三聚磷酸钠对微细粒嵌布磁铁矿磨矿效果的影响

周文波 朱照强 王永刚 徐 敏 彭 畅 彭 宇

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081;2.甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司,甘肃 嘉峪关 735100)

微细粒嵌布的磁铁矿石要实现单体解离,通常采用多段磨矿或者延长磨矿时间的方式来提高磨矿细度,然而这种方式会导致磨机能耗的提高,增加选矿成本[1]。就选矿行业而言,矿石粉碎(含破碎、磨矿)所需电耗成本占选矿成本的50%～60%,因此提高矿石粉碎效率(特别是磨矿效率)、降低能耗并改善磨矿产品质量,对选厂提质、增产、降耗具有重大意义[2]。

有研究表明,在磨矿过程中加入助磨剂可以降低矿浆黏度或降低矿物表面硬度[3],从而提高磨矿效率和有用矿物的解离度。邓善芝等[4]总结了助磨剂的助磨机理及发展趋势,得出磨矿过程中添加适量助磨剂能够降低磨矿能耗,改善磨矿效果的结论。王泽红等[5]研究了三乙醇胺、丙酮、氯化铵、氯化钠和油酸钠5种助磨剂对石英磨矿效率的影响,结果表明,油酸钠对石英粉磨起阻碍作用,而其他4种助磨剂均能够提高石英的粉磨效率,提高磨矿产品中-0.074 mm粒级产品含量。印万忠等[6]研究了助磨剂十二胺、DA分散剂、硅酸钠和氯化铵在粉磨过程中的助磨作用,结果表明,DA分散剂和硅酸钠有显著的助磨效果。刘天洋等[7]在对铁矿石进行磨矿研究时,得出了分散剂类型助磨剂对铁矿石助磨效果较好的结论。

助磨剂在水泥行业应用比较广泛,在矿物领域的应用较少,本试验结合前人的理论研究,以新疆某微细粒嵌布磁铁矿石为研究对象,采用三聚磷酸钠为助磨剂,研究其对微细粒嵌布磁铁矿磨矿效率的影响,同时为了分析三聚磷酸钠的助磨机理,采用粒度分析、红外光谱分析、矿浆黏度测定、SEM分析等方法和技术手段对磨矿产品的各种特性进行表征分析。

1 试验原料与方法

1.1 试验原料

试验原料为新疆某微细粒嵌布的磁铁矿石,其化学多元素分析结果见表1。

表1 试样化学多元素分析结果Table 1 Results of chemical multi-elements analysis for the sample %

从表1可以看出:试样主要利用元素铁的品位为31.67%,主要脉石成分为SiO2,含量为41.59%。

取矿石样品制成光薄片,在偏反光显微镜下对矿石进行观察,矿石中主要矿物的嵌布特征分析如图1所示。

图1 试样中主要矿物的嵌布特征Fig.1 Dissemination characteristic of main minerals in the sample

由图1可知:磁铁矿在矿石中分布不均匀,主要有3种分布状态:① 磁铁矿局部呈稠密浸染状分布;② 部分磁铁矿呈稀疏浸染状分布在脉石矿物中,多分布在脉石矿物晶粒间;③ 磁铁矿局部呈微细条带聚集分布,粒度为0.003～0.07 mm。采用点测法对磁铁矿进行嵌布粒度测量,发现磁铁矿嵌布粒度在-38 μm粒级的含量为57.07%,在-15 μm粒级的含量为23.76%,可见磁铁矿嵌布粒度极细,要实现单体解离必须进行细磨。

1.2 试验方法

原矿经过颚式破碎机、辊式破碎筛分机破碎为-3 mm颗粒后进行混匀、缩分、装袋备用。本次试验采取二段磨矿二段磁选工艺,第一段磨矿时间为5 min,磨矿产品经过磁选所得的粗精矿用孔径为0.030 mm的标准泰勒筛进行筛析并进行全铁品位化验,粗精矿-30 μm粒级含量为24.02%,全铁品位为38.31%,作为二段磨矿助磨剂条件试验的原料。第二段磨矿条件试验中,选用型号为XMQ-240×90的锥形球磨机进行湿式磨矿,磨矿浓度70%,介质填充率为45%,磨机转速96 r/min,有效容积6.25 L。在第二段磨矿加入的三聚磷酸钠(化学纯)提前配制为5%浓度溶液加入球磨机中,本文中的试验内容主要是针对二段磨矿试验。

试验采用孔径为0.030 mm的标准泰勒筛对磨矿产品进行粒度筛析;用傅立叶VERTEX-70型红外光谱仪检测三聚磷酸钠在矿石颗粒表面的吸附特性;用Nova NanoSEM400场发射扫描电子显微镜对磨矿产品进行形貌观察;在Nikon LV100POL型偏反光显微镜下采用矿物显微图像测量法测定磨矿产品中磁铁矿的单体解离度;用Brookfield DVS数显式旋转黏度计测量矿浆的黏度;采用湿式电磁圆筒磁选机对磨矿产品进行磁选试验,磁场强度150 kA/m。

