超細粉磨活化河北某磷礦粉試驗研究

單志偉，李鳳久,2，劉立偉，李國峰,2

（1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063210，2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063210）

磷礦資源是生產磷肥的重要物質基礎，對增加糧食產量和障農業可持續發展起著舉足輕重的作用[1]。我國磷礦資源總量豐富，僅次于摩洛哥，居世界第二位。但我國磷礦資源主要以中低品位磷礦石為主，可直接利用的富礦僅占總量的8%。據統計，全國磷礦石中 P2O5平均品位不足17%，與摩洛哥、美國及俄羅斯等國家30%以上的磷品位相差甚遠[2-3]。

近年來，國內外加大了對中低品位磷礦資源開發利用的研究力度，并取得了一定的進展。但我國已探明的磷礦資源中，85%為沉積巖型磷礦，礦石中磷主要以膠磷礦的形式存在。該類磷礦石具有礦物結晶粒度細和嵌布關系密切的特點，礦物解離困難和選別難度大。此外，原礦磷品位越低，獲得合格精礦時的選礦比越大，分選過程中磷的損失也越大，導致礦石中磷資源利用率降低的同時產生大量的尾礦，造成環境污染等問題[4]。隨著機械化學的提出與發展，有學者將該理論直接應用于中低品位磷礦粉處理中。普通磷礦粉經超細粉磨，可降低磷礦粉的粒徑、增大其比表面積、破壞磷礦物的晶格結構，進而提高磷礦粉中有效成分的溶解與釋放能力，即增加磷礦粉枸溶率，進而可直接作為磷肥使用[5]。

本研究對河北省某地磷礦粉進行超細粉磨處理，探究較佳的磨礦工藝參數以及磷礦粉粒度對其枸溶率的影響。

1 試驗原料與方法

1.1 試驗原料

試驗中所用原礦為河北某地磷礦粉，淺灰色，其化學組成見表1。

表1 磷礦粉化學多元素分析結果/%Table 1 Results of chemical multi-element analysis of phosphate rock

可見主要成分為CaO和P，微量的Al2O3、MgO及Fe2O3。磷礦粉的SEM圖片見圖1。

圖1 磷礦粉的SEM照片Fig.1 SEM photo of phosphate rock

從圖1中可以看出，磷礦粉顆粒形狀大小不一，且不規則，顆粒大多都有棱角，破碎較為簡單，具有較好的超細粉磨活化性能。原礦粒度分布累積曲線見圖2。

從圖2中可以看出，原礦中位徑38.43 μm，原礦粒度呈正態分布，分布區間由0.305 μm到204.88 μm，主要集中在60～80 μm之間。

1.2 試驗方法

將中位徑為38.43 μm的磷礦粉，放入行星式球磨機中，磨礦介質為鋼球，在干式磨礦條件下進行不同工藝參數（轉速、充填率、料球比、球配及時間）的單因素條件試驗，并采用NKT6100-D激光粒度分析儀以及Origin軟件檢測分析粉磨產品的粒度，獲得較優的工藝參數，從而制備超細磷礦粉。采用釩鉬黃比色法，對超細磷礦粉中有效磷質量分數的檢測，并計算出枸溶率[6]（枸溶率=有效磷/全磷 x 100%），分析粒度對枸溶率的影響。

2 結果與分析

2.1 轉速試驗

固定磨機充填率為50%、料球比為0.5、球配為3：2（大球直徑為1.0 cm、小球直徑為0.6 cm）、磨礦時間為60 min，考察磨機轉速對磨礦效果的影響，轉速的數值分別為300、350、400、500和600 r/min。一般而言，超細粉磨后礦物粒度可減小至10 μm以下[7]。因此，在考察粉磨產品累積粒度特性的同時分析了0～10 μm粒級范圍內的磨礦效率，其結果見圖3。

由圖3可知，從整體來看轉速由300 r/min增加到500 r/min，粉磨產品的粒度顯著減小，中位徑從31.04 μm減小到3.38 μm；繼續增加轉速到600 r/min，產品粒度無明顯變化。0～5 μm的粒度范圍之間，500 r/min和600 r/min的粒度累積曲線幾乎重合；粒度為5～10 μm，500 r/min的含量略高于600 r/min，因此500 r/min磨礦效率較高，所以選取轉速為500 r/min。

2.2 充填率試驗

固定轉速為500 r/min，料球比為0.5、球配為3：2、時間為60 min，研究不同料球充填率條件下對磨礦效果的影響，充填率分別為40%、45%、50%、55%和60%新生成粒級量見圖4。

圖4 不同充填率的新生成粒級量Fig.4 Newly generated fractional levels for different filling rates

