謝冬冬，侯英，蓋壯，黃貴臣，齊雙飛，徐冬林，韓呈，陳來保，朱巨建

(1.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧鞍山，114051；2.鞍鋼集團(tuán)鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧鞍山，114051；3.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司，遼寧鞍山，114001；4.鞍鋼集團(tuán)弓長嶺礦業(yè)公司，遼寧遼陽，111008；5.中鋼集團(tuán)安徽天源科技股份有限公司，安徽馬鞍山，243000)

助磨劑是一種提高研磨效率的添加劑。關(guān)于助磨劑的助磨作用機(jī)理，主要有吸附降低表面能假說、吸附對近表面位錯(cuò)遷移、以降低礦漿黏度為主導(dǎo)的流變學(xué)理論及綜合假說[1-3]。助磨劑在磨礦過程中的作用機(jī)理主要以兩大學(xué)派為主導(dǎo)，即吸附降低硬度學(xué)說及以降低礦漿黏度為主導(dǎo)的流變學(xué)理論。吳明珠[4]認(rèn)為助磨劑作用機(jī)理是上述兩種作用效果的疊加，粗磨時(shí)，吸附降低硬度學(xué)說起主導(dǎo)作用，宜用降低硬度型藥劑；細(xì)磨時(shí)，流變學(xué)理論占主導(dǎo)地位，宜用降低黏度型藥劑，較理想的助磨劑應(yīng)是既能降低硬度，又兼有降低礦漿黏度作用的藥劑。李國峰等[5]研究了六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、Z-164D 這3 種助磨劑對鮞狀赤鐵礦磨礦效率的影響；梁冰等[6]研究了檸檬酸對河北灤縣某赤鐵礦磨礦效率的影響；楊華明等[7]分析了六偏磷酸鈉與滑石粉的表面作用及吸附特性；孫春寶等[8]研究了DY-1#、DY-2#、多聚磷酸鈉、AMPC、馬來酐、木質(zhì)素磺酸鹽和聚丙烯酸鈉對大冶鐵礦銅鐵礦石磨礦效率的影響；謝志鵬等[9]研究了石灰、氫氧化鈉、六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、焦磷酸鈉、硅酸鈉、碳酸鈉對湖北某磁鐵礦礦石可磨性的影響；王澤紅等[10]研究了聚丙烯酸鈉對鋁土礦磨礦效率的影響；蔣恒等[11]研究了六偏磷酸鈉、三聚磷酸鈉、檸檬酸鈉、硅酸鈉對攀西某稀土礦磨礦效率的影響；劉天洋等[12]研究了油酸、三聚磷酸鈉、十二烷基硫酸鈉對承德壽王鐵礦磨礦效率的影響；徐冬林等[13]應(yīng)用正交篩選試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法篩選出對赤鐵礦石起主要作用的助磨劑，分別為六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉、氟硅酸鈉、羧甲基纖維素鈉(CMC)、NM-3、油酸鈉、乙酸銨。國內(nèi)外很多學(xué)者對助磨劑進(jìn)行了研究，研究方法都是采用單一助磨劑進(jìn)行條件試驗(yàn)，針對多種助磨劑協(xié)同作用方面的研究較少。本文作者研究六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉、氟硅酸鈉、CMC、NM-3、油酸鈉和乙酸銨對氧化鐵礦石的助磨效果，應(yīng)用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行助磨劑復(fù)配試驗(yàn)，找到添加助磨劑的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和配比，分析助磨劑對氧化鐵礦石磨礦動力學(xué)行為的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)礦樣和試驗(yàn)藥劑

本文采用的礦樣取自鞍鋼集團(tuán)鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司，礦樣為選礦廠具有代表性的球磨機(jī)給礦。應(yīng)用PE250×100 型顎式破碎機(jī)、PE60×100 型顎式破碎機(jī)和Φ60×100 型輥式破碎機(jī)將樣品閉路粉碎至粒徑小于3.200 mm。為了使試驗(yàn)過程中每次加入物料的粒度組成盡可能保持一致，將原料篩分為4個(gè)粒級：[2.000,3.200)mm，[l.000,2.000)mm，[0.400,1.000)mm和[0,0.400)mm。礦樣的粒度組成見圖1。根據(jù)圖1中各個(gè)粒級的分布情況可知，各個(gè)粒級物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9.03%，15.07%，25.01%和50.89%。

