提高鋰輝石礦選礦指標的工程化關鍵技術研究

夏自發,鄧朝安,鄒毅仁,何榮權(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

1 前言

鋰作為稀有元素,因其獨特理化性質,在醫藥、化工等諸多領域廣泛應用[1],特別是電荷密度大、易極化其他分子或原子、電極電勢最負、密度小等物理性質[2],使其在鋰電等新能源領域需求日益增加。

我國鋰輝石礦產資源豐富,主要賦存在花崗偉晶巖和花崗巖礦物型礦床中,主要分布在四川、江西、新疆、湖南等地。常伴生有長石、云母、石英等鋁硅酸鹽脈石礦物,有非常相似的天然可浮性,化學成分和礦石性質復雜使得鋰輝石礦物回收率不高,鋰輝石礦加工成本一直居高不下。

鋰輝石密度小(3.20 t/m3),且不具有磁性,無法用一般的重選法和磁選法將含鋰礦物與常見脈石礦物(如石英、長石、云母等)分離,浮選法通常是鋰輝石在實驗室和工業實踐中研究最多和應用最廣泛的方法。

2 鋰輝石選礦生產實踐

2.1 國內部分鋰輝石礦選礦指標

通過現場考察和查閱文獻,統計了國內部分鋰輝石選礦廠生產指標,生產指標見表1。

表1 國內部分鋰輝石選礦廠生產指標

由表1可知,鋰輝石選礦廠實際生產指標的鋰精礦品位一般在5.5%以上,但回收率普遍低于80%。

2.2 生產指標與試驗指標對比

國內多個研究單位對鋰輝石的選礦進行了深入研究,試驗指標都較好,鋰精礦 Li2O品位約為5.5%,回收率大于80%。按照試驗流程建設投產的鋰輝石選礦廠,例如四川某鋰輝石選礦廠,試驗的Li2O回收率為86.36%,生產的Li2O回收率為65% ～80%;例如四川某鋰輝石選礦廠,試驗的Li2O回收率為85.12%,生產的Li2O回收率為70%～75%。大量的生產實際證明,鋰輝石生產的回收率指標與試驗指標存在較大差異,生產回收率比試驗回收率一般低5% ～10%,呈現負變。

3 工程化關鍵技術研究

鋰輝石礦選礦廠實際回收率為70%～80%,比試驗回收率一般低5% ～10%,該現象表明,鋰輝石選礦由試驗成果向工程化轉化效果不理想,指標差異較大,以下原因都可能導致試驗與生產指標差異。

1)試驗研究不充分

試驗條件未充分考慮生產實際情況,比如水質、溫度、藥劑循環累積等。

2)試驗研究與生產實際偏差

通常試驗過程受設備及規模限制,一些生產條件無法在試驗中完全模擬,如浮選粒級組成、礦泥成分變化、生產波動等。

3)對鋰輝石選礦特殊性認識不夠

鋰輝石的選別在某些方面與鋁土礦、鉀鹽、錫石、螢石類似,但又有區別,尤其是在礦泥處理、強化調漿、流程結構、入選粒度、分段加藥、設備選型等方面有其特殊性。

通過對比分析試驗條件與生產實際,發現指標差異的核心原因在于鋰輝石礦選礦的工程化關鍵技術未能獲得合理解決,例如磨礦細度、入選粒級、礦泥處理、浮選環境、礦漿溫度、泡沫流動速率等。

結合鋰輝石礦的選礦特點,針對影響鋰輝石礦選礦指標的關鍵因素進行了研究,提出了工程化關鍵技術解決方案。

3.1 適宜的磨礦細度

粗粒難浮是鋰輝石浮選顯著特點之一,鋰輝石最佳的浮選粒度范圍是-0.106～+0.038 mm,其中,-0.074～+0.038 mm、-0.106～+0.074 mm、-0.038 mm、-0.200～+0.106 mm的粒級回收率依次降低。有文獻表明,當浮選粒度為0.2 mm時,浮選回收率為61%;當浮選粒度為0.30 mm時,浮選回收率僅為22%[3]。鋰輝石的浮選粒度一般要小于0.15 mm,隨著鋰輝石嵌布粒度變化,合適的磨礦細度對浮選起著至關重要的作用。

磨礦粒度越細,鋰精礦回收率越高,大多數選礦試驗研究推薦的磨礦細度為-0.074 mm占75%以上,甚至80%以上。

經現場考察和文獻調研,國內部分鋰輝石選礦廠實際生產的磨礦細度為-0.074 mm占65%～72%,實際生產磨礦細度通常比試驗研究磨礦細度粗。

磨礦粒度變細,可以減輕粗粒難浮的不利因素,但也會增加浮選礦漿黏度,增加礦泥量,增大精礦和尾礦的脫水難度。鋰輝石浮選的礦漿黏度高,粒度越細、黏度越高,為了保證浮選作業的穩定,磨礦細度不宜過細。大量生產實踐表明,生產中鋰輝石會出現選擇性磨礦,即磨礦細度為-0.074 mm占70%時,鋰輝石精礦的細度可達到-0.074 mm占80%。綜合考慮鋰輝石解離度、浮選指標和產品脫水等因素,鋰輝石通常適宜的磨礦細度為-0.074 mm占70% ～75%。

