湘西地区微细粒级难选菱锰矿浮选试验研究

代典，梁欢,2，何东升，郭志豪，方晓磊

（1. 武汉工程大学，国家磷资源开发利用工程技术研究中心，湖北 武汉 430073 2. 自然资源部稀土稀有稀散矿产重点实验室，湖北 武汉 430035；3. 武汉工程大学，兴发矿业学院，湖北 武汉 430073）

锰矿是继铁矿、铝矿之后，排位第三的金属矿，属于国家战略紧缺矿产之一，但我国锰矿资源地理分布不均匀[1]，据统计约有95%的锰用于冶金工业，主要用作金属材料的合金元素和脱氧剂、脱硫剂[2-3]。锰是钢中除铁以外用量最大的元素，有 “无锰不成钢” 之称。在现代工业中，锰及其化合物作为重要的工业原料，不仅应用于钢铁工业[4]，还应用化工行业[5]、轻工业[6]、建材行业[7]等国民经济的各个领域。但我国锰矿资源多以中低品位的贫矿为主，且锰矿石多为物质组分复杂、嵌布粒度细、伴生金属含量高等特点，给工业生产带了极大的困难[8-9]。

湘西地区是我国典型的富锰聚集地，其中锰矿资源以菱锰矿储量最大，但含量最多的菱锰矿矿床都是以细粒或微细粒状态嵌布的，其中脉石繁多，结构复杂，属于难选菱锰矿，加大了选矿的困难程度[10]，至今未得到高效开发利用。针对湘西地区难选菱锰矿进行详细的工艺矿物学研究，通过改变磨矿细度、pH 调整剂用量、捕收剂用量等因素，选定 “一粗一精一扫” 的工艺流程，获得了满足工业生产的Mn 精矿。

1 矿石的工艺矿物学研究

1.1 矿石的化学成分分析

矿石样品采取于花垣民乐矿区兴银5 号矿硐，均匀混合后细碎至-1 mm，对矿石样品进行了X 射线荧光光谱，结果见表1。

表1 矿石的X 射线荧光光谱分析结果/%Table 1 X-ray fluorescence spectrometry results of the ore

X 射线荧光光谱分析结果显示，该锰矿含锰品位为9.93%，属于低品位锰矿石，主要杂质元素SiO2含量较高。

1.2 矿石的矿物组成

矿石样品的X 射线衍射图谱分析结果见图1。

图1 矿石的X 射线衍射图谱Fig. 1 X-ray diffraction pattern of the ore

X 射线衍射图谱分析结果显示，矿石中含锰矿物为菱锰矿，主要脉石矿物为石英、白云母，含少量白云石、黄铁矿等杂质矿物。

1.3 矿物的嵌布特征

采用矿物自动定量检测系统（MLA）测定样品中矿物的嵌布关系，微区能谱分析结果见图2。

图2 矿石的微区能谱分析图谱Fig. 2 Micro-area energy spectrum analysis map of the ore

（1）菱锰矿：主要呈条带状、粒状及鮞状分布。条带状颗粒粒度范围为5 ～ 10 μm，充填于白云石粒间或裂隙间；粒状、鮞状颗粒粒度范围为0.2 ～ 0.5 μm，吸附于白云母片层间。由此可见，菱锰矿与白云石和白云母之间较难解离。

（2）白云母：主要与黄铁矿混杂分布于菱锰矿集合体的粒隙间，少量与陆源粉砂组成纹层相间分布在纹层状或条带状矿石中。

（3）白云石：主要呈石英细脉中次要成分形式存在于矿石中，少量分布于菱锰矿集合体显微球粒单晶之间，成为连接锰矿晶粒的 “胶结物”，粒径范围为5 ～ 10 μm，多呈粒状、块状集合体分布。

（4）石英：主要呈细脉状穿插于矿石之中，脉宽一般为0.1 ～ 1 mm 不等。

（5）黄铁矿：主要聚集成典型的草莓球状微粒集合体作线状、断线状沿矿石的层理分布，少量呈星散状分布，粒径为0.001 ～ 0.03 mm。

2 选矿试验

矿石工艺矿物学研究可知，该菱锰矿与石英、白云石、白云母等脉石矿物相互交代混杂，嵌布粒度细，粒度区间为5 ～ 10 μm。试验采用正浮选工艺，有利于菱锰矿和硅酸盐矿物的分离。选择武汉工程大学自制捕收剂Dd-21 作为菱锰矿捕收剂，Na2CO3作为矿浆pH 值调整剂，工业水玻璃作为硅酸盐矿物的抑制剂。浮选试验探讨磨矿细度、pH 值调整剂用量及捕收剂药剂用量等因素对菱锰矿浮选的影响。

