助磨剂提高鲕状赤铁矿磨矿效率试验研究

李国峰，王泽红，徐 昌，王 怀

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳110004)

我国鲕状赤铁矿资源丰富，广泛分布于湖北、河北、湖南、云南、四川等省[1]。统计数据表明[2-3]，现已探明储量达37.2亿t，占我国铁矿资源总储量的10%，占赤铁矿储量的30%。虽然储量丰富，但目前该类型铁矿石没有得到工业化开发利用[4]。原因在于鲕状赤铁矿嵌布粒度极细，要想实现矿物间的单体解离，则必须磨至粒径为20μm以下甚至几个μm[5]。实际磨矿过程中，通过延长磨矿时间来获得较细产品粒度的方法并不可取，将导致磨机单位能耗升高且单位时间生产能力降低。

应用助磨剂可在不增加任何设备、不改变现有生产流程的前提下，改善物料的可磨性，提高磨矿效率、降低能耗和钢耗，是企业降本增效的有效措施之一[6-7]。助磨剂在水泥行业的应用已经相当广泛、发展迅速，然而在铁矿行业的磨矿作业中使用的较少，技术也不成熟[5]。本研究为助磨剂在铁矿磨矿中的应用提供了借鉴。

1 试验原料、设备及药剂

1.1 试验原料

本试验所用原料为鄂西高磷鲕状赤铁矿，主要含铁矿物为赤铁矿、褐铁矿等，主要脉石矿物为石英、鲕绿泥石、胶磷矿、白云石等。原矿化学组成如表1所示。试样经颚式破碎机粗碎、对辊破碎机细碎至全部通过2.0mm筛孔,d50为0.4mm。

表1 原矿化学组成/%

1.2 试验设备及药剂

试验磨机采用φ100mm×150mm的球磨机，有效容积1.18L。

试验所用助磨剂包括六偏磷酸钠、三聚磷酸钠和Z-164D。六偏磷酸钠、三聚磷酸钠均为分析纯，沈阳东兴试剂厂生产；Z-164D为液态分散剂，工业品级，营口康如科技有限公司生产。

2 磨矿参数优化

2.1 钢球配比试验

将原料筛分为-2.0mm+1.0mm、-1.0mm+0.5mm和-0.5mm三个窄粒级，分别采用不同直径的钢球进行试验，以确定各窄粒级适宜的磨矿介质直径，并按原料粒度组成，利用“线性叠加原理”确定适宜磨矿介质配比[8]。试验结果表明，各窄粒级适宜的钢球直径分别为φ25mm、φ20mm和φ15mm；适宜的钢球质量配比为φ25∶φ20∶φ15=28%∶30%∶42%。

2.2 磨矿浓度试验

保持其他条件不变，磨矿产品中-0.074mm粒级含量随磨矿浓度变化关系如图1所示。由图1可以看出，磨矿浓度由65%提高到70%时，产品中-0.074mm粒级含量有所提高，当磨矿浓度进一步提高时，产品中-0.074mm粒级含量急剧下降，磨矿浓度为70%时最佳。

图1 磨矿产品中-0.074mm粒级含量与磨矿浓度的关系

2.3 料球比试验

保持其他条件不变，磨矿产品中新生成-0.074mm粒级量随料球比变化关系如图2所示。磨矿产品中新生成-0.074mm量是指单位时间、单位有效容积下新生成的-0.074mm粒级的量。由图2可以看出，适宜的料球比为0.8，此时磨矿效果最佳。

图2 新生成-0.074mm粒级量与料球比的关系

2.4 介质充填率试验

其它条件不变时，磨矿产品中-0.074mm粒级含量随介质充填率变化关系如图3所示。由图3可见，充填率为30%和35%时，磨矿产品中-0.074mm粒级含量变化不大，但随介质充填率进一步增大，磨矿产品中-0.074mm粒级含量急剧减少。考虑到充填率为35%时，磨矿产品的绝对产量较大，确定适宜的磨矿介质充填率为35%。

图3 磨矿产品中-0.074mm粒级含量与充填率的关系

磨矿参数优化试验设定的磨矿时间均为40min，最终确定的最佳试验条件为：钢球质量配比为φ25∶φ20∶φ15=28%∶30%∶42%，磨矿浓度为70%，料球比为0.8，介质充填率为35%。此时，磨矿产品中-0.074mm粒级的含量为86.91%。

