低品位尾矿中锰资源的磁选回收利用

王华庆， 张树光， 李江山

(1.辽宁工程技术大学 土木与交通学院， 辽宁 阜新 123000； 2.中国科学院 武汉岩土力学研究所， 武汉 430000)



低品位尾矿中锰资源的磁选回收利用

王华庆1，2， 张树光1， 李江山2*

(1.辽宁工程技术大学 土木与交通学院， 辽宁 阜新 123000； 2.中国科学院 武汉岩土力学研究所， 武汉 430000)

采用自主研发的高梯度水平励磁永磁磁辊对低品位碳酸锰尾矿进行湿式磁选试验，研究磨矿细度、磁场强度和矿浆浓度对湿式磁选效果的影响，从而获得富锰效果最佳的工艺参数.研究结果表明：与传统垂直励磁磁辊相比，水平励磁磁辊可显著提高锰品位与锰回收率，降低漏选率；在磨矿细度为80%，磁场强度为796.18 kA/m、矿浆浓度为20%的工艺参数下锰精矿品位可达到21%以上，锰回收率达到86%以上，在低品位尾矿有价金属资源回收利用方面工程的应用价值巨大.

低品位； 水平励磁； 磁选； 锰精矿品位； 锰回收率

湖南省永州市零陵区锰矿石资源极为丰富，是湖南主要产锰区之一，有“湘南锰都”之称，区内锰矿石分布点多面广，开发利用潜力巨大.但锰矿床规模以中、小型为主，小矿多、大矿少，贫矿多、富矿少，共生矿多、单一矿少，难选矿多、易选矿少，锰品位普遍较低，符合国际商品级富矿Mn48%的根本没有，并且磷、硫等有害元素含量较高，矿石结构复杂，有相当数量的选矿尾矿由于品位低、杂质多，二次利用成本高直接被用做充填材料、建筑用砖、筑路材料使用，造成锰资源的极度浪费[1-2].

当前低品位碳酸锰尾矿的提纯富锰方法主要包括强磁选、浮选、化学浸出等.张红新等[3]采用分级磁选工艺可将锰品位为14.80%的碳酸锰尾矿提高到20.15%，锰回收率可达到91.42%；邓庆玲等[4]采用YHXTG-4012型永磁干式磁选机可将原矿品位为15.93%的碳酸锰尾矿提高到22.22%，锰回收率达到86.95%，效果显著；曹雪锋等[5]以油酸为捕收剂、SDBS为增效剂、水玻璃为抑制剂、碳酸钠为pH调整剂对锰品位为10.45%的低品位碳酸锰矿进行浮选处理，在磨矿细度为-0.074 mm占90%的条件下可获得锰品位为17.10%、锰回收率为87.65%的锰精矿；邹松等[6]采用一粗三精二扫、中矿顺序返回的工艺对锰品位为12.35%的碳酸锰尾矿进行浮选处理，可获得锰品位为16.92%、锰回收率为85.13%的锰精矿；周晓艳等[7]用两段浸出工艺处理碳酸锰尾矿，锰总浸出率可达到96.59%，效果显著.

综上所述，随着矿产资源的急剧消耗，回收利用碳酸锰尾矿中的锰资源是未来发展趋势，但是目前国内对锰品位为10%以上的碳酸锰尾矿研究较多，低于10%的碳酸锰尾矿研究很少，而且湖南永州零陵区锰品位低于10%的碳酸锰选矿尾矿储量巨大，因此有必要采用一种成本低、操作简便的选矿方法对锰资源进行回收利用.大量工程实践证明，强磁选较浮选、浸出等选矿工艺成本低、操作简便、效果好，适合低品位选矿尾矿的有价金属资源回收[8]，但目前磁选机普遍采用垂直励磁磁辊，该励磁磁辊存在场强低、漏选率高等问题，难以应用于锰品位低于10%选矿尾矿的富锰提纯[9].

基于当前锰资源回收现状，本文采用自主研发的高梯度水平励磁永磁磁辊对低品位尾矿进行湿式磁选试验，以中国湖南永州零陵区东湘锰业公司的低品位碳酸锰尾矿为例，研究湿式磁选主要影响因素：磨矿细度、磁场强度与矿浆浓度对富锰提纯效果的影响，从而获得效果最佳的工艺参数.

1 材料和方法

1.1 水平励磁磁辊

为了提高磁辊的磁能级和梯度，增强其对弱磁性矿物的分选能力，垂直励磁磁辊普遍采用与芯轴同轴心、且沿芯轴轴向并列布置的圆形磁片或扇形磁片进行组合，相邻圆形磁片或扇形磁片所对应的磁极极性相同，圆形磁片或扇形磁片间夹有高导磁激磁材料，由此聚合成轴向排列的励磁磁辊.由于该结构励磁磁辊的磁力线在其工作面上沿轴向呈正弦分布，沿圆周方向呈等值分布，每一磁片的边端磁场最高，而中间磁场为零，在磁选过程中，磁辊磁力峰值不可能均衡地对所有的矿物单体产生作用.试验数据表明：垂直励磁磁辊的磁场峰值利用率低于50%，导致矿物漏选率高，精矿的锰回收率和品位低[10].

