含碳酸鹽赤鐵礦石磁選精礦的強化分散浮選

羅溪梅 ，印萬忠，姚 金 ，孫傳堯，曹 陽 ，馬英強，侯 英

(1.東北大學 資源與土木工程學院，沈陽 110819；2.北京礦冶研究總院，北京 100044)

我國鐵礦石的主要特點是“貧”、“細”、“雜”，平均鐵品位低，復雜難選的赤鐵礦所占比例較大。目前鐵礦資源開發利用的瓶頸問題是鐵礦床趨于微細化、復雜化及低貧化，鐵精礦品位和回收率較低，難以滿足低成本冶煉的要求，鐵金屬損失嚴重。復雜鐵礦石難以分選的一個主要原因是有用礦物的嵌布粒度太細，有用礦物與脈石礦物的共生關系復雜，要實現礦物之間的單體解離，首先必須對礦石進行超細粉磨，從而造成礦石泥化嚴重以及礦物之間的相互罩蓋，進而對礦物的可浮性產生交互影響，導致有用礦物雖然已經達到單體解離，但也使礦物的分離極為困難。如鞍山地區赤鐵礦隨著碳酸鹽含量的增加，導致浮選指標下降[1?2]，其原因正是因為微細粒菱鐵礦在赤鐵礦和石英表面罩蓋所致。我國含碳酸鹽鐵礦石儲量達50億t以上，鞍山地區有約10億t[3?4]，若該問題能夠得到解決，將大大緩解我國鐵資源緊張的情況。目前，針對含碳酸鹽鐵礦石的分離研究，除了張明等[5]采用正反浮選技術外，國內外還尚未見報道。但正反浮選技術流程相對復雜，因此開發流程簡單、成本低廉的技術具有重要的現實意義。

本文作者在系統研究鞍山地區含碳酸鹽難選赤鐵礦磁選精礦性質的基礎上，將強化分散直接反浮選技術應用于含碳酸鹽赤鐵礦石磁選精礦的處理，開發回收鐵資源的簡單流程，探討礦物分離過程中的分散特征，為含碳酸鹽赤鐵礦石磁選精礦強化分散直接反浮選技術提供理論基礎。

1 實驗

1.1 原料與試劑

1.1.1 礦樣

礦樣為來自于鞍山地區弱磁?強磁選所得的混合磁精礦。經篩分分析可知，該混合磁精礦較細，原料的化學多元素分析見表1，鐵物相分析見表2，X射線衍射分析結果見圖1。由表1和圖1可知，該混合磁精礦全鐵含量(質量分數)為42.97%，主要有用礦物為赤鐵礦以及少量的菱鐵礦和磁鐵礦，脈石礦物主要為石英、綠泥石以及鐵白云石。由表2可知，鐵在赤鐵礦、磁鐵礦和碳酸鐵中的分布率占95%以上，其中碳酸鐵中的鐵分布率為 9.19%，鐵在其他礦物中分布較少。

原礦的SEM觀察結果和EDS分析結果如圖2～4所示。從圖2可以看出，原料粒度較細，且顆粒粗細不均，有少量粗顆粒，大部分為細顆粒。粗顆粒上粘附有大量細顆粒，同時還可以看出有部分細顆粒相互聚團。從圖3和4可以看出，a點主要含有O和Fe元素，因此該粗顆粒為有用鐵礦物，b點主要含有 O和Fe元素，也有部分Si和Al元素，因此b點含有有用鐵礦物和硅酸鹽脈石礦物，結合圖1可知脈石細顆粒可能為綠泥石。c點含有大量O和Si元素，因此該粗顆粒為石英，而d點主要含有O和Si元素，還有少量Fe和C元素，因此該細顆粒為有用鐵礦物和硅酸鹽脈石礦物。f點處含有Fe、O和Si元素，因此聚團中出現了脈石和有用鐵礦物的相互吸附和包裹。

表1 原料的化學多元素分析結果Table 1 Chemical analysis of multi-element (mass fraction,%)

