酒鋼鐵礦石懸浮焙燒磁選精礦提質降雜試驗研究

孫洪碩 高澤賓 韓躍新 王建雄 祁生亮 梁金鵬

(1.酒鋼集團宏興股份公司選礦廠,甘肅 嘉峪關 735100;2.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819;3.難采選鐵礦資源高效開發利用技術國家地方聯合工程研究中心,遼寧 沈陽 110819)

鋼鐵材料是現代社會中最為重要的結構性材料和功能性材料之一,其主要生產原料為鐵礦石,然而國產鐵礦石卻難以滿足我國的鋼鐵生產需求,鐵礦石大部分依賴于進口,對外依存度過高[1-3]。為保障中國鐵礦石的供應安全,亟需高效開發利用國產鐵礦石。但我國鐵礦床以中小型居多,大型和超大型鐵礦床少;此外我國鐵礦石鐵資源稟賦差,礦物結晶粒度細、組成成分復雜、礦石鐵品位低,大部分屬復雜難選鐵礦資源,常與釩、鈦、鋅、硫和砷等元素伴生,平均鐵品位僅有33%。隨著優質礦石資源的日益消耗,復雜難選鐵礦石的開發利用逐漸引發關注。研究表明,懸浮磁化焙燒—磁選是處理復雜難選鐵礦資源的有效工藝路線之一[1-3]。但在處理某些復雜難選鐵礦石時,單一懸浮磁化焙燒—磁選工藝所獲得的產品難以滿足鋼鐵冶煉的生產要求,因此有必要在此基礎之上進一步對懸浮磁化焙燒磁選精礦進行提質降雜[4-6]。

本文以酒鋼鏡鐵山粉礦的懸浮焙燒磁選精礦為研究對象,探究捕收劑用量、抑制劑用量、礦漿pH值及浮選溫度對磁選精礦浮選的影響,確定適宜的浮選工藝參數,并采用紅外光譜分析對浮選機理進行了研究。研究成果將進一步豐富懸浮磁化焙燒分選理論體系。

1 試驗原料與藥劑

1.1 試驗原料及藥劑

將粒度為-1 mm的酒鋼鏡鐵山粉礦在焙燒溫度570℃、焙燒時間10 min、CO濃度20%條件下進行懸浮磁化焙燒;然后將焙燒產品磨至-0.045 mm占90%,使用磁選管在磁場強度為139.26 kA/m的條件下對其進行選別,以磁選獲得的磁選精礦作為反浮選給礦。磁選精礦的化學多元素分析結果如表1所示。

表1 磁選精礦化學成分分析結果Table 1 Chemical composition analysis results of the magnetic separation concentrate %

由表1可知,磁選精礦鐵品位為55.00%,主要的雜質為SiO2,其含量為10.45%;此外還含有少量的Al2O3、CaO和 MgO,含量分別為 0.99%、0.43%和2.82%;有害元素 S和 P的含量分別為0.28%和0.01%。

為了確定磁選精礦中鐵元素賦存狀態,對礦石行了鐵物相分析,結果如表2所示。

由表2可知,磁選精礦中鐵主要以磁性鐵的形式存在,分布率為95.38%,其次,以赤褐鐵礦和碳酸鐵形式存在,鐵分布率分別為2.33%和1.75%,而以硫化鐵和硅酸鐵形式存在的鐵分布率很低。

表2 磁選精礦鐵物相分析結果Table 2 Iron phase analysis results of the magnetic separation concentrate %

磁選精礦中磁鐵礦與脈石的嵌布關系如圖1所示。磁鐵礦解離度如圖2所示。由圖1及圖2可知,磁鐵礦主要以單體形式存在,單體占有率為84.34%,其連生體主要為富連生體,磁鐵礦及富連生體的含量合計達到96.46%,貧連生體含量很低。脈石礦物主要以單體形式產出,少量與磁鐵礦連生,故采取反浮選進一步脫除脈石礦物。

圖1 磁鐵礦與脈石礦物嵌布關系Fig.1 Embedded relationship between magnetite and gangue

圖2 磁鐵礦單體解離度分析Fig.2 Analysis results of liberation degree of magnetite

1.2 試驗藥劑

試驗所用試劑胺類捕收劑為YG-328B。抑制劑苛性淀粉制備方法:將可溶性淀粉和氫氧化鈉按質量比5∶1在水溶液中混合,然后在90℃下恒溫水浴30 min,即得到試驗用苛性淀粉溶液。pH調整劑為稀硫酸。

2 試驗方法

2.1 反浮選試驗

浮選試驗采用XFGII型掛槽浮選機,主軸攪拌轉速為1 992 r/min。量取70 mL去離子水加入浮選槽中,然后加入50 g磁選精礦礦樣,攪拌3 min后依次加入抑制劑苛性淀粉、捕收劑YG-328B和pH調整劑,每種藥劑加入后攪拌3min;粗選時間5min,精選時間3min,浮選濃度33.33%。浮選結束后將所得產品烘干、稱重,化驗品位并計算回收率,浮選條件試驗流程如圖3所示。

