微細(xì)粒鐵礦物絮凝分選技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向

牛福生 張晉霞 白麗梅 聶軼苗 劉淑賢

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實驗室，河北 唐山 063009)

微細(xì)粒鐵礦物絮凝分選技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向

牛福生1,2張晉霞1,2白麗梅1,2聶軼苗1,2劉淑賢1,2

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實驗室，河北 唐山 063009)

歸納了微細(xì)粒鐵礦物選擇性絮凝—浮選工藝、選擇性絮凝—磁選工藝和絮凝脫泥工藝的發(fā)展水平和工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了分散劑、絮凝劑、鈣鎂離子、流場特性等微細(xì)粒鐵礦物絮凝分選工藝主要影響因素的研究進(jìn)展，最后提出微細(xì)粒鐵礦物絮凝分選技術(shù)今后的發(fā)展方向是加強(qiáng)分散和絮凝過程選擇性、絮凝分選過程流場特性、高效絮凝分選工藝及設(shè)備等方面的研究。

微細(xì)粒鐵礦物 絮凝分選 研究現(xiàn)狀 發(fā)展方向

微細(xì)粒嵌布鐵礦石資源的高效回收一直是一個技術(shù)難題。其原因一是鐵礦物本身在解離過程中粒度變得非常細(xì)微(如祁東地區(qū)鐵礦石中鐵礦物的粒度95%小于30 μm，鮞狀赤鐵礦的粒度85%小于22 μm；袁家村鐵石中鐵礦物的粒度90%小于44 μm等)，而通常礦物顆粒所獲分選力與其尺寸大小呈指數(shù)正比關(guān)系，粒度減小1個數(shù)量級會引起分選力的急劇衰減[1-2]；二是石英、綠泥石和黏土類等脈石礦物泥化后粒度多為幾個微米甚至更為細(xì)小，極易對鐵礦物顆粒形成罩蓋，從而使得常規(guī)的分選工藝幾乎不能回收這些鐵礦物顆粒。

絮凝分選工藝的理論研究始于上世紀(jì)30年代，經(jīng)過不斷的完善，1975年在美國蒂爾登選礦廠進(jìn)行了應(yīng)用并獲得了成功，絮凝后再脫泥成為蒂爾登選礦廠當(dāng)時的年處理能力從原來的400萬t提升到800萬t的技術(shù)關(guān)鍵。在國內(nèi)，絮凝分選工藝也得到了重視和發(fā)展，上世紀(jì)70年代以來先后對東鞍山鐵礦石、山西嵐縣鐵礦石、祁東鐵礦石等進(jìn)行了選擇性絮凝分選工藝的研究，均取得了良好的效果[3-4]。近些年，絮凝分選技術(shù)在極細(xì)煤泥、微細(xì)硫化礦物和超細(xì)磷灰石的處理方面也得到了快速發(fā)展。本文將圍繞微細(xì)粒鐵礦物絮凝分選工藝和影響因素的研究進(jìn)展進(jìn)行述評，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 微細(xì)粒鐵礦物絮凝分選工藝研究現(xiàn)狀

1.1 選擇性絮凝—浮選工藝

盡管資料表明，浮選工藝的入選粒度下限可以達(dá)到3～7 μm，但實際上當(dāng)?shù)V物的粒度小至10～15 μm時，浮選基本不能有效進(jìn)行，而選擇性絮凝團(tuán)聚不僅可以顯著增大目的礦物的有效尺寸，滿足后續(xù)分選的粒度要求，同時還可以消除礦泥的影響，對于改善浮選效果有十分重要的作用。因此，選擇性絮凝脫泥—浮選被認(rèn)為是處理微細(xì)粒嵌布鐵礦石最有前途的選礦工藝。

苑宏倩[5]針對齊大山鐵礦選礦分廠細(xì)粒鐵礦物難以回收，反浮選尾礦品位高達(dá)15%～18%的特點(diǎn)，以石油磺酸鈉為絮凝劑和捕收劑，將磁選精礦剪切絮凝后進(jìn)行1粗3精正浮選，獲得了浮選精礦鐵品位為66.08%、鐵作業(yè)回收率達(dá)95.93%的良好試驗指標(biāo)。

湖南祁東鐵礦石中鐵礦物嵌布粒度極細(xì)，須細(xì)磨到0.038 mm占98%才能較充分解離。湖南三安礦業(yè)有限責(zé)任公司根據(jù)長沙礦冶研究院的實驗室試驗和擴(kuò)大連選試驗結(jié)果，按3次絮凝脫泥—1粗1精3掃反浮選工藝流程建設(shè)了年處理祁東鐵礦石30萬t的選礦試驗廠，調(diào)試正常后獲得了精礦鐵品位63.02%、鐵回收率65.83%的選別指標(biāo)[6]。2014年，該公司在試驗廠基礎(chǔ)上按相同工藝建設(shè)的年處理量300萬t的選礦廠順利投產(chǎn)。