2 试验结果与讨论

2.1 助磨剂用量对磨矿产品细度的影响

在二段磨矿时间8 min的条件下,进行批次磨矿试验,分别探究六偏磷酸钠、三聚磷酸钠和水玻璃这3种助磨剂在不同用量条件下对磨矿产品粒度的影响,结果如图2所示。

图2 不同助磨剂用量对磨矿产品粒度的影响Fig.2 Influence of grinding aids dosage on particle size of grinding products

由图2可知:六偏磷酸钠、三聚磷酸钠和水玻璃对微细粒磁铁矿石均具有助磨作用。在不加助磨剂的条件下,磨矿产品中-30 μm含量为60.68%;随着助磨剂用量的增加,磨矿产品中-30 μm含量先明显增加后略有降低。当三聚磷酸钠用量为1 kg/t时,-30 μm含量达到最高,为73.33%;当水玻璃用量为1 kg/t时,-30 μm含量达到最高,为70.32%;当六偏磷酸钠用量为2 kg/t时,-30 μm含量达到最高,为72.07%。相较于不加助磨剂的情况,磨矿产品中-30 μm含量分别提高了12.65个百分点、9.64个百分点和11.39个百分点,对比可知,3种助磨剂中三聚磷酸钠对磁铁矿磨矿产品-30 μm含量提升最大,因此选择三聚磷酸钠作为助磨剂,探究其对微细粒嵌布磁铁矿磨矿效果的影响和助磨机理。

2.2 三聚磷酸钠对磨矿产品粒度的影响

在三聚磷酸钠最佳用量条件下,考察三聚磷酸钠在不同磨矿时间条件下对磨矿产品中-30 μm含量的影响,试验分加和不加三聚磷酸钠分别进行,试验结果如图3所示。

图3 不同磨矿时间下磨矿产品中-30 μm含量Fig.3 -30 μm content of grinding products with different grinding time

从图3可以看出:相同磨矿时间下,添加1 kg/t三聚磷酸钠的磨矿产品中-30 μm含量比不加的情况下都要高。在不添加三聚磷酸钠的条件下,磨矿产品中-30 μm含量达到73.33%所需时间为11.5 min,而添加1 kg/t三聚磷酸钠后,磨矿时间为8 min,缩短了30.43%,降低了磨矿能耗。

2.3 三聚磷酸钠对磨矿效果的影响

以磨矿产品中-30 μm粒级的比生产率和磨矿效率来评价磨矿效果。其中-30 μm的比生产率是指单位时间、单位有效容积所新生成的-30 μm粒级质量,磨矿效率是指每消耗1 kW·h能量所新生成的-30 μm粒级质量。采用DTSD/D型三相多功能电能表测定磨矿过程中球磨机所消耗电能。

比生产率:

式中:q-30为-30 μm粒级比生产率,kg/(h·L);Q为单位时间内新给入磨机的物料量,kg;βp为磨矿产品中-30 μm粒级含量,%;βf为磨机给料中-30 μm粒级含量,%;V为球磨机有效容积,L。

磨矿效率:

式中:u为磨矿效率,kg/(kW·h);P为球磨机功率,kW。

在二段磨矿时间为8 min条件下,将添加1 kg/t三聚磷酸钠和不加三聚磷酸钠的磨矿产品进行磨矿效果分析,结果如表2所示。

表2 三聚磷酸钠对磨矿效果的影响Table 2 Influence of sodium tripolyphosphate on grinding effect

由表2可知:添加1 kg/t三聚磷酸钠后,-30 μm粒级比生产率和磨矿效率相较于不加助磨剂分别提高了36.36%和34.54%。说明添加三聚磷酸钠后,球磨机的比生产率和磨矿效率能够得到提高。通过解离度测试结果可知,添加1 kg/t三聚磷酸钠的磨矿产品中磁铁矿单体解离度为90.82%,相对于没有添加三聚磷酸钠条件下单体解离度提高了5.81个百分点。

2.4 三聚磷酸钠对精矿分选指标的影响

将二段磨矿时间为8 min的磨矿产品进行磁选试验,给矿产品中-30 μm含量为73.33%。表3为添加和不添加1 kg/t三聚磷酸钠情况下磁选精矿的分选指标。

表3 三聚磷酸钠对分选指标的影响Table 3 Influence of sodium tripolyphosphate on separation indexes %

从表3可以看出:磨矿过程中添加1 kg/t三聚磷酸钠的情况下,磁选后的精矿品位相较于不添加三聚磷酸钠提高了2.55个百分点,回收率则略有下降。由于在细磨过程中会产生大量细粒级颗粒,这些颗粒比表面积大,表面能较高,容易产生团聚[8],导致有用矿物和脉石颗粒间互相夹杂,影响精矿产品指标。三聚磷酸钠为分散剂类助磨剂,在磁选中,能够弱化细粒级颗粒之间的团聚[9],使磁铁矿与脉石更易分离,提高精矿品位。

