李國峰，王澤紅，徐 昌，王 懷

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110004)

我國鮞狀赤鐵礦資源豐富，廣泛分布于湖北、河北、湖南、云南、四川等省[1]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明[2-3]，現(xiàn)已探明儲量達(dá)37.2億t，占我國鐵礦資源總儲量的10%，占赤鐵礦儲量的30%。雖然儲量豐富，但目前該類型鐵礦石沒有得到工業(yè)化開發(fā)利用[4]。原因在于鮞狀赤鐵礦嵌布粒度極細(xì)，要想實(shí)現(xiàn)礦物間的單體解離，則必須磨至粒徑為20μm以下甚至幾個μm[5]。實(shí)際磨礦過程中，通過延長磨礦時間來獲得較細(xì)產(chǎn)品粒度的方法并不可取，將導(dǎo)致磨機(jī)單位能耗升高且單位時間生產(chǎn)能力降低。

應(yīng)用助磨劑可在不增加任何設(shè)備、不改變現(xiàn)有生產(chǎn)流程的前提下，改善物料的可磨性，提高磨礦效率、降低能耗和鋼耗，是企業(yè)降本增效的有效措施之一[6-7]。助磨劑在水泥行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛、發(fā)展迅速，然而在鐵礦行業(yè)的磨礦作業(yè)中使用的較少，技術(shù)也不成熟[5]。本研究為助磨劑在鐵礦磨礦中的應(yīng)用提供了借鑒。

1 試驗(yàn)原料、設(shè)備及藥劑

1.1 試驗(yàn)原料

本試驗(yàn)所用原料為鄂西高磷鮞狀赤鐵礦，主要含鐵礦物為赤鐵礦、褐鐵礦等，主要脈石礦物為石英、鮞綠泥石、膠磷礦、白云石等。原礦化學(xué)組成如表1所示。試樣經(jīng)顎式破碎機(jī)粗碎、對輥破碎機(jī)細(xì)碎至全部通過2.0mm篩孔,d50為0.4mm。

表1 原礦化學(xué)組成/%

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及藥劑

試驗(yàn)?zāi)C(jī)采用φ100mm×150mm的球磨機(jī)，有效容積1.18L。

試驗(yàn)所用助磨劑包括六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉和Z-164D。六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉均為分析純，沈陽東興試劑廠生產(chǎn)；Z-164D為液態(tài)分散劑，工業(yè)品級，營口康如科技有限公司生產(chǎn)。

2 磨礦參數(shù)優(yōu)化

2.1 鋼球配比試驗(yàn)

將原料篩分為-2.0mm+1.0mm、-1.0mm+0.5mm和-0.5mm三個窄粒級，分別采用不同直徑的鋼球進(jìn)行試驗(yàn)，以確定各窄粒級適宜的磨礦介質(zhì)直徑，并按原料粒度組成，利用“線性疊加原理”確定適宜磨礦介質(zhì)配比[8]。試驗(yàn)結(jié)果表明，各窄粒級適宜的鋼球直徑分別為φ25mm、φ20mm和φ15mm；適宜的鋼球質(zhì)量配比為φ25∶φ20∶φ15=28%∶30%∶42%。

2.2 磨礦濃度試驗(yàn)

保持其他條件不變，磨礦產(chǎn)品中-0.074mm粒級含量隨磨礦濃度變化關(guān)系如圖1所示。由圖1可以看出，磨礦濃度由65%提高到70%時，產(chǎn)品中-0.074mm粒級含量有所提高，當(dāng)磨礦濃度進(jìn)一步提高時，產(chǎn)品中-0.074mm粒級含量急劇下降，磨礦濃度為70%時最佳。

圖1 磨礦產(chǎn)品中-0.074mm粒級含量與磨礦濃度的關(guān)系

2.3 料球比試驗(yàn)

保持其他條件不變，磨礦產(chǎn)品中新生成-0.074mm粒級量隨料球比變化關(guān)系如圖2所示。磨礦產(chǎn)品中新生成-0.074mm量是指單位時間、單位有效容積下新生成的-0.074mm粒級的量。由圖2可以看出，適宜的料球比為0.8，此時磨礦效果最佳。