解琳[7]針對國內(nèi)某鮞狀赤鐵礦礦物成分復(fù)雜、嵌布粒度細(xì)等特點(diǎn)，采用強(qiáng)磁選—絮凝脫泥—反浮選工藝流程進(jìn)行選礦試驗，最終獲得了鐵品位56.42%、鐵回收率65.89%的鐵精礦，且鐵精礦中的磷含量降低至0.097%。

朱林英[8]針對通道赤鐵礦礦石必須磨至-19 μm才能單體解離的特點(diǎn)，對強(qiáng)磁選精礦進(jìn)行5次選擇性絮凝脫泥后再反浮選，最終獲得了精礦鐵品位為62.60%、鐵回收率為64.47%以及尾礦鐵品位為13.22%的試驗指標(biāo)。

1.2 選擇性絮凝—磁選工藝

相對于絮凝后浮選所涉及的復(fù)雜的影響因素和較苛刻的操作條件等，磁選在工藝過程和設(shè)備方面具有較顯著的優(yōu)勢。另外，研究表明，在礦物表面覆蓋0.01%～0.1%的磁性粒子即可改變礦物表面的磁性，因此通過改變礦物表面的磁化性質(zhì)來提高弱磁性鐵礦物的分選效果是一個值得重視的研究方向。

陳雯[9]在對某地褐鐵礦礦石的選礦試驗中發(fā)現(xiàn)，直接磁選時，-30 μm的微細(xì)粒鐵礦物容易流失到尾礦中無法回收，而采用絮凝—磁選工藝后，在精礦鐵品位不變的情況下，鐵回收率可比原工藝提高10～15個百分點(diǎn)。分析其原因，主要是由于微細(xì)粒鐵礦物經(jīng)絮凝后粒度變大而得到了有效的回收。

馬鞍山礦山研究院對江西某褐鐵礦礦石進(jìn)行了選礦試驗，結(jié)果表明，與采用其他常規(guī)工藝流程相比，采用選擇性絮凝—強(qiáng)磁選工藝可在精礦鐵品位相近的情況下，使鐵回收率提高8個百分點(diǎn)以上。

河北宣鋼鮞狀赤鐵礦礦石鐵礦物嵌布粒度極細(xì)，經(jīng)常規(guī)強(qiáng)磁選—反浮選后，尾礦的鐵品位和鐵損失率分別高達(dá)37.55%和46.81%。孫達(dá)對該尾礦進(jìn)行1次絮凝強(qiáng)磁粗選和1次掃選，可獲得品位為56.07%、回收率為60.44%的鐵精礦，從而使損失于尾礦中的微細(xì)粒鐵礦物得到了有效的回收[3]。

郭宇峰[10]對某鎳冶金渣進(jìn)行了選擇性絮凝—磁選試驗研究。該渣中磁鐵礦的嵌布粒度極細(xì)，采用常規(guī)的物理選礦方法無法對其進(jìn)行有效的回收。試驗以油酸為選擇性絮凝劑、碳酸鈉為分散劑將微細(xì)粒磁鐵礦絮凝，然后在159.2 kA/m磁場強(qiáng)度下進(jìn)行弱磁選，可獲得品位為56.68%、回收率為81.72%的鐵精礦。

S.宋[11]采用絮團(tuán)磁選法處理某細(xì)粒赤鐵礦礦石，獲得了鐵品位為64%的高品質(zhì)鐵精礦，且鐵回收率達(dá)82%。

柏少軍[12]將含鐵43.75%、含磷0.92%的某高磷褐鐵礦礦石鈉化還原焙燒后，采用自制的磁絮凝分選柱進(jìn)行分選，獲得了鐵品位為69.87%、磷含量為0.28%的鐵精礦，與采用磁選管分選相比，鐵精礦鐵品位提高4.45個百分點(diǎn)，磷含量降低0.22個百分點(diǎn)。

伍喜慶[13]用空氣氧化法在礦漿中生成Fe3O4粒子以磁化赤鐵礦表面，使赤鐵礦的磁選回收率由未磁化時的68.0%提高到了95.2%。

河北聯(lián)合大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，利用納米磁性粒子對赤鐵礦進(jìn)行表面磁化處理可大大提高赤鐵礦的磁選回收率，其中礦漿pH值是影響磁化效果的重要因素。

1.3 絮凝脫泥工藝

微細(xì)礦物顆粒絮凝后可在一定程度上增加其有效分選粒徑，但形成的絮團(tuán)往往會受到后續(xù)浮選、磁選過程的影響而被破壞，從而造成絮凝失效。研究表明，對鐵礦物嵌布粒度極細(xì)或含泥較多的鐵礦石，當(dāng)后續(xù)分選條件要求比較苛刻的時候，直接進(jìn)行絮凝脫泥也是一種有效的方法。

