基于單純形格子混料設計的難選膠磷礦浮選工藝優化

江旭 李杰 馮程 韓遠燕 陳巧妹

（長沙礦山研究院有限責任公司）

磷礦是一種重要的化工礦物原料，我國磷礦資源豐富，但貧礦多、富礦少，大部分為中低品位硅鈣質類磷礦，即膠磷礦。膠磷礦中含有大量的雜質，如石英、白云石等，而且該類脈石礦物與膠磷礦的可浮性差異不大，浮選分離難度大［1-4］。

對于硅質磷礦和沉積變質型硅-鈣質磷灰巖，一般采用正浮選脫除礦石中的硅質脈石；對于沉積型鈣鎂質磷塊巖，一般采用陰離子捕收劑反浮選；對于較難選的沉積型硅鈣鎂質磷塊巖，一般采用正-反浮選、反-正浮選或雙反浮選［5-7］。無論是正-反浮選還是反-正浮選，均需將礦漿酸堿度進行切換，藥劑耗量大、設備耐腐性要求高。采用單一反浮選脫除鎂和硅的方法難度很大，該方法的關鍵是浮選捕收劑的選擇［8-9］。因此，本文對云南某高鎂高硅難選膠磷礦進行反浮選試驗，借助Design-Expert 軟件，采用單純形格子混料設計，對組合捕收劑的配比進行優化，獲得良好的精礦指標，解決該礦無法獲得合格磷精礦的問題，同時為中低品位硅鈣鎂質膠磷礦的選別提供新的技術方法。

1 原礦性質

原礦樣取自云南某磷礦，該礦石中的主要P2O5礦物為膠磷礦，脈石礦物主要是石英和白云石，含少量白云母、高嶺石等。原礦多元素化學分析結果見表1，原礦主要礦物含量見表2。

由表1 可知，原礦P2O5品位21.53%，SiO2含量35.69%，CaO 含量30.13%，屬于典型中低品位硅鈣鎂質膠磷礦，選礦難度較大。

2 選礦工藝方案

原礦P2O5品位較低，SiO2、MgO 含量較高，采用單一反浮選工藝流程。該工藝在酸性介質下，用抑制劑抑制磷礦物，然后用捕收能力較強的捕收劑浮出石英、白云石等雜質，其中抑制劑為硫酸+磷酸按質量比2∶1配制的混合酸，捕收劑則采用試驗室自制的CAJ-1 新型捕收劑，該捕收劑由十六烷基三甲基溴化胺、十八烷基二甲基叔銨、十二胺按一定比例配置而成。擬定CAJ-1 新型捕收劑的最佳配比為1∶1∶1，然后進行條件試驗確定最佳的磨礦細度和混酸用量，再通過Design-expert8.0 軟件中的Mixture 模塊對捕收劑配比做響應曲面設計，找出十六烷基三甲基溴化胺、十八烷基二甲基叔銨、十二胺的最佳配比值，從而得到最佳選礦指標。

3 試驗結果與討論

3.1 磨礦細度試驗

礦石中膠磷礦嵌布粒度微細，需細磨才能實現目的礦物單體解離。反浮選磨礦細度試驗流程見圖1，試驗結果見圖2。

由圖2 可見，當磨礦細度為-0.074 mm92.1%時，磷精礦P2O5品位26.82%，回收率70.38%，指標最好；繼續增加磨礦細度，磷精礦P2O5品位和回收率呈下降趨勢；故確定合適的磨礦細度為-0.074 mm92.1%。

3.2 抑制劑混酸用量試驗

試驗采用硫酸+磷酸的混合酸作為反浮選作業中膠磷礦的有效抑制劑，硫酸和磷酸的質量比為2∶1。在磨礦細度為-0.074 mm92.1%的條件下，捕收劑采用新型捕收劑CAJ-1，用量3 kg/t，通過改變混合酸用量探索磷精礦P2O5的最優指標，試驗結果見圖3。

由圖3 可見，隨著混合酸用量的增加，磷精礦P2O5品位和回收率呈先上升后下降的趨勢；當混合酸用量為12 kg/t時，P2O5品位為27.34%，回收率72.46%，指標最好；故確定最佳混酸用量為12 kg/t（硫酸8 kg/t，磷酸4 kg/t）。

3.3 捕收劑設計與配比優化

浮選中常采用2 種或2 種以上捕收劑進行組合搭配，比用單獨捕收劑效果更好［10］。十六烷基三甲基溴化銨和十八烷基二甲基叔銨屬于季銨鹽類，其結構是典型的表面活性劑結構，常用作表面活性劑。浮選中也會當捕收劑使用，在pH 值為3～10時，對石英和白云石的捕收效果較好，其表面的作用主要是靜電引力，捕收機理認為是礦物表面與這些陽離子捕收劑發生了電性吸附和氫鍵吸附。十二胺是一種常用的胺類捕收劑，胺類捕收劑的捕收能力較強，但選擇性不高，常用于反浮選一系列以石英或其他硅酸鹽為脈石的有用礦物［11-13］。

