微细粒铁矿物絮凝分选技术研究现状和发展方向.pdf

Series No. 462 December2014 金属矿山 METAL MINE 总 第462 期 2014年第 12 期 收稿日期2014- 10- 29 基金项目国家自然科学基金项目 编号 51474087 ， 河北省高校百名优秀创新人才支持计划项目 编号 BＲ2 －214 。 作者简介牛福生 1974 ， 男， 教授。 微细粒铁矿物絮凝分选技术研究现状和发展方向 牛福生 1， 2 张晋霞 1， 2 白丽梅 1， 2 聂轶苗 1， 2 刘淑贤 1， 2 1． 河北联合大学矿业工程学院， 河北 唐山 063009; 2． 河北省矿业开发与安全技术重点实验室， 河北 唐山 063009 摘要归纳了微细粒铁矿物选择性絮凝浮选工艺、 选择性絮凝磁选工艺和絮凝脱泥工艺的发展水平和工 业应用现状， 介绍了分散剂、 絮凝剂、 钙镁离子、 流场特性等微细粒铁矿物絮凝分选工艺主要影响因素的研究进展， 最 后提出微细粒铁矿物絮凝分选技术今后的发展方向是加强分散和絮凝过程选择性、 絮凝分选过程流场特性、 高效絮 凝分选工艺及设备等方面的研究。 关键词微细粒铁矿物絮凝分选研究现状发展方向 中图分类号TD951． 1文献标志码A文章编号1001- 1250 2014 - 12- 085- 05 Ｒesearch Status and Progress on Flocculation Separation Technology of Ultrafine Iron Mineral Niu Fusheng1， 2Zhang Jinxia1， 2Bai Limei1， 2Nie Yimiao1， 2Liu Shuxian1， 2 1． College of Mining Engineering， Hebei United University， Tangshan 063009， China; 2． Hebei Key Laboratory of Mineral Development and Security Technology， Tangshan 063009， China AbstractThe development status and industrial application of selective flocculation- flotation process， selective floccula- tion- magnetic separation process， and flocculation desliming process for the ultrafine iron minerals are summarized． Progress on research of the main factors for flocculation of ultrafine iron minerals including dispersant， flocculant， calcium and magnesium i- ons， flow- field characteristics are introduced． Finally， the development direction in flocculation technique of ultra- fine iron min- erals is proposed in strengthening the investigation on the selective process of dispersion and flocculation， flow- field characteris- tics of in flocculation process， and high efficient flocculation process and equipment． KeywordsUltra- fine iron mineral， Flocculation separation， Ｒesearch status， Development direction 微细粒嵌布铁矿石资源的高效回收一直是一个 技术难题。