王乾帥，陶東平,趙通林,丁亞卓

(1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255049；3.成都利君實(shí)業(yè)股份有限公司，四川 成都 610045)

鉬是一種不可再生具有重要戰(zhàn)略意義的稀有金屬資源[1-2]，用途十分廣泛。它的物理、化學(xué)特性非常好，熔點(diǎn)高，耐熱性好,被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、機(jī)械、化學(xué)、電子、武器、航空航天和核能等產(chǎn)業(yè)中[3]。最具有工業(yè)價值、儲量最多的一種鉬礦物是輝鉬礦，它是金屬鉬的主要來源[4]。近年來，由于鉬礦產(chǎn)資源的大量開發(fā)及需求量加大，開采貧細(xì)雜難選鉬礦石的比例不斷增加，這種現(xiàn)狀對鉬礦選礦技術(shù)有了更高的要求[5-6]。

礦物加工過程中磨礦作業(yè)階段占據(jù)選礦廠運(yùn)行的成本較大，利用預(yù)拋尾工藝來減少磨機(jī)入磨量，提高入浮品位，可有效降低磨礦成本[7]。最常見的預(yù)拋尾技術(shù)有篩選、重力、重介質(zhì)分選(DMS)、光學(xué)分選、靜電分選、X射線分選、電導(dǎo)率分選和磁選等方式[8]。電選是利用各種礦物或物料不同表面帶電性質(zhì)，對顆粒進(jìn)行分選的一種方法[9]。摩擦電選是電選中最具代表性的方法之一，因其工藝簡單、污染小、投資少、成本低等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[10]。近年來，摩擦電選研究內(nèi)容主要是高效摩擦電選設(shè)備的研制以及強(qiáng)化摩擦荷電的方法研究[11]。研究表明，摩擦電選效果與分選顆粒的荷電特性有很大的關(guān)系[12-13]。本文對某地區(qū)輝鉬礦中主要礦物組成進(jìn)行了摩擦荷電特性研究，并以此為基礎(chǔ)使用實(shí)驗(yàn)室旋轉(zhuǎn)摩擦電選系統(tǒng)對經(jīng)由高壓輥磨機(jī)粉碎后的輝鉬礦進(jìn)行預(yù)選拋尾實(shí)驗(yàn)研究。

1 試樣性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣性質(zhì)

荷電特性實(shí)驗(yàn)選取四種純礦物：石英、黑云母、長石以及輝鉬礦來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他們的純度分別為94%、95%、92%以及90%。4種純礦物經(jīng)破碎篩分為-0.5 +0.25 mm、-0.25 +0.15 mm、-0.15 +0.074 mm、-0.074 mm四個粒級樣品。

輝鉬礦石樣品取樣于高壓輥磨機(jī)后-0.5 mm篩下產(chǎn)品。樣品物相分析表明，其礦物組成主要是長石、石英、黑云母、輝鉬礦等，礦物的含量分析結(jié)果見表1?；瘜W(xué)元素分析表明，該礦石中主要元素有O、Si、Al、K等?；瘜W(xué)元素分析結(jié)果見表2。礦石中Mo元素僅存在于輝鉬礦中，Mo品位0.09%。

表1 鉬礦的物相分析結(jié)果 /%Table 1 Quantitative mineral composition analysis results of molybdenum ore

表2 鉬礦中多元素分析結(jié)果 /%Table 2 Elemental Analysis Results in Molybdenum Ore

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置[14]為自制的實(shí)驗(yàn)室旋轉(zhuǎn)摩擦電選系統(tǒng)，主要由給料裝置、旋轉(zhuǎn)荷電裝置、分選區(qū)以及產(chǎn)品收集裝置等4部分組成。

顆粒荷電效果主要通過荷質(zhì)比來表征。在探究不同純礦物的摩擦荷電特性時，由旋轉(zhuǎn)摩擦電選機(jī)的給料系統(tǒng)、摩擦荷電系統(tǒng)以及法拉第筒、數(shù)字電荷儀來完成荷質(zhì)比測定。稱取5 g樣品給入振動給料機(jī)中，使物料均勻落下，順著槽體下落至摩擦荷電系統(tǒng)中與旋轉(zhuǎn)輥及腔體內(nèi)壁摩擦，在高壓電源的共同作用下完成摩擦帶電，之后下落至法拉第筒中，觀察數(shù)字電荷測量儀的示數(shù)，然后對法拉第筒內(nèi)物料進(jìn)行稱重，計(jì)算出物料顆粒的荷質(zhì)比，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次取均值。

