨著十二胺用量的增加而降低;立式輥磨浮選精礦中SiO2品位呈下降趨勢,球磨浮選精礦中SiO2品位則先下降后上升。因此綜合考慮菱鎂礦的回收率,確定立式輥磨浮選試驗中十二胺的用量為100 g/t,球磨浮選試驗中十二胺用量為100 g/t。

4.3 正浮選Na2CO3用量對比試驗

將立式輥磨機和球磨機磨礦產品分別給入浮選機中,其中磨礦細度為-74μm含量81.6%,十二胺用量100 g/t,2#油用量20 g/t,水玻璃用量1 000 g/t、六偏磷酸鈉用量260 g/t、捕收劑油酸鈉用量800 g/t,考察Na2CO3用量對浮選指標的影響。試驗流程見圖10,試驗結果見圖11。

圖10 浮選試驗流程Fig.10 Flowsheet of flotation test

由圖11可以看出,隨著Na2CO3用量的增加,兩種磨礦方式下的礦漿pH值呈輕微上升趨勢。立式輥磨精礦中MgO、SiO2、CaO品位呈先升高后降低并趨于穩定趨勢,MgO回收率則先升高后降低,當Na2CO3用量為1 000 g/t,MgO回收率達到最高,為75.92%,此時 SiO2、CaO品位也可接受,因此選取Na2CO3用量為1 000 g/t。 球磨精礦中,MgO、SiO2品位呈先降低后升高趨勢,CaO品位變化很小,MgO回收率則先降低后略微升高,綜合考慮MgO品位、回收率及SiO2、CaO品位,選取Na2CO3用量為800 g/t。

圖11 正浮選Na2 CO 3用量試驗結果對比Fig.11 Comparison of test results of Na2CO3 dosage in positive flotation

4.4 正浮選六偏磷酸鈉用量對比試驗

將-74μm含量為81.6%的立式輥磨機和球磨機磨礦產品分別給入浮選機中,其中十二胺用量100 g/t,2#油用量20 g/t,水玻璃用量1 000 g/t,油酸鈉用量800 g/t;立式輥磨機浮選試驗中Na2CO3用量為1 000 g/t,球磨浮選試驗中 Na2CO3用量為800 g/t,考察六偏磷酸鈉用量對浮選指標的影響。試驗流程見圖10,試驗結果見圖12。

圖12 正浮選六偏磷酸鈉用量試驗結果對比Fig.12 Comparison of test results of （NaPO 3）6 dosage in positive flotation

由圖12可以看出,隨著六偏磷酸鈉用量的增加,2種磨礦方式的浮選精礦中MgO品位均呈先上升后降低趨勢,精礦中MgO回收率均呈降低趨勢。對于精礦中的SiO2品位與CaO品位,則隨著六偏磷酸鈉用量的增加而降低,但CaO品位降低的趨勢更明顯。綜合考慮,確定立式輥磨浮選中六偏磷酸鈉用量為100 g/t,球磨浮選中六偏磷酸鈉用量為200 g/t。

4.5 正浮選油酸鈉用量對比試驗

本論文正浮選捕收劑采用脂肪酸類陰離子捕收劑油酸鈉。油酸鈉是一種不飽和脂肪酸鹽,在浮選過程中主要是油酸分子或油酸根離子起作用。

將立式輥磨機和球磨機磨礦產品,給入浮選機中,其中磨礦細度為-74μm含量81.6%,十二胺用量100 g/t,2#油用量20 g/t,水玻璃用量1 000 g/t,油酸鈉用量800 g/t;立式輥磨機浮選試驗中Na2CO3用量為1 000 g/t,六偏磷酸鈉用量為100 g/t;球磨浮選試驗中Na2CO3用量為800 g/t,六偏磷酸鈉用量為200 g/t,考察油酸鈉用量對浮選精礦指標的影響。試驗流程圖見圖10,試驗結果見圖13。

圖13 正浮選油酸鈉用量試驗結果對比Fig.13 Comparison of test results of sodium oleate dosage in positive flotation