試驗(yàn)礦樣的物相分析結(jié)果如表1所示。

從物相分析結(jié)果可以看出：主要鐵礦物為磁鐵礦、假象半假象赤鐵礦和赤褐鐵礦，分布率分別為65.63%，12.74%和12.45%，硅酸鐵、碳酸鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。

圖1 礦樣的粒度組成Fig.1 Particle size composition of ore samples

表1 礦樣的物相分析Table1 Phase analysis of ore samples

試驗(yàn)藥劑為：油酸鈉，純度≥97%；乙酸銨，分析純；焦磷酸鈉，分析純；六偏磷酸鈉，分析純；羧甲基纖維素鈉(CMC)，黏度為：1 000～1 400 mPa·s，USP 級；氟硅酸鈉，分析純；均采購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。NM-3為有機(jī)助磨劑，取自弓長嶺選礦廠。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法

磨礦試驗(yàn)采用武漢探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的XMQФ240×90 型球磨機(jī)，充填率φ為22.36%，磨機(jī)轉(zhuǎn)速n為100 r/min，磨機(jī)容積V為6.25 L。用電子天平稱取礦樣500.0 g，磨礦礦樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，用量筒量取214.0 mL水；先加入總水量的1/3，然后加入物料，再加入一定原礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的助磨劑，最后加入剩余水量；開啟球磨機(jī)，到達(dá)設(shè)定的磨礦時(shí)間后停機(jī)，將磨礦產(chǎn)品從球磨機(jī)內(nèi)倒出后應(yīng)用篩子進(jìn)行濕篩，篩后產(chǎn)品用干燥箱烘干，溫度控制在100 ℃，烘干后稱質(zhì)量；計(jì)算產(chǎn)品中各個(gè)粒級的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 助磨劑用量及配比試驗(yàn)結(jié)果與討論

在磨礦質(zhì)量濃度為70%，磨礦時(shí)間為3 min，添加NM-3、油酸鈉、六偏磷酸鈉、氟硅酸鈉、乙酸銨和羧甲基纖維素鈉(CMC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.05%，0.10%，0.20%，0.30%，0.40%和0.50%情況下進(jìn)行磨礦試驗(yàn)，考察助磨劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對磨礦效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 助磨劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對磨礦效果的影響Fig.2 Influence of grinding aids mass fractions on grinding

由圖2可知：無機(jī)助磨劑中焦磷酸鈉和乙酸銨的助磨效果較好，有機(jī)助磨劑中NM-3的助磨效果較好。添加NM-3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、添加焦磷酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、添加乙酸銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)磨礦產(chǎn)品中粒徑小于0.074 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為65.62%，64.52%和63.64%。徐冬林等[14]應(yīng)用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究NM-3、焦磷酸鈉和乙酸銨配比對氧化鐵礦石助磨效果的影響，發(fā)現(xiàn)同時(shí)加入NM-3、乙酸銨和焦磷酸鈉會惡化磨礦效果，加入NM-3 和乙酸銨或者NM-3 和焦磷酸鈉會改善磨礦效果，加入NM-3和乙酸銨對氧化鐵礦石的助磨效果要好于加入NM-3和焦磷酸鈉的助磨效果。本文基于上述研究結(jié)果，論述NM-3和乙酸銨配比對氧化鐵礦石磨礦效果的影響。

應(yīng)用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究NM-3和乙酸銨的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和配比，測定磨礦產(chǎn)品中粒徑小于0.074 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)。添加NM-3和乙酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～0.5%，每隔0.02%取1個(gè)水平，選用U25(259)均勻表安排試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示[15]。

