磨礦方式對(duì)閃鋅礦和黃鐵礦浮選動(dòng)力學(xué)影響研究

高恩霞 張 春 李悅鵬 羅建輝 高瑞琢 冉金城

(1.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東 淄博 255000;2.山東招金科技有限公司,山東 煙臺(tái) 265400;3.青島金星礦業(yè)股份有限公司,山東 青島 266748)

磨礦作業(yè)是實(shí)現(xiàn)礦物間單體解離的重要環(huán)節(jié)[1]。磨礦不僅可以促使礦物顆粒暴露出新的解理面,還賦予礦石一定的粒度,為后續(xù)選別創(chuàng)造合適的條件[2]。磨礦環(huán)境是決定磨礦效率及選別指標(biāo)的重要因素,尤其是磨礦方式,在工業(yè)中,磨礦方式分為干磨和濕磨,其中,濕磨是最常用的磨礦方式,具有流動(dòng)性強(qiáng)、效率高、不結(jié)團(tuán)等優(yōu)點(diǎn);而干磨則具有磨礦介質(zhì)耐腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)[3]。

磨礦方式的選擇不僅決定了磨礦效率,而且影響著礦物顆粒的解離度、表面性質(zhì)及浮選溶液化學(xué)[4-5]。FENG等[6]研究表明,干磨產(chǎn)品的表面粗糙度較濕磨更大,粗糙的表面更有利于捕收劑的吸附及更高的浮選速率;然而,PALM等[7]認(rèn)為,干磨會(huì)導(dǎo)致硫化礦表面形成氧化層,不利于礦物的浮選回收。此外,一般認(rèn)為,在相同充填率及磨礦時(shí)間下,濕磨產(chǎn)品的粒度較干磨更細(xì)而干磨產(chǎn)品的微細(xì)粒級(jí)較濕磨更多,更高的氧化程度及更細(xì)的粒度組成又不利于礦物的快速浮選。干磨和濕磨產(chǎn)品的表面粗糙度與氧化程度和粒度組成間的矛盾,使得磨礦方式對(duì)硫化礦物浮選行為的影響尚不明確。

本文以閃鋅礦和黃鐵礦為研究對(duì)象,以浮選動(dòng)力學(xué)為研究手段,以鑄鐵球?yàn)槟サV介質(zhì),研究了干磨和濕磨對(duì)閃鋅礦和黃鐵礦粒度組成及浮選行為的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 礦石性質(zhì)

試驗(yàn)所用閃鋅礦和黃鐵礦均取自云南某礦山,經(jīng)破碎、手選后獲得高純礦物,閃鋅礦和黃鐵礦的化學(xué)多元素分析結(jié)果分別見表1和表2。結(jié)果表明,試驗(yàn)所用閃鋅礦中Zn含量為64.15%,S含量為32.92%,純度達(dá)到97.07%;黃鐵礦中Fe含量為45.87%,S含量為53.39%,純度高達(dá)99.26%。

表1 閃鋅礦化學(xué)多元素分析結(jié)果Table 1 Analysis results of chemical multi-elments of sphalerite %

表2 黃鐵礦化學(xué)多元素分析結(jié)果Table 2 Analysis results of chemical multi-elments of pyrite %

1.2 磨礦試驗(yàn)

采用QM-2SP12行星式球磨機(jī)進(jìn)行磨礦試驗(yàn),轉(zhuǎn)速為600 r/min。試驗(yàn)所用罐體為不銹鋼材質(zhì),容積為500 mL,采用不銹鋼球作為研磨介質(zhì),鋼球填充率為35%,所用鋼球尺寸為10、8和6 mm 3種,質(zhì)量配比為35∶25∶40。將高純閃鋅礦和黃鐵礦破碎,并篩分出-1+0.6 mm粒級(jí),用于磨礦試驗(yàn)。