在探究實(shí)際輝鉬礦石分選效果實(shí)驗(yàn)時，稱取50 g物料通過振動給料機(jī)給入系統(tǒng)。在旋轉(zhuǎn)輥的轉(zhuǎn)動下，顆粒與顆粒之間、顆粒與摩擦材料之間互相碰撞摩擦，并在外加電場下荷電。接著經(jīng)過物料分配器進(jìn)入分選室，在高壓電場作用下荷不同電性及電量的顆粒在極板之間發(fā)生偏移，經(jīng)過分隔板完成分選過程，再經(jīng)物料收集裝置對物料進(jìn)行收集。每個實(shí)驗(yàn)分兩個階段完成，第一階段的分選給料為原礦，分選完成后得出3個產(chǎn)品，即精礦、中礦和尾礦；第二階段對這3個產(chǎn)品重復(fù)上述分選步驟進(jìn)一步分選，共產(chǎn)生9個產(chǎn)品。之后做累積品位-累積產(chǎn)率曲線圖評價分選效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 純礦物摩擦荷電特性實(shí)驗(yàn)

純礦物單因素荷電實(shí)驗(yàn)在如下基準(zhǔn)條件下進(jìn)行：荷電電壓+6 kV，摩擦轉(zhuǎn)速3000 r/min，給料速率5 g/min，給料粒級-0.25 +0.15 mm，作為考察因素時則此因素水平為變量。

2.1.1 荷電電壓實(shí)驗(yàn)

荷電電壓對純礦物的摩擦荷電特性影響實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖1。

圖1 荷電電壓對純礦物摩擦荷電特性的影響Fig.1 Effect of charging voltage on charging characteristics of pure minerals

隨著荷電電壓的變化，摩擦體表面自由電子轉(zhuǎn)移行為的變化最終影響顆粒的電荷密度[15]。由圖1可知，隨著荷電電壓從-18 kV變化到+18 kV時，石英的荷質(zhì)比有不斷增加的趨勢，從7.53 nC/g增加到了13.65 nC/g。輝鉬礦的荷質(zhì)比由-4.96 nC/g減小到了-3.08 nC/g。長石荷質(zhì)比則由-0.68 nC/g增加到為-2.25 nC/g。黑云母荷質(zhì)比則由-18.03 nC/g一直減小，3 kV時變?yōu)檎担笤黾拥?3.98 nC/g。荷電電壓對黑云母影響最為顯著。

2.1.2 旋轉(zhuǎn)輥摩擦轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)輥摩擦轉(zhuǎn)速對純礦物的摩擦荷電特性影響見圖2。

圖2 摩擦轉(zhuǎn)速對純礦物摩擦荷電特性的影響Fig.2 Effect of friction speed on charging characteristics of pure minerals

由圖2可知，旋轉(zhuǎn)輥摩擦轉(zhuǎn)速從1000 r/min增加到5000 r/min的過程中，石英、長石的荷質(zhì)比均是先增加后降低，在3000 r/min時達(dá)到了峰值。石英荷質(zhì)比從5.65 nC/g增加到了8.76 nC/g，后又逐漸減小到5.75 nC/g。長石荷質(zhì)比則從-1.16 nC/g增加到-2.02 nC/g，后又降低到-1.53 nC/g。輝鉬礦荷電趨勢相同，從-3.78 nC/g增加到-4.11 nC/g，在2000 r/min時達(dá)到最大，隨后又逐漸降低至-3.11 nC/g。旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)動速度越快，顆粒與摩擦材料碰撞的次數(shù)越多，顆粒荷質(zhì)比的絕對值增大。但當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高時，旋轉(zhuǎn)輥表面的氣流速度也進(jìn)一步提高，顆粒從旋轉(zhuǎn)輥獲得的切向速度不足以穿過旋轉(zhuǎn)輥表面的氣流邊界層，從而導(dǎo)致顆粒與摩擦材料的碰撞摩擦概率減小，使顆粒的荷質(zhì)比降低[15]。黑云母則隨著旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)數(shù)的不斷增加，荷質(zhì)比從10.26 nC/g逐漸下降，之后趨于穩(wěn)定。表明在低轉(zhuǎn)速下氣流已經(jīng)影響了黑云母與摩擦材料之間的碰撞效果，隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加導(dǎo)致黑云母荷質(zhì)比不斷降低之后趨于穩(wěn)定。

2.1.3 給料速率實(shí)驗(yàn)

給料速率對純礦物摩擦荷電特性的影響見圖3。

圖3 給料速率對純礦物荷電特性的影響Fig.3 Effect of feed rate on charging characteristics of pure minerals

