以疏水絮团形式从铁矿石中磁选细粒赤铁矿和褐铁矿.doc

以疏水絮团形式从铁矿石中磁选细粒赤铁矿和褐铁矿 S 宋 等 摘 要 本文研究了絮团磁选（FMS）法，即以絮团形式磁选细粒弱磁性铁矿石，以代替强磁选机或高梯度磁选机处理细粒弱磁性铁矿石。本研究用细磨至微米级的赤铁矿和褐铁矿进行，添加油酸钠和煤油引起疏水絮凝，形成大的絮团。试验结 果表明，与相同条件下的常规磁选相比，FMS 法可用中场强磁选机有效地回收细粒赤铁矿和褐铁矿，并且获得高的分选效率。FMS法处理铁品位为30.5 的赤铁矿矿石时，获得的精矿铁品位为64 ，回收率为82 。研究发现，FMS 法的分选效率与疏水絮凝主要参数（油酸钠用量、搅拌时间和煤油用量）密切相关。这表明，FMS 法具有高的分选效率可归因于疏水絮团的形成，使得磁场作用在细粒铁矿物的磁力增大，在磁选机中细粒铁矿物更易附着在齿板上，从而进入磁 性精矿中。 关键词 絮团磁选 絮凝 细粒处理 磁选 铁矿石 FMS 法 1 概 述 在磁选系统中，磁场作用在颗粒上的力（F）可用下式表示 F∝V Sp-SO H d H/ dl （1） 式中V – 颗粒的体积； SP 和 SO– 颗粒和环境介质的比磁化系数；H -磁场度； d H/ dl - 磁场梯度。由这个方程式可以看出 ，随颗粒粒度减小 ，作用在磁性颗粒和非磁性颗粒上的磁力差别急剧减小，所以细粒级磁选效率恶化。磁选机分选粒度下限随分选的矿物种类、磁场强度和磁场梯度变化而变化 ，例如 ，琼斯强磁选机磁选赤铁矿的粒度下限为 10～20μm。 根据式（1），通过提高磁场强度和梯度以及增大颗粒粒度，可改进磁选的分离效率。前两种方法的代表是应用高梯度磁选机和超导磁选机。高梯度磁选机将磁介质（钢毛）充填在分选室中，产生很高的磁场梯度，该种磁选机已用于高岭土工业中，以除去微米级的铁杂质。在超导磁选机中，应用超导磁系产生高的磁感应强度（5 T），以回收细粒级和磁性非常弱的颗粒。第三个改进措施是使弱磁性细颗粒选择性团聚 ，然后用中场强（1 T）磁选机回收团聚的细颗粒。 有关磁选以团聚体形式的弱磁性细粒矿物的资料很有限 ，而高梯度磁选和超导磁选却受到人们的重视。但是，有关泡沫浮选以疏水絮团形式的细粒矿物的研究进行得很多。例如，在工业上用载体浮选法提纯高岭土，以除去细粒锐钛矿，在载体浮选中，细粒锐钛矿通过疏水絮凝附着在粗粒方解石表面上，接着浮选粗粒方解石。对白钨矿石、硫化矿石、赤铁矿和细粒煤进行了絮团浮选试验。在该过程中，通过疏水絮凝使目的细粒矿物团聚，然后进行常规浮选。试验结果证明 ，应用选择性疏水絮凝可大大地改善细粒矿物的浮选。 在本工作中，为了找出替代强磁选或高梯度磁选处理弱磁性细矿粒的方法 ，对磁选以疏水絮团形式的弱磁性细粒矿物进行了研究。在本文中将该法称为絮团磁选 Floc Magnetic Separation ，简称FMS ，其原理图如图 1 所示。这个方法包括 4 步矿浆分散、选择性疏水化、疏水絮凝和磁选。添加特定的分散剂和调节合适的pH 值 ，可实现分散 ，以消除溶液中细粒磁性和非磁性颗粒异相絮凝，提高分选效率。添加浮选专家熟知的能在矿物表面吸附的特效表面活性剂使弱磁性矿粒选择性疏水化。通过机械调浆给颗粒以足够的动能以克服能垒 ，只使疏水颗粒发生疏水絮凝。通常添加非极性油 ，通过桥联作用提高疏水性 ，来增强疏水絮凝作用。