每次試驗(yàn)前,罐體內(nèi)倒入適量水空轉(zhuǎn)2 min以去除鋼球表面的鐵銹,干磨前將磨礦罐體及鋼球完全烘干。每次稱量15 g礦樣,然后加入30 mL去離子水(液固比為2 mL/g),將磨礦罐體放入磨機(jī),設(shè)置好所需時(shí)間后開始磨礦。

1.3 浮選動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

采用掛槽浮選機(jī)(100 mL)進(jìn)行浮選動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。將磨礦后的樣品轉(zhuǎn)移至浮選槽內(nèi),預(yù)攪拌2 min以充分混合,然后加入1×10-4mol/L的丁基黃藥和2×10-4mol/L的甲基異丁基甲醇(MIBC),無調(diào)整劑,分別攪拌3 min和1 min。隨后開啟充氣,進(jìn)行手動(dòng)刮泡浮選,浮選時(shí)間為10 min,以 0～1、1～2、2～4、4～6、6～8 和 8～10 min為時(shí)間間隔,分別收集上述各時(shí)間內(nèi)的精礦產(chǎn)品及最終尾礦產(chǎn)品,隨后單獨(dú)過濾、烘干、稱重,并計(jì)算個(gè)別及累計(jì)浮選回收率。

采用6種浮選動(dòng)力學(xué)模型研究不同磨礦時(shí)間下磨礦方式對(duì)閃鋅礦和黃鐵礦浮選行為的影響,所用模型見表3[8]。使用1stOpt軟件,基于Levenberg-Marquardt(LM)和Universal-Global-Optimization(UGO)算法,對(duì)各模型中參數(shù)的最佳初始值進(jìn)行擬合,然后將初始值代入Origin軟件,進(jìn)行擬合、繪圖。

表3 本研究所用6種浮選動(dòng)力學(xué)模型Table 3 Six kinds of flotation kinetic models used in this investigation

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 磨礦時(shí)間對(duì)產(chǎn)品粒度組成的影響

不同磨礦時(shí)間下閃鋅礦、黃鐵礦的干磨及濕磨產(chǎn)品各粒級(jí)的產(chǎn)率分別見表4、表5。

表4 不同磨礦時(shí)間下閃鋅礦干磨和濕磨產(chǎn)品各粒級(jí)的產(chǎn)率Table 4 Particle size fractions of dry and wet grinding products of sphalerite as a function of grinding time %

由于閃鋅礦較黃鐵礦的硬度更低(閃鋅礦莫氏硬度3.5～4,黃鐵礦莫氏硬度6～6.5),研磨至相同的粒度(以-0.074 mm計(jì)),黃鐵礦所需的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過閃鋅礦,這與表4和表5所得結(jié)論一致。此外,從表4和表5還可以看到,在現(xiàn)有的配球比下,不管是干磨還是濕磨,-0.015mm微細(xì)粒級(jí)的產(chǎn)率均最高,-0.074+0.015 mm中等粒級(jí)的產(chǎn)率則相對(duì)較低。隨著磨礦時(shí)間的增加,所有產(chǎn)品的-0.015 mm微細(xì)粒級(jí)的產(chǎn)率均逐漸增加。相對(duì)而言,2種礦物干磨產(chǎn)品的粒度較濕磨更粗,閃鋅礦在磨礦時(shí)間為1.5 min時(shí),干磨和濕磨-0.074 mm的產(chǎn)率分別為73.29%和91.78%;而黃鐵礦在磨礦時(shí)間為4.0 min時(shí),干磨和濕磨-0.074 mm的產(chǎn)率分別為79.11%和90.58%。隨著磨礦時(shí)間的增加,不同磨礦方式下粒度組成的區(qū)別逐漸減小,閃鋅礦在磨礦時(shí)間為3.0 min時(shí),干磨和濕磨-0.074 mm的產(chǎn)率分別為96.57%和98.68%;而黃鐵礦在磨礦5.5 min時(shí),干磨和濕磨-0.074 mm的產(chǎn)率分別為91.30%和98.05%。

