李麗匣，申帥平，袁致濤，王洪彬

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.攀鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室，四川 攀枝花 617063)

攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦是我國最重要的鈦資源產(chǎn)地，其鈦儲量占全國鈦資源的90.5%，占世界的35%[1]。攀鋼選鈦廠所處理的原料為釩鈦磁鐵礦選鐵后的尾礦，給礦粒度-74 μm含量達(dá)65%以上，其中-19 μm粒級中TiO2的分布率為30%以上[2]。選鈦廠的分選工藝為強磁-浮選流程，強磁分選作業(yè)和浮選作業(yè)對-38 μm粒級鈦鐵礦都無法有效回收。選鈦廠通過原礦濃縮、浮選前濃縮，將-38 μm粒級在強磁選、浮選前分離出去，保障選鈦作業(yè)的正常生產(chǎn)，但造成選鈦廠總回收率低、大量資源被浪費[3]。鈦精礦的TiO2品位可達(dá)47%以上[4]，但TiO2的回收率相對選鐵尾礦僅33%，而理論上的TiO2回收率為50%～60%[5]。磁選階段TiO2的作業(yè)回收率僅57%。因此，針對微細(xì)粒鈦鐵礦在磁選階段的損失機制展開研究，進(jìn)而提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，以提高鈦鐵礦總回收率。

選鈦給料中主要的脈石礦物為鈦輝石，本研究以攀枝花釩鈦磁鐵礦石為原料，分別制備鈦鐵礦、鈦輝石單礦物，采用礦物比磁化率表征不同粒級鈦鐵礦、鈦輝石的磁特性。在適宜外加磁場強度下，對不同粒級鈦鐵礦、鈦輝石的混合礦進(jìn)行磁力分選，并研究不同粒級鈦鐵礦在磁選過程中的受力機制，查明微細(xì)粒級鈦鐵礦在磁力分選過程中的損失原因。

1 試驗物料及試驗方法

1.1 試驗物料

制備鈦鐵礦和鈦輝石單礦物的礦樣取自攀枝花釩鈦磁鐵礦，原塊礦經(jīng)破碎篩分、磨礦、一段弱磁選、兩段強磁選、搖床多次分選處理后，分別得到鈦鐵礦和鈦輝石單礦物樣品。兩種單礦物樣品的化學(xué)組分分析結(jié)果見表1，X射線粉晶衍射(XRD)圖譜見圖1和圖2。

表1 鈦鐵礦、鈦輝石單礦物化學(xué)組分分析結(jié)果

圖1 鈦鐵礦單礦物XRD圖譜

圖2 鈦輝石單礦物X射線粉晶衍射

由表1可知，鈦鐵礦單礦物樣品中TiO2含量51.45%，鈦鐵礦的TiO2理論含量為52.66%，計算得所制鈦鐵礦單礦物的理論純度為97.70%。圖1中樣品的衍射峰基本為鈦鐵礦，表明所制備單礦物樣品滿足純礦物試驗要求。鈦輝石單礦物樣品中TiO2含量2.58%，由于鈦輝石是含鈦普通輝石-透輝石，沒有固定的化學(xué)式，鈦普通輝石中TiO2含量1%～5%。由圖2可知，鈦輝石單礦物樣品的XRD衍射峰主要為鈦輝石，純度達(dá)90%以上，符合單礦物樣品的純度要求，另含少量的綠泥石、斜長石、鈦鐵礦。對所制備的兩種單礦物進(jìn)行磨礦、篩分及水析分級，分別獲得-106+38 μm、-38+19 μm、-19+10 μm、-10 μm粒級的鈦鐵礦、鈦輝石單礦物樣品。

1.2 單礦物樣品磁性表征

采用比磁化率表征單礦物樣品的磁性，比磁化率的測定在Modl-7404振動樣品磁強計中進(jìn)行。磁強計的靈敏度優(yōu)于5×10-7emu，磁場強度調(diào)節(jié)范圍0～960 kA/m，磁場穩(wěn)定度優(yōu)于0.01%/3 min。根據(jù)試樣制備要求[6]，不同粒級鈦鐵礦、鈦輝石的測定質(zhì)量分別確定為30 mg、40 mg左右，試驗時外磁場強度變化過程為0 kA/m→800 kA/m，整個試驗過程中共選取40個測量點。