3.2 窄粒級入選

謝貞付、朱廣麗、田佳等人通過研究發現[4-6],濕磨條件下,鋰輝石單礦物在-0.106～+0.038 mm粒級的浮選回收率明顯高于其他粒級(-0.106～+0.074 mm＞-0.074～+0.038 mm＞-0.038 mm＞-0.15～+0.106 mm＞+0.15 mm),-0.106～+0.038 mm是鋰輝石浮選的最佳粒級。合適的磨礦粒度組成,尤其是鋰輝石礦物的粒級分布,是影響鋰輝石浮選的重要因素。

提高磨礦產品中-0.106～+0.038 mm粒級含量,降低粗粒、細泥含量,實現窄粒級入選將為浮選作業創造良好的選別條件,可以提高鋰輝石浮選指標。

當碎磨工藝采用半自磨工藝時,可以采取以下措施優化磨礦產品粒級實現窄粒級入選。

1)增加頑石破碎

在半自磨機格子板上開設礫石窗,適當增加礫石窗尺寸,排出物料經篩分后,篩上物料破碎至-16 mm,消除難磨粒級,以此來優化半自磨機的磨礦效果。

2)降低半自磨機長徑比

常見的半自磨機長徑比約為0.5∶1,即大直徑,小長度。增大半自磨機直徑,縮短筒體長度,減少沖擊次數,加快排礦速度,減少細粒級含量。

3)優化半自磨機作業參數

降低半自磨機鋼球充填率至8% ～10%、降低半自磨機磨礦濃度至75%左右,以減少細粒級含量。

4)采用兩段分級

旋流器與球磨機組成閉路,不僅控制了最終磨礦產品粒度,不合格粒級需繼續返回磨機再磨,合格粒級及時排出避免返回磨機過磨。SABC流程的磨礦細度達到-0.074 mm占70% ～75%時,一段旋流器分級效率低,存在“粗中跑細、細中夾粗”現象,導致磨礦分級效果差。采用兩段分級,第二段分級對一段旋流器溢流進行分級來保證磨礦最終產品粒度合格。增加二段分級將弱化一段分級入料粒級分布不合理、合格粒級少的問題,從而提高一段分級溢流切分點,提高溢流產率。二段分級旋流器可以針對一段旋流器溢流粒級分布窄、合格粒級多特點,在旋流器型號以及內部結構上進行改進,從而確保產出合格磨礦產品。采用兩段分級后,一段、二段分級功能特征明顯,從而降低了操作難度,整體分級效率都會提高。

3.3 預處理

鋰輝石礦石中含有白云母、鐵鋰云母、高嶺土等礦物。這些礦物硬度小,在磨礦過程中易泥化,產生大量難選礦泥,惡化浮選環境,不僅影響鋰輝石的可浮性,而且在浮選過程中也容易導致礦漿流變性更加復雜。

片狀云母具有選擇性磨礦特點,從而導致磨礦產品粒度不均勻,大于0.074 mm和小于0.010 mm部分含云母礦物高,大部分細磨的云母在浮選鋰輝石過程中,進入鋰精礦,降低精礦質量。

礦泥具有顆粒細微,比表面積大的特點。在浮選過程中礦泥對選別指標的高低有很大影響。在鋰輝石浮選過程中,礦泥基本是圍巖脈石,除少量原生礦泥外,大部分是次生礦泥。

由于礦泥嚴重影響鋰輝石浮選,在含鋰礦物入選前,有必要對礦漿進行預處理,預處理的方法有:脫泥、強化攪拌、分散礦泥等,以提高藥劑的選擇性。

鋰輝石正浮選的預處理工藝有兩類,一類為堿法不脫泥工藝,另一類為預先脫泥工藝。兩類工藝的特點見表2。

表2 鋰輝石正浮選的預處理工藝

工程上已經應用的鋰輝石預先脫泥方式主要有浮選脫泥、沉降脫泥和旋流器脫泥三種,三種脫泥方式的特點見表3。應根據處理規模、產品質量要求、云母含量、磨礦細度等因素,選擇合適的預先脫泥方式。

表3 鋰輝石浮選預先脫泥方式

3.4 強化調漿

調漿作業對鋰輝石的浮選效果影響明顯,經過堿液浸泡過的鋰輝石單礦物具有更好的可浮性,一方面,經堿擦洗過的鋰輝石表面會暴露出更多的金屬原子位點以供陰離子捕收劑吸附,另一方面是鋰輝石解理面Si原子溶蝕,產生電負性強的Si—O—(硅氧斷裂鍵),吸附金屬離子從而被活化。