SPSS(statistical product and service solutions)為“統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案”軟件，是IBM公司推出的一系列用于統(tǒng)計(jì)學(xué)分析運(yùn)算、數(shù)據(jù)挖掘、預(yù)測分析和決策支持任務(wù)的軟件產(chǎn)品及相關(guān)服務(wù)的總稱。針對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS19.0 對其進(jìn)行回歸分析，A，B，A2，B2和A×B為自變量(其中A和B分別為NM-3 和乙酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù))，粒徑小于0.074 mm 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)Y為因變量，回歸分析結(jié)果分別如表3和表4所示。

由表3可以看出：回歸方程的顯著性概率p=0，小于0.05，說明回歸方程高度顯著，可以由參與回歸的因素對結(jié)果進(jìn)行解釋，建立回歸方程。

由表4可以看出：所有回歸分析因素的顯著性概率都小于0.05，都為對Y起顯著影響作用的因素。由此可以得Y與助磨劑用量之間的回歸方程為

根據(jù)回歸方程確定助磨劑與磨礦效果之間的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，NM-3 和乙酸銨同時(shí)使用有最佳的用量范圍，選取最佳用量范圍的中心點(diǎn)，確定添加NM-3和乙酸銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為原礦質(zhì)量的0.30%和0.13%，磨礦產(chǎn)品中粒徑小于0.074 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于68%，與不添加助磨劑相比，磨礦產(chǎn)品中粒徑小于0.074 mm 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高幅度大于8%。

表2 U25(259)均勻表及試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table2 U25(259)uniform table and test data

表3 均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方差分析Table3 Anova of uniform design

表4 均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)回歸系數(shù)Table4 Coefficients of uniform design

2.2 助磨劑對氧化鐵礦石磨礦動力學(xué)的影響

磨礦動力學(xué)是指被磨物料的磨碎速率與磨礦時(shí)間的關(guān)系。假定磨礦速度(粗級別物料質(zhì)量減少的速度)與該瞬間磨機(jī)中未磨好的粗粒級物料質(zhì)量成正比[16]，根據(jù)這個(gè)假設(shè)可以得出下列關(guān)系式：

式中：R為經(jīng)過時(shí)間t后粗級別殘留物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；t為磨礦時(shí)間，min；k為比例系數(shù)，決定于磨礦條件；負(fù)號表示粗級別物料減少。

在很多情況下，m階動力學(xué)方程更符合實(shí)際情況：

式中：R0為被磨物料中粗級別的原始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在磨礦開始時(shí)，t=0，R=R0；m為磨礦動力學(xué)的階數(shù)，當(dāng)m=0 時(shí)稱為0 階動力學(xué)；當(dāng)m=1 時(shí)稱為一階動力學(xué)。

圖3 助磨劑對氧化鐵礦石磨礦效果的影響Fig.3 Influence of grinding aids on grinding of oxidized iron ore

對磨礦動力學(xué)方程中的參數(shù)m和k分別求偏導(dǎo)數(shù)得：

若參數(shù)m對R減少的影響大于k對R減少的影響，則：

由式(5)可得

上述分析說明：在t＞＞e1/k時(shí)，m對R減少的影響起主要作用，m越大，磨礦速度越快；在1≤t＜＜e1/k時(shí)，k對R減少的影響起主要的作用，k越大，磨礦速度越快，m越大，磨礦速度越快；在0＜t＜1時(shí)，k對R減少的影響起主要的作用，k越大，磨礦速度越快，m越小，磨礦速度越快，t=e1/k定義為磨礦特性分界時(shí)間[17]。

針對氧化鐵礦石添加助磨劑NM-3和乙酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%和0.13%與不添加助磨劑的分批磨礦結(jié)果，應(yīng)用回歸分析的方法建立磨礦動力學(xué)方程[18]，獲得的磨礦動力學(xué)結(jié)果如表5所示。

由表5可知：[2.000，3.200)mm，[1.250，2.000)mm和[1.000，1.250)mm粒級的k添＞k不添，同時(shí)m添＜m不添，說明添加助磨劑的磨礦顆粒速度大于不添加助磨劑的磨礦速度。

