柏泉鐵礦常溫浮選磷的問題與應用探討

黃志營，鄒正勤，肖晶晶，冀瑞峰，范志國

(河鋼集團礦業公司承德柏泉鐵礦，河北 承德 067500)

我國磷礦分為巖漿型磷灰石、沉積巖型磷塊巖、沉積變質巖型磷灰石三大類，其中沉積磷塊巖礦床是我國的主要磷礦資源，占總儲量的80%以上[1]。這類磷礦資源絕大部分為硅鎂雜質含量較高的中低品位礦石，有用礦物一般與脈石礦物緊密結合在一起，嵌布粒度細，呈均質膠體或隱晶質，不易解離，通常磨礦細度(-0.074 mm含量)需達90%才能單體解離。中低品位磷塊巖(俗稱膠磷礦)的浮選通常需要加溫，目的是提高脂肪酸類捕收劑的分散性和水溶性，改善其捕收性能[2]。近年來，我國選礦技術領域常溫或低溫浮選不加堿的理論研究陸續增加，研發高效低毒、水溶性好、選擇性強的抑制劑和捕收劑是實現我國難選性磷礦中與脈石礦物分離的有效途徑[3]。柏泉鐵礦位于河北省承德市平泉市，年平均氣溫較低，冬季最低氣溫達-30 ℃。礦石屬性為膠質性低品位含磷釩鈦磁鐵礦，采出礦石中的P2O5品位(即原磷品位)為1.8%～2.3%，年處理鐵礦石800萬t。破碎系統采用粗-中碎-高壓輥磨細碎的三段兩閉路流程。磨選系統采用階段磨礦階段選別選鐵、“一粗一掃三精”浮選磷的流程。該礦作為承德地區含磷超貧磁鐵礦山的先進企業，創新實踐采用常溫浮選的方式對選鐵尾礦中的磷元素進行回收。受礦石性質、氣候條件、工藝、設備等因素的影響，常溫浮選方法在該地區推廣案例極少，故生產中存在一系列瓶頸問題。

1 礦石性質

承德柏泉鐵礦礦石為超貧釩鈦磁鐵礦，TFe平均為9%～12%，mFe平均為4%～6%，原礦中P2O5品位為2.0%。 礦石化學成分分析結果見表1。

表1 礦石多元素分析Table 1 Multielement analysis of ore

通過礦石的XRD分析，礦石中含有少量磁鐵礦和磷灰石，主要脈石礦物有鉀長石、鈉長石、云母等硅酸鹽礦物，結果見圖1。

圖1 原礦XRD分析圖Fig.1 XRD analysis diagram of raw ore

磷灰石在脈石中多數以粒狀產出，粒度以細粒嵌布為主，與多種碳酸鹽礦物如長石、角閃石、云母等及金屬礦物均有密切的嵌布關系，且部分磷灰石包裹在長石、云母及金屬礦物顆粒中，部分磷灰石裂隙中充填碳酸鹽礦物，如圖2和圖3所示。

圖2 磷灰石與長石、磁鐵礦的嵌布關系Fig.2 Embedding relationship between apatite andfeldspar and magnetite

圖3 磷灰石與磁鐵礦、輝石的嵌布關系Fig.3 Embedding relationship between apatite andmagnetite and pyroxene

2 選磷工藝流程

浮選原礦是選鐵后的磁選總尾礦，采用“一粗一掃三精”的浮選工藝流程(圖4)。粗選和掃選均使用XCF/KYF-50浮選機，共8臺；精選使用XCF/KYF-20浮選機，共6臺。經過浮選作業分選出P2O5品位33%以上的磷精礦。

3 常溫浮選存在的問題與分析

3.1 入浮原礦粒級分布不合理

柏泉鐵礦選磷工藝流程自投產以來，入浮原礦粒級組成存在兩極分化現象。結合浮選磷工藝流程特點和泡沫吸附特性研究，-0.150～+0.038 mm粒級之間的物料具有最佳可浮性[4]。通過和周邊選磷礦山企業、同行業較好水平企業的入浮原磷進行粒度篩分對比，結果見表2。在入浮物料的粒級篩析中，該粒級的含量只有26%左右，其他粒級無法有效分選，粒級分布形成“沙漏型”特性。相比西部地區同行業選磷礦山，該粒級所占比例明顯減少了約一倍。在粗選泡沫礦化效果不好時，需要適當降低礦漿液位，減少充氣量，以避免粗選“冒槽”。經過三次精選作業以后，磷精礦中-0.150～+0.038 mm粒級之間的礦粒含量更少，嚴重影響了P2O5回收率。