其原因一是铁矿物本身在解离过程中粒 度变得非常细微 如祁东地区铁矿石中铁矿物的粒 度 95小于 30 μm， 鲕状赤铁矿的粒度 85 小于 22 μm; 袁家村铁石中铁矿物的粒度 90 小于 44 μm 等 ， 而通常矿物颗粒所获分选力与其尺寸大小呈指 数正比关系， 粒度减小 1 个数量级会引起分选力的急 剧衰减 ［1- 2 ］; 二是石英、 绿泥石和黏土类等脉石矿物泥 化后粒度多为几个微米甚至更为细小， 极易对铁矿物 颗粒形成罩盖， 从而使得常规的分选工艺几乎不能回 收这些铁矿物颗粒。 絮凝分选工艺的理论研究始于上世纪 30 年代， 经过不断的完善， 1975 年在美国蒂尔登选矿厂进行 了应用并获得了成功， 絮凝后再脱泥成为蒂尔登选矿 厂当时的年处理能力从原来的 400 万 t 提升到 800 万 t 的技术关键。在国内， 絮凝分选工艺也得到了重 视和发展， 上世纪 70 年代以来先后对东鞍山铁矿石、 山西岚县铁矿石、 祁东铁矿石等进行了选择性絮凝分 选工艺的研究， 均取得了良好的效果［3- 4 ］。近些年， 絮 凝分选技术在极细煤泥、 微细硫化矿物和超细磷灰石 的处理方面也得到了快速发展。本文将围绕微细粒 铁矿物絮凝分选工艺和影响因素的研究进展进行述 评， 并对其发展趋势进行展望。 1微细粒铁矿物絮凝分选工艺研究现状 1． 1选择性絮凝浮选工艺 尽管资料表明， 浮选工艺的入选粒度下限可以达 到 3 ～7 μm， 但实际上当矿物的粒度小至 10 ～15 μm 时， 浮选基本不能有效进行， 而选择性絮凝团聚不仅 可以显著增大目的矿物的有效尺寸， 满足后续分选的 粒度要求， 同时还可以消除矿泥的影响， 对于改善浮 选效果有十分重要的作用。因此， 选择性絮凝脱泥 浮选被认为是处理微细粒嵌布铁矿石最有前途的选 58 矿工艺。 苑宏倩 ［5 ］针对齐大山铁矿选矿分厂细粒铁矿物 难以回收， 反浮选尾矿品位高达 15 ～18 的特点， 以石油磺酸钠为絮凝剂和捕收剂， 将磁选精矿剪切絮 凝后进行 1 粗 3 精正浮选， 获得了浮选精矿铁品位为 66. 08、 铁作业回收率达 95. 93的良好试验指标。 湖南祁东铁矿石中铁矿物嵌布粒度极细， 须细磨 到 0. 038 mm 占 98 才能较充分解离。湖南三安矿 业有限责任公司根据长沙矿冶研究院的实验室试验 和扩大连选试验结果， 按 3 次絮凝脱泥1 粗 1 精 3 扫反浮选工艺流程建设了年处理祁东铁矿石 30 万 t 的选矿试验厂， 调试正常后获得了精矿铁品位 63. 02、 铁回收率 65. 83的选别指标［6 ］。2014 年， 该公司在试验厂基础上按相同工艺建设的年处理量 300 万 t 的选矿厂顺利投产。 解琳 ［7 ］针对国内某鲕状赤铁矿矿物成分复杂、 嵌布粒度细等特点， 采用强磁选絮凝脱泥反浮选 工艺 流 程 进 行 选 矿 试 验，最 终 获 得 了 铁 品 位 56. 42、 铁回收率 65. 89 的铁精矿， 且铁精矿中的 磷含量降低至 0. 097。 朱林英 ［8 ］针对通道赤铁矿矿石必须磨至 － 19 μm 才能单体解离的特点， 对强磁选精矿进行 5 次选 择性絮凝脱泥后再反浮选， 最终获得了精矿铁品位为 62. 60、 铁回收率为 64. 47 以及尾矿铁品位为 13. 22的试验指标。 1. 2选择性絮凝磁选工艺 相对于絮凝后浮选所涉及的复杂的影响因素和 较苛刻的操作条件等， 磁选在工艺过程和设备方面具 有较显著的优势。另外， 研究表明， 在矿物表面覆盖 0. 01 ～0. 1 的磁性粒子即可改变矿物表面的磁 性， 因此通过改变矿物表面的磁化性质来提高弱磁性 铁矿物的分选效果是一个值得重视的研究方向。 陈雯 ［9 ］在对某地褐铁矿矿石的选矿试验中发 现， 直接磁选时，－30 μm 的微细粒铁矿物容易流失 到尾矿中无法回收， 而采用絮凝磁选工艺后， 在精 矿铁品位不变的情况下， 铁回收率可比原工艺提高 10 ～15 个百分点。分析其原因， 主要是由于微细粒 铁矿物经絮凝后粒度变大而得到了有效的回收。 