2.1 磨矿细度单因素试验

矿石经破碎试验后，目标矿物的单体解离度并未达到要求，不能直接用于浮选试验。过粗的矿粒（大于0.1 mm）难以附着于气泡表面被气泡带出浮选槽，导致精矿回收率低；过细的矿粒（小于0.006 mm）极易上浮，增加浮选过程中的分选难度，导致选择性降低。为了确定浮选的较佳磨矿细度，选择在不同细度条件下进行对比试验，试验结果见图3。

图3 磨矿细度对浮选指标的影响Fig .3 Effect of grinding fineness on flotation index

由图3 可知，当磨矿细度低于-0.074 mm 90 %时，菱锰矿与脉石矿物解离不完全，导致精矿中的Mn 品位较低；随着磨矿细度的增加，菱锰矿与脉石矿物的充分解离，精矿中Mn 品位明显提升，当磨矿细度-0.074 mm 95.66 % 时，精矿中Mn 品位达到14.23 %；继续增大磨矿细度，会使矿浆中微细粒矿物颗粒含量增加，产生泥化现象，从而导致矿浆浮选环境恶化，精矿中Mn 品位急剧下降。试验结果表明，在磨矿细度为-0.074 mm 95.66% 左右，锰精矿的回收率和品位达到理想值，分别为78.33 % 和14.23 %。故选定磨矿细度为-0.074 mm 95.66%。

2.2 入选矿石筛析试验

磨矿细度试验结果显示，当磨矿细度为-0.074 mm 95.66 % 时，菱锰矿与脉石矿物实现了充分的解离，因此，需要对磨矿细度-0.074 mm 95.66 % 的入选矿石进行筛析验证试验，试验结果见表2。

表2 入选矿石筛析结果Table 2 Screening results of the selected ore

由表2 可知，矿石中的Mn 主要集中在细粒级的区间，在-0.038 mm ～ +0.031 mm 粒级品位最高，Mn 含量为10.66 %；MgO 同样趋向于细粒级累积，在-0.031 mm 粒级中的含量明显较高；SiO2及Al2O3在粗粒级的区间品位高，细粒级的区间品位相差不大，但分布率同样向-0.031 mm 粒级集中。由此可见，该矿石的浮选条件需要采用细磨，同时还需要改善细粒级浮选介质，才能获得良好的浮选指标。

2.3 pH 值调整剂用量单因素试验

NaCO3可使矿浆中含有镁、钙、铁等有害离子生成难溶性沉淀，消除有害影响，同时使矿浆pH值保持在8 ～ 10 之间，防止细泥胶结团聚，提高浮选过程捕收剂选择性。试验改变NaCO3用量来进行单因素试验，试验结果见图4。

图4 pH 调整剂用量对浮选指标的影响Fig. 4 Effect of pH adjuster dosage on flotation index

由图4 可知，随着Na2CO3用量的增加，精矿中Mn 的回收率逐渐升高，Mn 品位变化不大。适当增加Na2CO3用量对提高精矿中Mn 回收率有利，当Na2CO3用量超过3.0 kg/t 时，精矿中Mn 回收率趋于平缓，而Mn 品位呈下降趋势。因此，综合考虑选矿回收率和品位，选定Na2CO3用量为3.0 kg/t时为宜。

2.4 抑制剂用量单因素试验

水玻璃含有的硅酸胶粒和HSiO3-与硅酸盐、铝硅酸盐和石英矿物相似的成分，可吸附在这些矿物表面，形成亲水性水化层，从而产生抑制作用，提高浮选过程的选择性。水玻璃除了起到抑制作用外，还有分散矿泥的作用。试验改变抑制剂水玻璃用量来进行单因素试验，试验结果见图5。

图5 抑制剂用量对浮选指标的影响Fig. 5 Effect of inhibitor dosage on flotation index

由图5 可知，随着水玻璃用量的增大，精矿中Mn 的回收率先升高后下降，Mn 品位呈上升趋势。进一步加大水玻璃用量，则会使菱锰矿受到抑制，精矿中Mn 回收率呈下降趋势。因此，综合考虑精矿Mn 品位和回收率，选定水玻璃用量为4.0 kg/t较为适宜。