圖4 浮選“一粗三精一掃”工藝流程圖Fig.4 Flow chart of flotation process

表2 原磷粒級分布特性的對比Table 2 Comparison of particle size distributioncharacteristics of raw phosphorus

3.2 浮選時間過長

本節中的浮選時間是指礦漿在浮選槽內停留的時間，即礦漿在浮選槽內流過的時間。粗選和掃選使用XCF/KYF-50浮選機，精選使用XCF/KYF-20浮選機，浮選槽為單側刮料，粗選槽體的縱深長度為4.2 m，粗選、精選、掃選浮選機總容積分別為250 m3、60 m3、150 m3，設計粗選、精選(三次)、掃選的浮選時間分別為6.0 min、16.0 min和3.5 min。在實際的浮選作業中，受槽體深度、充其量、礦漿量、礦漿濃度等因素的綜合影響，粗選時間約10 min。 由圖5可知，隨著浮選時間的增長，磷的回收率也不斷提高，但到了一定的時間以后，浮選時間再延長，磷回收率反而會下降，主要體現在精礦產率的顯著降低。 經浮選氣泡原理分析，是由于已經礦化的泡沫達到泡沫層后不能被及時刮出，造成氣泡不斷的兼并和溶解，使氣泡變大且不穩定，減弱了氣泡的承載力和穩定性[5]，增加了礦粒掉落的幾率，對礦化不利，可選礦粒最終從掃選排出，嚴重影響了磷的回收率。

圖5 粗選浮選時間對粗精礦磷產率和回收率的影響Fig.5 Effect of flotation time on phosphorus yield andrecovery of coarse concentrate

3.3 粗選容易“冒槽”

粗選消泡槽“冒槽”現象比較嚴重，粗精礦較難消泡，在消泡槽內淤積，只能采取減少粗選刮泡量的措施，故嚴重影響了磷精粉產量。分析原因主要有以下幾個方面：①XCF型精選浮選機與KYF浮選機相比，吸漿能力不足，不能產生足夠的負壓將粗精礦順利吸進浮選槽內；②粗精礦中細顆粒物料含量占比較大，產生了較多比重小、體積大的礦化泡沫，有研究表明[6]，礦粒與氣泡的接觸幾率及黏著幾率隨著礦物粒度的增大而明顯降低；③雖然采用階梯浮選，精礦管路的坡度為18%，但不足以使粗精礦順利到達精礦槽內；④粗精礦在通往精-浮選槽的管路內，顆粒和氣泡在湍流環境中的脫附力包括振蕩力和離心力，故礦化泡沫產生了分層，受浮力的作用向上運動，在管路進口處與不斷流入的粗精礦泡沫形成了強烈的紊流效應，影響粗精礦的流通。

3.4 水玻璃的作用效果

從理論上講，水玻璃能夠增加磷灰石表面疏水性，對磷礦浮選有“活化”的作用，同時在正浮選流程中能夠抑制部分螢石、石英等雜質，因此浮選磷時常用水玻璃作為活化劑、抑制劑。但通過試驗及長期應用表明[7]，針對柏泉鐵礦礦區的伴生磷灰石而言，水玻璃的效果并不明顯，尤其是在冬季期間，礦漿平均溫度為5 ℃，浮選磷接近于低溫浮選條件，水玻璃在礦漿中的活化、分散、抑制等作用難以有效發揮，如圖6所示，水玻璃不能降低雜質的泡沫夾帶，且過量的水玻璃自身極易與較細顆粒形成“微絮”狀態。通過成本測算，磷精礦質量提高帶來的經濟效益不足以彌補水玻璃的實際消耗成本。因此可以考慮適當降低水玻璃用量或取消水玻璃的使用。

4 改進應用

1) 根據浮選原理，可通過降低浮選機槽深和攪拌強度、增大浮選充氣量、適當提高浮選濃度、改進藥劑制度、改善磨礦條件等措施，提高粗粒礦物的回收效果。

柏泉鐵礦在現有浮選工藝和設備前提下，采取了提高浮選濃度的措施，其小型浮選試驗結果見表3。由表3可知，將粗選浮選礦漿濃度由35%逐步提高至45%，粗精礦產率、品位明顯增加，但濃度超過45%后，粗精礦指標顯著變差，是由于礦漿濃度過高時，含磷顆粒的礦化過程受限，與脈石、細泥礦物難以較好分散解離，已形成的礦化泡沫在上浮過程中受阻嚴重，故粗精礦品位和產量明顯降低。在工業試驗現場，濃度達45%時，浮選槽液面呈“稠粥”狀，消耗大量藥劑，但難以得到較好分選。故生產現場控制浮選濃度為38%～45%。