为解决上述问题，本文设计了水平励磁磁辊(如图1所示).轴芯的外面同轴心套装有磁扼辊筒，其外圆筒壁上均匀开设有一圈轴向平行排列的、用于固定双燕尾形永磁条的一级燕尾槽.相邻双燕尾形永磁条之间形成二级燕尾槽，其中嵌有与其形状相匹配的单燕尾形永磁条，单燕尾形永磁条和双燕尾永磁条间设有励磁磁靴(铁片).磁扼辊筒、永磁条通过法兰盘与磁辊芯轴连为一体.

所设计的双燕尾形永磁条和单燕尾形永磁条组合磁系的磁力线沿轴向等值分布，沿圆周方法周期性变化，可充分发挥励磁磁辊磁力线峰值的作用，提高所选锰精矿品位，增大锰回收率和减少漏选率.所设计的双燕尾形永磁条牢靠地嵌置在磁扼辊筒上的一级燕尾槽中，单燕尾形永磁条又牢靠地嵌置在二级燕尾槽中，其结构简单、安装方便、连接稳定、定位精确，增加了磁辊的安全性和可靠性，延长磁辊的使用寿命.自主研发的高梯度水平励磁永磁磁辊如图2所示，所用磁选机技术参数见表1.

1：磁辊轴芯；2：螺栓；3：磁轭辊筒；4：法兰盘；5:双燕尾磁条；6:单燕尾磁条；7:激磁磁靴.

图2 水平励磁磁辊Fig.2 Magnetic roller of horizontal excitation

表1 磁选机技术参数Tab.1 Technical parameters of magnetic separator

1.2 材料

试验中所用碳酸锰尾矿(简称为尾矿)取自湖南永州零陵区东湘锰业公司，如图3所示.

图3 尾矿试样Fig.3 The sample of tailings

由图3可知，该碳酸锰尾矿属于海相沉积原生类矿石，氧化程度较深造成矿石表面呈烟褐色，尾矿粒径普遍分布在0.025～100 mm.

将该尾矿水洗除杂后烘干，采用颚式破碎机将尾矿逐级破碎至2 mm以下，然后将经立式行星球磨机球磨后的矿粉过200目筛，取1～2 g分别用德国布鲁克公司的D8 Advance型X-ray diffractometer和荷兰 PANalytical B.V.公司的Axios advanced型X射线荧光光谱分析仪测定尾矿的矿物成分与化学元素[11]，尾矿XRD图谱如图4所示，尾矿化学多元素分析见表 2.

图4 尾矿XRD图谱Fig.4 XRD of tailings

表2 尾矿化学多元素分析结果Tab.2 Results of tailings by chemical multi-element analysis %

由图4可知，该尾矿中锰元素是以铁锰云石(Mn(Fe， Mg)CO3)状态存在，自然条件下Fe2+、Mg2+易与Mn2+发生等价离子置换，即类质同像，这是碳酸锰在矿物中赋存的主要形式，也是锰矿石中杂质较多的主要原因，该尾矿中脉石矿物主要有伊利石(K(Al4Si2O9)(OH)3)、石英(SiO2)、石膏(CaSO4·2H2O)、黄铁矿(FeS2)等；由表2可知，该尾矿主要有Mg、Ca、Mn、Fe等元素和SiO2、Al2O3等氧化物，其中Mg元素含量达到38.29%，说明该碳酸锰尾矿中Mn、Fe类质同像现象严重，Mn元素不易分离，属于难选尾矿.

1.3 试验方法

使用PE150*250型颚式破碎机(出料粒度为10～40 mm)将大块尾矿进行破碎，继续用Φ900*1800型湿式球磨机(出料粒度为0.025～2 mm)对其进行球磨，最后使用Cersm200*300型水平励磁永磁强磁选机对湖南永州东湘锰业公司的低品位碳酸锰尾矿进行湿式磁选试验，探究湿式磁选主要影响因素：磨矿细度、磁场强度与矿浆浓度对富锰提纯效果的影响，磁选试验工艺参数见表3.试验中统一采用美国尼通生产的XL2-500型便携式元素分析仪对分选前后的矿物品位进行测定，每次试验进行3次，结果取平均值.