表2 鐵物相分析結果Table 2 Iron phase analysis results

圖1 原料的XRD譜Fig.1 XRD pattern of raw ore

圖2 原礦的SEM像Fig.2 SEM image of raw ore

圖3 原礦顆粒和聚團的SEM像Fig.3 SEM images of raw ore particles (a)and agglomerate (b)

圖4 圖3中a、b、c、d、e和f點的EDS譜Fig.4 EDS patterns of points a (a), b (b), c (c), d (d), e (e)and f (f)shown in Fig.3

1.1.2 試劑

實驗用藥劑 KS-Ⅲ、淀粉為工業品，氧化鈣、碳酸鈉、水玻璃均為分析純。

1.2 試驗方法

浮選試驗在0.5LXFD-Ⅲ型單槽浮選機里進行，流程如圖5所示。試驗中礦漿溫度始終保持在40 ℃左右，礦漿濃度為25%，浮選機轉速為2 800 r/min。

圖5 浮選試驗流程圖Fig.5 Flotation flowsheet

采用PW3040/60 X射線衍射儀確定產品物相，日立S?3500n掃描電鏡觀察礦物形貌，并結合Inca型能譜儀分析表面的元素種類[6]。

2 結果與討論

2.1 工藝方案的確定及原理

由礦樣篩分分析結果可知，礦料較細，由于其表面積大、表面能高，容易造成細顆粒的無選擇性吸附和聚團[7?8]。礦樣的SEM和EDS分析也表明大量的有用鐵礦物和脈石礦物細顆粒易粘附在有用鐵礦物和脈石粗顆粒上。有用鐵礦物和脈石礦物彼此之間存在復雜的交互影響，是造成含碳酸鹽赤鐵礦石浮選分離困難的主要原因。因此，考慮通過采用強化礦漿分散的方式來削弱此不利影響。

在探索試驗中，進行了分散劑種類以及單獨與組合使用試驗，結果表明，在浮選過程中添加一定用量的碳酸鈉和水玻璃或氫氧化鈉和水玻璃，可使礦漿達到較好的分散狀態，浮選指標均較優。碳酸鈉能夠較好分散礦漿，是因為鐵礦物的零電點基本在6左右，而石英等脈石礦物的零電點在3左右，當pH值低于中性時，礦物間將產生異凝聚作用，而碳酸鈉可調節礦漿pH值在8.5～10之間，使礦物表面均帶負電，從而呈分散狀態。與此同時，添加水玻璃作分散劑，還可進一步強化礦漿分散。

鞍山地區依據《建筑抗震設計規范》2016版該區域為設計地震烈度7度，設計分組為第二組，設計基本地震加速度0.10g。所以調整系數β為0.95，液化判別標準貫入錘擊數基準值N0為7。對9個鉆孔17層砂土具體計算結果統計如下：

2.2 工藝參數的確定

2.2.1 KS-Ⅲ用量試驗

試驗采用的捕收劑 KS-Ⅲ呈棕褐色油膏狀，屬于陰離子捕收劑，具有良好的選擇性[9?10]。藥劑條件：碳酸鈉800 g/t，水玻璃800 g/t，淀粉2 200 g/t，石灰600 g/t。由圖6可看出，隨著捕收劑用量的增加，精礦品位持續升高，而回收率則逐漸降低。這是由于隨著捕收劑用量的增加，礦漿中溶解的脂肪酸根離子量增加，能更多地與脈石礦物和少量有用鐵礦物作用，脫除了更多雜質，同時損失部分有用鐵礦物，使精礦鐵品位升高，回收率降低。綜合考慮，選取 KS-Ⅲ用量1 200 g/t為宜。

