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响应面曲线法优化贵州某磷块岩浮选工艺研究 ① 王志强, 聂光华, 李德伟, 王 东 (贵州大学 矿业学院,贵州 贵阳 550025) 摘 要 对贵州某沉积钙质磷块岩进行了浮选工艺研究。 采用 H2SO4为氟磷灰石抑制剂、BW⁃1 为白云石捕收剂,进行了浮选单因 素试验;在此基础上进行了正交试验,并采用响应面曲线法进行了浮选条件优化。 确定了最佳浮选条件为磨矿细度-0.074 mm 粒 级占 60%、H2SO4用量 13.20 kg/ t 和 BW⁃1 用量 400 g/ t。 采用一段反浮选试验流程,可得到精矿品位 30.94%、回收率 92.45%的磷精 矿。 研究结果表明,磨矿细度与 H2SO4用量的交互作用对精矿品位影响显著,H2SO4用量和 BW⁃1 用量的交互作用对精矿回收率影 响显著。 关键词 磷矿; 氟磷灰石; 白云石; 浮选; 响应面曲线法 中图分类号 TD923文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2020.03.014 文章编号 0253-6099(2020)03-0054-04 Flotation Process Optimization for Phosphorus Rock from Guizhou by Response Surface Methodology WANG Zhi⁃qiang, NIE Guang⁃hua, LI De⁃wei, WANG Dong (School of Mining, Guizhou University, Guiyang 550025, Guizhou, China) Abstract Flotation technology was introduced to process a sedimentary calcareous phosphate rock in Guizhou. Single factor flotation experiments were conducted with H2SO4as the phosphate inhibitor and BW⁃1 as the dolomite collector. On this basis, an orthogonal test was carried out and the flotation process was optimized using response surface methodology. The optimal flotation conditions were determined as follows grinding fineness of -0.074 mm 60%, H2SO4 dosage of 13.20 kg/ t and BW⁃1 dosage of 400 g/ t. As a result, a qualified phosphorus concentrate with P2O5grade of 30.94% and recovery of 92.45% was obtained by using a single⁃staged reverse flotation process. The results show that the interaction between grinding fineness and H2SO4dosage has significant effect on concentrate grade, while the interaction between H2SO4dosage and BW⁃1 dosage has significant effect on its recovery. Key words phosphate rock; fluorapatite; dolomite; flotation; response surface methodology 磷矿是一种不可再生的重要矿产资源,截止 2017 年,中国磷矿查明储量为 252.84 亿吨[1]。 中国磷矿资 源储量较大,但磷矿平均品位仅为 16.95%,P2O5品位 大于 30%的富矿仅占 6.75%[2]。 随着富矿储量的减 少, 中低品位磷块岩已成为磷矿资源利用的重点[3]。 浮选是处理该类矿石的首选方法[4-6]。 沉积钙质磷块岩主要有用矿物氟磷灰石嵌布粒度 细,呈均质胶体或隐晶质、微晶质[7],与主要脉石矿物 白云石密切共生,氟磷灰石与白云石可浮性接近,且都 含有 Ca 2+ ,难以浮选分离[8]。 工业上多采用 H2SO4或 H3PO4抑制含磷矿物,阴离子捕收剂浮选白云石、方解 石等碳酸盐矿物的反浮选工艺[9],以获得适合湿法磷 酸生产的磷精矿[10]。 本文以 H2SO4为氟磷灰石抑制剂、BW⁃1 为白云 石捕收剂对贵州某沉积钙质磷块岩进行浮选试验研 究。 其中 BW⁃1 为实验室自制的脂肪酸类药剂。 在单 因素实验基础上,利用响应面曲线法优化浮选工艺参 数,提高分选效果。 