由圖4可知，充填率由40%增加到50%時，粉磨產品的新生成粒級量明顯增多，以粒徑10 μm為例，從6.76 g/(m3·h)增加到8.47 g/(m3·h)，繼續增加至60%，磨礦產品的新生成粒級量無明顯變化。因此在0～10 μm范圍內分析，在2～7 μm范圍內，充填率50%的新生成粒級量較高，磨礦效果較佳，7～10 μm范圍內，充填率50%、55%和60%的新生成粒級量沒有明顯差別，綜合考慮，充填率為50%的磨礦效果較佳。

2.3 料球比試驗

在確定轉速為500 r/min、充填率為50%的條件下，固定球配為3：2、磨礦時間為60 min，研究料球比對磨礦效率的影響，料球比分別為1、0.875、0.75、0.625、0.5和0.375，不同料球比的新生成粒級量見圖5。

圖5 不同料球比的新生成粒級量Fig.5 Newly generated particle size for different ball ratios

通過圖5可以看出，料球比由0.375增大到0.875，粉磨產品的新生成粒級量有顯著的增長，在粒徑為10μm處，從7.76 g/（m3·h）增加到15.53 g/（m3·h），料球比繼續增加至1，粉磨產品新生成粒級量增長較小。在0～10 μm的粒徑范圍內，料球比0.875與料球比1的新生成粒級量變化較小，在粒徑＜5 μm的范圍內，料球比0.875的新生成粒級量略高于其他條件，在微細粒級磨礦效率更高一些，綜合考慮，料球比選擇為0.875。

2.4 球配試驗

在確定轉速為500 r/min、充填率為50%、料球比為0.875的條件下，固定磨礦時間為60 min，研究球配對磨礦效率的影響，球配的數值分別為4：1、3：1、3：2、2：3 和 1：3，粒度累積曲線見圖 6。

圖6 球配與磷礦粉粒度關系Fig .6 Relationship between ball distribution and particle size of phosphate rock

在確定轉速為500 r/min、充填率為50%、料球比為0.875的條件下，固定磨礦時間為60 min，研究球配對磨礦效率的影響，球配的數值分別為4：1、3：1、3：2、2：3和1：3，粒度累積曲線見圖5所示。

由圖6可知，隨著球配由1：3變為3：1，粉磨產品的中位徑有明顯的減小，由4.0 μm減小到3.34 μm，繼續變為4：1時，中位徑明顯增大。球配為3：1的條件下，累積含量高于其他條件，球配為3：1的中位徑明顯低于其他條件，中位徑為3.34 μm，在0～10 μm范圍內，含量也略高于其他條件，因此球配選為3：1，此時磨礦效果較佳。

2.5 磨礦時間試驗

確定轉速為500 r/min、充填率為50%、料球比為0.875、球配為3：1的條件下，磨礦時間分別為60、90、120、150、180、210以及240 min時，粒度累積曲線見圖7。

圖7 磨礦時間與磷礦粉粒度關系Fig .7 Relationship between grinding time and particle size of phosphate rock

由圖7可知，隨著磨礦時間由30 min延長至150 min，粉磨產品的中位徑由6.14 μm減小到2.64 μm，繼續延長至240 min，粉磨產品的中位徑沒有明顯變化，四個時間點的中位徑相差在0.1 μm范圍之內，中位徑約2.71 μm左右，與原礦的中位徑相比下降了35 μm左右。隨著時間的延長，粒度隨之變小，磨礦效率也隨之在減小。當磨礦時間超過150 min，磷礦粉粒度沒有明顯變細。

采用釩鉬黃比色法，對不同磨礦時間條件下的磨礦產品進行化驗，所得磨礦時間與枸溶率關系見圖8。

圖8 磨礦時間與枸溶率關系Fig .8 Relationship between grinding time and enthalpy dissolution rate

隨著磨礦時間的增加，粒度隨之減小，枸溶率隨之增高。當粒度變化趨近于平緩時，枸溶率的增長速率也隨之變緩。原礦中枸溶率為9.14%，經過超細粉磨后的磷礦粉的枸溶率約在40%-63%左右，最高達到63.45%，相對于原礦提高了54個百分點。

3 結 論

（1）未活化磷礦粉顆粒形狀大小不一，且不規則，顆粒大多都有棱角，破碎較為簡單，具有較好的機械活化性能。

（2）在磨機轉速為500 r/min，充填率為50%，料球比為0.875，球配為3：1和不同磨礦時間條件下，可使磨礦產品的中位徑降低35個百分點左右，最終獲得中位徑在3μm左右的超細磷礦粉。

（3）通過超細粉磨活化后，磷礦粉中枸溶率有明顯的增高，隨著粒度的減小，枸溶率隨之增高，枸溶率最高可達到63.45%，相對于原礦提高了54個百分點。

（4）磷礦粉經過超細粉磨處理后，磷礦粉中有效磷的釋放量有明顯的增加，取得了良好的指標效果。超細粉磨活化磷礦粉技術有效的提高了磷礦粉中有效磷的含量，而且不會對環境造成污染，值得更深一步的探索與研究。