1.3 鈦鐵礦在不同粒級混合礦中的磁選行為

為了查找微細(xì)粒鈦鐵礦磁選過程損失的原因，研究不同粒級鈦輝石對鈦鐵礦磁選的影響，在接近實際分選給礦中鈦輝石含量的原則下，選擇-106+38 μm、-38+19 μm、-19+10 μm、-10 μm粒級的鈦輝石，分別與-106+38 μm、-38+19 μm、-19+10 μm、-10 μm粒級的鈦鐵礦，按質(zhì)量比1∶1進(jìn)行混合，制備16個混合礦樣品，并利用XCSQ-50×70濕式強磁選機進(jìn)行磁選試驗。磁選機分選箱尺寸50 mm×70 mm×220 mm，介質(zhì)為齒板介質(zhì)，齒距為2 mm，分選間隙為1.5 mm，磁場強度調(diào)節(jié)范圍0～1 840 kA/m。每次試驗混合礦用量為8 g，加水200 mL，攪拌3 min，給礦流量、中礦沖洗水流量、精礦沖洗水流量、分別為10 mL/s、5 mL/s、20 mL/s，對應(yīng)時間分別為20 s、5 s、20 s。

按照磁選機操作規(guī)程，設(shè)置不同的外加磁場強度條件(激磁電流)，依次進(jìn)行不同粒級混合礦的磁選試驗。對分選所得精礦、尾礦分別烘干、稱重，取樣化驗TiO2品位，按照式(2)計算精礦中FeTiO3的含量，根據(jù)式(3)計算FeTiO3的回收率。

x+y=100%

x×51.45%+y×2.58%=TiO2%

(1)

(2)

(3)

式中：x為鈦鐵礦礦物的含量，%；y為鈦輝石礦物的含量，%；TiO2%為磁選精礦TiO2品位，%；γ為鈦鐵礦的回收率，%；C為磁選給礦的質(zhì)量，g；F為磁選精礦的質(zhì)量，g；f為給礦中鈦鐵礦的含量，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粒級鈦鐵礦的磁性特征

采用比磁化率表征鈦鐵礦和鈦輝石單礦物的磁性。利用振動樣品磁強計測量4個粒級鈦鐵礦單礦物樣品比磁化率隨磁場強度的變化趨勢，結(jié)果見圖3。

圖3 不同粒級鈦鐵礦單礦物樣品比磁化率隨磁場強度的變化

由圖3可知，四個粒級的比磁化率隨外加磁場強度的變化規(guī)律一致，可以將磁場強度大體分為3個階段：當(dāng)磁場強度由0.09×102kA/m增加到0.29×102kA/m時，各粒級鈦鐵礦的比磁化率急劇增大；磁場強度在0.29～2.63×102kA/m之間時，各粒級鈦鐵礦比磁化率急劇減?。淮艌鰪姸壤^續(xù)增加到7.90×102kA/m，各粒級鈦鐵礦比磁化率緩慢減小，且與磁場強度呈線性減小關(guān)系。-106+38 μm粒級鈦鐵礦的比磁化率大于其他三個粒級，隨著粒度級別由-106+38 μm減小至-19+10 μm，比磁化率也隨之減小；當(dāng)粒級減小至-10 μm時，其比磁化率明顯小于其他粒級。另外，隨著磁場強度的增加，各粒級鈦鐵礦比磁化率差別呈減小趨勢。

2.2 不同粒級鈦輝石的磁性特征

由圖4可知，鈦輝石比磁化率與鈦鐵礦比磁化率的變化規(guī)律相似，即隨著磁場強度的增加，呈現(xiàn)先急劇增加，而后迅速減小、緩慢減小的趨勢。與鈦鐵礦相比，在外加磁場強度的增加過程中，每個鈦輝石粒級的比磁化率都小于相應(yīng)粒級鈦鐵礦的比磁化率，-106+38 μm粒級鈦輝石的最大比磁化率為1.73×10-6m3/kg，而相同粒級鈦鐵礦的最大比磁化率為3.63×10-6m3/kg；-10 μm粒級鈦輝石、鈦鐵礦在外加磁場強度增加過程中，最大比磁化率分別為0.96×10-6m3/kg、3.05×10-6m3/kg。隨著外加磁場強度的增加，各粒級鈦輝石的比磁化率穩(wěn)定在0.32×10-6～0.43×10-6m3/kg之間?？傮w而言，該鈦輝石單礦物也同時表現(xiàn)出強磁性礦物和弱磁性礦物的特點，鈦輝石單礦物樣品中同樣存在少量以高磁化率為特征的具有鐵磁性或亞鐵磁性的原子或分子。但是，鈦輝石相對于鈦鐵礦更表現(xiàn)為順磁性礦物特點。