同时利用响应面曲线法,考察浮选 ①收稿日期 2020-01-15 基金项目 贵州省自然科学基金(黔科合 J 字[2012]2174 号);贵州大学博士基金资助项目(贵大人基合字(2016)60 号) 作者简介 王志强(1995-),男,内蒙古赤峰人,硕士研究生,主要研究方向为难选矿石分选及机理研究。 通讯作者 聂光华(1973-),男,江西南城人,副教授,博士,主要研究方向为难选矿石分选及资源综合利用。 第 40 卷第 3 期 2020 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №3 June 2020 ChaoXing 主要影响因素磨矿细度、H2SO4用量、BW⁃1 用量之间 的交互影响。 1 试验矿样、药剂与设备 1.1 矿样性质 矿样取自贵州某地,属沉积钙质磷块岩。 采用 XPF⁃100125A 型破碎机破碎原矿至-2 mm;试样经 破碎混匀缩分获得分析样品和试验样品。 原矿 X 射线荧光光谱分析结果见表 1。 由表 1 可 知,矿石中 MgO 含量较高,SiO2含量较低。 矿样中磷 矿物以氟磷灰石为主,脉石矿物以白云石为主。 表 1 原矿 X 射线荧光光谱分析结果(质量分数) / % P2O5CaOMgOSiO2FAl2O3Fe2O3Na2OK2OS 27.13 56.997.403.602.690.5740.5460.3380.185 0.179 1.2 试验方法与药剂 采用 XMQ⁃240 90 型锥形球磨机磨矿; 采用 XFDIV1.0实验室用单槽 1.0 L 浮选机浮选。 分析纯药剂 H2SO4配成体积浓度 20%的溶液,工业级药剂 BW⁃1 配成质量浓度 1%的溶液。 试验用水为自来水,矿浆 温度为室温。 试验流程如图 1 所示。 原矿 抑制剂H2SO4 捕收剂BW-1 浮 选 精矿尾矿 磨矿 图 1 浮选试验原则流程 2 单因素试验 2.1 磨矿细度 H2SO4用量 9.8 kg/ t、捕收剂 BW⁃1 用量 200 g/ t 条件下,磨矿细度单因素试验结果见图 2。 由图 2 可 知,随着磨矿细度增加,精矿品位增加,但回收率先增 加后下降,在-0.074 mm 粒级占 55%时达到最高,为 96.66%。 这是由于随着磨矿细度增加,矿石中氟磷灰 石与脉石矿物单体解离度增加,品位也增加;但同时, 细度达到一定程度后,细粒矿物的机械夹带现象越发 明显,微细粒氟磷灰石通过机械夹带上浮进入尾矿中, 使得回收率下降。 -0.074 mm粒级含量/ 29.0 28.5 28.0 27.5 27.0 97 96 95 94 93 45505560657075 P2O5品位/ 回收率/ ■ ■ ■ ● ● ● ■ ● 图 2 磨矿细度对磷精矿浮选指标的影响 2.2 抑制剂用量 磨矿细度-0.074 mm 粒级占 55%,捕收剂 BW⁃1 用量 200 g/ t 条件下,抑制剂 H2SO4用量单因素试验 结果见图 3。 由图 3 可知,随着 H2SO4用量增大,回收 率也增大,精矿品位变化不大。 综合考虑,确定适宜的 H2SO4用量为 12.2 kg/ t。 抑制剂H2SO4用量/kg t-1 30 29 28 27 26 25 100 98 96 94 4081216 P2O5品位/ 回收率/ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ● ●● ● ● ● 图 3 抑制剂 H2SO4用量对磷精矿浮选指标的影响 2.3 捕收剂用量 磨矿细度-0.074 mm 粒级占 55%,H2SO4用量 12.2 kg/ t 条件下,捕收剂 BW⁃1 用量单因素试验结果 见图 4。 由图 4 可知,随着 BW⁃1 用量增大,精矿品位 增加,回收率先增大后减小,在 BW⁃1 用量为 300 g/ t 时回收率达到最大值,为 97.46%。 捕收剂BW-1用量/g t-1 31 30 29 28 27 99 97 95 93 91 100200300400500 P2O5品位/ 回收率/ ■ ■ ■ ■ ■ ● ● ● ● ● 图 4 捕收剂 BW⁃1 用量对磷精矿浮选指标的影响 55第 3 期王志强等 响应面曲线法优化贵州某磷块岩浮选工艺研究 ChaoXing 3 优化实验 3.1 优化方案 利用 Design Expert 软件,采用中心组合试验设计 方案,对三因素(磨矿细度、H2SO4用量、BW⁃1 用量) 及其水平进行响应曲线设计,优化浮选工艺条件,同时 考察 3 个因素的交互影响。 在浮选单因素试验最优条 件下,确定了因子编码和自变量水平见表 2。 表 2 试验因素水平及编码 因素编码单位 水平 -1 01 -0.074 mm 粒级含量A%5055 60 H2SO4用量Bkg/ t11.212.213.2 BW⁃1 用量Cg/ t200300400 3.2 优化过程与结果分析 采用 Design Expert 软件进行中心组合设计,设计 试验方案见表 3。 按照表 3 方案进行了正交试验,试 验结果一并计入表 3 中。 本文以综合效率值为评价指 标,采用汉考克公式 E = ε(β - α) β(100 - α) 100%(1) 式中 E 为综合效率,%;α 为原矿品位,%;β 为精矿品 位,%;ε 为回收率,%。 