要想了解细矿粒在水悬浮液中的疏水絮凝的详情可参见其它文献。然后用中场强磁选机从分散的非磁性细矿粒中分离疏水絮团。 图1 絮团磁选法示意图 众所周知，有几种细粒矿物在水悬浮液中团聚的方法，如电解质凝结法、聚合物絮凝法、电凝结法、疏水絮凝法和磁团聚法。与其它方法相比，疏水絮凝法的特点是，絮团比较致密，絮团抗破碎能力强。这些特点正是 FMS 法所需要的，因为，附着在磁选机分选齿板上的絮团在离开磁场前要经受给入的矿浆和清洗水的强的脱落力的作用。松散的絮团，如聚合物絮团可能破碎，从而离开磁选机分选齿板，进入磁选尾矿中。因此，在 FMS法中可用疏水絮凝来使弱磁性细矿粒选择性团聚。 在本研究中，用取自中国的赤铁矿和褐铁矿进行 FMS法的试验。其目的是研究FMS法用于分选细粒弱磁性矿粒 ，以便代替细粒矿物的高梯度磁选或强磁选的可能性。另外，研究了表面活性剂用量、非极性油用量和矿浆搅拌条件对 FMS 法分选效率的影响。 2 试 验 2.1 物 料 本研究中所用的两个典型的弱磁性铁矿石采自中国东鞍山赤铁矿矿石 （EA）和铁坑褐铁矿矿石（TK）。在实验室中用颚式破碎机碎至- 2 mm ，EA矿石为贫铁 （30.5 Fe） 和富二氧化硅矿石，TK矿石含 38.11 Fe。矿样的主要矿物组成如表 1 所示。 表1 EA和 TK矿样矿物组成/ 矿 样 赤铁矿 褐铁矿 磁铁矿 石英 绿泥石 方解石 EA矿样 38.0 2.1 0.4 55.5 3.1 TK矿样 0.7 67.5 11.1 16.8 3.5 试验中所用分散剂硅酸钠和pH 调整剂氢氧化钠为分析纯级。铁矿物选择性疏水化的表面活性剂油酸钠为化学纯级。试验中所用煤油在实验中在220 ℃下蒸馏。红外光谱测定表明，它含有 C8 ～C10烷烃。煤油与油酸钠一起用超声波乳化后添加到矿浆中。试验中用自来水。 2.2 试验步骤 2.2.1 磨矿和分散 铁矿样先用湿球磨机细磨，磨机中添加硅酸钠0.9 kg/ t（EA矿样）和1.0 kg/t（TK矿样）。磨矿不仅使矿石粒度减小，而且使矿浆分散。磨矿产品粒度分布如图2 所示。EA矿样和TK矿样磨矿产品的平均体积直径分别为 4.1 和 7.3 μm。 图2 EA和 TK铁矿样磨矿产品的粒度分布 2.2.2 选择性疏水絮凝 细磨的矿浆用水稀释到一定的固体浓度 ，然后转移到内径为 14 cm ，带有 4 片宽度为 1 cm 的混合槽中。搅拌轴上安装直径为7cm，高度为1cm的十字形叶轮。首先用氢氧化钠溶液调节 pH，然后以1200 r/ min转速强烈搅拌一定时间，同时添加油酸钠和煤油乳化液，以便使铁矿物形成疏水絮团。 2.2.3 以疏水絮团形式磁选出细粒铁矿物 调浆后，将固体浓度为15 的矿浆以 500mL/ min给入实验室型琼斯磁选机中。磁选机分选箱中安装有4 块高为6cm ，宽为0.8cm齿板。磁感应强度调至0.5～1.4 T。一旦给矿停止，用200 mL水以 200 mL/ min流速冲洗齿板。磁选获得一个精矿 （磁性产品） 和一个尾矿 （非磁性产品）。为了对比还进行了常规磁选，此时，除了不疏水化处理外，其它条件（如pH、分散、磁场强度和冲洗水量 ）与 FMS法相同。 3 结果和讨论 作者以前的论文已经证明，在强烈搅拌的条件下吸附在细粒赤铁矿粒上的油酸钠可使其强烈疏水絮凝。