劉安榮[14]針對某高鋁高硅赤鐵礦礦石進(jìn)行了選擇性絮凝試驗研究，結(jié)果表明，在磨礦細(xì)度為-325目占88%、礦漿pH值為9、水玻璃用量為90 g/t、改性聚丙酰烯胺用量為300 g/t的條件下，經(jīng)絮凝沉降，可獲得品位為54.40%、回收率為71.16%的鐵精礦。

某鐵礦石中赤鐵礦和磁鐵礦的嵌布粒度分別為5 ～10 μm和20 ～200 μm。Algoma公司對該礦石進(jìn)行了選擇性絮凝研究，結(jié)果表明，將原礦磨至-37 μm占94%后進(jìn)行一段絮凝脫泥，所得粗精礦再磨礦至-10 μm占80%后進(jìn)行二段絮凝脫泥，可獲得品位為65%、回收率為74%的最終鐵精礦[2]。

白云鄂博共伴生礦反浮選尾礦中鐵含量高(28%～30%)，但鐵礦物解離程度低。北京礦冶研究總院等單位采用細(xì)磨至-325目后連續(xù)進(jìn)行4次選擇性絮凝脫泥的工藝流程，從該尾礦中獲得了品位為60%～64%、回收率為77%～80%的鐵精礦。

楊慧芬[15]介紹了美國學(xué)者關(guān)于赤鐵礦和石英在草分枝桿菌體系中絮凝行為差異的研究成果。該研究發(fā)現(xiàn)，在合適的條件下，草分枝桿菌只對赤鐵礦有絮凝作用而對石英無絮凝作用，由此可實現(xiàn)赤鐵礦與石英的選擇性分離。

2 微細(xì)粒鐵礦物絮凝分選影響因素研究進(jìn)展

2.1 分散劑

只有使脈石礦物高度分散，才能實現(xiàn)目的礦物的選擇性絮凝聚集[16]。添加化學(xué)分散藥劑是實現(xiàn)礦漿充分分散的常用方法。雖然強(qiáng)烈機(jī)械攪拌和超聲波分散等物理方法效果也比較好，但限于能耗和復(fù)雜的操作條件，工業(yè)應(yīng)用不多。

陳淼等[17]研究了3種分散劑六偏磷酸鈉、水玻璃、多聚磷酸鈉對微細(xì)粒赤鐵礦和石英分散行為的影響，結(jié)果表明：六偏磷酸鈉對石英的分散效果最好。在自然pH下，六偏磷酸鈉用量達(dá)到50 mg/L時，可使石英的沉降率降到40%以下，而此時赤鐵礦的沉降率超過90%。

也有研究認(rèn)為，六偏磷酸鈉雖然具有良好的分散作用，但同時會阻礙聚丙烯酞胺對鐵礦物的絮凝作用，而高模數(shù)的水玻璃是鐵礦石(主要脈石為石英)選擇性絮凝脫泥過程的良好分散劑。

2.2 絮凝劑

不同于水處理或其他領(lǐng)域，應(yīng)用于礦物分選的絮凝劑要求其本身或在一定條件下對目的礦物具有選擇性，這也是礦物絮凝劑的發(fā)展方向。

蒂爾登選礦廠在大量探索的基礎(chǔ)上，采用木薯淀粉作為選擇性絮凝劑，去除了原礦中15%～30%的細(xì)粒礦泥，而鐵礦物只損失了5%，其關(guān)鍵在于有效地調(diào)節(jié)了礦物表面的電性，為礦漿的良好分散及淀粉在鐵礦物表面的選擇性吸附創(chuàng)造了條件[3]。祁東鐵礦采用腐殖酸鹽作為選擇性絮凝劑，將鐵精礦品位提高了7～10個百分點(diǎn)，同時回收率提高了2個百分點(diǎn)。

李淮湘[2]為了提高絮凝劑的選擇性，制備出了淀粉-丙烯酰胺的接枝聚合物。該絮凝劑與傳統(tǒng)的絮凝劑相比具有較強(qiáng)的選擇性。通過吸附試驗，發(fā)現(xiàn)該絮凝劑在赤鐵礦表面的吸附量可達(dá)55%，而在石英表面的吸附量僅為9%左右。

2.3 鈣鎂離子

研究表明，Ca2+、Ma2+極易形成氫氧化物而沉淀在大部分礦物表面，這將改變脈石礦物(石英和其他硅酸鹽礦物)的表面電位，從而影響待分選鐵礦物的選擇性聚團(tuán)[18]。一般認(rèn)為，將礦漿pH提高到11左右，或采取六偏磷酸鈉或三聚磷酸鈉與硅酸鈉聯(lián)合使用的方法，可消除礦漿中Ca2+、Ma2+的影響；如果Ca2+、Ma2+的濃度超過一定的范圍(>20×10-6)，則必須預(yù)先進(jìn)行水質(zhì)處理。