表 3 中心组合设计试验方案及结果 编号 因素 ABC E/ %β/ %ε/ % 15012.22007.315 527.7897.96 25011.230014.843 929.6695.22 35512.230011.366 328.7297.47 45512.230011.602 228.8096.64 56011.230012.046 628.9096.89 65513.240014.563 929.5596.18 75012.240016.016 930.0094.50 85512.230011.377 928.7397.21 95511.240015.407 729.8594.22 105512.230011.558 428.7797.32 115513.22006.432 4627.6792.44 125512.230011.565 728.7897.03 136012.240016.647 730.2093.87 146012.220012.026 428.9296.07 156013.230017.042 130.2595.05 165013.230010.426 428.5097.40 175511.22008.386 328.0297.91 3.3 模型方差分析 应用 Design Expert 软件对数据进行响应面分析, 建立多元二次回归方程 Cg=28.76+0.29A-0.057B+0.90C+0.63AB-0.24AC+ 0.012BC+ 0.51A2+0.057B2-0.045C2(2) Ry=97.13-0.40A-0.40B-0.70C-1.01AB+0.32AC+ 1.86BC-0.29A2-0.70B2-1.24C2(3) 式中 Cg 为预测响应精矿品位,%;Ry 为预测响应精矿 回收率,%;A 为-0.074 mm 粒级含量,%;B 为 H2SO4 用量,kg/ t;C 为 BW⁃1 用量,g/ t。 对以上二次响应面回归模型进行方差分析,结果 分别见表 4 和表 5。 表 4 精矿品位模型方差分析结果 源平方和自由度均方F 值P 值 模型10.1391.1369.31<0.000 1 -0.074 mm 粒级 含量(A) 0.6810.6841.810.000 3 H2SO4用量(B)0.02610.0261.630.242 5 BW⁃1 用量(C)6.516.5400.32<0.000 1 AB1.5811.5897.03<0.000 1 AC0.2210.2213.610.007 8 BC0.000 62510.000 6250.0390.85 A21.111.167.47<0.000 1 B20.01410.0140.860.385 2 C20.008 5310.008 530.530.492 1 残差0.1170.016 失拟0.1130.03631.60.003 纯误差0.004 640.001 15 总离差10.2416 表 5 精矿回收率模型方差分析结果 源平方和自由度均方F 值P 值 模型34.3993.823.960.041 7 -0.074 mm 粒级 含量(A) 1.2811.281.330.287 4 H2SO4用量(B)1.2611.261.30.291 6 BW⁃1 用量(C)3.9313.934.070.083 3 AB4.0414.044.180.080 1 AC0.410.40.410.541 9 BC13.8113.814.290.006 9 A20.3610.360.370.562 9 B22.0812.082.160.185 4 C26.5116.516.740.035 6 残差6.7670.97 失拟6.3532.1220.750.006 7 纯误差0.4140.1 总离差41.1416 表 4 结果表明,模型 P 值小于0.05,说明模型是显 著的,即拟合良好,模型有效。 模型的失拟性检验值为 0.003,小于 0.05,说明拟合结果很适合表达目标函数。 根据三因素的 P 值大小,各因素对精矿品位的影响顺 序为BW⁃1 用量 >磨矿细度 >H2SO4用量。 65矿 冶 工 程第 40 卷 ChaoXing 表 5 结果表明,模型 P 值小于0.05,说明模型是显 著的,即拟合良好,模型有效。 模型的失拟性检验值为 0.006 7,小于 0.05,说明拟合结果适合表达目标函数。 根据三因素的 P 值大小,各因素对精矿回收率的影响 顺序为BW⁃1 用量 >磨矿细度 >H2SO4用量。 3.4 因素间交互作用 为进一步研究各因素间的交互作用,利用 Design Expert 软件对回归模型进行响应面分析,得到相应 的等高线图和响应面立体分析结果分别如图 5 ~ 6 所示。 图 5 各因素间交互作用对精矿品位的影响 图 6 各因素间交互作用对精矿回收率的影响 由图 5 可知,随着磨矿细度和 H2SO4用量增加, 精矿品位出现先降低后上升的趋势。 这是因为,磷矿 石中含大量可溶性矿物,主要脉石矿物白云石的可溶 性高,且随着粒度减小溶解速度增加。 即矿石磨矿细 度处于不同水平时对精矿品位的影响随硫酸水平而变 化,这说明磨矿细度和 H2SO4用量间的交互作用对精 矿品位影响显著。 