圖6 KS-Ⅲ用量對浮選指標的影響Fig.6 Influence of KS-Ⅲ dosage on flotation targets

2.2.2 淀粉用量試驗

淀粉是赤鐵礦的典型抑制劑[11]，在國內外赤鐵礦反浮選中得到了廣泛應用[12?13]。本試驗所用淀粉為苛性淀粉。抑制劑淀粉含有大量的親水基團，在鐵礦物表面吸附形成親水薄膜，抑制鐵礦物的上浮。由圖7可看出，淀粉用量由1 000 g/t增加至1 800 g/t，精礦品位大幅度降低，回收率大幅度提高，當用量超過1 800 g/t后，幅度變化緩慢。綜合考慮，選取淀粉用量2 200 g/t為宜。

2.2.3 石灰用量試驗

在赤鐵礦陰離子反浮選中，常選擇石灰作為石英等脈石礦物的活化劑，CaO在堿性水溶液中解離得到Ca2+和 Ca(OH)+，易與荷負電的石英表面產生化學吸附而起到活化作用[14]。由圖8可以看出，隨著石灰用量的增加，精礦Fe品位大幅度提高，回收率緩慢下降，綜合考慮，選取石灰用量800 g/t為宜。

圖7 淀粉用量對浮選指標的影響Fig.7 Influence of starch dosage on flotation targets

圖8 石灰用量對浮選指標的影響Fig.8 Influence of CaO dosage on flotation targets

2.2.4 碳酸鈉用量試驗

在浮選過程中添加一定用量的碳酸鈉，可使礦漿達到較好的分散狀態，其原因可能是因為碳酸鈉可調節礦漿pH值在8.5～10之間，使礦物表面均帶負電，從而呈分散狀態。由圖9可知，添加碳酸鈉有利于礦漿的分散，提高浮選指標。當不添加碳酸鈉時，精礦Fe品位和回收率均較低，隨著碳酸鈉用量由0 g/t增加到1 400 g/t，精礦品位先升高后降低，回收率逐漸上升，綜合考慮，選取碳酸鈉用量為400 g/t為宜。

2.2.5 水玻璃用量試驗

在添加碳酸鈉的同時添加水玻璃能夠進一步強化礦漿分散。從圖10可以看出，添加一定量水玻璃在一定程度上能夠提高精礦Fe品位，用量超過一定值后品位下降，這主要是由于水玻璃在赤鐵礦顆粒表面強烈吸附改變了顆粒表面的電性，使得顆粒表面負電位的絕對值增大，加大了顆粒之間的靜電斥力[15]，與碳酸鈉的共同作用下，分散達到一個較好的狀態，有利于提高精礦質量。然而隨著水玻璃用量的增加，分散效果變差，當用量超過一定值后會對石英等脈石礦物起抑制作用，因此水玻璃用量過高會對精礦品位不利。綜合考慮，選取水玻璃用量200 g/t為宜。

圖9 碳酸鈉用量對浮選指標的影響Fig.9 Influence of Na2CO3 dosage on flotation targets

圖10 水玻璃對浮選指標的影響Fig.10 Influence of sodium silicate dosage on flotation targets

2.3 閉路試驗

圖11 閉路流程圖Fig.11 Closed-circuit flowsheet

在最佳的藥劑制度下，進行了一粗兩精的開路試驗，獲得精礦鐵品位為 66.71%，回收率 50.27%的指標。在開路的基礎上進行了閉路試驗，流程和數質量流程圖如圖11和12所示。與選廠原流程相比，閉路試驗取得了較好的指標，最終精礦鐵品位為66.20%，鐵回收率為71.52%，證明所用浮選工藝和藥劑制度對赤鐵礦的回收有效，碳酸鈉和水玻璃有利于含碳酸鹽赤鐵礦石磁選精礦的浮選分離，對同類礦山具有借鑒意義。