表5 不同磨礦時(shí)間下黃鐵礦干磨和濕磨產(chǎn)品各粒級(jí)的產(chǎn)率Table 5 Particle size fractions of dry and wet grinding products of pyrite as a function of grinding time%

2.2 浮選動(dòng)力學(xué)

2.2.1 磨礦方式對(duì)閃鋅礦浮選動(dòng)力學(xué)的影響

不同干磨時(shí)間下閃鋅礦的浮選動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果如圖1所示,6種動(dòng)力學(xué)模型擬合所得的參數(shù)見表6。

圖1 6種動(dòng)力學(xué)模型擬合閃鋅礦在不同干磨時(shí)間下的累計(jì)回收率Fig.1 Six kinetic models fitted to the cumulative recovery of sphalerite under different dry grinding time

表6 6種動(dòng)力學(xué)模型擬合閃鋅礦在不同干磨時(shí)間下累計(jì)回收率的參數(shù)Table 6 Parameters obtained from six kinetic models fitted to the sphalerite cumulative recovery under different dry grinding time

由圖1和表6可知,所有模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度R2均大于0.98,說明6種浮選動(dòng)力學(xué)模型均表現(xiàn)出較好的擬合效果。所有干磨時(shí)間下,模型6的R2值均最高,僅從擬合度角度看,模型6的擬合效果最佳。然而,在磨礦2 min后,模型3至模型6的ε∞值均大于100%,超出了浮選理論最大回收率,說明模型3至模型6對(duì)當(dāng)前條件的普適性較差。從普適性角度看,模型1的擬合效果最佳,擬合曲線接近實(shí)際浮選試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

隨著干磨時(shí)間的增加,ε∞值呈先增加后降低趨勢,磨礦時(shí)間較短(1.5 min)時(shí),閃鋅礦的ε∞值最小,這主要?dú)w因于干磨產(chǎn)品中含有較多的粗顆粒。結(jié)合表4可知,干磨1.5 min后,閃鋅礦產(chǎn)品中+0.074mm粒級(jí)達(dá)到26.71%,過粗的顆粒易于從氣泡表面脫附,并導(dǎo)致閃鋅礦較低的浮選回收率。而當(dāng)干磨時(shí)間達(dá)到3 min時(shí),閃鋅礦的ε∞值又逐漸降低,這主要是干磨時(shí)間過長,極細(xì)粒級(jí)增加,微細(xì)顆粒因其較小的尺寸而導(dǎo)致與氣泡較低的碰撞概率,這降低了礦物的浮選回收率[9]。

一般認(rèn)為,粒度與浮選速率呈正比,粒度越細(xì),浮選速率越小。然而,除模型3外,所有模型擬合所得k值均隨干磨時(shí)間的增加呈先降低后升高趨勢,這與前人的研究不同。本研究中,在磨礦2.5 min后獲得了最大累計(jì)回收率58.33%,較低的回收率表明部分閃鋅礦被鐵質(zhì)污染物覆蓋或表面被氧化,這降低了捕收劑在礦物表面的吸附密度,并阻礙了礦物顆粒在氣泡表面的粘附[10]。而表面未被污染的閃鋅礦在黃原酸體系下具有良好的天然可浮性,在超聲清洗后,無論何種粒級(jí)的閃鋅礦,均表現(xiàn)出良好的浮選表現(xiàn)。因此,可以認(rèn)為磨礦后新暴露的表面更多,這促進(jìn)了捕收劑的吸附,并表現(xiàn)出更高的浮選速率。

不同濕磨時(shí)間下閃鋅礦的浮選動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果如圖2所示,6種動(dòng)力學(xué)模型擬合所得的參數(shù)見表7。

圖2 6種動(dòng)力學(xué)模型擬合閃鋅礦在不同濕磨時(shí)間下的累計(jì)回收率Fig.2 Six kinetic models fitted to the cumulative recovery of sphalerite under different wet grinding time