由圖13可以看出,隨著油酸鈉用量的增加,兩種磨礦方式下MgO回收率均呈上升趨勢,但MgO品位呈現出不同的趨勢:立式輥磨浮選精礦中MgO品位呈先上升后下降趨勢,球磨浮選精礦中MgO品位呈先下降后上升趨勢。2種磨礦方式下CaO品位均隨油酸鈉用量的增加而上升,球磨浮選精礦中SiO2品位則變化不大,立式輥磨浮選精礦中SiO2品位呈先上升后下降趨勢。

綜合考慮,確定油酸鈉適宜用量為:立式輥磨浮選1 000 g/t,球磨浮選1 500 g/t,此時MgO品位較高,SiO2及CaO品位均較低。

4.6 閉路流程試驗對比

通過上述條件試驗,確定閉路流程試驗藥劑制度,然后將-0.074 mm含量約為81.6%的2種磨礦產品,進行閉路浮選試驗研究,從而考察不同磨礦方式對菱鎂礦浮選效果的影響。閉路試驗流程見圖14,浮選流程中藥劑用量對比見表5,浮選試驗結果對比見表6。

圖14 閉路試驗工藝流程Fig.14 The flowsheet of closed circuit flotation test

由表5可以看出,使用立式輥磨機磨礦,可有效降低油酸鈉與六偏磷酸鈉用量,其中油酸鈉用量降低了約33.3%,六偏磷酸鈉用量降低了50%。

表5 2種磨礦產品浮選流程的藥劑用量對比Tab.5 Comparison of reagent dosage for flotation process of two grinding products

由表6可以看出,2種磨礦方式下浮選精礦的指標各有差異。立式輥磨機磨礦產品的浮選精礦中MgO、SiO2品位與球磨磨礦的浮選精礦指標差距不大,但立式輥磨機磨礦系統的精礦產率要比球磨磨礦的精礦產率高2.72個百分點,同時立式輥磨產品的MgO回收率也比球磨產品高3.19個百分點。尤其重要的是,通過對比精礦中CaO品位,可以發現,立式輥磨磨礦的浮選精礦中CaO品位為0.29%,而球磨磨礦產品的浮選精礦中CaO品位則為0.57%,是立式輥磨精礦產品的1.97倍,這些指標將影響菱鎂礦產品的附加值。

表6 2種磨礦產品的浮選精礦指標對比Tab.6 Comparison of flotation concentrate indexes of two grinding products

5 結 論

通過對丹東寬甸某菱鎂礦進行立式輥磨機磨礦—閉路浮選流程試驗與球磨機磨礦—閉路浮選流程試驗,對比分析了磨礦能耗、磨礦磨耗、礦漿中Fe3+濃度、磨礦產品粒度分布、藥劑制度及精礦指標,得出以下結論:

（1）相對于球磨機,立式輥磨機在磨礦能耗與磨耗方面具有極大的優勢:立式輥磨機磨礦的能耗僅為球磨機磨礦能耗的17%左右,立式輥磨機的磨耗約為球磨機磨耗的6%左右。

（2）立式輥磨機磨礦產品中沒有超大顆粒（+0.420 mm粒級）的存在,而且立式輥磨機磨礦產品中,有利于浮選的中間粒級（0.105～0.045 mm）含量比球磨機磨礦產品中的中間粒級含量高2.39%,這有利于菱鎂礦的浮選。

（3）立式輥磨機磨礦礦漿中的Fe3+濃度約為球磨機磨礦礦漿的17.86%,這會減少礦物表面鐵的氫氧化物的形成,有利于藥劑與菱鎂礦顆粒的吸附。

（4）浮選試驗表明,使用立式輥磨機磨礦,可有效降低油酸鈉與六偏磷酸鈉用量,并降低精礦中CaO品位,提升精礦質量。

綜上所述,使用立式輥磨機對菱鎂礦進行磨礦,可有效降低磨礦過程中的能耗與磨耗,提升菱鎂礦精礦產品質量。