圖3 浮選條件試驗流程Fig.3 Flow sheet of flotation condition experiments

2.2 紅外光譜測試

取2.00 g粒度為-0.15 mm的礦樣,加入20 mL蒸餾水以及對應用量的藥劑,充分攪拌后靜止10 min,進行抽濾并將礦樣置于真空干燥箱中低溫烘干。檢測時,取1 mg礦樣與100 mg光譜純的溴化鉀置于瑪瑙研缽中進行充分研磨、混合,用專門的壓片模具進行壓片,然后測量。

3 試驗結果與討論

3.1 浮選溫度試驗

浮選溫度對精礦指標有較大的影響,一般情況下,一定范圍內升高溫度,浮選藥劑活性增強,利于浮選分離。然而需要考慮經濟成本等問題,故選取適宜浮選溫度具有重要意義。在pH=7.50、YG-328B用量為300 g/t、苛性淀粉用量為400 g/t的條件下,探討了浮選溫度對精礦指標的影響,試驗結果如圖4所示。

圖4 浮選溫度對精礦指標的影響Fig.4 Effect of flotation temperature on the concentrate indexes

從圖4可知,隨著浮選溫度的升高,鐵品位和鐵回收率均呈現升高的趨勢。當浮選溫度由25℃提升至30℃時,鐵品位由57.64%提升至58.82%,鐵回收率由89.53%提高至91.08%。繼續升高浮選溫度至35℃時,鐵品位升高至59.00%,鐵回收率提升為91.30%,鐵品位及回收率提升均很低。綜合考慮,確定適宜的浮選溫度為30℃,此時浮選精礦鐵品位為58.82%、回收率為91.08%。

3.2 YG-328B用量試驗

在浮選溫度為30℃、pH=7.50、苛性淀粉用量400 g/t的條件下,考察了YG-328B用量對精礦指標的影響,試驗結果如圖5所示。

從圖5可知,隨著YG-328B用量的增加,反浮選精礦的鐵回收率先保持穩定之后降低,鐵品位呈現先略微降低后持續提高的趨勢。YG-328B用量由180 g/t提升至300 g/t時,反浮選精礦鐵品位由57.61%提升至58.35%,而反浮選精礦鐵回收率穩定在91.24%～92.16%。在YG-328B用量繼續提高至420 g/t時,鐵品位持續提升至60.17%,而鐵回收率迅速降低至75.97%。綜合考慮,確定YG-328B用量為300 g/t,此時浮選精礦鐵品位為58.35%、回收率為92.17%。

圖5 YG-328B用量對精礦指標的影響Fig.5 Effect of YG-328B dosage on the concentrate indexes

3.3 苛性淀粉用量試驗

在浮選溫度為30℃、pH=7.50、YG-328B 用量300 g/t的條件下,研究苛性淀粉用量對精礦指標的影響,試驗結果如圖6所示。

圖6 苛性淀粉用量對精礦指標的影響Fig.6 Effect of cautic starch dosage on the concentrate indexes

從圖6可知,隨著苛性淀粉用量的增加,反浮選精礦的回收率呈現持續升高的趨勢,鐵品位呈現先升高后降低最后略微提升的趨勢。苛性淀粉用量由100 g/t提升至400 g/t時,反浮選精礦鐵品位由57.97%提升至58.82%,而鐵回收率由85.93%提升為91.08%。當苛性淀粉用量由400 g/t提升至1 000 g/t時,反浮選精礦鐵品位降低為57.22%,鐵回收率提升至92.54%。繼續提升苛性淀粉用量,鐵品位略微提高至57.56%,鐵回收率提高至93.84%。試驗結果說明苛性淀粉用量偏高或偏低都不利于鐵礦物與石英的分離。綜合考慮,確定苛性淀粉用量為400 g/t,此時浮選精礦鐵品位為58.82%、鐵回收率為91.08%。

3.4 礦漿pH值試驗

在浮選溫度為30℃、YG-328B用量為300 g/t、苛性淀粉用量為400 g/t的條件下,探討了礦漿pH值對精礦指標的影響,試驗結果如圖7所示。

從圖7可知,隨著pH值的升高,鐵品位呈現先提高后降低的趨勢,而鐵回收率呈現先降低后升高的趨勢。礦漿pH值由4.10提升至7.50時,鐵品位由58.11%提升至58.82%,鐵回收率由94.88%降低為91.08%。繼續提升pH值至11.89時,鐵品位降低至57.42%,鐵回收率提升為95.63%。綜合考慮,確定適宜的礦漿pH值為7.50,此時浮選精礦鐵品位為58.82%、回收率為91.08%。