由圖2和表7可知,所有模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度R2均大于0.99,說明所有模型均表現(xiàn)出較好的擬合效果。與干磨一致,模型6的R2值均最高,但普適性較差,而模型1普適性最佳,但R2值相對(duì)較低。

表7 6種動(dòng)力學(xué)模型擬合閃鋅礦在不同濕磨時(shí)間下累計(jì)回收率的參數(shù)Table 7 Parameters obtained from six kinetic models fitted to the sphalerite cumulative recovery under different wet grinding time

隨著濕磨時(shí)間的增加,ε∞值呈逐漸降低趨勢,說明濕磨環(huán)境下,過多細(xì)粒級(jí)不利于閃鋅礦的浮選。在磨礦1.5 min時(shí),濕磨的ε∞值較干磨更高,但浮選速率k值則更低,因此,濕磨和干磨在浮選10min后的累計(jì)回收率相差不大。繼續(xù)增加磨礦時(shí)間,濕磨的ε∞值較干磨均更低,一方面,濕磨更細(xì)的粒度組成導(dǎo)致閃鋅礦顆粒在氣泡表面上更低的粘附概率;另一方面,這可能歸因于干磨顆粒表面更高的表面粗糙度,進(jìn)而有利于浮選藥劑的吸附。濕磨的k值近乎與磨礦時(shí)間呈正比,這與更多的新暴露表面有關(guān)。不管磨礦時(shí)間如何,濕磨后閃鋅礦的k值均比干磨更低,由于濕磨更有利于磨礦介質(zhì)Fe3+的釋放,這些Fe3+會(huì)以氫氧化物形式吸附在閃鋅礦表面,阻礙其與浮選藥劑的吸附及在氣泡表面上的粘附,并導(dǎo)致更低的浮選速率及回收率。

2.2.2 磨礦方式對(duì)黃鐵礦浮選動(dòng)力學(xué)的影響

不同干磨時(shí)間下黃鐵礦的浮選動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果如圖3所示,6種動(dòng)力學(xué)模型擬合所得的參數(shù)見表8。

圖3 6種動(dòng)力學(xué)模型擬合黃鐵礦在不同干磨時(shí)間下的累計(jì)回收率Fig.3 Six kinetic models fitted to the cumulative recovery of pyrite under different dry grinding time

表8 6種動(dòng)力學(xué)模型擬合黃鐵礦在不同干磨時(shí)間下累計(jì)回收率的參數(shù)Table 8 Parameters obtained from six kinetic models fitted to the pyrite cumulative recovery under different dry grinding time

由圖3和表8可知,6種模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合 度R2均大于0.99,說明所有模型均表現(xiàn)出較好的擬合效果。與閃鋅礦一致,模型6的R2值最高,但普適性較差,而模型1普適性最佳,但R2值相對(duì)較低。

黃鐵礦的ε∞值隨干磨時(shí)間的增加呈先增加后降低趨勢,磨礦時(shí)間較短時(shí),部分粗粒黃鐵礦無法被捕獲進(jìn)入精礦產(chǎn)品中;而當(dāng)磨礦時(shí)間較長時(shí),過多細(xì)顆粒也不利于黃鐵礦的回收。相較于閃鋅礦,干磨環(huán)境下黃鐵礦的回收率更低,這與黃鐵礦更高的氧化速率有關(guān)。此外,與閃鋅礦一致,干磨環(huán)境下黃鐵礦的浮選速率常數(shù)k值隨磨礦時(shí)間的增加呈先降低后升高趨勢,細(xì)顆粒更高的浮選速率與新生成的黃鐵礦顆粒表面更多有關(guān),該部分顆粒未被深度氧化及表面污染,并較快粘附在氣泡表面進(jìn)入精礦產(chǎn)品中。然而,總體而言,更細(xì)顆粒不利于黃鐵礦的浮選,并導(dǎo)致較低的浮選回收率。

不同濕磨時(shí)間下黃鐵礦的浮選動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果如圖4所示,6種動(dòng)力學(xué)模型擬合所得的參數(shù)見表9。