圖6 水玻璃用量對粗精礦磷指標的影響Fig.6 Effect of sodium silicate dosage on phosphorusindex of coarse concentrate

表3 不同礦漿濃度對粗精礦磷指標的影響Table 3 Influence of different pulp concentration onphosphorus index of coarse concentrate

2) 從改善磨礦條件方面，考慮優化一段磨礦介質尺寸及補加球方法，利用經典的破碎力學原理和戴維斯等的理論推導出球半徑理論公式[8]，由單一球徑(Φ120 mm)改為復合球徑合理搭配方式(即Φ120 mm∶Φ100 mm=60%∶40%)；改造后，入浮原礦中的平均粒度(-0.074 mm含量)提高了4.2%，且入浮原礦中，0.150～0.038 mm粒級占比提高了約8%，效果較顯著。

3) 在工藝方面，提出了在選鐵尾礦進入浮選流程前，增設預先篩分工藝和脫泥工藝，減小入浮原礦中細泥和較粗顆粒的含量，將入浮原礦粒級分布由“沙漏型”變成“梭子型”，有利于提高常溫浮選效果。在上述措施實施后，柏泉鐵礦入浮原礦和磷精粉粒級分布均出現明顯變化，可選粒級含量明顯增加，磷的回收率提高了8%(表4和表5)。

表4 實施應用前后入浮原礦粒級篩析結果Table 4 Results of particle size screening of floating raw orebefore and after application

表5 實施應用前后磷精粉粒級篩析對比Table 5 Comparison of particle size analysis of phosphorusconcentrate before and after application

4) 通過調整粗選浮選槽礦漿液位，監測粗精礦產率、品位、濃度等指標的變化情況，見表6。由表6可知，隨著粗選液位的增高，精礦濃度也不斷增加(即產率有所升高)，品位略有降低，但對最終精礦品位不會產生較大影響。

所以將粗選和精三作業保持較高液位，在液位自動控制PLC程序里，把液位參數控制在90附近，-0.150～+0.038 mm粒級的含量會分別增加5.1%和3.7%，具體數據見表7。

5) 為了改變浮選時間過長的現狀，主要途徑就是加快回收磷精礦的速度。在現場實踐中，可以提高浮選機泡沫刮板的轉速，具體試驗數據見表8。由表8可知，提高刮板轉速可以提高單位時間內的粗精礦濃度，但粗精礦磷品位并無明顯變化。刮板轉速提高能夠間接的增加一定單位時間內的刮泡量，提高單位時間內的刮泡速度、增加浮選機槽體橫向中心線后邊泡沫層的前進速度。同時可以考慮增加刮板葉片數量，即由傳統的雙刮板改為“四刮板”，在前述效果的基礎上，能夠將礦化泡沫的刮出速度提高一倍。

表6 不同礦漿液位條件下的粗精礦磷指標Table 6 Index of roughing concentrate underdifferent slurry levels

表7 不同液位下粗選和精選精礦的篩析結果Table 7 Screening results of roughing and cleaningconcentrates at different liquid levels

表8 不同浮選機刮板轉速條件下粗精礦指標Table 8 Index of roughing concentrate under differentscraper speeds of flotation machine

5 結 論

1) 承德地區含磷鐵礦石嵌布粒度細，粗顆粒的磷品位較高，具有很好的回收價值，因此，要充分考慮入浮前工序的指標控制，合理制定入浮原礦的粒級分布目標。

2) 粗顆粒比重大，在浮選過程中不易懸浮，與氣泡碰撞的幾率小，即便是附著于泡沫后，受自身重力的影響，極易從氣泡上脫落。若浮選機槽體有效深度較大，無形中就增加了礦化泡沫上浮的距離和時間。可以適當減小槽體深度、提高礦漿液位、減小泡沫層厚度，以增加粗精礦產率和濃度，降低其平均粒徑，提高粗選浮選效果。

3) 采用階梯浮選的工藝布置，要合理計算粗選容積和精選容積的合理匹配。結合承德地區礦石分布特性，可適當增加浮選機的吸漿能力，緩解礦漿流速慢的弊端，減小泡沫的紊流效應，避免礦化泡沫堆積，增加動能。

4) 柏泉鐵礦在常溫浮選磷方面的技術研究，成為冀東地區含磷超貧釩鈦磁鐵礦山綜合利用尾礦資源常溫浮選磷的重要應用借鑒。