马鞍山矿山研究院对江西某褐铁矿矿石进行了 选矿试验， 结果表明， 与采用其他常规工艺流程相比， 采用选择性絮凝强磁选工艺可在精矿铁品位相近 的情况下， 使铁回收率提高 8 个百分点以上。 河北宣钢鲕状赤铁矿矿石铁矿物嵌布粒度极细， 经常规强磁选反浮选后， 尾矿的铁品位和铁损失率 分别高达 37. 55和 46. 81。孙达对该尾矿进行 1 次絮 凝 强 磁 粗 选 和 1 次 扫 选，可 获 得 品 位 为 56. 07、 回收率为 60. 44 的铁精矿， 从而使损失于 尾矿中的微细粒铁矿物得到了有效的回收［3 ］。 郭宇峰 ［10 ］对某镍冶金渣进行了选择性絮凝磁 选试验研究。该渣中磁铁矿的嵌布粒度极细， 采用常 规的物理选矿方法无法对其进行有效的回收。试验 以油酸为选择性絮凝剂、 碳酸钠为分散剂将微细粒磁 铁矿絮凝， 然后在 159. 2 kA/m 磁场强度下进行弱磁 选， 可获得品位为 56. 68、 回收率为 81. 72 的铁精 矿。 S. 宋 ［11 ］采用絮团磁选法处理某细粒赤铁矿矿 石， 获得了铁品位为 64的高品质铁精矿， 且铁回收 率达 82。 柏少军 ［12 ］将含铁 43. 75、 含磷 0. 92 的某高 磷褐铁矿矿石钠化还原焙烧后， 采用自制的磁絮凝分 选柱进行分选， 获得了铁品位为 69. 87、 磷含量为 0. 28的铁精矿， 与采用磁选管分选相比， 铁精矿铁 品位提高 4. 45 个百分点， 磷含量降低 0. 22 个百分 点。 伍喜庆［13 ］用空气氧化法在矿浆中生成 Fe3O4粒 子以磁化赤铁矿表面， 使赤铁矿的磁选回收率由未磁 化时的 68. 0提高到了 95. 2。 河北联合大学研究发现， 利用纳米磁性粒子对赤 铁矿进行表面磁化处理可大大提高赤铁矿的磁选回 收率， 其中矿浆 pH 值是影响磁化效果的重要因素。 1. 3絮凝脱泥工艺 微细矿物颗粒絮凝后可在一定程度上增加其有 效分选粒径， 但形成的絮团往往会受到后续浮选、 磁 选过程的影响而被破坏， 从而造成絮凝失效。研究表 明， 对铁矿物嵌布粒度极细或含泥较多的铁矿石， 当 后续分选条件要求比较苛刻的时候， 直接进行絮凝脱 泥也是一种有效的方法。 刘安荣 ［14 ］针对某高铝高硅赤铁矿矿石进行了选 择性絮凝试验研究， 结果表明， 在磨矿细度为 － 325 目占 88、 矿浆 pH 值为 9、 水玻璃用量为 90 g/t、 改 性聚丙酰烯胺用量为300 g/t 的条件下， 经絮凝沉降， 可获得品位为 54. 40、 回收率为 71. 16的铁精矿。 某铁矿石中赤铁矿和磁铁矿的嵌布粒度分别为 5 ～10 μm 和20 ～200 μm。Algoma 公司对该矿石进 行了选择性絮凝研究， 结果表明， 将原矿磨至 － 37 μm 占 94后进行一段絮凝脱泥， 所得粗精矿再磨矿 至 －10 μm 占 80 后进行二段絮凝脱泥， 可获得品 位为 65、 回收率为 74的最终铁精矿［2 ］。 白云鄂博共伴生矿反浮选尾矿中铁含量高 28 ～30 ， 但铁矿物解离程度低。北京矿冶研 68 总第 462 期金属矿山2014 年第 12 期 究总院等单位采用细磨至 － 325 目后连续进行 4 次 选择性絮凝脱泥的工艺流程， 从该尾矿中获得了品位 为 60 ～64、 回收率为 77 ～80的铁精矿。 杨慧芬 ［15 ］介绍了美国学者关于赤铁矿和石英在 草分枝杆菌体系中絮凝行为差异的研究成果。该研 究发现， 在合适的条件下， 草分枝杆菌只对赤铁矿有 絮凝作用而对石英无絮凝作用， 由此可实现赤铁矿与 石英的选择性分离。 2微细粒铁矿物絮凝分选影响因素研究进展 2. 1分散剂 只有使脉石矿物高度分散， 才能实现目的矿物的 选择性絮凝聚集 ［16 ］。添加化学分散药剂是实现矿浆 充分分散的常用方法。虽然强烈机械搅拌和超声波 分散等物理方法效果也比较好， 但限于能耗和复杂的 操作条件， 工业应用不多。 陈淼等 ［17 ］研究了 3 种分散剂六偏磷酸钠、 水玻 璃、 多聚磷酸钠对微细粒赤铁矿和石英分散行为的影 响， 结果表明 六偏磷酸钠对石英的分散效果最好。 在自然 pH 下， 六偏磷酸钠用量达到 50 mg/L 时， 可 使石英的沉降率降到 40 以下， 而此时赤铁矿的沉 降率超过 90。 