三聚磷酸鈉對微細粒嵌布磁鐵礦磨礦效果的影響

周文波 朱照強 王永剛 徐 敏 彭 暢 彭 宇

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院,湖北 武漢 430081;2.甘肅酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司,甘肅 嘉峪關 735100)

微細粒嵌布的磁鐵礦石要實現單體解離,通常采用多段磨礦或者延長磨礦時間的方式來提高磨礦細度,然而這種方式會導致磨機能耗的提高,增加選礦成本[1]。就選礦行業而言,礦石粉碎(含破碎、磨礦)所需電耗成本占選礦成本的50%～60%,因此提高礦石粉碎效率(特別是磨礦效率)、降低能耗并改善磨礦產品質量,對選廠提質、增產、降耗具有重大意義[2]。

有研究表明,在磨礦過程中加入助磨劑可以降低礦漿黏度或降低礦物表面硬度[3],從而提高磨礦效率和有用礦物的解離度。鄧善芝等[4]總結了助磨劑的助磨機理及發展趨勢,得出磨礦過程中添加適量助磨劑能夠降低磨礦能耗,改善磨礦效果的結論。王澤紅等[5]研究了三乙醇胺、丙酮、氯化銨、氯化鈉和油酸鈉5種助磨劑對石英磨礦效率的影響,結果表明,油酸鈉對石英粉磨起阻礙作用,而其他4種助磨劑均能夠提高石英的粉磨效率,提高磨礦產品中-0.074 mm粒級產品含量。印萬忠等[6]研究了助磨劑十二胺、DA分散劑、硅酸鈉和氯化銨在粉磨過程中的助磨作用,結果表明,DA分散劑和硅酸鈉有顯著的助磨效果。劉天洋等[7]在對鐵礦石進行磨礦研究時,得出了分散劑類型助磨劑對鐵礦石助磨效果較好的結論。

助磨劑在水泥行業應用比較廣泛,在礦物領域的應用較少,本試驗結合前人的理論研究,以新疆某微細粒嵌布磁鐵礦石為研究對象,采用三聚磷酸鈉為助磨劑,研究其對微細粒嵌布磁鐵礦磨礦效率的影響,同時為了分析三聚磷酸鈉的助磨機理,采用粒度分析、紅外光譜分析、礦漿黏度測定、SEM分析等方法和技術手段對磨礦產品的各種特性進行表征分析。

1 試驗原料與方法

1.1 試驗原料

試驗原料為新疆某微細粒嵌布的磁鐵礦石,其化學多元素分析結果見表1。

表1 試樣化學多元素分析結果Table 1 Results of chemical multi-elements analysis for the sample %

從表1可以看出:試樣主要利用元素鐵的品位為31.67%,主要脈石成分為SiO2,含量為41.59%。

取礦石樣品制成光薄片,在偏反光顯微鏡下對礦石進行觀察,礦石中主要礦物的嵌布特征分析如圖1所示。

圖1 試樣中主要礦物的嵌布特征Fig.1 Dissemination characteristic of main minerals in the sample

由圖1可知:磁鐵礦在礦石中分布不均勻,主要有3種分布狀態:① 磁鐵礦局部呈稠密浸染狀分布;② 部分磁鐵礦呈稀疏浸染狀分布在脈石礦物中,多分布在脈石礦物晶粒間;③ 磁鐵礦局部呈微細條帶聚集分布,粒度為0.003～0.07 mm。采用點測法對磁鐵礦進行嵌布粒度測量,發現磁鐵礦嵌布粒度在-38 μm粒級的含量為57.07%,在-15 μm粒級的含量為23.76%,可見磁鐵礦嵌布粒度極細,要實現單體解離必須進行細磨。