添加少量非极性油可增强絮凝作用。添加10-4 mol/L 油酸钠和120 mg/L 煤油 ，可使 d501.6m的细粒赤铁矿絮凝成 d 5044m 的疏水絮团 ，矿浆中粒度小于 20 m 的颗粒的重量含量低于2 。这种粒度的絮团正好适于中磁场磁选机选别 因此，在磁感应强度为 1.0T时用 EA 矿样试验了油酸钠和煤油对赤铁矿的疏水絮凝。FMS与常规磁选时，磁选精矿铁品位与回收率关系如图3 所示。由该图可以看出，常规磁选效率很 ，精矿铁品位为 41 ，铁回收率为 43 。显然，大部分铁的损失是由于作用在细粒赤铁矿上的磁力比较弱 ，细粒赤铁矿直接通过分选室而进入尾矿中。但是，对细粒赤铁矿进行疏水絮凝后，磁选效率大幅度提高FMS精矿铁品位与铁回收率曲线比常规磁选高得多。经过一次磁选 ，精矿铁品位为 56 ，铁回收率为 88 ，再经过一次精选，精矿铁品位为 66 ，其回收率为 75 。 图3 FMS法和常规磁选 EA矿样时精矿铁品位与铁回收率关系 正如上面所提到的，FMS的关键是弱磁性细粒矿物选择性疏水絮凝。水悬浮液中细颗粒疏水絮凝最重要的参数是颗粒的疏水性、动能输入和非极性油的添加。所以在本工作中 ，研究了这些参数对FMS分选效率的影响。EA 铁矿石 FMS 分选效率（精矿铁品位和回收率）与油酸钠用量的关系如图所示。该结果为一次磁选结果。由该图可知，随着油酸钠用量的增加，精矿铁品位迅速降低，一直到油酸钠 2 kg/ t 用量时成为一个平台。同时 ，精矿铁回收率增加。油酸钠用量小时铁回收率增加的幅度比用量大时要大些。众所周知 ，油酸钠通过吸附使赤铁矿疏水。在形成吸附双层前，油酸钠的用量越大其吸附越大，赤铁矿的疏水性越强。所以在这种情况下 ，油酸钠的影响可当作对颗粒疏水性的影响，显然 ，细粒弱磁性矿物的疏水性在 FMS中起着非常重要的作用。 图4 FMS法分选 EA矿样时分选效率与油酸钠的关系 （固体浓度20 ，pH9.5，硅酸钠0.9 kg/t，搅拌器转速1200 r/ min，搅拌时间20 min） EA 铁矿石 FMS 分选效率与煤油用量的关系如图 5 所示。为了清楚地看出煤油的影响，使用少量的油酸钠。从该图可以看出，随煤油用量增大，铁回收率迅速提高。在煤油用量达到 4 kg/ t 后 ，回收率增加缓慢，同时，精矿铁品位几乎固定。显然 ，煤油用量对 FMS分选效率影响非常明显 ，甚至在低用量时也是如此。根据图 4 和图 5 试验结果 ，为了获得相同的分选效率 精矿铁品位 56 ，回收率89 ，如果单用油酸钠时需要的用量为 8 kg/ t，若与 4 k/ t 煤油一起使用，其用量只要 1 kg/ t。油酸钠用量减少 7 kg/ t。由于煤油价格比油酸钠便宜。所以，在 FMS法中用煤油代替大量的油酸钠可节省大量的药剂费用。这些结果与我们过去对细粒硫化矿物絮团浮选结果是吻合的。 图5 FMS法分选 EA矿样时分选效率与煤油的关系 （固体浓度20 ，pH9.5，硅酸钠0.9 kg/t，油酸钠110 kg/t，搅拌器转速1200 r/ min，搅拌时间20 min） 非极性油对水悬浮液中的细颗粒疏水絮凝作用的增强过去已经受到人们的注意。详情可参阅Capes等人和 Laskowski 等人的评述文章。