圖4 6種動(dòng)力學(xué)模型擬合黃鐵礦在不同濕磨時(shí)間下的累計(jì)回收率Fig.4 Six kinetic models fitted to the cumulative recovery of pyrite under different wet grinding time

表9 6種動(dòng)力學(xué)模型擬合黃鐵礦在不同濕磨時(shí)間下累計(jì)回收率的參數(shù)Table 9 Parameters obtained from six kinetic models fitted to the pyrite cumulative recovery under different wet grinding time

由圖4和表9可知,6種模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度R2均大于0.98,說明所有模型均表現(xiàn)出較好的擬合效果。除磨礦5.0 min外,其他所有磨礦時(shí)間下模型6的R2值最高,但普適性較差,而模型1普適性最佳,但R2值相對(duì)較低。

與干磨一致,黃鐵礦的ε∞值隨濕磨時(shí)間的增加呈先增加后降低趨勢,極粗極細(xì)顆粒均不利于黃鐵礦的回收。與閃鋅礦相比,干磨和濕磨后的黃鐵礦ε∞值均更低。此外,長時(shí)間磨礦后黃鐵礦新暴露表面更多,這些顆粒更利于黃鐵礦的快速富集,并促使其更高的浮選速率。然而,與閃鋅礦不同的是,濕磨環(huán)境下黃鐵礦的浮選速率常數(shù)k值更高,這或許與其磨礦細(xì)度更細(xì)有關(guān),并因此導(dǎo)致更多新生成的表面。

綜上可知,不同磨礦方式對(duì)閃鋅礦和黃鐵礦浮選的影響較大。相比于干磨,相同磨礦時(shí)間時(shí)濕磨產(chǎn)品粒度更細(xì),并生成更多的新生表面,促進(jìn)黃鐵礦的浮選速率;此外,濕磨有利于磨礦介質(zhì)中Fe3+釋放,并以氫氧化物形式吸附在閃鋅礦表面,降低其浮選速率和最終產(chǎn)品回收率,在實(shí)際生產(chǎn)過程中,可根據(jù)實(shí)際需求選擇適宜的磨礦方式。無論是閃鋅礦還是黃鐵礦,磨礦時(shí)間均不宜過長,粒度過細(xì)不利于藥劑在礦物表面的吸附,影響浮選指標(biāo)。

3 結(jié) 論

(1)所有磨礦方式下-0.015 mm微細(xì)粒級(jí)的產(chǎn)率最高,其次為+0.074 mm粗粒級(jí),濕磨產(chǎn)品較干磨粒度更細(xì),黃鐵礦的硬度更高,研磨至相同粒度所需時(shí)間更長。

(2)所有動(dòng)力學(xué)模型對(duì)閃鋅礦和黃鐵礦累計(jì)回收率的數(shù)據(jù)擬合均較好,其中模型6的擬合度最高,但普適性最差,而模型1的擬合度最低,但普適性最佳。

(3)過粗過細(xì)顆粒的存在均不利于閃鋅礦和黃鐵礦的浮選回收,黃鐵礦的氧化速率更快,并導(dǎo)致其ε∞值較閃鋅礦更低。而濕磨的ε∞值較干磨更低,這與干磨更粗的粒度組成及更高的顆粒表面粗糙度有關(guān)。

(4)更長的磨礦時(shí)間可以暴露出更多的新生礦物表面,這有利于閃鋅礦和黃鐵礦的快速富集及更高的浮選速率常數(shù)k值。濕磨促進(jìn)了磨礦介質(zhì)Fe3+的釋放,并以氫氧化物形式吸附在閃鋅礦表面,導(dǎo)致其更低的浮選速率和回收率;而濕磨后黃鐵礦的粒度更細(xì),并產(chǎn)生大量新生成的顆粒,進(jìn)而促進(jìn)了黃鐵礦相對(duì)快速的浮選及更高的浮選速率。