1.2 試驗方法

原礦經過顎式破碎機、輥式破碎篩分機破碎為-3 mm顆粒后進行混勻、縮分、裝袋備用。本次試驗采取二段磨礦二段磁選工藝,第一段磨礦時間為5 min,磨礦產品經過磁選所得的粗精礦用孔徑為0.030 mm的標準泰勒篩進行篩析并進行全鐵品位化驗,粗精礦-30 μm粒級含量為24.02%,全鐵品位為38.31%,作為二段磨礦助磨劑條件試驗的原料。第二段磨礦條件試驗中,選用型號為XMQ-240×90的錐形球磨機進行濕式磨礦,磨礦濃度70%,介質填充率為45%,磨機轉速96 r/min,有效容積6.25 L。在第二段磨礦加入的三聚磷酸鈉(化學純)提前配制為5%濃度溶液加入球磨機中,本文中的試驗內容主要是針對二段磨礦試驗。

試驗采用孔徑為0.030 mm的標準泰勒篩對磨礦產品進行粒度篩析;用傅立葉VERTEX-70型紅外光譜儀檢測三聚磷酸鈉在礦石顆粒表面的吸附特性;用Nova NanoSEM400場發射掃描電子顯微鏡對磨礦產品進行形貌觀察;在Nikon LV100POL型偏反光顯微鏡下采用礦物顯微圖像測量法測定磨礦產品中磁鐵礦的單體解離度;用Brookfield DVS數顯式旋轉黏度計測量礦漿的黏度;采用濕式電磁圓筒磁選機對磨礦產品進行磁選試驗,磁場強度150 kA/m。

2 試驗結果與討論

2.1 助磨劑用量對磨礦產品細度的影響

在二段磨礦時間8 min的條件下,進行批次磨礦試驗,分別探究六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉和水玻璃這3種助磨劑在不同用量條件下對磨礦產品粒度的影響,結果如圖2所示。

圖2 不同助磨劑用量對磨礦產品粒度的影響Fig.2 Influence of grinding aids dosage on particle size of grinding products

由圖2可知:六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉和水玻璃對微細粒磁鐵礦石均具有助磨作用。在不加助磨劑的條件下,磨礦產品中-30 μm含量為60.68%;隨著助磨劑用量的增加,磨礦產品中-30 μm含量先明顯增加后略有降低。當三聚磷酸鈉用量為1 kg/t時,-30 μm含量達到最高,為73.33%;當水玻璃用量為1 kg/t時,-30 μm含量達到最高,為70.32%;當六偏磷酸鈉用量為2 kg/t時,-30 μm含量達到最高,為72.07%。相較于不加助磨劑的情況,磨礦產品中-30 μm含量分別提高了12.65個百分點、9.64個百分點和11.39個百分點,對比可知,3種助磨劑中三聚磷酸鈉對磁鐵礦磨礦產品-30 μm含量提升最大,因此選擇三聚磷酸鈉作為助磨劑,探究其對微細粒嵌布磁鐵礦磨礦效果的影響和助磨機理。

2.2 三聚磷酸鈉對磨礦產品粒度的影響

在三聚磷酸鈉最佳用量條件下,考察三聚磷酸鈉在不同磨礦時間條件下對磨礦產品中-30 μm含量的影響,試驗分加和不加三聚磷酸鈉分別進行,試驗結果如圖3所示。

圖3 不同磨礦時間下磨礦產品中-30 μm含量Fig.3 -30 μm content of grinding products with different grinding time

從圖3可以看出:相同磨礦時間下,添加1 kg/t三聚磷酸鈉的磨礦產品中-30 μm含量比不加的情況下都要高。在不添加三聚磷酸鈉的條件下,磨礦產品中-30 μm含量達到73.33%所需時間為11.5 min,而添加1 kg/t三聚磷酸鈉后,磨礦時間為8 min,縮短了30.43%,降低了磨礦能耗。