由圖3可知，隨著給料速率的增加，四種純礦物的荷質(zhì)比均有下降，逐漸趨于平緩。石英荷質(zhì)比由10.34 nC/g減少到5.74 nC/g，黑云母荷質(zhì)比由2.79 nC/g減小到2.50 nC/g，長石荷質(zhì)比由-2.02 nC/g減小到-1.23 nC/g，輝鉬礦荷質(zhì)比則由-3.46 nC/g逐漸降為-1.65 nC/g。表明隨著純礦物的給料速率不斷增加，顆粒與摩擦材料之間的摩擦碰撞概率降低，進(jìn)而降低了純礦物顆粒的荷質(zhì)比[15]。

2.1.4 給料粒級實(shí)驗(yàn)

給料粒級對摩擦荷電特性的影響見圖4。

圖4 給料粒級對純礦物摩擦荷電特性的影響Fig.4 Effect of feed particle size on charging characteristics of pure minerals

由圖4可以看出，四種純礦物在粒級不斷變小的情況下，荷質(zhì)比先升高再降低，均在-0.15+0.074 mm的粒度條件下達(dá)到了最大值。石英荷質(zhì)比由5.36 nC/g增加到了24.64 nC/g，后又降低到15.38 nC/g。黑云母荷質(zhì)比由1.14 nC/g升高到了3.58 nC/g，隨后降低為2.54 nC/g。長石荷質(zhì)比從-0.51 nC/g升高到了-2.02 nC/g，后降為-1.41 nC/g。輝鉬礦荷質(zhì)比從-2.03 nC/g升高到-3.22 nC/g，后降為-1.67 nC/g。

隨著粒度的不斷減小，顆粒的比表面積不斷增加，從而與摩擦材料的接觸碰撞不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致顆粒的荷質(zhì)比不斷增大。Tao等[16]等對不同粒徑粉煤灰顆粒的荷電特性進(jìn)行了研究，得出相同粒徑的碳和灰分的荷質(zhì)比隨著粒徑的減小而增大。但在粒度更小的情況下，單個顆粒自身慣性較小，顆粒較難穿過摩擦輪表面的氣流邊界層，從而導(dǎo)致顆粒與摩擦材料的碰撞摩擦概率減小，降低顆粒的荷電效果。

2.2 實(shí)際礦樣分選實(shí)驗(yàn)

利用實(shí)驗(yàn)室旋轉(zhuǎn)摩擦電選系統(tǒng)，進(jìn)行輝鉬礦實(shí)際礦樣單因素實(shí)驗(yàn)，確定荷電電壓、旋轉(zhuǎn)輥摩擦轉(zhuǎn)速、給料速率、進(jìn)風(fēng)風(fēng)速、給料粒級等因素對礦樣分選效果的影響。

礦樣分選實(shí)驗(yàn)在如下基準(zhǔn)參數(shù)條件下進(jìn)行，荷電電壓+12 kV，摩擦轉(zhuǎn)速3000 r/min，給料速率50 g/min，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速1.6 m/s，給料粒級-0.15+0.074 mm，作為考察因素時其水平為變量。

2.2.1 荷電電壓實(shí)驗(yàn)

荷電電壓對礦樣分選效果的影響見圖5。

圖5 荷電電壓對礦樣分選效果的影響Fig.5 Effect of charging voltage on the sorting of ore samples

由圖5可以看出，荷電電壓對礦樣的分選有較大的影響。在荷電電壓為正值時，有利于產(chǎn)生品位較低的尾礦產(chǎn)品，+12 kV條件下，尾礦品位相對較低，且拋尾產(chǎn)率較高。相反，在荷電電壓為負(fù)值時，尾礦品位較高，不利于拋尾。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)輥摩擦轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)輥摩擦轉(zhuǎn)速對礦樣分選效果的影響見圖6。

圖6 摩擦輪轉(zhuǎn)速對礦樣分選效果的影響Fig.6 Effect of friction roller speed on the sorting of ore samples

由圖6可以看出，在旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速從1000 r/min到4000 r/min不斷增加的過程中，存在累積品位-累積產(chǎn)率曲線左移的情況，表明在此過程中尾礦品位不斷降低，對應(yīng)的產(chǎn)率不斷增大，拋尾效果好。在4000 r/min時達(dá)到峰值，尾礦品位低，拋尾產(chǎn)率高，效果較好。Tao等[12]通過利用摩擦電選機(jī)對煤、粉煤灰的分選結(jié)果表明，高轉(zhuǎn)速條件下顆粒和旋轉(zhuǎn)充電器之間的相對速度較大，分選效果較好。隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，關(guān)系曲線又相對于右移，分選效果減弱。原因是當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高時，旋轉(zhuǎn)輥表面的氣流速度也進(jìn)一步提高，顆粒獲得的切向速度不足以穿過旋轉(zhuǎn)輥表面的氣流邊界層，降低了物料的分選效果。

