磁場強度對磁鐵礦反浮選過程的影響

賈清梅，李鳳久，尚新月，李國峰

（華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063210）

磁浮選是在磁場和浮力場的共同作用下，對礦物進行選別，是近年來一種新興的選礦方法[1]。任何物質都有磁性存在，關系著結構組成和電化學性質，物質的物理化學性質在磁場作用下將產生某些改變，稱這種現象為磁化效應[2]。利用磁場使非鐵磁性流體的某些性質發生預期的改變，使生產效果得到改善，稱為磁處理技術[3]。

目前，已有科研人員進行了磁場作用對浮選的作用機理的大量研究工作。但該技術的理論和實驗室研究尚不完善，正處在設想和理論證實的階段，尚未構成完整的技術理論。試驗將磁浮選應用在磁鐵礦選別過程取得的指標效果較好，在此基礎上，通過改變磁場強度分析礦粒受力情況及運動軌跡、礦漿電導率、礦粒表面性質、藥劑吸附量的變化規律，進行磁鐵礦磁浮選理論研究。

1 試驗原料及研究方法

1.1 試驗原料

試驗以河北某鐵精礦為原料采用化學分析、光學顯微鏡、物相分析以及X 射線衍射等測試手段，對普通鐵精礦的化學元素、物相及粒度組成等性質進行研究，主要確定目的礦物與脈石間的嵌布特性，為后續的分選方案設計提供礦物學指導。

其化學多元素分析結果見表1，XRD 分析結果見圖1，表2 為鐵物相分析結果，表3 為不同粒級產品的含量及TFe 品位和金屬分布率情況，圖2 為原礦放大200×下投射光（-）拍攝的光學顯微鏡照片。

表 1 化學多元素分析結果/%Table1 Analysis results of chemical multi-elements

圖 1 XRD 分析Fig .1 XRD analysis pattern

表2 原礦鐵物相分析結果Table 2 Analysis results of iron phase of the rude ore

表3 粒度組成結果Table 3 Results of particle size distribution

圖2 原礦光學顯微鏡照片Fig .2 Ore optical microscope photo

由表1 可知，原料TFe 品位為66.72%，其主要的雜質成分為SiO24.56%，含微量有害元素P、S。

由圖1 可知，其礦物組成較簡單，其中含鐵礦物主要以Fe3O4形式存在，該礦物主要雜質為石英。由表2 可知，磁鐵礦為主要含鐵礦物，分布率96.49%；其次為少量的硅酸鐵，分布率為2.34%；微量的碳酸鐵、氧化鐵和硫化鐵。由表3 可知，該礦樣+0.074 mm 39.41%，為-0.038 mm 30.56%；隨著粒度的減小，各個粒級TFe 品位不斷提高，-0.043 mm TFe 品位達到69%以上；鐵礦物主要集中在+0.074 mm和-0.038 mm粒級，且粒度差別較大，其中粗粒級產品鐵品位含量較低，存在部分連生體，需進行磨礦處理。

通過光學顯微鏡觀察，原礦中磁鐵礦和石英多以他形和半自形晶存在，粒徑約為80 ～ 100 μm，粒度較大；存在形式多為單體，部分磁鐵礦與石英包連生或裹形成包裹體。需進行磨礦處理使磁鐵礦與連生在一起的石英單體解離。

1.2 研究方法

1.2.1 主要儀器

本研究采用由實驗室自行研制的磁浮選裝置，在傳統浮選機基礎上，通過外加磁場的方式來實現磁場和浮力場共同作用。試驗采用實驗室自制的磁化裝置對浮選溶液進行磁化，通過調節永磁鐵位置改變磁場強度大小。試驗主要儀器有H2025 G 電動攪拌器、TD8620 手持式數字高斯計、STARTER 3C 電導率儀、CA100B 接觸角測量儀、紫外分光光度計、3K15 高速冷凍離心機等。

1.2.2 研究方法

(1)傳統浮選與磁浮選對比試驗

原礦在磨礦細度為-0.074 mm 93.48%，磁場強度為80kA/m，再磨細度為-0.043 mm 91.30%相同的條件下，分別采用傳統浮選工藝進行超純鐵精礦制備，均使用HY-9 醚胺類捕收劑。

