不同粒度赤鐵礦和石英的浮選行為研究

伍紅強(qiáng) 邱廷省

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國生鐵產(chǎn)量逐年增加，2019年我國生鐵產(chǎn)量8.09億t、2020年我國生鐵產(chǎn)量8.88億t。2019年和2020年鐵礦石消費(fèi)總量分別約為12.78億t和14.03億t（折62%品位鐵礦石），但鐵礦石國產(chǎn)礦量僅占鐵礦石消費(fèi)總量的20%左右，急需加快國內(nèi)鐵礦山的發(fā)展，保障國內(nèi)鐵礦石的基礎(chǔ)供應(yīng)［1-2］。

我國鐵礦資源稟賦差，富礦少，尤其是大量赤鐵礦嵌布粒度細(xì)、品位低、選別回收率低，導(dǎo)致儲量可觀的難選赤鐵礦沒有得到充分的回收利用［3-4］。微細(xì)粒赤鐵礦作為難選鐵礦石的一種，嵌布粒度是影響其回收利用的主要因素之一，但目前粒度因子對赤鐵礦和石英浮選效果影響的研究較少［5-6］。筆者在油酸鈉浮選體系下研究了不同粒度赤鐵礦和石英的浮選行為、赤鐵礦與石英混合礦的浮選行為，并通過顆粒在水溶液中的相互作用分析混合礦的浮選行為，研究結(jié)果對微細(xì)粒赤鐵礦的回收利用有一定的意義。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

赤鐵礦和石英均采自馬鞍山姑山礦，經(jīng)手選除雜后破碎至-2 mm，然后經(jīng)過球磨磨礦、強(qiáng)磁選等工藝流程獲得赤鐵礦和石英單礦物，取赤鐵礦和石英代表性單礦物進(jìn)行多元素分析，結(jié)果分別見表1、表2。從表1、表2可知，赤鐵礦、石英單礦物純度較高，可以作為單礦物浮選試驗(yàn)用樣。將赤鐵礦和石英單礦物進(jìn)行細(xì)篩篩分，最終分別獲得-0.015 mm、0.015～0.028 mm、0.028～0.045 mm、0.045～0.074 mm 4個粒級赤鐵礦和石英單礦物作為浮選試驗(yàn)用樣。

試驗(yàn)用油酸鈉為化學(xué)純，鹽酸、氫氧化鈉和氯化鈣為分析純，玉米淀粉為工業(yè)級。試驗(yàn)用水均為去離子水。

1.2 試驗(yàn)方法

單礦物浮選試驗(yàn)在XFG型掛槽式浮選機(jī)中進(jìn)行，每次取單礦物3.0 g礦樣，加至30 mL浮選槽內(nèi)并加入適量的去離子水，然后按試驗(yàn)要求加入調(diào)整劑和捕收劑，藥劑添加后攪拌3 min，浮選4 min，浮選機(jī)攪拌速度為1 600 r/min。獲得的泡沫產(chǎn)品和槽內(nèi)產(chǎn)品分別過濾、烘干、稱重，計算回收率ε。

式中：W1為泡沫產(chǎn)品質(zhì)量；W2為槽內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 赤鐵礦和石英單礦物浮選試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 油酸鈉用量對單礦物浮選行為的影響

浮選溶液pH值為9時，油酸鈉用量對不同粒度赤鐵礦和石英浮選行為的影響如圖1所示。

由圖1可知：油酸鈉對不同粒度赤鐵礦浮選行為的影響趨勢是一致的，均隨油酸鈉用量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；-0.015 mm粒級赤鐵礦的浮選回收率在降低區(qū)間內(nèi)降低速率緩慢；油酸鈉對不同粒度石英浮選行為的影響較小，-0.015 mm、0.015～0.028 mm粒級石英回收率隨油酸鈉用量的增加呈現(xiàn)先增加后緩慢降低的趨勢，0.028～0.045 mm、0.045～0.074 mm粒級石英回收率幾乎不受油酸鈉用量的影響。

