鋁硅礦物旋流分選特性與機理分析

高淑玲,魏德洲,劉文剛,馬龍秋

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

鋁土礦是生產氧化鋁的重要原料，也是其最主要的應用領域。我國的鋁土礦資源以一水硬鋁石型為主，其主要特征是高鋁、高硅、低鋁硅比、礦物組成復雜,并且含鋁礦物和含硅礦物間的嵌布關系密切。這導致氧化鋁的生產成本高、產品質量差。為了適應氧化鋁拜耳法對其原料的要求，進行鋁土礦選礦脫硅的研究和實踐近年來得到了廣泛重視[1-5]。

作為分選的一種有效作用力，應用離心力來強化微細顆粒的分選，越來越被認為是一種重要的發展途徑。旋流器是利用離心力與重力復合力場的典型設備，因其具有結構簡單、占地面積小、運行費用低、處理工藝簡單等優勢，而被廣泛用于礦業、化學、石油、生物、醫學等領域的固-固、固-液、液-液、固-氣等多種單元分離過程[6-11]。為了探討一水硬鋁石型鋁土礦中的鋁硅礦物能否在旋流力場中實現有效分離，本文通過改變錐角、底流口直徑、給礦壓強三個主要參數，來考察鋁硅礦物顆粒的旋流分選特性，并根據分選產物的礦漿體積產率和固體質量產率的變化趨勢進行機理分析。

1 試驗原料與方法

1.1 試驗原料

試驗所用礦樣為來自河南長城鋁業公司的低鋁硅比鋁土礦，其化學成分分析、化學物相分析及礦物組成，分別如表1、表2和表3所示。

表1 礦石的化學成分分析結果

由表1可看出，該礦石中Al2O3的含量為59.80%，SiO2的含量為13.62%，鋁硅比(A/S)為4.39。礦石中雜質元素Fe、TiO2的含量分別為5.37%、3.12%，含量較高。

表2 礦石中Al2O3的化學物相分析結果(%)

表2 表明，一水硬鋁石為該鋁土礦中主要含鋁的成分，其占有率為84.21%，其他含鋁的礦物的占有率之和為15.79%。

表3 礦石的礦物組成及含量

表3中的結果表明，礦石中的含鋁礦物主要由一水硬鋁石、少量一水軟鋁石及微量的三水鋁石和鋁凝膠組成；含硅脈石礦物主要由高嶺石、綠泥石、伊利石和石英組成；硫化礦物主要是黃鐵礦；鐵礦物主要包括針鐵礦、水針鐵礦和赤鐵礦；鈦礦物主要由銳鈦礦、金紅石、板鈦礦和榍石組成；此外，還含有方解石等其他脈石礦物。

1.2 試驗研究方法

首先稱取一定量的礦樣，用球磨機磨至試驗所需要的粒度，然后對其進行旋流分選試驗，旋流分選試驗設備聯系圖，如圖1所示。

進行旋流分選試驗時，首先將礦漿調至合適的濃度，然后打開渣漿泵，把礦漿送入旋流器中進行分選。給礦壓強通過閥門進行調節，并利用壓力表同步檢測。待系統運行平穩后，取原礦、溢流及底流產品樣，分別量取礦漿體積后，烘干、稱重，并進行化學成分分析，然后分別計算產品的產率、鋁硅比及回收率等指標。

圖1 旋流分選試驗設備聯系圖1.φ75mm旋流器；2.攪拌桶；3.渣漿泵；4.壓力表；5.放料閥；6.進料閥；7.出料閥；8.給礦取樣閥；9.溢流取樣閥

2 試驗結果

2.1 采用不同錐角時底流口直徑對鋁硅礦物旋流分選效果的影響

在旋流器溢流口直徑為17mm、給礦壓強為0.4MPa、給礦濃度為10%、給礦粒度為-0.074mm粒級含量占61.91%的試驗條件下，分別采用7°、11°、15°、19°的錐角，逐一考察底流口直徑對鋁土礦旋流分選效果的影響，試驗結果如圖2、圖3所示。

由圖2可以看出，對于同一錐角而言，隨著底流口直徑的增大，鋁硅比基本呈下降趨勢。采用不同錐角時，底流口直徑對底流A/S的影響程度也是不同的，對錐角11°、15°、19°而言，隨著底流口直徑的逐漸增大，這些指標的變化趨勢很顯著；而采用7°錐角時，呈現的變化趨勢則要平緩得多，且在一些點處出現了與整體變化趨勢相反的情況，例如，當底流口直徑由6mm變為8mm時，底流的鋁硅比有一定幅度的上升，而不是下降。這表明，錐角較小時，適當增加底流口直徑有利于分選過程的進行。

圖2中的結果還表明，采用11°錐角時，在大部分底流口直徑條件下，均能獲得比采用其他錐角更高的鋁硅比。當其底流口直徑為6mm時，底流產品的鋁硅比為6.87，比其他試驗條件的都高一些。

根據圖3可知，對于同一錐角而言，隨底流口直徑的增大，溢流的鋁硅比呈下降趨勢；對于不同錐角而言，曲線的變化趨勢大體相同，但變化幅度不同，尤其是采用19°錐角時，溢流的鋁硅比曲線，與其他3條曲線相比要平緩一些，而且在各個底流口直徑條件下獲得的溢流的鋁硅比均比采用其他錐角時的高；錐角為7°時，溢流的鋁硅比基本上為最低。溢流的鋁硅比基本上隨著錐角的減小而降低。