（2）磁場強度測試

通過手持式數字特斯拉計測量浮選槽內各點磁場強度，分析浮選槽磁場分布情況。

（3）電導率測試

通過電導率儀器測定不同磁場強度條件下水、藥劑、浮選礦漿的電導率變化。

（4）吸附量測試

試驗采用溴酚藍法進行吸附量的測定，使用紫外線分光光度計在波長-603 mm，對不同磁場強度下醚胺溶液進行吸光度測試，通過標準曲線確定溶液濃度，根據殘余濃度確定吸附量變化[5]。

（5）接觸角測試

取0.2 g 不同磁場強度的待測樣放入壓片機中壓片成型，使用接觸測量儀測定接觸角變化，通過接觸角計算礦樣可浮性變化。

2 試驗結果分析

2.1 對比傳統浮選與磁浮選工藝對比試驗結果

通過磁浮選和反浮選工藝制備出的鐵精礦均能符合超級鐵精礦質量標準，將兩種工藝進行比較，數質量流程見圖3，兩種工藝試驗結果見表4。

圖 3 工藝數質量流程Fig .3 process number quality flow chart

表 4 選別工藝對比結果Table 4 Selection process comparison results

磁浮選應用在磁鐵礦分選中，可有效防止磁性物質跟隨氣泡上浮，還可縮減磁選流程中的精選作業和浮選流程中的掃選作業，對精礦回收率也有明顯提升[6-7]。通過磨礦-磁選-再磨-磁浮選和磨礦-磁選-再磨-反浮選兩種工藝獲得相近品位的超純鐵精礦，對比兩種選別工藝，磨礦-磁選-再磨-磁浮選工藝有以下幾點優勢：工藝流程中較傳統浮選機反浮選節省一段掃選作業，縮短選別流程；可減少捕收劑用量，用量為80 g/t 較浮選機用量減少20 g/t；獲得TFe 品位相近的精礦產品，其酸不溶物含量較低；回收率有明顯提高，回收率高達84.42%提升13.8%左右。

2.2 磁場強度對電導率的影響

電導率可以衡量溶液傳導電流能力的大小。溶液的電導性取決于自由移動的離子濃度和離子攜帶的電荷數。離子攜帶的電荷越多，自由移動的離子濃度越高，溶液的電導性越強[8]。礦漿中水、醚胺、石英和磁鐵礦等電離都會產生自由移動發離子。試驗通過電導率儀對不同磁場強度作用下的水、捕收劑以及礦漿進行電導率的測試，測試結果見圖4，探究磁場強度對溶液導電性的影響規律。

圖 4 磁場強度對電導率的影響Fig .4 Effect of magnetic field strength on conductivity

由圖4(a)可知，隨磁場強度的增加，水的電導率不斷變大，場強小于6 kA/m 時，水的電導率變化較小；捕收劑有無磁場作用電導率變化較明顯，隨磁場強度增加，電導率先增大后平穩，當場強大于6 kA/m 時電導率增長緩慢趨于穩定。由于磁場產生極化作用改變了鹽類的結晶組成，使粒子極性變強，內聚力降低，長的締合H2O 分子鏈變形成帶電離子和短的締合H2O 分子鏈，導致離子之間的靜電吸引力被破壞并結晶條件發生改變；水的偶極分子在磁場中產生定向極化，引起氫鍵的變形和部分破裂，這增加了單個H2O 分子的數目，使得溶液中的空隙被填滿，導致晶體的形成受到抑制并改變H2O 的整體性質；水中的鹽類離子和分子在磁場的作用下產生了磁滯效應，導致其在水中的溶解性和結晶性發生改變，防止大晶體結晶[4]。使得磁場促進水和捕收劑的電離反應發生，溶液中自由移動離子數目增加，電導率增大。由于溶液中反應不斷向電離方向進行，礦漿中離子濃度接近飽和，逐漸接近反應平衡，因此捕收劑的電導率接近平穩。

圖4(b)為實際礦漿電導率變化趨勢，隨著場強的增強電導率變大，當場強大于6 kA/m 時電導率增長緩慢趨于穩定。磁場強度變大礦漿導電性增強，促進礦漿中的水、醚胺、石英和磁鐵礦等發生電離，礦漿中自由移動離子濃度變大，離子所帶點荷數增加，導致礦漿的電導率變大；隨著礦漿中反應不斷向電離方向進行，礦漿中離子濃度接近飽和，逐漸接近反應平衡，因此礦漿的電導率接近平穩。由圖4(a)可知，捕收劑在磁場的作用下溶液導電性明顯增強，自由移動離子數目增加，礦漿中離子濃度增大，故有磁場作用時可減少的捕收劑用量，節約經濟成本。結合2.1 試驗結果分析，在獲得相同指標的精礦產品條件下，捕收劑用量減少20 g/t。