2.1.2 pH值對單礦物浮選行為的影響

油酸鈉用量為300 mg/L時，pH值對不同粒度赤鐵礦和石英浮選行為的影響如圖2所示。

圖2表明：pH值對不同粒度赤鐵礦浮選行為的影響趨勢一致，在pH值為3和9時，不同粒度赤鐵礦的回收率均出現(xiàn)峰值，在pH值為2和12時不同粒度赤鐵礦的回收率均較低，但在pH值為12時，0.028～0.045 mm、0.045～0.074 mm 2個粒級赤鐵礦的回收率幾乎為0，而此時-0.015 mm和0.015～0.028 mm 2個粒級赤鐵礦的回收率還較高；pH值對不同粒度石英浮選行為的影響不大，隨著pH值的增加，不同粒度石英回收率先增加后幾乎不變。在此試驗(yàn)條件下粒度越細(xì)的石英相對越易上浮。

2.1.3 淀粉用量對單礦物浮選行為的影響

淀粉用量對不同粒度赤鐵礦和石英浮選行為影響的試驗(yàn)過程中，油酸鈉用量為300 mg/L，pH值為12，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：淀粉對不同粒度赤鐵礦具有顯著的抑制效果，隨著淀粉用量的增加，不同粒度赤鐵礦回收率逐步降低；淀粉對不同粒度石英的浮選行為幾乎沒有影響，在此條件下粒度越細(xì)的石英可浮性相對更好。

2.1.4 CaCl2用量對單礦物浮選行為的影響

CaCl2用量對不同粒度赤鐵礦和石英浮選行為影響的試驗(yàn)過程中，油酸鈉用量為300 mg/L、pH值為12、淀粉用量為20 mg/L，CaCl2用量對不同粒度赤鐵礦和石英浮選行為的影響如圖4所示。

由圖4可知：CaCl2用量對不同粒度赤鐵礦浮選行為影響非常小；CaCl2用量對不同粒度石英浮選行為的影響非常大，隨著CaCl2用量的增加，不同粒度石英的回收率逐步增加，不同粒級石英在高CaCl2用量條件下的浮選行為一致。

2.2 赤鐵礦和石英混合礦浮選試驗(yàn)結(jié)果與分析

赤鐵礦和石英單礦物浮選試驗(yàn)結(jié)果表明，相同粒度赤鐵礦的自然可浮性比石英相對更優(yōu)，但通過添加不同調(diào)整劑可以改變不同粒度赤鐵礦和石英的浮選行為。圖1～圖4表明在pH值為12、淀粉用量為20 mg/L、CaCl2用量為120 mg/L、油酸鈉用量為300 mg/L的條件下，不同粒度赤鐵礦幾乎被完全抑制，無法上浮；不同粒度石英幾乎被完全活化，大部分上浮。因此，在上述試驗(yàn)條件下，將相同粒度的赤鐵礦和石英按質(zhì)量比1∶1混合后再進(jìn)行浮選，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5表明，只有0.045～0.074 mm粒級混合礦的試驗(yàn)結(jié)果與赤鐵礦和石英單礦物浮選試驗(yàn)結(jié)果相近，該粒度區(qū)間的赤鐵礦和石英無論是單獨(dú)分開還是混合在一起，其浮選行為幾乎一致。粒度不同，赤鐵礦和石英混合礦的浮選行為與赤鐵礦和石英單礦物的浮選行為不同，說明隨著粒度的變化，赤鐵礦和石英顆粒相互之間的某些作用在逐漸變化，從而影響了混合礦中赤鐵礦和石英的浮選行為［7-8］。

3 水溶液中赤鐵礦-石英顆粒之間的作用能計算

為了進(jìn)一步證實(shí)隨著粒度的變化，赤鐵礦和石英顆粒相互之間的某些作用在逐漸變化，從而影響了混合礦中赤鐵礦和石英浮選行為的猜想，在簡化和不考慮其他因素影響的條件下，用DLVO理論來進(jìn)行分析探討。

DLVO理論公式為：

式中，UT為DLVO理論總作用能，UA為范德華作用能（吸力位能），UR為靜電作用能（斥力位能）。

為計算方便，假設(shè)處在理想環(huán)境中，其他因素對兩顆粒間的作用沒有影響，同時認(rèn)為微細(xì)粒礦物為球形，半徑相同。

分子之間的范德華作用能分別由葛生（Keeson）力、德拜（Debye）力和倫敦（London）力所產(chǎn)生的位能構(gòu)成。當(dāng)兩顆粒半徑相同，顆粒間相互作用的范德華作用能可以簡化為：