表3 磁选工艺参数Tab.3 Parameters of magnetic separation

注：磨矿细度表示200目以下矿粉所占比例．

2 试验结果及分析

2.1 垂直励磁永磁磁辊磁选试验

2.1.1 磨矿细度对磁选效果的影响 试验中固定磁选机磁辊转速为180 r/min，每份样品质量为500 g，矿浆下流速度为0.87 L/min，冲洗水流速度为18.39 L/min，磁场强度为875.80 kA/m，矿浆浓度为30%，试验结果如图5所示.

图5 不同磨矿细度下磁选试验结果Fig.5 Results of magnetic separation under different slag fineness

由图5可知，锰品位随磨矿细度升高逐渐提高，锰回收率随磨矿细度升高逐渐降低，当磨矿细度大于90%时，锰品位曲线逐渐趋于平缓，变化基本稳定，由磁场力公式可知，锰精矿所受磁场力与比磁化系数成正比，比磁化系数与锰精矿品位成正比，磨矿细度的提高使得锰精矿品位显著提高，但会导致锰精矿颗粒无法克服自身重力和水流阻力而造成流失，锰回收率下降[12].考虑到磨矿成本，因此该尾矿的最佳入料磨矿细度在90%以上，即200目筛下矿粉所占比例大于或等于90%，此时可获得锰品位为10.63%，锰回收率为52.03%的锰精矿.

2.1.2 磁场强度对磁选效果的影响 试验中磨矿细度在90%以上，试验结果如图6所示.

图6 不同磁场强度下磁选试验结果Fig.6 Results of magnetic separation under different magnetic filed intensity

由图6可知，锰品位随磁场强度升高逐渐降低，锰回收率则完全相反，当磁场强度小于796.18 kA/m时锰品位基本稳定.磁选过程中，磁场强度的升高会使脉石矿物被夹带进入精矿的可能性变大，降低了锰精矿品位，但提高了锰回收率[13]，考虑到锰回收率，磁场强度为796.18 kA/m时磁选效果最佳，此时锰精矿品位达到12.47%，锰回收率达到59.13%.

2.1.3 矿浆浓度对磁选效果的影响 磨矿细度在90%以上，磁场强度为796.18 kA/m，试验结果如图7所示.

图7 不同矿浆浓度下磁选试验结果Fig.7 Results of magnetic separation under different concentration

由图7可知，锰品位和锰回收率均随矿浆浓度的升高逐渐降低，当浓度低于20%时，锰品位和锰回收率曲线较平缓，浓度高于20%时曲线坡度变陡，下降明显加快，因此当矿浆浓度为20%时，磁选效果最好，此时锰精矿品位达到14.05%，锰回收率达到65.45%.

2.2 水平励磁永磁磁辊磁选试验

2.2.1 磨矿细度对磁选效果的影响 工艺参数同2.1.1，试验结果如图8所示.

图8 不同磨矿细度下磁选试验结果Fig.8 Results of magnetic separation under different slag fineness

由图8可知，锰品位随磨矿细度逐渐提高，锰回收率随磨矿细度逐渐降低，当磨矿细度大于80%时锰品位与锰回收率基本稳定，此时可得到锰品位为14.18%，锰回收率为81.84%的精锰矿，最佳矿粉入料细度取80%.

2.2.2 磁场强度对磁选效果的影响 磨矿细度在80%以上，试验结果如图9所示.

图9 不同磁场强度下磁选试验结果Fig.9 Results of magnetic separation under different magnetic filed intensity

由图9可知，磁场强度小于796.18 kA/m时锰精矿品位逐渐趋于稳定，考虑到磁场强度大于796.18 kA/m时锰品位下降较快，最佳磁选强度取796.18 kA/m，此时锰精矿品位达到19.31%，锰回收率达到84.5%.

2.2.3 矿浆浓度对磁选效果的影响 磨矿细度大于80%，磁场强度为796.18 kA/m，试验结果如图10所示.

图10 不同矿浆浓度下磁选试验结果Fig.10 Results of magnetic separation under different concentration

从图10可知，锰品位与锰回收率随矿浆浓度变化趋势基本一致，当矿浆浓度小于20%时，锰品位与锰回收率趋于稳定，因此取矿浆浓度为20%，此时锰精矿品位达到21.03%，锰回收率达到86.21%.

3 讨论

分别在磨矿细度为90%、磁场强度为796.18 kA/m、矿浆浓度为20%和磨矿细度为80%、磁场强度为796.18 kA/m、矿浆浓度为20%下应用垂直励磁磁辊和水平励磁磁辊对该碳酸锰尾矿进行湿式磁选试验，每组试验重复3次，结果取平均值，试验结果见表4.

表4 湿式磁选试验结果Tab.4 Comparison of wet magnetic separation experimental results

由表4看出，在最优磨矿细度、磁场强度和矿浆浓度的湿式磁选工艺参数下，经水平励磁磁辊磁选后的锰品位和锰回收率，分别高出垂直励磁磁辊7%、20%，符合对锰精矿进一步加工提纯的工程标准[15]，而且水平励磁磁辊对磨矿细度的要求更低，可有效降低工艺成本，因此该水平励磁磁辊适用于低品位尾矿有价金属资源的回收利用.