2.3 磁場強度對吸附量的影響

通過檢測礦粒表面的吸附量，可以直觀的反應出在礦物物表面的捕收劑吸附的大小程度。試驗考察不同磁場強度下吸附量的變化規律。試驗結果見圖5。

圖 5 磁場強度對吸附量的影響Fig .5 Effect of magnetic field strength on adsorption capacity

由圖5 可知，隨磁場強度的增加，捕收劑在礦物表面的吸附量總體呈增長趨勢，在磁場強度為6 kA/m 后增長放緩。由2.2 分析可知，隨場強的變大礦漿電導率成呈先增長后平穩的趨勢，則溶液導電性增強，石英表面暴露出更多的陰離子區域，捕收劑更有利于向電離方向進行，礦漿中自由移動的離子數目增加，提高了捕收劑與石英碰撞的機會，因此吸附量不斷增多。隨著電離反應的不斷進行，礦漿中離子濃度達到飽和，吸附量也趨于飽和，故隨著磁場強度的繼續變大，吸附量趨于穩定。

2.4 磁場強度對磁鐵礦可浮性的影響

浮選過程主要依據礦物間可浮性的差別進行分選，疏水性強的礦物可浮性較好跟隨氣泡上浮被選出，親水性強的礦物可浮性較差則保留在礦漿中[9]。礦物表面的潤濕性可以用接觸角來表征，θ 值越小親水性越好。接觸角也可以用來衡量礦物的可浮性大小，可用1-cosθ 表示[10]。

試驗通過對不同磁場強度下浮選礦物的接觸角進行檢測，探究磁場強度下礦物可浮性的變化規律。試驗所用礦樣TFe 品位為70.57%，主要成分為磁鐵礦。圖7 為有無磁場作用下礦物表面接觸角測量結果（a 為無磁場作用下礦物表面接觸角；b 為磁場強度2 kA/m 時礦物表面接觸角）。并通過接觸角計算得到各磁場強度下礦物表面的可浮性大小，結果見圖6。

圖6 有無磁場作用下礦物表面接觸角Fig. 6 Mineral surface contact angle with or without magnetic field

圖 7 磁場強度對礦物可浮性的影響Fig .7 Influence of magnetic field strength on mineral floatability chart

由圖7，可以明顯看出在磁場力的作用下，礦物表面接觸明顯變小，潤濕性能較好。由圖6 可知，礦物在無磁場力作用下接觸角為64.17°，磁場強度由2 kA/m增加至11.52 kA/m，接觸角由20.08°減少至18.62°，在磁場力作用下接觸角明顯變小；由于礦物主要成分為磁鐵礦，磁鐵礦表面潤濕性明顯變好，可浮性變差，因此可降低磁鐵礦與氣泡間發生吸附；石英與捕收劑作用，產生疏水性表面，跟隨氣泡上浮。故在磁場的作用下增加了磁鐵礦與石英見的可浮性差異，更有利于分選。

3 結 論

（1）采用磨礦-磁選-再磨-磁浮選工藝，獲得TFe 品位為72.21%，回收率84.42%，SiO2含量為0.17%的超純鐵精礦。對比傳統反浮選工藝，精礦產品品質相似時，可縮減一段掃選作業，且精礦回收率提高13.8%，捕收劑用量減少20 g/t，節約經濟成本。

（2）水的電導率隨磁場強度的增加不斷增大，場強小于6 kA/m 時，水的電導率變化較小；捕收劑的電導率有無磁場作用變化較明顯，隨磁場強度增加，電導率先增大，當場強大于6 kA/m時電導率趨于穩定；礦漿電導率水磁場強度增加呈先增大后平緩的趨勢。

（3）隨磁場強度變大礦漿導電性增強，促進電離反應的發生，礦漿中自由移動離子濃度增大，增加了石英與捕收劑間吸附反應的發生，使得捕收劑在礦物表面的吸附量先增加后平穩。

（4）在磁場力作用下磁鐵礦表面接觸角明顯變小，表面潤濕性變好，可浮性變差，增加了與脈石間可浮性差異，更有利于分選。