式中：A為顆粒在真空中的Hamaker常數(shù)，J；R為顆粒的半徑，m；H為兩顆粒間的距離，m。

顆粒1和顆粒2在介質(zhì)3中相互作用的Hamaker常數(shù)可以簡化為：

顆粒在分散的介質(zhì)中相互靠近后雙電層開始重疊，顆粒之間產(chǎn)生靜電作用，影響兩顆粒之間靜電作用的主要因素是顆粒的大小和雙電層的厚度。不同物理化學(xué)性質(zhì)、顆粒半徑相同的顆粒間靜電作用能簡化為：

式中：εα為分散介質(zhì)的絕對電解質(zhì)常數(shù)；φ1為顆粒1的表面點(diǎn)位，V；φ2為顆粒2的表面點(diǎn)位，V；κ為Debye長度的倒數(shù)，m-1。

將式（3）和式（5）代入式（2）可得：

本文中顆粒的分散介質(zhì)為水，顆粒1為赤鐵礦，顆粒2為石英，查相關(guān)資料可得［9-10］：A1（赤鐵礦）=23.2×10-20J，A2（石英）=5.0×10-20J，A3（水）=4.0×10-20J，計算的A123=4.38 ×10-20J；εα=6.95×10-10，κ=0.104 nm-1，φ1和φ2用礦物在水溶液中的動電位來代替，分別測得φ1和φ2動電位為28.2 mV和17.6 mV。計算結(jié)果如圖6、圖7所示。

由圖6可知，0.028 mm粒級赤鐵礦和石英顆粒間的范德華作用能UA小于零、靜電作用能UR大于零，但總作用能UT小于零，顆粒之間在水溶液中表現(xiàn)為吸引力。

圖7表明，不同粒度的赤鐵礦和石英顆粒間總作用能均小于零，表明不同粒度的赤鐵礦和石英顆粒在水溶液中表現(xiàn)為吸引力，從而證實(shí)了隨著粒度變化，赤鐵礦和石英顆粒相互之間的某些作用在發(fā)生變化，從而影響了混合礦中赤鐵礦和石英浮選行為的猜想。同時，有相關(guān)研究表明［10］當(dāng)顆粒粒度增大到一定程度時（大于0.04 mm），在流動的液體中質(zhì)量力占主導(dǎo)作用，顆粒間的吸附現(xiàn)象會大大減弱，這也從側(cè)面印證了0.045～0.074 mm混合礦試驗(yàn)結(jié)果的合理性。

4 結(jié) 論

（1）不同粒度赤鐵礦和石英單礦物浮選試驗(yàn)表明，不同粒度赤鐵礦單礦物的自然可浮性性能相近、均較好，但可以通過調(diào)整劑CaCl2作用改變不同粒度赤鐵礦的浮選行為，使其從回收率80%到被抑制到回收率幾乎為0；不同粒度石英單礦物的自然可浮性性能相近、均不好，但可以通過調(diào)整劑作用改變不同粒度石英的浮選行為，使其從回收率不到20%到被活化提高到回收率超過90%。但是不同粒度赤鐵礦和石英人工混合礦浮選試驗(yàn)表明，只有0.045～0.074 mm粒級混合礦的試驗(yàn)結(jié)果與赤鐵礦和石英單礦物浮選試驗(yàn)結(jié)果相近。

（2）通過DLVO理論分析，不同粒度的赤鐵礦和石英混合礦顆粒間總作用能均為小于零，表明不同粒度的赤鐵礦和石英混合礦顆粒在水溶液中表現(xiàn)為吸引力，從而影響了赤鐵礦和石英的浮選行為。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明微細(xì)粒赤鐵礦粒度因素對浮選效果的影響較大。可以借鑒試驗(yàn)結(jié)果，以克服顆粒間吸引力為出發(fā)點(diǎn)研發(fā)相關(guān)特效藥劑，從而實(shí)現(xiàn)微細(xì)粒赤鐵礦高效利用。同時試驗(yàn)結(jié)果可以為礦山的實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)意義。