羅惠華,趙澤陽(yáng),蔡忠俊，2,張正虎,閆雅雯,國(guó)亞非

(1.武漢工程大學(xué) 興發(fā)礦業(yè)學(xué)院,湖北 武漢 430073；2.國(guó)家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心,云南 昆明 650113)

0 引言

磷礦是我國(guó)重要的戰(zhàn)略資源，是保障我國(guó)糧食安全的有力支撐[1]。隨著高品位磷礦資源的日漸枯竭，低品位磷礦的開發(fā)利用日顯重要[2]。我國(guó)絕大部分磷礦屬于中低品位沉積巖型磷塊巖，其中大多數(shù)是難選的膠磷礦[3]。中低品位硅鈣質(zhì)膠磷礦屬于顯微晶質(zhì)或隱晶質(zhì)磷酸鹽，礦物顆粒細(xì)，脈石礦物與磷礦物相互共生、浸染分布，磨礦細(xì)度必須較小，磷礦物才能單體解離。細(xì)磨會(huì)導(dǎo)致細(xì)粒級(jí)礦物含量增多、礦漿泥化嚴(yán)重、藥劑消耗增大、浮選效果變差，因此針對(duì)這類難選膠磷礦的研究日益增多，目前的研究主要集中于浮選藥劑和浮選工藝兩方面。

剪切絮凝浮選是一種疏水性團(tuán)聚分選[4]，能夠有效分選細(xì)粒礦物[5]，在赤鐵礦、菱錳礦、石英、石墨及磷灰石等礦物中都有著廣泛研究和應(yīng)用[6]，但其在膠磷礦浮選方面的應(yīng)用研究較少。

晉寧磷礦堆存膠磷礦是典型的嵌布粒度細(xì)、高硅鈣難選膠磷礦，必須脫除含硅和鎂的脈石礦物，才能有效利用。浮選作業(yè)中，由于細(xì)粒級(jí)含量高，礦漿泥化嚴(yán)重，導(dǎo)致浮選選擇性差、精礦P2O5回收率低，因此針對(duì)此磷礦石進(jìn)行了剪切絮凝浮選試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，剪切絮凝可以加強(qiáng)浮選調(diào)漿作業(yè)，改善礦漿環(huán)境，有效提高浮選效率。

1 試驗(yàn)礦樣、藥劑與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)礦樣

取自晉寧磷礦的試樣是一種淺海相沉積型層狀磷塊巖，利用MLA礦物分析儀測(cè)定了試樣的礦物組成等。

試樣的主要礦物組成見表1。由表1可知，礦石中有用礦物為膠磷礦，脈石礦物主要為石英和白云石。

表1 試樣的主要礦物組成 單位：%

含磷物相的分析結(jié)果見表2。由表2可知，礦石中的磷主要以碳氟磷灰石的形式存在，占總磷的97.21%，而分布在其他礦物中的磷很少，因此P2O5的理論回收率為97.21%。

表2 試樣中含磷物相的分析結(jié)果 單位：%

試樣的多元素分析結(jié)果見表3。由表3可知，原礦P2O5品位為18.30%，SiO2及MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為34.55%、2.74%，只有脫除硅質(zhì)和鎂質(zhì)礦物，才能提高磷礦的品位。

表3 試樣的多元素分析結(jié)果 單位：%

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及藥劑

正浮選藥劑：碳酸鈉、水玻璃及捕收劑MON-135均為工業(yè)品，分別配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、10%和2%的溶液；反浮選藥劑：硫酸、抑制劑NMS及捕收劑 LAA-11均為工業(yè)品，分別配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、2%和2%的溶液。

主要設(shè)備：XMB-67型棒磨機(jī)，XSHF-2-3濕式分樣機(jī)，XFD-0.5型單槽浮選機(jī)(葉輪直徑45 mm)，XTLZ型多用真空過濾機(jī)。在XFD-0.5型單槽浮選機(jī)的右上方配置一個(gè)高于浮選槽的剪切攪拌桶。剪切攪拌桶直徑為12.5 cm，剪切攪拌器為直徑不同的四葉直片式和四葉傾斜45°式兩種葉輪，底部有管道將礦漿導(dǎo)入浮選槽中，采用無(wú)級(jí)調(diào)速控制剪切攪拌葉輪的轉(zhuǎn)速。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正浮選試驗(yàn)條件的確定