圖4 不同粒級鈦輝石比磁化率隨磁場強度的變化

2.3 不同粒級鈦輝石對鈦鐵礦磁選的影響

根據(jù)條件試驗，確定了-106+38 μm、-38+19 μm、-19+10 μm、-10 μm粒級鈦鐵礦適宜分選的外加磁場強度分別為264 kA/m、592 kA/m、904 kA/m、1 192 kA/m。在各粒級鈦鐵礦適宜分選的外加磁場強度下，分別考察-106+38 μm、-38+19 μm、-19+10 μm、-10 μm粒級鈦輝石對以上各粒級鈦鐵礦磁選的影響。磁選精礦中鈦鐵礦含量及回收率分別見圖5和圖6。

圖5 鈦輝石粒度對鈦鐵礦含量的影響

圖6 鈦輝石粒度對鈦鐵礦回收率的影響

由圖5和圖6可知，在相同的鈦鐵礦粒級下，隨著混合礦中鈦輝石粒度的減小，磁選精礦中鈦鐵礦的含量呈增加趨勢。而隨著鈦鐵礦粒級的減小，精礦中鈦鐵礦含量受鈦輝石的影響越來越大。圖5鈦鐵礦含量的增加趨勢表明，當(dāng)鈦鐵礦粒級粗，而鈦輝石粒級細(xì)，精礦中鈦鐵礦的含量就越高。反之，當(dāng)鈦鐵礦粒度細(xì)，而鈦輝石粒度粗時，精礦中鈦鐵礦的含量就越低。因此，-10 μm鈦鐵礦和-106+38 μm鈦輝石的混合礦，磁選精礦的鈦鐵礦含量最低，為30.64%，對應(yīng)圖6中鈦鐵礦回收率也最低，為36.58%。與不同粒級鈦輝石對-106+38 μm、-38+19 μm、-19+10 μm粒級鈦鐵礦混合礦磁選精礦比較，對-10 μm鈦鐵礦粒級，精礦中的鈦鐵礦含量、回收率總體偏低。隨著混合礦中鈦輝石粒度減小，磁選精礦中鈦鐵礦的含量逐漸增加，鈦鐵礦的回收率增大后維持穩(wěn)定，當(dāng)鈦輝石的粒度減小至-10 μm時，精礦中鈦鐵礦的含量為68.99%，鈦鐵礦的回收率為41.54%，說明對于-10 μm鈦鐵礦和-10 μm鈦輝石的混合礦，采用傳統(tǒng)的磁選設(shè)備不能實現(xiàn)有效分離。

由圖6可知，-38+19 μm鈦鐵礦與各粒級鈦輝石的混合礦，所獲得的磁選精礦中鈦鐵礦回收率最高，均高于90%，對應(yīng)圖5中相應(yīng)混合礦的精礦鈦鐵礦含量，當(dāng)鈦輝石的粒級為-19+10 μm、-10 μm時，可以獲得鈦鐵礦含量分別為84.54%、93.12%的磁選精礦。

綜合圖5和圖6的結(jié)果可知，細(xì)粒級鈦輝石對粗粒鈦鐵礦磁選精礦中鈦鐵礦含量影響很大，而磁選精礦中鈦鐵礦的回收率主要受鈦鐵礦自身粒度的影響。綜合磁選精礦的鈦鐵礦含量和回收率兩個指標(biāo)，選別效果最好的是-38+19 μm鈦鐵礦與-10 μm鈦輝石的混合礦，磁選精礦鈦鐵礦含量為93.12%、回收率為90.50%；選別效果最差的是-10 μm鈦鐵礦和-106+38 μm鈦輝石的混合礦，鈦鐵礦含量和回收率分別為30.64%和36.58%。

2.4 不同粒級鈦鐵礦在磁力分選過程中的受力機制分析

為了進(jìn)一步研究鈦鐵礦、鈦輝石混合礦磁力分選結(jié)果的內(nèi)在機制，對不同粒級鈦鐵礦、鈦輝石在磁選過程中的受力進(jìn)行分析。本試驗磁選機工作區(qū)2h=0.0015 m，l=0.22 m，鈦鐵礦的密度4.3×103kg/m3，鈦輝石密度2.9×103kg/m3。隨著礦物粒度的減小，其干擾沉降速度逐漸減小，鈦鐵礦顆粒的豎向運動速度主要由流體運動速度決定，礦漿垂直流速v0=0.5 m/s。礦物顆粒從給礦槽給入磁選機的分選工作區(qū)后，顆粒被磁力吸引并向聚磁介質(zhì)靠近，其運動軌跡見圖7。