也有研究认为， 六偏磷酸钠虽然具有良好的分散 作用， 但同时会阻碍聚丙烯酞胺对铁矿物的絮凝作 用， 而高模数的水玻璃是铁矿石 主要脉石为石英 选择性絮凝脱泥过程的良好分散剂。 2. 2絮凝剂 不同于水处理或其他领域， 应用于矿物分选的絮 凝剂要求其本身或在一定条件下对目的矿物具有选 择性， 这也是矿物絮凝剂的发展方向。 蒂尔登选矿厂在大量探索的基础上， 采用木薯淀 粉作为选择性絮凝剂， 去除了原矿中 15 ～ 30 的 细粒矿泥， 而铁矿物只损失了 5， 其关键在于有效 地调节了矿物表面的电性， 为矿浆的良好分散及淀粉 在铁矿物表面的选择性吸附创造了条件［3 ］。祁东铁 矿采用腐殖酸盐作为选择性絮凝剂， 将铁精矿品位提 高了 7 ～10 个百分点， 同时回收率提高了 2 个百分 点。 李淮湘 ［2 ］为了提高絮凝剂的选择性， 制备出了 淀粉 － 丙烯酰胺的接枝聚合物。该絮凝剂与传统的 絮凝剂相比具有较强的选择性。通过吸附试验， 发现 该絮凝剂在赤铁矿表面的吸附量可达 55， 而在石 英表面的吸附量仅为 9左右。 2. 3钙镁离子 研究表明， Ca2 、 Ma2 极易形成氢氧化物而沉淀 在大部分矿物表面， 这将改变脉石矿物 石英和其他 硅酸盐矿物 的表面电位， 从而影响待分选铁矿物的 选择性聚团 ［18 ］。一般认为， 将矿浆 pH 提高到 11 左 右， 或采取六偏磷酸钠或三聚磷酸钠与硅酸钠联合使 用的方法， 可消除矿浆中 Ca2 、 Ma2 的影响; 如果 Ca2 、 Ma2 的浓度超过一定的范围＞20 10 －6 ， 则 必须预先进行水质处理。 2. 4流场特性 微细矿物颗粒的分散和选择性絮凝都是在流场 中进行的， 其分选效果很大程度上取决于二相或三相 流场的特性。 黄鹏 ［19 ］用 Fluent 软件对水力旋流器中的流场进 行了数值模拟分析， 揭示了流体的流场特性和颗粒的 运动规律， 指出适合的水力学特性可以改善微细矿物 颗粒的絮凝效果。 吴龙华 ［20 ］利用 DPIV 技术对往复隔板絮凝池中 的流场进行了测量， 不仅准确获得了絮凝池内的流场 结构特征， 也发现了通过改善流场特性提高絮凝效果 的方法。 除上述主要影响因素外， 絮团颗粒的大小、 变形、 破裂及与后续分选力的结合状态， 不同的分选工艺 磁选、 浮选、 水力分级等 ， 混有药剂的回水和矿浆 的温度等等， 也都会对絮凝分选效果造成不同程度的 影响 ［21- 22 ］。 3微细粒铁矿物絮凝分选技术发展方向 絮凝分选技术在微细粒铁矿物高效回收利用方 面虽然得到了一定程度的规模应用， 但其发展速度相 对于其他分选技术仍略显缓慢， 今后应加强以下几方 面的工作 1 分散和絮凝过程选择性研究。在改善和提 高微细粒矿物分散和絮凝的选择性方面， 专家学者们 已获得较多的研究成果。但由于地质成因不同， 即使 是同一种矿物， 在不同的矿石中也存在较大的性质差 异， 因此， 有针对性地进行分散和絮凝药剂分子设计、 差异强化复合力场开发和矿物表面改性等将会成为 分散和絮凝过程选择性研究的新方向。 2 絮凝分选过程流场特性研究。现有的流场 计算模型大部分是在层流条件下导出的， 无法表征复 杂的气、 固、 液三相流体结构特征。应用计算数学、 多 相流体力学、 传递原理等学科方法对微细粒铁矿物的 絮凝过程、 絮团与气泡的结合过程以及絮团的运动特 征等进行研究将具有重要意义。 3 高效絮凝分选工艺和设备研究。目前， 微细 粒铁矿物絮凝分选工艺的主要困难在于其效率低， 常 常要经过三四次甚至更多次数的选择性絮凝过程。 巨大的絮凝设备和作业的低效率对后续分选造成很 78 牛福生等 微细粒铁矿物絮凝分选技术研究现状和发展方向2014 年第 12 期 大的影响， 同时絮团分选时对设备的苛刻要求也限制 了絮凝分选工艺的更广泛应用。因此， 短流程絮凝分 选工艺、 分步絮凝工艺的研究及高效分散絮凝设备的 开发等将成为絮凝分选技术的发展方向。 参考文献 ［ 1］于洋， 牛福生， 吴根． 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