由图 6 可知,随着 H2SO4用量和 BW⁃1 用量增加, 回收率出现上升趋势,随着 H2SO4用量和 BW⁃1 用量 继续增加,回收率反而降低。 这是因为 BW⁃1 作为脂 肪酸皂类捕收剂,在酸性条件下可水解成脂肪酸,减弱 了捕收剂在白云石表面的吸附效果。 即 BW⁃1 用量处 于不同水平时对回收率的影响随硫酸水平变化而变 化,这说明 BW⁃1 用量与硫酸用量的交互作用对回收 率影响显著。 3.5 最优浮选工艺条件及模型验证 设定综合效率值为最大值时为最优条件。 采用软 件 Design Expert 进行优化分析,得到最优条件为磨矿 细度-0.074 mm 粒级占 60%,H2SO4用量 13.20 kg/ t, BW⁃1 用量 400 g/ t。 此条件下模型预测综合效率为 19.185 1。 为验证响应曲面模型的准确性,在最优浮选 条件下进行了浮选试验,获得了品位 30.94%、回收率 92.45% 的磷精矿,此条件下磷精矿综合效率值为 19.001 9,与响应曲面的理论综合效率值接近,表明该 优化模型所得结果可作为该矿物的浮选条件使用。 4 结 论 1) 对贵州某沉积钙质磷块岩进行了单因素试验 研究,确定了较优浮选条件。 在磨矿细度-0.074 mm 粒级占 55%、H2SO4和 BW⁃1 用量分别为 12.2 kg/ t 和 300 g/ t 条件下,获得了P2O5品位28.74%、回收率97.46% 的精矿。 2) 进行了三因素三水平正交试验,采用Design Expert (下转第 61 页) 75第 3 期王志强等 响应面曲线法优化贵州某磷块岩浮选工艺研究 ChaoXing 3 结 语 1) 矿石中锂云母、铁锂云母及含锂白云母是主要 回收的含锂铷铯矿物,其多以粒间形式分布在石英和 长石粒间,嵌布粒度以中细粒为主。 但有部分细粒的 锂云母、含锂白云母被长石和石英包裹,粒度较细,单 体解离困难,可浮性较差,不易回收。 该矿石风化较严 重,含有一定量易泥化的黏土矿物,此外还有部分微细 粒含锂白云母,在磨矿过程中皆易泥化形成矿泥,将影 响选矿指标。 2) 根据矿石性质,该矿宜采用磨矿⁃脱泥⁃浮选的 工艺流程。 采用碱法阴离子⁃阳离子浮选工艺,十二胺 和氧化石蜡皂作阴、阳离子混合捕收剂,CP⁃5 为浮选 助剂,浮选闭路试验获得 Li2O 品位 3.77%、Rb2O 含量 0.67%、Cs2O 含量0.11%,回收率分别为 72.58%、71.09%和 71.54%的锂云母精矿,选矿指标较理想。 参考文献 [1] Qunxuan Yan, Xinhai Li, Zhoulan Yin, et al. 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(上接第 57 页) 软件进行分析,结果表明,BW⁃1 用量是影响精矿品位 和回收率的主要影响因素;磨矿细度与 H2SO4用量的 交互作用对精矿品位影响显著;H2SO4用量和 BW⁃1 用量之间的交互作用对精矿回收率影响显著。 3) 通过软件 Design Expert 预测并验证,在磨矿细 度为-0.074 mm 粒级占 60%、H2SO4用量 13.20 kg/ t 及 BW⁃1 用量 400 g/ t 条件下,采用一段反浮选工艺, 可获得 P2O5品位 30.94%、回收率 92.45%的磷精矿。 参考文献 [1] 国土资源部. 2017 中国矿产资源报告[J]. 地质装备, 2017,18 (6)3-5. [2] 薛 珂,张润宇. 中国磷矿资源分布及其成矿特征研究进展[J]. 矿物学报, 2019,39(1)7-14. [3] 刘 朋,葛英勇,刘 鸣,等. 四川某磷矿双反浮选试验研究[J]. 矿冶工程, 2018,38(3)63-65. [4] 王大鹏. 中低品位胶磷矿柱式浮选过程强化与短流程工艺研究[D]. 徐州中国矿业大学化工学院, 2011. [5] 阮耀阳,罗惠华,张泽强,等. 难选硅钙质胶磷矿正反浮选研究[J]. 矿冶工程, 2017,37(6)38-41. [6] 梁 欢,李博洋,沈博玮,等. 高镁中低品位磷矿反浮选捕收剂的 合成及其浮选性能研究[J]. 矿冶工程, 2017,37(5)44-48. [7] 耿 超,刘志红,程 伟,等. 复配捕收剂改善磷矿浮选效果的机 理研究[J]. 矿冶工程, 2019,39(5)30-33. [8] 马一嘉,武俊杰,倪天阳. 我国磷矿资源的开发利用现状及进展[J]. 矿冶, 2018,27(2)53-56. [9] 张 晋,葛英勇,彭兴华,等. 某含碳磷矿浮选试验研究[J]. 矿冶 工程, 2019,39(6)43-46. [10] 冯其明,周清波,张国范,等. 六偏磷酸钠对方解石的抑制机理[J]. 中国有色金属学报, 2011,21(2)436-441. 引用本文 王志强,聂光华,李德伟,等. 响应面曲线法优化贵州某磷块 岩浮选工艺研究[J]. 矿冶工程, 2020,40(3)54-57. 16第 3 期吕子虎等 某锂多金属矿浮选工艺研究 ChaoXing
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