2.4 流場特性

微細(xì)礦物顆粒的分散和選擇性絮凝都是在流場中進(jìn)行的，其分選效果很大程度上取決于二相或三相流場的特性。

黃鵬[19]用Fluent軟件對水力旋流器中的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，揭示了流體的流場特性和顆粒的運(yùn)動規(guī)律，指出適合的水力學(xué)特性可以改善微細(xì)礦物顆粒的絮凝效果。

吳龍華[20]利用DPIV技術(shù)對往復(fù)隔板絮凝池中的流場進(jìn)行了測量，不僅準(zhǔn)確獲得了絮凝池內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)特征，也發(fā)現(xiàn)了通過改善流場特性提高絮凝效果的方法。

除上述主要影響因素外，絮團(tuán)顆粒的大小、變形、破裂及與后續(xù)分選力的結(jié)合狀態(tài)，不同的分選工藝(磁選、浮選、水力分級等)，混有藥劑的回水和礦漿的溫度等等，也都會對絮凝分選效果造成不同程度的影響[21-22]。

3 微細(xì)粒鐵礦物絮凝分選技術(shù)發(fā)展方向

絮凝分選技術(shù)在微細(xì)粒鐵礦物高效回收利用方面雖然得到了一定程度的規(guī)模應(yīng)用，但其發(fā)展速度相對于其他分選技術(shù)仍略顯緩慢，今后應(yīng)加強(qiáng)以下幾方面的工作：

(1)分散和絮凝過程選擇性研究。在改善和提高微細(xì)粒礦物分散和絮凝的選擇性方面，專家學(xué)者們已獲得較多的研究成果。但由于地質(zhì)成因不同，即使是同一種礦物，在不同的礦石中也存在較大的性質(zhì)差異，因此，有針對性地進(jìn)行分散和絮凝藥劑分子設(shè)計、差異強(qiáng)化復(fù)合力場開發(fā)和礦物表面改性等將會成為分散和絮凝過程選擇性研究的新方向。

(2)絮凝分選過程流場特性研究?，F(xiàn)有的流場計算模型大部分是在層流條件下導(dǎo)出的，無法表征復(fù)雜的氣、固、液三相流體結(jié)構(gòu)特征。應(yīng)用計算數(shù)學(xué)、多相流體力學(xué)、傳遞原理等學(xué)科方法對微細(xì)粒鐵礦物的絮凝過程、絮團(tuán)與氣泡的結(jié)合過程以及絮團(tuán)的運(yùn)動特征等進(jìn)行研究將具有重要意義。

(3)高效絮凝分選工藝和設(shè)備研究。目前，微細(xì)粒鐵礦物絮凝分選工藝的主要困難在于其效率低，常常要經(jīng)過三四次甚至更多次數(shù)的選擇性絮凝過程。巨大的絮凝設(shè)備和作業(yè)的低效率對后續(xù)分選造成很大的影響，同時絮團(tuán)分選時對設(shè)備的苛刻要求也限制了絮凝分選工藝的更廣泛應(yīng)用。因此，短流程絮凝分選工藝、分步絮凝工藝的研究及高效分散絮凝設(shè)備的開發(fā)等將成為絮凝分選技術(shù)的發(fā)展方向。

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(責(zé)任編輯 孫 放)

ResearchStatusandProgressonFlocculationSeparationTechnologyofUltrafineIronMineral

Niu Fusheng1,2Zhang Jinxia1,2Bai Limei1,2Nie Yimiao1,2Liu Shuxian1,2

(1.CollegeofMiningEngineering，HebeiUnitedUniversity，Tangshan063009，China；2.HebeiKeyLaboratoryofMineralDevelopmentandSecurityTechnology，Tangshan063009，China)

The development status and industrial application of selective flocculation-flotation process，selective flocculation-magnetic separation process，and flocculation desliming process for the ultrafine iron minerals are summarized.Progress on research of the main factors for flocculation of ultrafine iron minerals including dispersant，flocculant，calcium and magnesium ions，flow-field characteristics are introduced.Finally，the development direction in flocculation technique of ultra-fine iron minerals is proposed in strengthening the investigation on the selective process of dispersion and flocculation，flow-field characteristics of in flocculation process，and high efficient flocculation process and equipment.

Ultra-fine iron mineral，F(xiàn)locculation separation，Research status，Development direction

2014-10-29

國家自然科學(xué)基金項目(編號：51474087)，河北省高校百名優(yōu)秀創(chuàng)新人才支持計劃項目(編號：BR2-214)。

牛福生(1974—)，男，教授。

TD951.1

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1001-1250(2014)-12-085-05