這些化學反應都需要一定時間,鋰輝石與石英、長石的分離也需要一定時間的強烈攪拌。強化調漿的關鍵是攪拌時間,周賀鵬等人對攪拌時間進行了研究[9-10],攪拌時間對Li2O回收率的影響并不顯著,而Li2O品位隨攪拌時間的延長快速提高,最后保持平穩。這與延長了Na2CO3和NaOH各組分在礦物表面的作用時間,提高了礦物表面的溶蝕效果,增強礦物表面電負性的同時礦物表面生成“自生水玻璃”有關。

試驗與生產實踐都表明,強化調漿可以提鋰輝石礦的選礦指標,生產中,可采取的強化調漿措施有:

(1)Na2CO3分段添加有助于改善鋰浮選指標,Na2CO3分段添加在球磨機和粗選攪拌作業。

(2)采用高剪切力攪拌槽,提高調漿過程中的攪拌強度。

(3)增大NaOH用量,可以使鋰輝石的品位和回收率有不同程度的提升,同時攪拌作用還可以縮短NaOH的作用時間。

(4)延長攪拌時間,攪拌時間宜大于25 min。

3.5 加溫浮選

脂肪酸類及胺類等鋰輝石浮選捕收劑的性能受溫度影響較大,在低溫條件下水溶性及分散性差,低溫條件下鋰輝石回收率低,采用同樣的藥劑制度進行混浮粗選,進行了30℃、12℃、6℃三種不同溫度的浮選對比試驗,試驗結果見表4。

表4 低溫浮選對比試驗結果

由低溫浮選對比試驗結果可知,隨著溫度的降低,浮選捕收劑的性能受到一定的影響,溫度由30℃將至 6℃時,鋰輝石粗精礦 Li2O品位由4.43%降到4.03%,Li2O回收率則降低了約20%,尾礦中鋰的損失大幅增加,在較低溫度下,浮選效果明顯變差。

目前國內外對鋰輝石低溫浮選工藝及低溫捕收劑的研究和應用都有很大的進步,但在低溫地區的適應性仍然較差。

我國大部分鋰輝石礦地處低溫地區,晝夜溫差大,冰雪霜凍期氣溫低,雪水融化的水溫低,宜采用加溫浮選,延長生產期,提高鋰輝石回收率。

3.6 泡沫快速排出

鋰輝石礦浮選精礦產率大(最終精礦產率＞20%),礦漿黏度大,泡沫流動性很差,生產中讓浮選泡沫快速排出非常關鍵,宜采取以下措施:

(1)浮選機規格宜小,浮選機槽數宜多,盡量降低泡沫延長載荷和浮選機截面載荷。

(2)采用雙邊刮泡浮選機,或者增加推泡板,推泡角度更大、更深。

(3)鋰輝石礦浮選對充氣量很敏感,需要的充氣量小。

(4)采用充氣式浮選機,便于調節充氣量。

4 結論

我國鋰輝石礦產資源豐富,主要采用浮選法回收,國內已有多個鋰輝石礦選礦廠投入生產,鋰精礦的品位一般在5.5%以上,但回收率普遍低于80%,并且生產指標明顯低于試驗指標。

通過對比分析試驗與生產實際,導致指標明顯差異的主要原因是由于以下工程化關鍵技術未得到合理解決:磨礦細度、入選粒級、礦泥、浮選環境、礦漿溫度、泡沫流動速率。

通過分析影響鋰輝石選礦指標試驗與生產差異的原因,本文提出了工程化關鍵技術的解決方案。

(1)粗粒難浮是鋰輝石浮選的特點之一,鋰輝石礦適宜的磨礦細度為-0.074 mm占70%～75%。

(2)鋰輝石最佳的浮選粒度范圍是-0.106～+0.038 mm,降低粗粒及細泥的含量,窄粒級入選,為浮選作業創造良好的給料條件,可以提高鋰輝石浮選指標。

(3)鋰輝石礦石中含原生礦泥,在磨礦過程中又產生大量次生礦泥,惡化浮選環境,在含鋰礦物入選前,有必要對礦漿進行預處理,浮選操作更為穩定,生產指標更好。

(4)強化調漿對鋰輝石的浮選效果影響明顯,鋰輝石礦宜采用分段加藥、高剪切力攪拌槽、延長攪拌時間等措施提高調漿效果。

(5)鋰輝石捕收劑的低溫適應性較差,而我國大部分鋰輝石礦地處低溫地區,晝夜溫差大,冰雪霜凍期氣溫低,雪水融化的水溫低,宜采用加溫浮選,延長生產期,提高鋰輝石回收率。

(6)鋰輝石礦浮選精礦產率大,礦漿黏度大,泡沫流動性很差,讓浮選泡沫快速排出是保證流程通暢的關鍵。