2.3 三聚磷酸鈉對磨礦效果的影響

以磨礦產品中-30 μm粒級的比生產率和磨礦效率來評價磨礦效果。其中-30 μm的比生產率是指單位時間、單位有效容積所新生成的-30 μm粒級質量,磨礦效率是指每消耗1 kW·h能量所新生成的-30 μm粒級質量。采用DTSD/D型三相多功能電能表測定磨礦過程中球磨機所消耗電能。

比生產率:

式中:q-30為-30 μm粒級比生產率,kg/(h·L);Q為單位時間內新給入磨機的物料量,kg;βp為磨礦產品中-30 μm粒級含量,%;βf為磨機給料中-30 μm粒級含量,%;V為球磨機有效容積,L。

磨礦效率:

式中:u為磨礦效率,kg/(kW·h);P為球磨機功率,kW。

在二段磨礦時間為8 min條件下,將添加1 kg/t三聚磷酸鈉和不加三聚磷酸鈉的磨礦產品進行磨礦效果分析,結果如表2所示。

表2 三聚磷酸鈉對磨礦效果的影響Table 2 Influence of sodium tripolyphosphate on grinding effect

由表2可知:添加1 kg/t三聚磷酸鈉后,-30 μm粒級比生產率和磨礦效率相較于不加助磨劑分別提高了36.36%和34.54%。說明添加三聚磷酸鈉后,球磨機的比生產率和磨礦效率能夠得到提高。通過解離度測試結果可知,添加1 kg/t三聚磷酸鈉的磨礦產品中磁鐵礦單體解離度為90.82%,相對于沒有添加三聚磷酸鈉條件下單體解離度提高了5.81個百分點。

2.4 三聚磷酸鈉對精礦分選指標的影響

將二段磨礦時間為8 min的磨礦產品進行磁選試驗,給礦產品中-30 μm含量為73.33%。表3為添加和不添加1 kg/t三聚磷酸鈉情況下磁選精礦的分選指標。

表3 三聚磷酸鈉對分選指標的影響Table 3 Influence of sodium tripolyphosphate on separation indexes %

從表3可以看出:磨礦過程中添加1 kg/t三聚磷酸鈉的情況下,磁選后的精礦品位相較于不添加三聚磷酸鈉提高了2.55個百分點,回收率則略有下降。由于在細磨過程中會產生大量細粒級顆粒,這些顆粒比表面積大,表面能較高,容易產生團聚[8],導致有用礦物和脈石顆粒間互相夾雜,影響精礦產品指標。三聚磷酸鈉為分散劑類助磨劑,在磁選中,能夠弱化細粒級顆粒之間的團聚[9],使磁鐵礦與脈石更易分離,提高精礦品位。

3 機理分析

3.1 三聚磷酸鈉在磁鐵礦表面的吸附特性

用傅立葉交換紅外光譜儀檢測三聚磷酸鈉在磁鐵礦表面的吸附特性,添加三聚磷酸鈉和不添加三聚磷酸鈉的紅外光譜如圖4所示。

圖4 磁鐵礦粗精礦與三聚磷酸鈉作用前后的紅外光譜Fig.4 Infrared spectra of coarse magnetite concentrate before and after interaction with sodium tripolyphosphate

由圖4可知:三聚磷酸鈉與磁鐵礦發生作用后,顆粒表面羥基吸收峰發生變化,3 425.10 cm-1處吸收峰消失,P—O—(X)從1 062.6 cm-1處平移到1 024.1 cm-1處,說明有氫鍵形成。三聚磷酸鈉分子中存在著P＝O鍵,在礦漿中,與水分子之間形成氫鍵從而吸附于磁鐵礦顆粒表面,吸附在礦物結構表面的助磨劑小分子很容易進入礦物相內部的層狀空隙,在層片上吸附,這樣在粉磨時,礦物結構內部相當于包裹上一層潤滑劑,礦物結構層與層之間很容易出現滑移,使礦石更易磨碎。