圖7 礦漿pH值對精礦指標的影響Fig.7 Effect of pulp pH value on the concentrate indexes

3.5 反浮選閉路試驗

采用1粗1精3掃的試驗流程,在浮選溫度為30℃、pH值為7.50、苛性淀粉用量為400 g/t、粗選 YG-328B用量為300 g/t、精選 YG-328B用量為150 g/t的條件下,對磁化焙燒產品磁選精礦進行反浮選閉路試驗。反浮選閉路試驗數質量流程如圖8所示。由圖8可知,反浮選精礦的鐵品位為58.02%、鐵回收率為98.39%;而尾礦的鐵品位為13.10%、鐵回收率為1.61%。試驗結果表明通過對懸浮焙燒產品磁選精礦進行反浮選,實現了提質降雜的目的,實現了鐵資源的高效回收利用。

圖8 反浮選閉路試驗數質量流程Fig.8 Quantity and quality flow sheet of closed circuit reverse flotation test

3.6 紅外光譜分析

紅外光譜分析不僅在有機化合物結構分析與表征中起重要作用,也常用于研究兩種物質之間的相互作用。在浮選領域里,紅外光譜分析廣泛地用于浮選藥劑與礦物表面相互作用的機理研究。為了更好地了解所用浮選藥劑與焙燒產品磁選精礦表面的作用機理,對與苛性淀粉作用前后的磁選精礦和與YG-328B作用前后經苛性淀粉作用的磁選精礦進行了紅外光譜檢測。

在礦漿pH值為7.5條件下,與苛性淀粉作用前后磁選精礦的紅外光譜分析如圖9所示。

圖9 苛性淀粉作用磁選精礦前后的紅外光譜分析Fig.9 IR of magnetic separation concentrate both before and after interacting with caustic starch

由圖9可知:磁選精礦1 436.82 cm-1處對應的是CaCO3的振動吸收峰,1 081.61 cm-1處對應的是石英Si—O—Si反對稱伸縮振動吸收峰,797.24 cm-1處對應的是石英Si—O—Si對稱伸縮振動吸收峰,1 031.54 cm-1、880.06 cm-1及778.28 cm-1處對應的是硫酸根的振動吸收峰,566.02 cm-1處對應的是磁鐵礦振動吸收峰;苛性淀粉3 580.62 cm-1至3 100.56 cm-1處對應的是糖類O—H伸縮振動吸收峰,形成寬的吸收帶,1 655.51 cm-1處對應的是羰基C=O伸縮振動吸收峰,850 cm-1至1 150 cm-1處主要對應的是C—O振動吸收峰;苛性淀粉作用后,在3 134.42 cm-1處新增了苛性淀粉O—H伸縮振動吸收峰,且峰值發生偏移,可能是由于氫鍵作用;562.49 cm-1處的Fe—O振動吸收峰峰向高頻漂移至566.41 cm-1,表明磁鐵礦中的Fe—O參與吸附作用,且以化學吸附為主[7-9]。

在礦漿pH值為7.5條件下,YG-328B作用前后磁選精礦的紅外光譜如圖10所示。

由圖10可知:YG-328B中2 957.05 cm-1處對應的是CH3反對稱伸縮振動吸收峰,2 928.54 cm-1處對應的是 CH2反對稱伸縮振動吸收峰,2 858.95 cm-1處對應的是CH2的伸縮振動吸收峰,1 632.80 cm-1處對應的是NH2的振動吸收峰,1 466.37 cm-1處對應CH2的振動吸收峰。在磁選精礦與YG-328B作用后,在1 432.78 cm-1處新增了YG-328B的振動吸收峰,表明YG-328B吸附于苛性淀粉處理后的磁選精礦中石英表面,且為靜電吸附[10]。

圖10 YG-328B作用磁選精礦前后的紅外光譜分析Fig.10 IR analysis of magnetic separation concentrate both before and after interacting with YG-328B

4 結 論

(1)對酒鋼鏡鐵山粉礦懸浮磁化焙燒產品的磁選精礦進行了反浮選條件試驗,結果表明其最佳粗選工藝條件為:浮選溫度為30℃、YG-328B用量300 g/t、苛性淀粉用量400 g/t、礦漿 pH值7.5。采用 1粗1精3掃的試驗流程,反浮選閉路試驗獲得的精礦鐵品位為58.02%、鐵回收率為98.37%。反浮選實現了對磁選精礦的提質降雜。

(2)紅外光譜分析表明,在反浮選過程中,抑制劑苛性淀粉吸附于磁鐵礦表面,吸附方式主要為化學吸附和氫鍵吸附;而捕收劑YG-328B吸附于石英表面,主要以靜電吸附方式實現。