圖2 新生成-0.074mm粒級量與料球比的關(guān)系

2.4 介質(zhì)充填率試驗(yàn)

其它條件不變時，磨礦產(chǎn)品中-0.074mm粒級含量隨介質(zhì)充填率變化關(guān)系如圖3所示。由圖3可見，充填率為30%和35%時，磨礦產(chǎn)品中-0.074mm粒級含量變化不大，但隨介質(zhì)充填率進(jìn)一步增大，磨礦產(chǎn)品中-0.074mm粒級含量急劇減少?？紤]到充填率為35%時，磨礦產(chǎn)品的絕對產(chǎn)量較大，確定適宜的磨礦介質(zhì)充填率為35%。

圖3 磨礦產(chǎn)品中-0.074mm粒級含量與充填率的關(guān)系

磨礦參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)定的磨礦時間均為40min，最終確定的最佳試驗(yàn)條件為：鋼球質(zhì)量配比為φ25∶φ20∶φ15=28%∶30%∶42%，磨礦濃度為70%，料球比為0.8，介質(zhì)充填率為35%。此時，磨礦產(chǎn)品中-0.074mm粒級的含量為86.91%。

3 助磨劑試驗(yàn)

在前文所確定的最佳試驗(yàn)條件下，分別添加六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、Z-164D三種助磨劑，研究同種助磨劑不同用量時，磨礦效果的變化規(guī)律。由試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未加助磨劑時的磨礦效率已經(jīng)很高，助磨劑的作用效果并不明顯。因此，進(jìn)一步提高磨礦濃度至80%，考察三種助磨劑的助磨效果，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 三種助磨劑對鮞狀赤鐵礦磨礦效率的影響

由圖4可知，不添加助磨劑時，磨礦產(chǎn)品中-0.074mm粒級含量為57.38%。三種藥劑對鮞狀赤鐵礦磨礦效率的影響趨勢大體一致：開始加入助磨劑后，磨礦效率有顯著的提升；隨著藥劑用量的增加，磨礦效率在某點(diǎn)處出現(xiàn)峰值，助磨劑存在最佳用量；繼續(xù)加入助磨劑，磨礦效率小幅下降。但是，三種助磨劑的最加用量及對磨礦效果的改善程度不盡相同，六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、Z-164D用量為0.8%、0.8%和2%時磨礦效率最高，磨礦產(chǎn)品中-0.074mm粒級含量為87.63%，87.21%和87.53%，分別提高了30.25、29.83和30.15個百分點(diǎn)。但與不添加助磨劑時的最佳磨礦效果(此時，磨礦濃度70%)相比，產(chǎn)品中-0.074mm粒級含量僅分別提高了0.72、0.30和0.62個百分點(diǎn)。

4 助磨劑作用機(jī)理分析

六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、Z-164D雖然對鮞狀赤鐵礦的助磨效果不同，但其作用機(jī)理類似。以下以Z-164D為例，分析了助磨劑的作用機(jī)理。

4.1 助磨劑對礦漿黏度的影響

礦漿黏度與Z-164D用量關(guān)系變化如圖5所示。從圖5中可以看出，當(dāng)不添加Z-164D分散劑時，礦漿粘度最大，達(dá)到1423.05Pa·s。加入0.5%的Z-164D時，礦漿粘度急劇下降；當(dāng)Z-164D的加入量為2%時，礦漿粘度最低，為86.4 Pa·s。此后，進(jìn)步以增加Z-164D的加入量，礦漿粘度不在降低，并略有增大。

助磨劑能夠降低礦漿黏度，促進(jìn)顆粒分散，從而減少細(xì)粒包裹及團(tuán)聚，提高礦漿的流變性。將圖5與圖4相結(jié)合，可以看出，礦漿黏度的降低有利于提高磨礦產(chǎn)品中-0.074mm粒級含量，即提高磨礦效率，且礦漿黏度的變化與磨礦效率的變化高度一致?？梢砸姷?，降低礦漿黏度是助磨劑作用機(jī)理之一。