3 机理分析

3.1 三聚磷酸钠在磁铁矿表面的吸附特性

用傅立叶交换红外光谱仪检测三聚磷酸钠在磁铁矿表面的吸附特性,添加三聚磷酸钠和不添加三聚磷酸钠的红外光谱如图4所示。

图4 磁铁矿粗精矿与三聚磷酸钠作用前后的红外光谱Fig.4 Infrared spectra of coarse magnetite concentrate before and after interaction with sodium tripolyphosphate

由图4可知:三聚磷酸钠与磁铁矿发生作用后,颗粒表面羟基吸收峰发生变化,3 425.10 cm-1处吸收峰消失,P—O—(X)从1 062.6 cm-1处平移到1 024.1 cm-1处,说明有氢键形成。三聚磷酸钠分子中存在着P＝O键,在矿浆中,与水分子之间形成氢键从而吸附于磁铁矿颗粒表面,吸附在矿物结构表面的助磨剂小分子很容易进入矿物相内部的层状空隙,在层片上吸附,这样在粉磨时,矿物结构内部相当于包裹上一层润滑剂,矿物结构层与层之间很容易出现滑移,使矿石更易磨碎。

3.2 三聚磷酸钠对矿浆黏度的影响

室温条件下,用DVS旋转黏度计测量矿浆的黏度,矿浆浓度与球磨机磨矿浓度保持一致,分别测量不同三聚磷酸钠用量条件下的矿浆黏度,结果如图5所示。

图5 三聚磷酸钠用量对矿浆黏度的影响Fig.5 Influence of sodium tripolyphosphate dosage on pulp viscosity

由图5可知:未加助磨剂时,矿浆黏度最大,为1 563 mPa·s;加入助磨剂后,矿浆黏度迅速降低,当三聚磷酸钠用量为1 kg/t时,矿浆黏度降低到724 mPa·s;继续增加三聚磷酸钠用量,矿浆黏度虽然还在继续减小,但是减小的趋势变得缓慢。

在一定的磨矿浓度下,降低黏度有助于提高磨矿效率。磁铁矿在细磨过程中,随着颗粒变细,比表面积和表面能增大,颗粒间相互作用力增大,容易相互吸附、黏结,不利于粉碎。助磨剂能改善矿浆的流动性,是因为随着粉磨的进行,助磨剂与矿物颗粒发生物理和化学吸附,由于助磨剂分子的吸附,降低了颗粒的表面能,从而增加了矿浆的流动性,防止了细粒级颗粒的再次团聚[10],使矿浆处于相对稳定的分散状态。

3.3 三聚磷酸钠对磨矿产品形貌的影响

图6为三聚磷酸钠对磁铁矿磨矿产品形貌的影响。通过对比可知:在磨细过程中,未加入三聚磷酸钠时,磨矿产品颗粒表面趋于光滑,裂隙较少;加入三聚磷酸钠之后,在三聚磷酸钠的侵蚀作用下,原本光滑的磁铁矿颗粒表面变得凹凸不平,分布着大量新的空隙和裂缝,从而降低了颗粒表面硬度。在磨矿的过程中,磁铁矿颗粒表面不饱和键能不断累积[11],导致助磨剂分子自发地在其表面发生化学吸附,降低了矿物颗粒的表面自由能,从而导致键合力的减弱,在单分子层的吸附下,颗粒之间相当于有润滑介质的存在,可以减少粉末过程中的颗粒团聚和静电吸附,颗粒上现存裂缝形成吸附层后更易扩展,使破坏它的外力减小。与此同时,裂缝形成后,储在矿物颗粒体内的形变能继续使裂缝扩展并生成断面,三聚磷酸钠可加速磁铁矿颗粒裂缝的扩展。另一方面,在裂缝扩展的过程中,助磨剂分子起到“楔入粒子”的作用,防止新生裂缝的再闭合,加快粉碎过程,进而提高磨矿效率[12]。

4 结 论

(1)要实现微细粒嵌布磁铁矿单体解离难度较大,使用三聚磷酸钠可以明显提高其磨矿效果。当磨矿产品中-30 μm含量达到73.33%时,加入1 kg/t的三聚磷酸钠可以缩短30.43%的磨矿时间,降低了磨矿能耗。

(2)在其他条件相同的情况下,磨矿过程中添加1 kg/t的三聚磷酸钠能够使磨矿产品中-30 μm含量提高12.65个百分点,-30 μm粒级比生产率和磨矿效率相较于不加三聚磷酸钠时分别上升了36.36%和34.54%。

(3)磨矿过程中添加1 kg/t的三聚磷酸钠能够使磨矿产品中磁铁矿的解离度提高5.81个百分点,同时磁选精矿的品位相较于不添加三聚磷酸钠时提高了2.55个百分点。

(4)三聚磷酸钠通过降低矿浆的黏度、改变矿粒表面的吸附特性、减少矿粒表面吸附的微细矿粒、增加矿粒表面的微细裂隙等方式促进磁铁矿颗粒的粉碎,提高了磨矿效率。