他们都认为，非极性油对疏水絮凝的增强是由于在疏水性颗粒之间形成油桥，大大增强絮团的强度，使絮团能够经受紊流引起的很大的破碎力（ 剪切力和拉力） 作用。这种作用不仅增大了疏水絮凝程度，而且减小了絮团的孔隙度，提高了絮团的致密度。这种特点对于形成适合于磁选机齿板分选的絮团是有好处的。因此 ，在用 FMS 法分选 EA 矿石时，添加煤油大幅度提高了精矿铁回收率。 在疏水絮凝阶段中 ，搅拌时间对 EA 矿石 FMS法分选的影响如图 6 所示。众所周知，向搅拌槽中输入动能决定于（搅拌强度 搅拌速度、搅拌槽尺寸叶轮尺寸和矿浆体积）和搅拌时间长短。在这种情况下，因为在悬浮液中有油酸离子存在 ，所以高速搅拌会形成大量的泡沫 ，恶化下一步磁选过程。在固定搅拌速度（1200 r/ min） 情况下进行了搅拌时间试验。正如从图 6 所看到的，在搅拌时间延长到 20min 以前 ，精矿铁品位和回收率随搅拌时间增长而提高。这表明，为了获得好的 FMS 分选结果，向疏水絮凝段输入足够的动能是需要的。但是 ，在达到临界搅拌以后，搅拌不仅不再提高分选效率 ，反而增加了能耗。 图6 在矿浆固体浓度为20 时，搅拌时间对 FMS分选EA矿样的分选效率的影响 （固体浓度20 ，pH9.5，硅酸钠0.9 kg/t，油酸钠110 kg/t，煤油310 kg/t，搅拌器转速1200 r/ min） 疏水絮凝程度通常主要决定于 3 个参数。疏水絮团的尺寸随颗粒疏水性、矿浆搅拌时间和非极性油用量增大而增大。因此，上述结果表明 ，FMS 法的分选效率与赤铁矿絮团的尺寸相关。絮团越大 ，分选效率越高。这说明 ，高的分选效率是由于形成疏水絮团 ，磁场作用在赤铁矿上的磁力增强 ，使赤铁 矿易于固着在磁选机齿板上。 在固体浓度为 45 时 ，FMS分选 EA 矿样时的分选效率与煤油的关系如图 7 所示。除矿浆浓度外，其它条件与图 6 相同。从这两幅图可看出 ，不仅曲线形状相似，而且，精矿最高品位和最大回收率也相近。有意思的是 ，矿浆浓度为 45 时的临界搅拌时间 （10 min ）比矿浆浓度为20 时的要短得多。这表明，如果在矿浆搅拌时采用较高的浓度 ，为了获得好的分选结果 ，只需要输入较少的动能。当矿浆浓度较高时，同一设备处理矿石的处理量较高 ，所需要的搅拌时间较短 ，因此可节省疏水絮凝阶段的能耗。同时只需要较小的混合槽，大大节省设备费和安装费用。但是，能量节省并不像简单计算的那样多 ，因为，为了使矿浆搅拌系统具有相同的转速，搅拌器轴所需要的转矩是相当大的。在疏水絮凝中固体浓度的影响与团聚动力学和疏水机理有关。其中一个机理认为，在较高固体浓度时，颗粒之间的空间较小，细颗粒碰撞的几率较大。 图7在矿浆固体浓度为45 时搅拌时间对FMS分选EA矿样时分选效率的影响 （固体浓度45 ，pH9.5，硅酸钠0.9 kg/t，油酸钠110 kg/t，煤油310 kg/t，搅拌器转速1200 r/ min） 上述结果表明，疏水絮凝后，EA 矿石的矿浆通过磁选机一次只能使精矿铁品位提高到 60 ，这可能是因为原矿铁品位比较低。为了生产出高质量的铁精矿，在疏水絮凝后进行脱泥，然后进行磁选。其流程如图 8 所示。脱泥溢流作为尾矿 ，脱泥作业沉砂经磁选 ，获得铁精矿（ 磁性产品） 和中矿 （非磁性产品） 。实际上 ，在这个试验过程中 ，FMS 是关键作业。