2.2.3 給料速率實(shí)驗(yàn)

給料速率對礦樣分選效果的影響見圖7。

圖7 給料速率對礦樣分選效果的影響Fig.7 Effect of feed rate on the sorting of ore samples

由圖7可以看出，不同的給料速率對物料分選效果有著較大的影響。在給料速率為25 g/min時尾礦品位較高且產(chǎn)率低，拋尾效果差。在50 g/min的條件下，尾礦品位低，且產(chǎn)率高，有著較好的拋尾效果。表明給料速率一定程度的增大時，促進(jìn)了顆粒之間的相互摩擦，使得碰撞效果加強(qiáng)。在50 ～ 200 g/min范圍內(nèi)，隨著給料速率的不斷增大，尾礦品位變得更高、產(chǎn)率更低，拋尾效果變得很差。這是因?yàn)樵谳^大給料速率下，進(jìn)入荷電腔體的物料較多，降低了顆粒與摩擦材料的碰撞概率，從而導(dǎo)致分選效果下降。這與Tao[12]等人的研究結(jié)果一致。

2.2.4 進(jìn)風(fēng)風(fēng)速實(shí)驗(yàn)

進(jìn)風(fēng)風(fēng)速對礦樣分選效果的影響見圖8。

圖8 進(jìn)風(fēng)風(fēng)速對礦樣分選效果的影響Fig.8 Effect of injection air rate on the sorting of ore samples

由圖8可以看出，在小于1.6 m/s的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速條件下，尾礦品位較高，拋尾產(chǎn)率低。在1.6m/s的條件下，達(dá)到了較好分選效果。進(jìn)風(fēng)速度越大，顆粒與顆粒、顆粒與旋轉(zhuǎn)摩擦材料摩擦強(qiáng)度越大，更有利于分選。隨著進(jìn)風(fēng)風(fēng)速的進(jìn)一步增加到2.4 m/s以上，關(guān)系曲線右移，產(chǎn)率下降。這是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)風(fēng)速過大，會使得顆粒在分選室停留的時間變短，分選室氣流紊亂程度高，從而使分選效果變差[15]。Zhang[17]等人的數(shù)值模擬研究結(jié)果也表明，隨著進(jìn)風(fēng)風(fēng)速的增加，旋轉(zhuǎn)摩擦荷電腔體內(nèi)的平均氣流速度呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，進(jìn)而驗(yàn)證了這一結(jié)果。

2.2.5 給料粒級實(shí)驗(yàn)

給料粒級對礦樣分選效果的影響見圖9。

圖9 給料粒級對礦樣分選效果的影響Fig.9 Effect of feed particle size on the sorting of ore samples

由圖9可以看出，在給料粒度+0.15 mm粒級的分選過程中，尾礦品位較高，拋尾產(chǎn)率低。在-0.15+0.074 mm粒級達(dá)到了較好分選效果。這是因?yàn)樵谝欢ǔ潭壬辖o料粒度的不斷減小，顆粒的比表面積不斷增加，從而使顆粒與摩擦材料、顆粒與顆粒之間的的接觸碰撞效果不斷增強(qiáng)，分選效果變好[18]。但隨著給料粒度的再次減小，尾礦品位高，分選效果變差。因?yàn)轭w粒小自身慣性較小，從而導(dǎo)致顆粒與摩擦材料的碰撞摩擦概率減小，減弱了分選效果。還有較小的顆粒也容易發(fā)生團(tuán)聚以及中和的現(xiàn)象，從而不利于分選。

3 結(jié) 論

（1）輝鉬礦純礦物與石英等脈石礦物的摩擦荷電特性存在差異，可為分選提供依據(jù)。

（2）荷電電壓、旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速、給料速率以及給料粒級均影響礦物顆粒的荷電效果，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速影響顆粒在分選室的停留時間以及氣流紊亂程度，進(jìn)而顯著影響了輝鉬礦的分選效果。

（3）實(shí)際礦樣單因素結(jié)果表明，在荷電電壓+12 kV、摩擦轉(zhuǎn)速4000 r/min、給料速率50 g/min、進(jìn)風(fēng)風(fēng)速1.6 m/s、給料粒級-0.15 +0.074 mm時，可以獲得較好的預(yù)拋尾效果。預(yù)拋品位0.04%，產(chǎn)率24.6%的尾礦產(chǎn)品，可有效降低磨礦負(fù)荷。