3.2 三聚磷酸鈉對礦漿黏度的影響

室溫條件下,用DVS旋轉黏度計測量礦漿的黏度,礦漿濃度與球磨機磨礦濃度保持一致,分別測量不同三聚磷酸鈉用量條件下的礦漿黏度,結果如圖5所示。

圖5 三聚磷酸鈉用量對礦漿黏度的影響Fig.5 Influence of sodium tripolyphosphate dosage on pulp viscosity

由圖5可知:未加助磨劑時,礦漿黏度最大,為1 563 mPa·s;加入助磨劑后,礦漿黏度迅速降低,當三聚磷酸鈉用量為1 kg/t時,礦漿黏度降低到724 mPa·s;繼續增加三聚磷酸鈉用量,礦漿黏度雖然還在繼續減小,但是減小的趨勢變得緩慢。

在一定的磨礦濃度下,降低黏度有助于提高磨礦效率。磁鐵礦在細磨過程中,隨著顆粒變細,比表面積和表面能增大,顆粒間相互作用力增大,容易相互吸附、黏結,不利于粉碎。助磨劑能改善礦漿的流動性,是因為隨著粉磨的進行,助磨劑與礦物顆粒發生物理和化學吸附,由于助磨劑分子的吸附,降低了顆粒的表面能,從而增加了礦漿的流動性,防止了細粒級顆粒的再次團聚[10],使礦漿處于相對穩定的分散狀態。

3.3 三聚磷酸鈉對磨礦產品形貌的影響

圖6為三聚磷酸鈉對磁鐵礦磨礦產品形貌的影響。通過對比可知:在磨細過程中,未加入三聚磷酸鈉時,磨礦產品顆粒表面趨于光滑,裂隙較少;加入三聚磷酸鈉之后,在三聚磷酸鈉的侵蝕作用下,原本光滑的磁鐵礦顆粒表面變得凹凸不平,分布著大量新的空隙和裂縫,從而降低了顆粒表面硬度。在磨礦的過程中,磁鐵礦顆粒表面不飽和鍵能不斷累積[11],導致助磨劑分子自發地在其表面發生化學吸附,降低了礦物顆粒的表面自由能,從而導致鍵合力的減弱,在單分子層的吸附下,顆粒之間相當于有潤滑介質的存在,可以減少粉末過程中的顆粒團聚和靜電吸附,顆粒上現存裂縫形成吸附層后更易擴展,使破壞它的外力減小。與此同時,裂縫形成后,儲在礦物顆粒體內的形變能繼續使裂縫擴展并生成斷面,三聚磷酸鈉可加速磁鐵礦顆粒裂縫的擴展。另一方面,在裂縫擴展的過程中,助磨劑分子起到“楔入粒子”的作用,防止新生裂縫的再閉合,加快粉碎過程,進而提高磨礦效率[12]。

4 結 論

(1)要實現微細粒嵌布磁鐵礦單體解離難度較大,使用三聚磷酸鈉可以明顯提高其磨礦效果。當磨礦產品中-30 μm含量達到73.33%時,加入1 kg/t的三聚磷酸鈉可以縮短30.43%的磨礦時間,降低了磨礦能耗。

(2)在其他條件相同的情況下,磨礦過程中添加1 kg/t的三聚磷酸鈉能夠使磨礦產品中-30 μm含量提高12.65個百分點,-30 μm粒級比生產率和磨礦效率相較于不加三聚磷酸鈉時分別上升了36.36%和34.54%。

(3)磨礦過程中添加1 kg/t的三聚磷酸鈉能夠使磨礦產品中磁鐵礦的解離度提高5.81個百分點,同時磁選精礦的品位相較于不添加三聚磷酸鈉時提高了2.55個百分點。

(4)三聚磷酸鈉通過降低礦漿的黏度、改變礦粒表面的吸附特性、減少礦粒表面吸附的微細礦粒、增加礦粒表面的微細裂隙等方式促進磁鐵礦顆粒的粉碎,提高了磨礦效率。