2.4 產品特性分析

為了考察產品的形貌及礦物組成，對產品進行X射線衍射分析、SEM 分析和相應點的 EDS能譜分析。

浮選精礦和尾礦的分析結果如圖13～18所示。由圖13、15和16可以看出，精礦產品中主要為赤鐵礦還有少量磁鐵礦，其他脈石礦物雜質較少，浮選精礦產品粒度較均勻，主要以細顆粒為主，顆粒分散狀態良好，但部分粗顆粒表面仍粘附少量的細顆粒，EDS能譜分析表明粗顆粒和細顆粒大都以鐵礦物形式存在，說明有用鐵礦物粗細顆粒均得到了有效回收，結合圖13可知，這些粗細鐵礦物為赤鐵礦和磁鐵礦，表明試驗所用分選方法和藥劑制度對鐵礦物回收有效。

由圖14可以看出，尾礦產品較復雜，原礦得到了有效除雜分選。由圖17可以看出，浮選尾礦顆粒分布較均勻，但部分粗顆粒表面仍吸附了少量的細顆粒，同時還有部分細顆粒聚團包裹。由圖18可知，粗顆粒基體a點含有大量O和Si元素，為石英脈石礦物，其表面細顆粒b點含有大量O、Si、Fe元素，說明有鐵礦物和硅酸鹽脈石礦物細顆粒吸附在石英表面。尾礦中還有部分鐵礦物和脈石礦物聚團在一起，c點和 d點均含有大量 O、Si、Fe、C元素。由此可見，尾礦中有一定量的有用鐵礦物細顆粒夾雜在脈石礦物中或粘附在脈石礦物粗顆粒表面，從而隨泡沫流失，這是造成赤鐵礦和菱鐵礦損失的主要原因。

圖12 數質量流程圖Fig.12 Quantity and quality flowsheet of closed circuit

圖13 浮選精礦的XRD譜Fig.13 XRD pattern of flotation concentrate

圖14 浮選尾礦的XRD譜Fig.14 XRD pattern of flotation tailings

圖15 浮選精礦的SEM像Fig.15 SEM image of flotation concentrate

圖16 圖15中a、b點的EDS譜Fig.16 EDS patterns of points a (a)and b (b)shown in Fig.15

圖17 浮選尾礦的SEM像Fig.17 SEM images of flotation tailings: (a)Particles;(b)Agglomerate

總體而言，添加分散劑能在一定程度上使粗細顆粒處于良好穩定的分散狀態，有利于含碳酸鹽赤鐵礦石磁選精礦的浮選分離，強化分散浮選工藝適宜于處理含碳酸鹽赤鐵礦石磁選精礦。

3 結語

1)含碳酸鹽赤鐵礦混合磁精礦全鐵含量為42.97%，粒度較細，有用鐵礦物和脈石礦物細顆粒無選擇性粘附在有用鐵礦物和脈石粗顆粒表面，是造成含碳酸鹽赤鐵礦石分離困難的主要原因。

2)添加碳酸鈉和水玻璃能夠提高浮選指標，強化礦漿分散，在適宜速度的浮選機葉輪攪拌下，粘附在粗顆粒表面的細顆粒和聚團被打散，使粗細顆粒處于良好穩定的分散狀態，其藥劑作用機理還需進一步深入研究。尾礦中仍有少量的有用鐵礦物細顆粒夾雜在脈石礦物中或粘附在粗顆粒脈石礦物表面，隨著泡沫流失。這是造成精礦鐵回收率損失的主要原因。

3)在碳酸鈉用量400 g/t、水玻璃用量200/t、淀粉用量2 200 g/t、石灰用量800 g/t、KS-Ⅲ用量1 200 g/t、礦漿濃度25%、攪拌轉速2 800 r/min、浮選溫度40 ℃的條件下，一粗兩精兩掃、中礦順序返回的閉路流程可以獲得鐵品位為 66.20%，回收率為 71.52%的鐵精礦。

圖18 圖17中a、b、c和d點的EDS譜Fig.18 EDS patterns of point a (a), b (b), c (c)and d (d)shown in Fig.17

4)強化分散浮選工藝適宜于處理含碳酸鹽赤鐵礦石磁選精礦，流程和藥劑制度較簡單，對國內外同類礦山具有借鑒意義。

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