圖7 礦物顆粒在磁選區(qū)中的運動

作用在單位質(zhì)量顆粒上的機械力有：顆粒有效重力G；所受到的磁力Fm；沿磁力方向運動時所受到的比阻力R(對于微細(xì)礦粒，此力是斯托克斯阻力，為流體黏度、顆粒粒度、密度、運動速度形成的沿運動方向的阻力)[7]。

1) 顆粒在水介質(zhì)中的有效重力G的計算公式見式(4)。

(4)

式中：δ為顆粒的密度，kg/m3；ρ為水的密度，1.0 kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

2) 顆粒沿磁力方向運動時所受到的比阻力R的計算公式見式(5)。

(5)

(6)

由式(5)和式(6)可得式(7)。

(7)

式(5)～(7)中：v1為顆粒離開分選作業(yè)區(qū)時的水平方向分速度，m/s；μ為水的黏度，1.0×10-3Pa·s;d為顆粒的平均粒度，m；v2為顆粒進(jìn)入分選作業(yè)區(qū)時的水流速度，即0.5 m/s；l為圖7中分選區(qū)的高度，0.22 m；h為圖7中從分選中心到介質(zhì)的距離，即0.00075 m；t為顆粒通過分選區(qū)的時間，s。

3) 使單位質(zhì)量顆粒沿水平方向運動具有速度v2時所需要的合力計算公式見式(8)。

(8)

礦粒在磁選工作區(qū)被回收的必要條件為礦粒被吸引到聚磁介質(zhì)上。如圖7所示，當(dāng)?shù)V粒朝磁介質(zhì)板運動時，磁力Fm與介質(zhì)阻力R相反，并且合力Fτ朝向磁介質(zhì)。重力G的方向與磁力和介質(zhì)阻力方向相互垂直，式(8)中顆粒豎直方向的速度v2由水流速度決定，等于水流的速度v0。因此，由式(7)和式(8)可推導(dǎo)出從磁選機中分離所需的比磁力大小Fm，見式(9)。

(9)

在磁力分選過程中，單位質(zhì)量礦物顆粒所受到的磁力大小見式(10)[7]。

Fm=μ0χ0H0gradH0

(10)

由式(7)可知，隨著礦物顆粒的減小，水介質(zhì)對礦物顆粒的阻力增大。鈦鐵礦的顆粒密度為4.3×103kg/m3，鈦輝石的密度為2.9×103kg/m3，利用式(7)可分別計算得到不同粒級鈦鐵礦、鈦輝石在磁選中所受到的比阻力，結(jié)果見圖8。

由圖8可知，由于鈦輝石的密度小于鈦鐵礦密度，相應(yīng)粒級的鈦輝石所受比阻力大于鈦鐵礦的比阻力。隨著顆粒粒度的減小，兩者在流體中所受的比阻力急劇增加，對于-106+38 μm粒級鈦鐵礦、鈦輝石單礦物顆粒，所受到的比阻力分別為2.75 N/kg、4.09 N/kg，而對于-10 μm粒級，兩者所受的比阻力增加至570.82 N/kg、846.40 N/kg，阻力各自增大了約207倍。

圖8 鈦鐵礦、鈦輝石顆粒在磁選中所受的比阻力

圖9 各粒級鈦鐵礦和鈦輝石所需的最小磁場力

由圖9可知，回收不同粒級鈦鐵礦所需要的磁場力差別很大，隨著鈦鐵礦粒度的減小，實現(xiàn)磁選分離所需要的磁場力增加。當(dāng)鈦鐵礦粒度由-106+38 μm減小到-19+10 μm時，回收鈦鐵礦所需的磁場力由1.09×1012A2/m3增大到36.52×1012A2/m3，而當(dāng)粒度減小至-10 μm時，磁場力急劇增大到324.63×1012A2/m3，較之-106+38 μm所需磁場力增大了近297倍。由圖8和圖9可知，-10 μm粒級鈦鐵礦磁選所需要的磁場力高，而受到的比阻力大，這是微細(xì)粒級鈦鐵礦在磁選過程中損失的主要原因。