采用Design-Expert 軟件，通過單純形格子混料設計進行響應曲面設計，以十六烷基三甲基溴化胺、十八烷基二甲基叔銨及十二胺比例為自變量因子，磷精礦品位及回收率為響應值建模。

3.3.1 試驗結果及方差分析

根據設計條件進行浮選試驗，將試驗所得到的響應結果（品位和回收率）錄入表3。通過Designexpert 8.0 軟件對響應結果進行回歸分析，以十六烷基三甲基溴化胺比例A、十八烷基二甲基叔銨比例B、十二胺比例C為自變量，磷精礦品位Y1、磷精礦回收率Y2為響應值，擬合得到回歸方程

方差分析中，P值代表模型顯著性，P＜0.05時，表示模型顯著，通過捕收劑不同配比的交互效應和二次項影響研究磷精礦回收率、品位與捕收劑配比的關系。磷精礦品位和回收率模型的方差分析見表4、表5。

由表4、表5可知，模型P=0.004 7＜0.05，可認為磷精礦品位模型顯著；磷精礦回收率模型P＜0.000 1，可認為磷精礦回收率的模型顯著。十六烷基三甲基溴化胺比例A和十二胺比例C對磷精礦品位有顯著影響，其中十二胺比例對品位的影響最大。十八烷基二甲基叔銨比例B和十二胺比例C對磷精礦回收率有顯著影響，十二胺比例影響最為顯著。

3.3.2 響應面結果

為了更直觀的觀察模型的預測精準度，繪出混料設計模型的試驗值與預測值對比圖（圖4）。

由圖4可見，浮選試驗的實際值與預測值基本重合，表明該模型擬合程度很好。

通過Design-expert軟件繪制出模型的3D響應曲面（圖5）。曲面底部表示各因素交互作用的等高線圖，等高線越接近于圓形，說明各因素之間交互越顯著。

由圖5（a）可見，等高線趨近于圓形，表明該范圍內各因素交互作用越顯著，該范圍內有極值存在；同理，圖5（b）中在等高線接近端點C處有極值存在，表明十二胺比例C對磷精礦回收率有顯著影響。

3.3.3 優化結果

通過對混料設計模型進行擬合分析，得出混料設計模型A∶B∶C的最優比例為17.7∶13.3∶69.0，即十六烷基三甲基溴化胺、十八烷基二甲基叔銨、十二胺的用量分別占17.7%，13.3%，69.0%，在該比例下總用量為3 kg/t時，品位為27.63%，回收率為77.91%。

為了驗證混料設計預測結果的準確性，選取磨礦細度為-0.074 mm92.1%，抑制劑混酸用量硫酸+磷酸（8+4）kg/t，新型捕收劑用量3 kg/t，捕收劑中十六烷基三甲基溴化胺用量占18%，十八烷基二甲基叔銨用量占13%，十二胺用量占69%，在室溫條件下進行浮選試驗。試驗得到了磷品位28.45%和回收率77.86%的指標，與預測結果基本一致。混料設計模型分析結果表明，模型優化效果準確性高，達到了很好的試驗目的。結合實際操作條件，得出最佳組合捕收劑十六烷基三甲基溴化胺∶十八烷基二甲基叔銨∶十二胺配比為18∶13∶69。

3.4 閉路試驗

在條件試驗的基礎上，采用選擇響應曲面法優化捕收劑，進行1 粗1 精1 掃反浮選閉路試驗，試驗流程及藥劑制度見圖6。閉路試驗獲得了P2O5品位31.14%、回收率80.21%的磷精礦，磷精礦中MgO 含量1.21%，取得了較好的浮選指標。

4 結論

（1）通過對云南某磷礦進行礦物組成及化學多元素分析，確定了一段反浮選工藝流程，當新型捕收劑CAJ-1 配比為1∶1∶1，用量為3 kg/t時，通過單因素條件試驗，初步確定了磨礦細度為-0.074 mm92.1%，混合酸用量為12 kg/t。

（2）采用Design-Expert 軟件，通過單形格子混料設計進行響應曲面設計，以十六烷基三甲基溴化胺比例、十八烷基二甲基叔銨比例、十二胺比例為自變量，磷精礦品位、磷精礦回收率為響應因變量進行擬合，得出捕收劑十六烷基三甲基溴化胺∶十八烷基二甲基叔銨∶十二胺最優配比為18∶13∶69，得到了磷品位28.45%、回收率77.86%的指標，與預測結果基本一致。

（3）根據響應曲面法優化的捕收劑最佳配比并結合最佳單因素條件進行1 粗1 精1 掃反浮選閉路流程試驗，得到的磷精礦品位為31.14%，回收率為80.21%。