采用單因素試驗(yàn)方法，進(jìn)行了1次粗選試驗(yàn)，確定磨礦細(xì)度為-0.074 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)占89.84%，碳酸鈉、水玻璃用量分別為6.0、3.0 kg/t，礦漿溫度為20 ℃，充氣量為0.08 m3/h，捕收劑MON-135的用量為1.2 kg/t。

2.2 浮選機(jī)攪拌轉(zhuǎn)速及攪拌時(shí)間試驗(yàn)

在上述條件及調(diào)漿攪拌轉(zhuǎn)速與浮選攪拌轉(zhuǎn)速均為2 500 r/min的條件下，進(jìn)行捕收劑加入后攪拌調(diào)漿時(shí)間(簡(jiǎn)稱“攪拌時(shí)間”)分別為0.5、1、2、5、8、11、12 min的試驗(yàn)，結(jié)果見圖1，確定最佳攪拌時(shí)間為8 min。另外研究了浮選機(jī)不同攪拌調(diào)漿轉(zhuǎn)速對(duì)精礦指標(biāo)的影響，結(jié)果見圖2。

由圖1可知：當(dāng)攪拌時(shí)間由0.5 min提高到2 min時(shí)，P2O5回收率提高到88.83%，增加了5.34個(gè)百分點(diǎn)，P2O5品位則降低了0.64個(gè)百分點(diǎn)；當(dāng)攪拌時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，P2O5回收率增加較為緩慢，攪拌8 min時(shí)，P2O5回收率為90.53%，P2O5品位為21.70%；攪拌時(shí)間繼續(xù)增加，P2O5回收率與P2O5品位均趨近于一個(gè)穩(wěn)定的值。攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，有效地增加了藥劑與礦物之間的吸附作用時(shí)間，使藥劑與礦物之間的接觸概率增大，從而提高了其黏附的概率；同時(shí)絮團(tuán)的長(zhǎng)大也需要一定的時(shí)間，且是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，伴隨著絮團(tuán)的聚合與碎裂，絮團(tuán)粒徑會(huì)隨著攪拌時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸變大，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值，即在不斷有新的顆粒黏附于絮團(tuán)的同時(shí)也會(huì)有顆粒不斷脫離絮團(tuán)[7]。當(dāng)攪拌時(shí)間較短時(shí)，礦物未能與藥劑充分接觸，絮團(tuán)在長(zhǎng)大階段，會(huì)導(dǎo)致精礦流失,且此時(shí)藥劑主要與礦漿中的大顆粒礦物、疏水性強(qiáng)的礦物結(jié)合，而細(xì)粒級(jí)礦物顆粒被水化膜包裹，與藥劑作用概率低，無(wú)法有效黏附于絮團(tuán)，浮選無(wú)法回收，導(dǎo)致P2O5回收率下降。當(dāng)攪拌時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，絮團(tuán)能夠長(zhǎng)到很大，且細(xì)粒級(jí)礦物也可黏附于大的絮團(tuán)，一并被回收利用，因此P2O5回收率較高。理論上講，此時(shí)黏附于絮團(tuán)的多為與絮團(tuán)疏水性一致的細(xì)粒級(jí)礦物，脈石礦物難以附著于絮團(tuán)，因此精礦P2O5品位受到的影響較小。

圖1 攪拌時(shí)間對(duì)浮選指標(biāo)的影響

由圖2可知，在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速的增大可以有效提高精礦P2O5回收率，但是精礦P2O5品位會(huì)降低。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時(shí)，精礦P2O5回收率為88.83%、P2O5品位為22.01%，與攪拌轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)相比，精礦P2O5回收率上升了17.05個(gè)百分點(diǎn)、P2O5品位下降了1.15個(gè)百分點(diǎn)；而當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速上升至2 800 r/min時(shí)，與攪拌轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時(shí)相比，精礦P2O5回收率下降了7.85個(gè)百分點(diǎn)、P2O5品位上升了0.71個(gè)百分點(diǎn)，此時(shí)攪拌轉(zhuǎn)速過大，造成一部分絮凝體分散，細(xì)粒級(jí)礦物丟失嚴(yán)重，因而導(dǎo)致精礦P2O5回收率下降。因此，確定浮選機(jī)的浮選轉(zhuǎn)速為2 500 r/min。