此外，根據(jù)圖9中各粒級鈦鐵礦和鈦輝石所需的磁場力，可分析圖5和圖6混合礦的磁選指標(biāo)。由圖5和圖9可知，鈦鐵礦和鈦輝石所需磁場力差異的大小，決定磁選精礦中鈦鐵礦的含量。在-106+38 μm鈦鐵礦和-10 μm鈦輝石的混合礦中，鈦鐵礦所需的最小磁場力僅為1.09×1012A2/m3，而鈦輝石所需的磁場力為1 123.15×1012A2/m3，因此所獲得的磁選精礦中鈦鐵礦的含量最高。而對于-10 μm鈦鐵礦和-106+38 μm鈦輝石的混合礦，兩者所需的最小磁場力分別為324.63 A2/m3、7.57 A2/m3，磁選精礦中鈦鐵礦的含量最低。

結(jié)合圖6和圖9可知，鈦鐵礦的磁選回收率主要受鈦鐵礦粒度的影響，即不同粒級鈦鐵礦的磁選回收率主要由所需的磁場力決定，所需磁場力最大的-10 μm鈦鐵礦的回收率最低。但是，鈦鐵礦的回收率還受到磁介質(zhì)吸附面積的影響。由于磁介質(zhì)吸附面積所限，粗粒級鈦鐵礦吸附到磁介質(zhì)表面后，影響了磁介質(zhì)表面對更多鈦鐵礦的吸附，進(jìn)而影響到鈦鐵礦的回收率。因此，即使粒度最粗的-106+38 μm所需要的磁場力小，磁選精礦的鈦鐵礦含量最高，但由于其對磁介質(zhì)表面的覆蓋，其回收率相對于-38+19 μm粒級的回收率反而有所下降。

綜上所述，微細(xì)粒鈦鐵礦在分選過程中受到的比阻力大是造成其回收率偏低的主要原因，其需要更高的磁場力才能得到有效回收。因此，要實現(xiàn)微細(xì)粒級鈦鐵礦在磁選階段的有效回收，可以選用磁場力更高的高梯度磁選機，比如超導(dǎo)磁選機，或者降低顆粒所需的磁場力，即增大顆粒的體積，比如形成磁聚團(tuán)。

另外，從源頭上解決鈦鐵礦的泥化問題，降低鈦輝石在鈦鐵礦中的混雜，是提高鈦鐵礦磁選回收率的根本途徑。選鈦廠的原料為選鐵流程的尾礦，其中一段磨選尾礦量約占選鐵總尾礦的85%，二段磨選尾礦量約占總尾礦的15%。因釩鈦磁鐵礦(莫氏硬度5.5～6)、鈦鐵礦(莫氏硬度5.5～6)與鈦輝石(莫氏硬度6.75～7.0)嵌布粒度和硬度的差異[1,8]，這種“先選鐵、后選鈦”的以回收鐵為主、鈦為輔的流程造成鈦鐵礦的過磨、泥化。為減少鈦鐵礦過磨泥化，從工藝上來說，可適當(dāng)將一段磨選粒度放粗、提高二段磨選量；從磨礦過程來說，可以在磨礦過程中添加助磨劑，進(jìn)行選擇性磨礦，減少或避免鈦鐵礦的泥化問題。

3 結(jié) 論

1) 隨著外加磁場強度增加，各粒級鈦鐵礦的比磁化率趨近于1.40×10-6～1.50×10-6m3/kg，鈦輝石趨近于0.32×10-6～0.43×10-6m3/kg。

2) 細(xì)粒鈦鐵礦需要的磁場力大，而常規(guī)高梯度強磁選機不能滿足要求，這是微細(xì)粒級鈦鐵礦磁選過程損失的主要原因。鈦鐵礦的磁選回收率主要受鈦鐵礦粒度的影響，而磁選精礦中鈦鐵礦的含量主要由鈦鐵礦和鈦輝石所需磁場力的差異大小決定。

3) 若要提高選鈦流程中磁選階段鈦鐵礦的回收率，可以在強磁選作業(yè)前設(shè)置分級作業(yè)，進(jìn)行分級磁選，即將粗粒物料在常規(guī)高梯度磁選機中進(jìn)行磁選，而將微細(xì)粒的鈦鐵礦在磁場力高的強磁選機中進(jìn)行，比如采用適合微細(xì)粒弱磁性礦物分選的超導(dǎo)磁選設(shè)備，也可以采取措施將微細(xì)粒的鈦鐵礦通過磁團(tuán)聚形成大顆粒的聚團(tuán)，減小所需要的磁場力，實現(xiàn)分選。

4) 攀鋼“先選鐵、后選鈦”的流程，由于鈦鐵礦與鈦輝石存在硬度差異，造成了鈦鐵礦的過磨、泥化，可采取放粗一段磨礦細(xì)度、選擇性磨礦措施，從而有效解決由于鈦鐵礦泥化而造成的鈦鐵礦回收率低的問題。