4 结论

1)与传统垂直励磁磁辊相比，水平励磁磁辊可显著提高锰品位与锰回收率，降低漏选率，排杂提纯能力增强，适用于低品位尾矿有价金属资源的回收利用．

2)应用该高梯度水平励磁永磁磁辊在磨矿细度为80%，磁场强度为796.18 kA/m、矿浆浓度为20%的工艺参数下对锰品位为7.02%的低品位碳酸锰尾矿进行湿式磁选试验，可使锰精矿品位达到21%以上，锰回收率达到 86%以上．

3)接下来将进一步对磁选工艺参数进行优化，加深对磁选机理的探索研究.

[1] 肖军辉， 冯启明， 樊珊萍， 等. 玻利维亚铜、钨、锡多金属尾矿的综合利用[J].中国有色金属学报， 2013(10):2949-2961．

[2] 赵云良， 张一敏， 陈铁军， 等. 采用低硅赤铁矿尾矿制备蒸压砖[J].中南大学学报:自然科学版， 2013， 44(5):1760-1765．

[3] 张红新， 李洪潮， 郭珍旭， 等. 低品位碳酸锰矿分级磁选试验研究[J].中国矿业， 2014(6): 125-129．

[4] 邓庆玲， 黄珠雷， 杨忠伟， 等. 广西大新碳酸锰矿石的干选试验研究[J].中国锰业， 2014， 32(3):20-22．

[5] 曹学锋， 卢建安， 张 刚， 等. 某低品位碳酸锰矿石浮选工艺研究[J].金属矿山， 2013(5): 99-101，116．

[6] 邹 松， 刘三军， 覃文庆， 等. 某低品位难选碳酸锰矿选矿试验研究[J].矿冶工程， 2014， 34(3): 44-46，50．

[7] 周晓艳， 汝振广， 王雪婷， 等. 加纳某碳酸锰矿石两段浸出试验研究[J].湿法冶金， 2014(4): 282-285.

[8] 严旺生. 中国锰矿资源与富锰渣产业的发展[J].中国锰业， 2008， 26(1):7-11．

[9] 黄华越， 胡明振. 国内外永磁磁选机研究进展及发展趋势[J].矿山机械， 2011， 39(10):1-6．

[10] 彭会清. 磁选机磁场解析法研究及应用[D].武汉:武汉理工大学， 2006:11-13．

[11] 张建波， 王 谦， 林 力， 等. 锰的价态研究及在X 射线荧光光谱测定锰矿中的应用[J].冶金分析， 2011， 31(4): 20-25．

[12] 秦 勤. 湖南湘西某低品位碳酸锰矿磁浮分选技术研究[D].武汉:武汉科技大学， 2012:12-13．

[13] 郭学益， 公琪琪， 石文堂， 等. 镍红土矿加压浸出渣磁化焙烧-弱磁选铁精矿的研究[J].中南大学学报:自然科学版， 2012， 43(6):2048-2053．

[14] 王常任. 磁电选矿[M]. 北京:冶金工业出版社， 1986: 6-9．

[15] 张泾生， 周光华. 我国锰矿资源及选矿进展评述[J].中国锰业，2006(1): 2-5．

Recycling manganese resource by magnetic separation from low-grade tailings

WANG Huaqing1，2， ZHANG Shuguang1， LI Jiangshan2

(1.Institute of Civil and Traffic Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin, Liaoning 123000;2.Institute of Rock and Soil Mechanics， Chinese Academy of Sciences， Wuhan 430000)

Wet magnetic separation experiment was carried out on low-grade manganese carbonate tailings by self-developed magnetic roller which is of permanently high gradient and horizontal excitation. Grinding fineness， magnetic field intensity and pulp density were studied on the effect of magnetic separation to obtain the best parameters. The results showed that the magnetic roller of horizontal excitation increased manganese concentrate grade and recovery and decreased manganese missing rate significantly comparing with the magnetic roller of vertical excitation. Manganese concentrate grade and manganese recovery was increased to more than 21% and 86%, respectively, under the parameters that slag fitness is 80%， magnetic field intensity is 796.18 kA/m and pulp density is 20%. These indicated that the magnetic roller of horizontal excitation is of great engineering application in recycling valuable metals resource．

low-grade; horizontal excitation; magnetic separation; manganese concentrate grade; manganese recovery

2015-03-29.

国家重大水专项课题(2011ZX07104-002-02)； 国家自然科学基金项目(51274109).

1000-1190(2015)04-0584-06

X753< class="emphasis_bold">文献标识码： A

A

*通讯联系人. E-mail: ljs_cersm@163.com； whq_cersm@163.com.