從圖3可以看出，在各個錐角條件下，隨著底流口直徑的增大，底流中Al2O3的回收率均呈逐漸升高的趨勢，即當底流口直徑為16mm時，底流中Al2O3的回收率達到最大值。圖3的試驗結果還表明，采用19°錐角時，在各個底流口直徑條件下，底流中Al2O3的回收率基本上為最低；采用7°錐角時，底流中Al2O3的回收率則基本為最高，當其底流口直徑為16mm時，底流中Al2O3的回收率高達90.10%。

2.2 采用不同錐角時給礦壓強對鋁土礦分選效果的影響

在旋流器溢流口直徑為17mm、給礦濃度為10%、給礦粒度為-0.074mm粒級含量占 61.90%的條件下，分別采用7°、11°、15°、19°的錐角(相應的錐比為8/17、6/17、6/17、6/17)，分析了給礦壓強對鋁土礦旋流分選效果的影響，試驗結果如圖4、圖5所示。

圖2 底流口直徑對底流A/S的影響

圖3 底流口直徑對底流中Al2O3回收率的影響

圖4 給礦壓強對底流A/S的影響

由圖4中的試驗結果可以看出，采用11°錐角時，隨著給礦壓強的逐漸增大，底流的鋁硅比呈現先升高、后略微下降的趨勢，當給礦壓強為0.3MPa時，底流的鋁硅比達最高值(7.37)；采用19°錐角時，隨著給礦壓強的增大，底流的鋁硅比逐漸減小；采用15°和7°錐角時，底流鋁硅比的變化趨勢則不是很明顯。可見，采用不同錐角時，給礦壓強對底流鋁硅比的影響規律有所不同，這從某種程度上說明，錐角與給礦壓強對鋁硅礦物的旋流分選過程存在著一定的交互影響。

由圖5可以看出，采用4種不同的錐角時，底流中Al2O3的回收率隨著給礦壓強的增大而增大，當給礦壓強為0.4MPa時, 底流中Al2O3的回收率最高；采用7°錐角時的試驗數據與采用其他3個錐角時的試驗數據差異明顯，底流中Al2O3的回收率明顯較高，當其給礦壓強為0.4MPa時，底流中Al2O3的回收率達最高值(87.01%)；當采用11°、15°和19°錐角時，底流中Al2O3的回收率則相對較低，并且數值較為接近；在給礦壓強相同時，底流中Al2O3的回收率基本上隨著錐角的增大而降低。

3 機理分析與討論

為了分析各參數對液相及礦物顆粒運動行為的影響，考察了溢流體積產率及固體產率隨之變化的情況，分別見圖6、圖7。

由圖6可以看出，對于同一錐角而言，隨著底流口直徑的增大，溢流體積產率和溢流固體產率均呈下降趨勢。這是因為，礦漿在旋流器內的運動存在一個軸向零速包絡面(LZVV)，它在空間的位置決定了分級粒度的大小，而底流口直徑的增大會使軸向零速包絡面向旋流器的中軸線收縮，從而使內旋流的流量相對減少；對于不同錐角而言，曲線的變化趨勢相同，溢流體積產率基本上隨著錐角的減小而降低，但降低幅度不大；溢流固體產率也基本上隨著錐角的減小而降低，尤其是當底流口直徑較小時，采用7°錐角時的溢流固體產率明顯比采用其他3個錐角時的小。可見，當采用的錐角減小到一定程度后，分級粒度的減小趨勢將更加明顯，導致進入溢流的顆粒數量也明顯減少。

以上分析表明，底流口直徑增大后，Al2O3品位較低的微細粒級從溢流排出的量相應減少，而進入底流的量相應增加。這一方面使溢流產物的鋁硅比不斷降低，底流產物中Al2O3的回收率有所提高；另一方面使得底流中Al2O3的品位及鋁硅比降低，分選精確度及效果明顯變差。

圖5 給礦壓強對底流中Al2O3回收率的影響

圖6 底流口直徑對溢流體積產率的影響

圖7 給礦壓強對溢流體積產率的影響

由圖7可見，給礦壓強增大后，溢流體積產率變化不大，而溢流固體產率的下降趨勢則較為明顯。產率的變化趨勢說明，給礦壓強的改變基本不影響軸向零速包絡面的空間位置，液流在底流和溢流的分配率基本保持恒定；增大錐角可使軸向零速包絡面向外擴展，液流進入溢流的量增加；增大給礦壓強，顆粒的慣性離心力增大，跟隨液相進入溢流的幾率減小，所以溢流的固體產率會相應降低。

根據上述結果可知，給礦壓強增大時，礦漿在底流和溢流中的分配比例基本保持恒定，但顆粒的慣性離心力增大，因此其跟隨液相進入溢流的幾率減小，使得溢流的固體產率降低，鋁硅比也不斷降低。在錐角一定時，增大給礦壓強可對旋流分選產生有利影響，使分選效果得以改善。

4 結 論

1) 增大底流口直徑，溢流體積產率降低，溢流固體產率隨之相應減少。底流口直徑的增大還使底流中Al2O3的品位及鋁硅比下降，SiO2的品位上升；使溢流中Al2O3的品位及鋁硅比下降，SiO2的品位上升；盡管底流中Al2O3的回收率有所提高，但是分選的精確度下降。

2) 增大給礦壓強，液流在底流和溢流中的分配率基本保持恒定，但顆粒所受到的離心慣性力增大，跟隨液相進入溢流的幾率減小，所以溢流的固體產率降低，其鋁硅比也不斷降低；底流中Al2O3的回收率則隨著給礦壓強的增大而增大，而底流產物的鋁硅比則因給礦壓強和錐角的交互影響而呈現不同的變化趨勢。

3) 增大錐角可使礦漿進入溢流的量增加，溢流的固體產率相應增加；與采用其他錐角時的情況比較，采用7°錐角更適于鋁土礦脫泥作業的進行。

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