試驗(yàn)中的磨礦時(shí)間為3 min，在粒徑小于1.0 mm 各個(gè)粒級所對應(yīng)的磨礦特性分界時(shí)間(e1/k)下，t＜e1/k，k對R減少的影響起主要的作用，k越大，磨礦速度越快，k添＞k不添，同樣說明添加助磨劑的磨礦速度大于不添加助磨劑的磨礦速度。

考慮粒度d為[0.074～0.100)mm，不添加助磨劑的磨礦動力學(xué)參數(shù)k不添=0.198，e1/k不添=156.101 min，添加助磨劑的磨礦動力學(xué)參數(shù)k添=0.296，e1/k添=29.323 min，試驗(yàn)中的磨礦時(shí)間范圍為3 min，可見磨礦時(shí)間t＜＜e1/k，k對R減少的影響起主要作用，k越大，R越小，R減少得越多，磨礦速度越快，磨礦效果越好。添加助磨劑的各個(gè)粒級的磨礦動力學(xué)參數(shù)k添都顯著大于不添加助磨劑時(shí)的k不添，說明添加助磨劑的各個(gè)粒級的磨礦效果均好于不添加助磨劑的磨礦效果。

[2.0， 3.2)mm 粒 級 的k添比k不添大0.322；[0.038，0.056)mm 粒級的k添比k不添大0.097，隨著粒度的減小，k添與k不添的差值逐漸減小。上述結(jié)果說明粒度越大，添加助磨劑與不添加助磨劑的磨礦速度差值越大，吳明珠[4]認(rèn)為粗磨時(shí)，吸附降低硬度學(xué)說起主導(dǎo)作用，宜用降低硬度型藥劑，添加NM-3和乙酸銨起到了降低硬度的效果。上述結(jié)果同時(shí)說明粒度越小，添加助磨劑與不添加助磨劑的磨礦速度差值逐漸減小，雖然差值逐漸減少，但添加助磨劑的各個(gè)粒級磨礦速度均比不添加助磨劑時(shí)的大，說明細(xì)磨時(shí)，流變學(xué)理論占主導(dǎo)地位，添加NM-3 和乙酸銨起到了降低黏度的作用。添加NM-3和乙酸銨既起到了降低物料硬度，又兼有降低礦漿黏度的作用。

侯英等[18-19]研究邦鋪鉬銅礦石和紫金山金銅礦石，考察高壓輥磨和顎式破碎對產(chǎn)品磨礦速度的影響，發(fā)現(xiàn)高壓輥磨產(chǎn)品粗粒級的磨礦速度顯著高于顎式破碎產(chǎn)品粗粒級的磨礦速度，高壓輥磨產(chǎn)品細(xì)粒級的磨礦速度等于顎式破碎產(chǎn)品細(xì)粒級的磨礦速度。不同粉碎方式只是影響粗粒級產(chǎn)品的磨礦速度，而本文獲得的添加助磨劑后各個(gè)粒級的磨礦速度均高于不添加助磨劑的磨礦速度，說明添加復(fù)配助磨劑既降低粗粒級產(chǎn)品的強(qiáng)度，又改善礦漿流變性，增加細(xì)粒級產(chǎn)品的磨礦速度。

表5 不同粒級的磨礦動力學(xué)參數(shù)Table5 Grinding kinetic parameters of different particle size

3 結(jié)論

1)氧化鐵礦石在添加NM-3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、焦磷酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、乙酸銨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)的磨礦效果較好，磨礦產(chǎn)品中粒徑小于0.074 mm 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為65.62%，64.52%和63.64%，相比不添加助磨劑時(shí)分別增加5.62%、4.52%和3.64%。

2)乙酸銨和NM-3共同使用助磨效果最好，添加乙酸銨和NM-3的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.13%和0.30%，磨礦產(chǎn)品中粒徑小于0.074 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于68%，與不添加助磨劑相比，磨礦產(chǎn)品中粒徑小于0.074 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高8%以上。

3)磨礦動力學(xué)分析結(jié)果表明，添加乙酸銨和NM-3，既降低粗粒級產(chǎn)品的強(qiáng)度，又改善礦漿流變性，使得粗粒級和細(xì)粒級磨礦速度均顯著高于不添加助磨劑的磨礦速度。