图 8 中给出了在以下条件下获得的选别结果油酸钠用量 1.0 kg/ t ，煤油用量 4.0 kg/ t ，搅拌器转速1200 r/ min（ 疏水絮凝阶段 ），脱泥粒度 10 m ，磁选时的磁感应强度 1.0 T。正如从图所看到的，从细粒 EA 矿石中获得了铁品位为 64 ，回收率为82 的铁精矿，可以认为，这是处理微米级赤铁矿矿石满意的结果。由此可知 ，FMS法是分选细粒浸染状赤铁矿矿石和除去细粒赤铁矿杂质的有效方法。 图8 用 FMS法分选 EA矿石时的数质量流程图 为了考查 FMS 法处理其它类型弱磁性矿石的适应性，在实验室中还对 TK矿石进行了试验。在疏水絮凝阶段 ，矿浆固体浓度为 20 ，pH为 9.2 ，搅拌器转速为 1200 r/ min ，搅拌时间为 10 min ，油酸钠用量为1.5 kg/ t ，煤油用量为3.0 kg/ t。磁选磁感应强度为 1.0 T。分选结果如表 2 所示。为了进行比较，常规磁选结果也列在表 2 中。从该表可以看出，不用疏水絮凝的磁选时，所获的铁精矿铁品位为51 ，铁回收率为 48 。但是用疏水絮凝后，精矿铁回收率提高到 81.7 ，精矿铁品位为 50.8 。铁回收率大幅度的提高归因于大量的细粒褐铁矿以疏水絮团附着在磁选机齿板上。显然 ，FMS法回收细粒磁性更弱的褐铁矿也是有效的。 表2 用 FMS法分选 TK褐铁矿矿石时的结果 处理方法 产品名称 产率/ 铁品位/ 铁回收率/ FMS法 给 矿 100 38.12 100 精 矿 61.31 50.78 81.67 尾 矿 38.69 18.06 18.33 常规磁选法 给 矿 100 38.89 100 精 矿 36.7 51.04 48.17 尾 矿 63.3 31.85 51.83 目前，细粒弱磁性矿石的磁选是用强磁场磁选机和高梯度磁选机实现的，它们在工业上用于除去弱磁性杂质矿物或回收细粒弱磁性铁矿物。但是，与中场强磁选机相比，强磁场磁选机和高梯度磁选机的特点是设备投资费用和安装费用高，能耗高，处理能力低。所以人们对用低磁场和低梯度磁选机磁选细粒弱磁性矿物具有很大的兴趣。本试验结果表明，如果使细粒弱磁性矿物选择地有效团聚，那么就可以大幅度降低磁场强度和磁场梯度，就可用中场强磁选机有效地磁选细粒赤铁矿和褐铁矿（ 弱磁性矿物 ）。FMS法的设备费用和操作费用的节省通常比疏水絮凝增加的费用要高得多。从经济效益看，如果能对弱磁性的细矿物选择性地疏水絮凝，那么就可用 FMS法代替强磁选或高梯度磁选，从细粒浸染状矿石中分选弱磁性有价矿物或除去细粒弱磁性杂质矿物。 4 结 论 1 ）试验结果表明，借助油酸钠、煤油和足够的动能输入，可使细矿粒选择性疏水絮凝团聚，从而改善了铁矿石中细粒赤铁矿和褐铁矿的磁选结果。磁选指标的提高可归因于，形成疏水絮团，增强了作用在矿粒上的磁力，有助于细矿粒附着在磁选机齿板上。在弱磁性细矿粒可以选择性地强烈絮凝的情况下，可用 FMS法代替强磁选或高梯度磁选，从细粒浸染状矿石中分选弱磁性有价矿物或除去细粒弱磁性杂质矿物。 2）研究发现，为了获得最大的疏水絮凝程度，在较高固体浓度下只需要较小的动能输入。这个发现可以大大节省疏水絮凝的设备费用和安装费用，并可降低能耗。 3 ）在细粒赤铁矿疏水絮凝中，添加少量的煤油可以代替大量的油酸钠，而获得好的 FMS法分选细粒赤铁矿矿石结果，从而节省大量的药剂费用。