2.5 捕收剂用量单因素试验

捕收剂用量过少，会使矿物得不到充分选别，导致精矿回收率过低；捕收剂用量过大，会使脉石矿物夹杂在有用矿物中上浮，导致精矿品位不高。试验改变捕收剂用量来进行单因素浮选试验，试验结果见图6。

图6 捕收剂用量对浮选指标的影响Fig. 6 Effect of collector dosage on flotation index

由图6 可知，随着捕收剂用量的增大，锰精矿的回收率逐渐增高，品位则是先升高后下降。由于碳酸锰矿中的矿泥和金属离子的影响，捕收剂用量较低时，矿浆中捕收剂浓度远低于半胶束浓度，捕收剂的携矿能力大打折扣，精矿产率低，Mn 回收率低。当捕收剂用量达到1.2 kg/t 时，精矿中Mn 回收率大幅提升，Mn 品位相应提高到14.47 %。继续增大药剂用量，精矿中Mn 品位降低为13.98 %。因此考虑药剂成本和选矿指标，选定捕收剂用量为1.2 kg/t 较为适宜。

2.6 浮选闭路试验

在流程结构和开路试验的基础上，进行 “一粗一精一扫” 闭路试验，连续重复进行了5 组浮选试验，试验用水全部循环回用，将浮选所得的中矿模仿工厂连续生产过程，给到下一组浮选试验中，直到试验浮选结果达到平衡为止。闭路试验流程和药剂制度见图7，试验结果见表3。

表3 闭路试验结果Table 3 Results of closed-circuit test

图7 闭路工艺数质量流程Fig. 7 Quantity-quality flowsheet of closed-circuit test

由图7 可知，当磨矿细度-0.074 mm 95.66 %，Na2CO3用量为3.0 kg/t，工业水玻璃用量为4.0 kg/t，捕收剂Dd-21 用量为1.2 kg/t 时，采用 “一粗一精一扫” 闭路试验流程，可获得精矿Mn 品位19.04 %、Mn 回收率88.86 % 的浮选指标，达到优质锰精矿的要求。

2.7 浮选产品的粒度分析

采用马尔文激光粒度分析仪，对闭路试验流程的浮选产品粒度特性进行表征，分析结果见图8。

图 8 浮选产品的粒度分布Fig. 8 Particle size distribution of flotation products

由图8 可知，精矿产品主要集中在细粒级区间，粒度区间为-0.038 + 0.011 mm，累积百分比51.04 %，0.033 mm 的粒径达到积分峰值；而尾矿产品主要集中在粗粒级区间，粒度区间为-0.116 ～ +0.085 mm，累积百分比63.25 % 以上。由此可见，该菱锰矿需要采用细磨，才能获得良好的浮选指标。

3 结 论

（1）湘西地区锰矿石含锰矿物为菱锰矿，Mn品位为9.93%，主要脉石矿物为石英、白云母、白云石、黄铁矿等。菱锰矿主要呈条带状充填于白云石粒间或裂隙间，嵌布粒度细，粒度范围为5 ～10 μm，少量呈粒状、鮞状颗粒吸附于白云母片层间，粒度范围为0.2 μm ～ 0.5 μm，属于难选菱锰矿。

（2）该锰矿石中的Mn 主要集中在细粒级的区间，Mn 含量在-0.038 +0.031 mm 粒级品位最高，Mn 含量为10.66 %；SiO2及Al2O3在粗粒级的区间品位高，细粒级的区间品位相差不大，但分布率同样向-0.031 mm 粒级集中。因此，该锰矿石需要采用细磨，同时还需要改善细粒级浮选介质，才能获得良好的浮选指标。

（3）该锰矿石在磨矿细度-0.074 mm 95.66 %的条件下，Na2CO3用量为3.0 kg/t，工业水玻璃用量为4.0 kg/t，捕收剂Dd-21 用量为1.2 kg/t 时，采用 “一粗一精一扫” 闭路试验流程，可获得精矿Mn 品位19.04 %、Mn 回收率88.86 % 的浮选指标。试验结果为湘西地区难选菱锰矿选的开发利用提供了基础依据。