4.2 助磨劑對顆粒表面的影響

將0.18～0.043mm粒級磨礦產(chǎn)品放大1000倍，其表面形貌如圖6所示。由圖6可以看出，不添加助磨劑時，磨礦產(chǎn)品表面較為平整。添加Z-164D的磨礦產(chǎn)品，表面凹凸不平，有明顯的凹坑，說明顆粒在磨礦過程中受到了Z-164D的侵蝕，產(chǎn)生了裂縫和空隙。

圖5 礦漿黏度與Z-164D用量關(guān)系

圖6 鮞狀赤鐵礦磨礦產(chǎn)品放大1000倍時表面的SEM圖像

鮞狀赤鐵礦表面存在不飽和剩余鍵能，隨著礦粒粒度的減小，鍵能不斷累積，導(dǎo)致助磨劑分子自發(fā)地在礦粒表面發(fā)生化學(xué)吸附，以降低表面自由能。由格里菲斯定律可知，表面自由能的降低可以減少顆粒斷裂所需要的應(yīng)力。從顆粒斷裂過程來看,根據(jù)裂紋擴(kuò)展條件,助磨劑分子在新生表面的吸附可以減少裂紋擴(kuò)展所需的外應(yīng)力,阻止新生裂紋的重新閉合,促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展,進(jìn)而提高物料的易磨性[9]。圖7形象地說明了助磨劑的吸附能夠降低顆粒表面硬度。

圖7 助磨劑在礦物顆粒表面的作用

5 結(jié)論

1) 高磷鮞狀赤鐵礦嵌布關(guān)系復(fù)雜，結(jié)晶粒度微細(xì)，單體解離困難，磨礦難度大，采用助磨劑可有效提高其磨礦效率、降低其磨礦能耗。

2) 在相同磨礦條件下，當(dāng)磨礦濃度80%時，三種助磨劑在最佳用量時可使磨礦產(chǎn)品中-0.074mm粒級含量分別提高30.25百分點(diǎn)、29.83百分點(diǎn)和30.15個百分點(diǎn)；但與不添加助磨劑時的最佳磨礦效果(此時，磨礦濃度70%)相比，產(chǎn)品中-0.074mm粒級含量僅分別提高了0.72、0.30和0.62個百分點(diǎn)。

4) 助磨劑能夠改善礦漿流變性從而降低礦漿黏度，同時助磨劑對降低礦物顆粒表面硬度起一定作用，但助磨劑的作用機(jī)理仍值得進(jìn)一步研究。

[1] 《現(xiàn)代鐵礦石選礦》編委會.現(xiàn)代鐵礦石選礦[M].上冊.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2009:97.

[2] 張裕書,丁亞卓,龔文琪.寧鄉(xiāng)式鮞狀赤鐵礦選礦研究進(jìn)展[J].金屬礦山,2010(8):92-96.

[3] 韓躍新,孫永升,高鵬,等.高磷鮞狀赤鐵礦開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].金屬礦山,2012(3):1-5.

[4] 張錦瑞,胡力可,梁銀英,等.難選鮞狀赤鐵礦的研究利用現(xiàn)狀及展望[J].中國礦業(yè),2007,16(7):74-76.

[5] 李茂林,汪彬,朱曄,等.助磨劑對鄂西高磷鮞狀赤鐵礦磨礦的影響[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報,2011,34(2):93-95.

[6] 王澤紅,鄧善芝,于福家,等.聚丙烯酸鈉對鋁土礦粉磨效率的影響及其作用機(jī)理[J].金屬礦山,2011(11):103-106.

[7] 孫春寶,盧壽,慈唐海.大冶鐵礦銅鐵礦石助磨劑的研究[J].金屬礦山,2000(5):27-29.

[8] 劉蓮香,陳炳辰.磨礦過程的線性疊加原理及應(yīng)用[J].東北工學(xué)院學(xué)報,1989(59):216-219.

[9] 韓躍新,田蘭,王澤紅,等.助磨劑的作用及作用機(jī)理研究[J].有色礦冶,2004,20(1):11-13.