圖2 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)浮選指標(biāo)的影響

2.3 剪切攪拌葉輪對(duì)浮選指標(biāo)的影響

為了研究剪切攪拌葉輪對(duì)浮選指標(biāo)的影響，在攪拌桶中進(jìn)行調(diào)漿作業(yè)，使藥劑與礦物顆粒充分接觸，然后再在浮選槽中進(jìn)行浮選。葉輪為攪拌槽的核心部件，種類繁多，根據(jù)其形狀可分為3類[8]：①四葉直片式[見圖3(a)]，其葉片的表面與葉輪旋轉(zhuǎn)方向垂直；②四葉斜片式[見圖3(b)]，其葉片的表面與葉輪旋轉(zhuǎn)方向呈一定角度，通常為 45o或60o；③螺旋面葉片式。試驗(yàn)采用兩種葉輪：四葉直片式葉輪和四葉傾斜45°葉輪。不同直徑調(diào)漿葉輪在不同攪拌轉(zhuǎn)速下對(duì)浮選指標(biāo)的影響試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖3 葉輪樣式

圖4 不同攪拌轉(zhuǎn)速下不同直徑不同類型葉輪的浮選結(jié)果

由圖4可知，攪拌轉(zhuǎn)速的提高能有效提高精礦P2O5回收率。葉輪直徑相同時(shí)，使用直片式葉輪攪拌調(diào)漿時(shí)，其P2O5回收率明顯高于斜片式葉輪的。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為2 400 r/min時(shí)，直徑為50 mm的直片式葉輪的精礦P2O5回收率達(dá)到90.63%，比同直徑斜片式葉輪的精礦P2O5回收率(87.84%)提高了2.79個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)于不同直徑的直片式葉輪，在攪拌轉(zhuǎn)速低于2 400 r/min時(shí),使用Φ50 mm葉輪獲得的P2O5回收率高于其他兩種直徑葉輪的；在轉(zhuǎn)速為2 400 r/min時(shí)，使用3種直徑葉輪獲得的P2O5回收率相近。對(duì)于不同直徑的斜片式葉輪，在攪拌轉(zhuǎn)速低于1 600 r/min時(shí), 使用Φ50 mm的葉輪獲得的P2O5回收率高于其他兩種直徑葉輪的；在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，使用Φ45 mm的葉輪獲得的P2O5回收率高于其他兩種直徑葉輪的；在轉(zhuǎn)速為2 400 r/min時(shí)，使用Φ45 mm的葉輪的P2O5回收率低于其他兩種直徑葉輪的。

剪切絮凝浮選過程中，流體力學(xué)條件影響微細(xì)顆粒的絮凝，它可以影響顆粒與顆粒、礦粒與絮團(tuán)之間的有效碰撞和相互滲透，從而影響絮團(tuán)的性狀[9]。流體剪切力的大小取決于攪拌的強(qiáng)弱程度，水流剪切力過大會(huì)使絮凝劑的分子鏈斷裂以及使已形成的絮團(tuán)破裂，導(dǎo)致絮凝體的粒徑減小，惡化絮凝效果，因此，攪拌強(qiáng)度是影響絮團(tuán)形成的一個(gè)重要因素。流體中剪切力的計(jì)算公式[10]為

(1)

式中，ρ為水的密度，μ為水的動(dòng)力黏滯系數(shù)，C為阻力系數(shù)(取值范圍0.2～0.5)，Z為槳葉數(shù)目，b為漿葉高度，R為垂直軸中心至漿板外邊緣的距離，r為垂直軸中心至漿板內(nèi)邊緣的距離，ω為漿板旋轉(zhuǎn)的角速度，n為轉(zhuǎn)速，V為攪拌槽中礦漿體積，τ為流體剪切力，G為剪切速率。

由式(1)可知，在調(diào)漿過程中，設(shè)備、葉輪、攪拌轉(zhuǎn)速都會(huì)影響礦漿攪拌時(shí)的剪切力，進(jìn)而影響絮凝體的絮凝。試驗(yàn)探究了直徑分別為45、50、60 mm的四葉直片式葉輪在不同攪拌轉(zhuǎn)速下的剪切力，其中，C取值0.3，Z為4，b為10 mm，試驗(yàn)過程中控制攪拌槽體積為0.75 L,其他變量見表4。