3 助磨剂试验

在前文所确定的最佳试验条件下，分别添加六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、Z-164D三种助磨剂，研究同种助磨剂不同用量时，磨矿效果的变化规律。由试验结果发现，未加助磨剂时的磨矿效率已经很高，助磨剂的作用效果并不明显。因此，进一步提高磨矿浓度至80%，考察三种助磨剂的助磨效果，试验结果见图4。

图4 三种助磨剂对鲕状赤铁矿磨矿效率的影响

由图4可知，不添加助磨剂时，磨矿产品中-0.074mm粒级含量为57.38%。三种药剂对鲕状赤铁矿磨矿效率的影响趋势大体一致：开始加入助磨剂后，磨矿效率有显著的提升；随着药剂用量的增加，磨矿效率在某点处出现峰值，助磨剂存在最佳用量；继续加入助磨剂，磨矿效率小幅下降。但是，三种助磨剂的最加用量及对磨矿效果的改善程度不尽相同，六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、Z-164D用量为0.8%、0.8%和2%时磨矿效率最高，磨矿产品中-0.074mm粒级含量为87.63%，87.21%和87.53%，分别提高了30.25、29.83和30.15个百分点。但与不添加助磨剂时的最佳磨矿效果(此时，磨矿浓度70%)相比，产品中-0.074mm粒级含量仅分别提高了0.72、0.30和0.62个百分点。

4 助磨剂作用机理分析

六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、Z-164D虽然对鲕状赤铁矿的助磨效果不同，但其作用机理类似。以下以Z-164D为例，分析了助磨剂的作用机理。

4.1 助磨剂对矿浆黏度的影响

矿浆黏度与Z-164D用量关系变化如图5所示。从图5中可以看出，当不添加Z-164D分散剂时，矿浆粘度最大，达到1423.05Pa·s。加入0.5%的Z-164D时，矿浆粘度急剧下降；当Z-164D的加入量为2%时，矿浆粘度最低，为86.4 Pa·s。此后，进步以增加Z-164D的加入量，矿浆粘度不在降低，并略有增大。

助磨剂能够降低矿浆黏度，促进颗粒分散，从而减少细粒包裹及团聚，提高矿浆的流变性。将图5与图4相结合，可以看出，矿浆黏度的降低有利于提高磨矿产品中-0.074mm粒级含量，即提高磨矿效率，且矿浆黏度的变化与磨矿效率的变化高度一致。可以见得，降低矿浆黏度是助磨剂作用机理之一。

4.2 助磨剂对颗粒表面的影响

将0.18～0.043mm粒级磨矿产品放大1000倍，其表面形貌如图6所示。由图6可以看出，不添加助磨剂时，磨矿产品表面较为平整。添加Z-164D的磨矿产品，表面凹凸不平，有明显的凹坑，说明颗粒在磨矿过程中受到了Z-164D的侵蚀，产生了裂缝和空隙。

图5 矿浆黏度与Z-164D用量关系

图6 鲕状赤铁矿磨矿产品放大1000倍时表面的SEM图像

鲕状赤铁矿表面存在不饱和剩余键能，随着矿粒粒度的减小，键能不断累积，导致助磨剂分子自发地在矿粒表面发生化学吸附，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减少颗粒断裂所需要的应力。从颗粒断裂过程来看,根据裂纹扩展条件,助磨剂分子在新生表面的吸附可以减少裂纹扩展所需的外应力,阻止新生裂纹的重新闭合,促进裂纹的扩展,进而提高物料的易磨性[9]。图7形象地说明了助磨剂的吸附能够降低颗粒表面硬度。

图7 助磨剂在矿物颗粒表面的作用

5 结论

1) 高磷鲕状赤铁矿嵌布关系复杂，结晶粒度微细，单体解离困难，磨矿难度大，采用助磨剂可有效提高其磨矿效率、降低其磨矿能耗。

2) 在相同磨矿条件下，当磨矿浓度80%时，三种助磨剂在最佳用量时可使磨矿产品中-0.074mm粒级含量分别提高30.25百分点、29.83百分点和30.15个百分点；但与不添加助磨剂时的最佳磨矿效果(此时，磨矿浓度70%)相比，产品中-0.074mm粒级含量仅分别提高了0.72、0.30和0.62个百分点。

4) 助磨剂能够改善矿浆流变性从而降低矿浆黏度，同时助磨剂对降低矿物颗粒表面硬度起一定作用，但助磨剂的作用机理仍值得进一步研究。

[1] 《现代铁矿石选矿》编委会.现代铁矿石选矿[M].上册.合肥:中国科学技术大学出版社,2009:97.

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