表4 3種直徑直片式葉輪的R、r值

根據(jù)計(jì)算可得在攪拌槽中不同直徑四葉直片式葉輪攪拌時(shí)剪切力與攪拌轉(zhuǎn)速的關(guān)系(見圖5)。

圖5 3種直徑直片式葉輪不同攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的剪切力

對(duì)3條剪切力曲線數(shù)值進(jìn)行擬合，得到攪拌轉(zhuǎn)速與剪切力之間的關(guān)系式：

1)Φ45 mm四葉直片式葉輪

τ=6.443×10-12ω2+2.263×10-8ω

-6.383×10-6，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 98；

2)Φ50 mm四葉直片式葉輪

τ=8.010×10-12ω2+2.813×10-8ω

-7.935×10-6，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 98；

3)Φ60 mm四葉直片式葉輪

τ=1.161×10-11ω2+4.078×10-8ω

-1.150×10-5，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 98。

由擬合公式可知，剪切力隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大，且增長(zhǎng)速率逐步變大。比較3種不同直徑葉輪的攪拌轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果可以看到，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速較低時(shí)，剪切力較小，浮選效果較差，精礦P2O5回收率較低；浮選需要合適的剪切力，攪拌轉(zhuǎn)速過大，剪切力急劇上升，攪拌效果減弱，浮選指標(biāo)變差；精礦P2O5回收率分別為77.92%、79.51%、77.56%。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速較大時(shí)，精礦P2O5回收率較大，分別為89.85%、90.63%、90.21%。3種直徑葉輪的攪拌轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果表明，使用Φ50 mm的葉輪獲得的浮選指標(biāo)最好，在攪拌轉(zhuǎn)速為2 400 r/min時(shí)，精礦P2O5回收率最高，為90.63%，精礦P2O5品位為21.38%。

2.4 閉路試驗(yàn)

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了閉路試驗(yàn)。在進(jìn)行正浮選粗選時(shí)，在攪拌桶內(nèi)攪拌調(diào)漿，確定調(diào)漿攪拌葉輪為Φ50 mm的四葉直片式葉輪，調(diào)漿轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間及浮選的攪拌轉(zhuǎn)速分別為2 400 r/min、 8 min、2 500 r/min。在磨礦細(xì)度為-0.074 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)占 89.84%，正浮選碳酸鈉、水玻璃用量分別為6.0、3.0 kg/t，浮選礦漿溫度為20 ℃，充氣量為0.08 m3/h，粗選、掃選捕收劑MON-135的用量分別為1.2、0.3 kg/t的條件下，先進(jìn)行1粗2精1掃，獲得的精礦再進(jìn)行1粗1掃反浮選。反浮粗選藥劑為硫酸、NMS抑制劑、LAA-11捕收劑，用量依次為9.0、0.6、0.6 kg/t，反浮選掃選硫酸用量為3.0 kg/t，中礦順序返回。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 攪拌槽剪切攪拌浮選閉路試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知，在攪拌槽中，利用Φ50 mm的四葉直片式葉輪進(jìn)行剪切攪拌調(diào)漿，閉路浮選試驗(yàn)獲得的精礦P2O5品位為28.06%、精礦P2O5回收率為90.52%。采用相同的工藝流程以及藥劑制度，實(shí)驗(yàn)室常規(guī)浮選機(jī)攪拌調(diào)漿浮選獲得的磷精礦P2O5品位為28.12%、P2O5回收率為86.55%，兩者相比，前者回收率提高了3.97個(gè)百分點(diǎn)。

3 結(jié)論

a.適當(dāng)增加礦漿攪拌強(qiáng)度有利于浮選，但過強(qiáng)的攪拌會(huì)破壞顆粒聚團(tuán)，反而使精礦P2O5回收率下降。攪拌時(shí)間逐漸增加有利于捕收劑吸附目的礦物，提高精礦P2O5回收率。

b.不同葉輪形狀、直徑對(duì)剪切絮凝浮選的影響不同。在相同攪拌轉(zhuǎn)速下，四葉直片式葉輪的剪切效果優(yōu)于相同直徑的四葉斜片式葉輪的。無(wú)論是四葉直片式還是四葉斜片式，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速變化時(shí)，Φ50 mm葉輪的剪切攪拌調(diào)漿效果要優(yōu)于其他直徑葉輪的。

c.采用直徑50 mm的四葉直片式葉輪為剪切調(diào)漿器，在剪切調(diào)漿轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間、浮選機(jī)的轉(zhuǎn)速分別為2 400 r/min、 8 min、2 500 r/min以及最佳浮選條件下最終獲得了P2O5品位為28.06%、P2O5回收率為90.52%的精礦指標(biāo)，與常規(guī)浮選相比，精礦P2O5回收率提高了3.97個(gè)百分點(diǎn)。