馬英強(qiáng) 黃發(fā)蘭 李曉慢
(福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院)
不同磨礦方式對(duì)硫化礦浮選影響的研究現(xiàn)狀*
馬英強(qiáng) 黃發(fā)蘭 李曉慢
(福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院)
通過分析傳統(tǒng)硫化礦磨礦—浮選與高壓輥終粉磨的磨礦環(huán)境、作用機(jī)理,得出高壓輥終粉磨對(duì)優(yōu)化浮選環(huán)境,提高浮選綜合指標(biāo),提高硫化礦石的綜合利用率有著至關(guān)重要的影響,是硫化礦碎磨最具前景和研究價(jià)值的一項(xiàng)高效節(jié)能技術(shù)。
磨礦方式 電偶腐蝕 高壓輥終粉磨 浮選
硫化礦物的磨礦過程是一個(gè)存在力學(xué)、電化學(xué)和機(jī)械力化學(xué)等多種作用因素的復(fù)雜過程,這一過程直接影響硫化礦物的表面形態(tài)與性質(zhì)、礦漿的溶液化學(xué)性質(zhì)和硫化礦物的浮選行為,進(jìn)而影響硫化礦物浮選的指標(biāo)[1]。因此,研究不同磨礦方式對(duì)硫化礦物浮選的影響具有非常重要的意義。
大多數(shù)的硫化礦物都是良好的半導(dǎo)體,其浮選過程是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)過程。在磨礦—浮選體系中,不同硫化礦物和磨礦介質(zhì)在礦漿中的表面靜電位(腐蝕電位)不同,造成不同硫化礦物之間以及礦物與磨礦介質(zhì)之間相互接觸時(shí),發(fā)生迦伐尼電偶作用,靜電位較低的物質(zhì)發(fā)生陽極氧化反應(yīng),而溶液中的氧在靜電位較高的物質(zhì)表面發(fā)生陰極還原反應(yīng),對(duì)礦物的表面性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響[1-2]。
常見硫化礦物及鋼球在中性條件下測(cè)得的靜電位見表1。
由表1可知,與硫化礦物的靜電位相比,低碳鋼鋼球和鐵鎳合金鋼球的靜電位均低很多, 表明在磨礦過程中由于形成迦伐尼電偶作用,劇烈的陽極氧化反應(yīng)將在鋼球表面發(fā)生,同時(shí)氧的還原反應(yīng)將在靜電位很高的黃鐵礦表面發(fā)生;此外,若黃鐵礦與其它硫化礦物處于電接觸狀態(tài),則另一個(gè)硫化礦物的氧化將會(huì)被加速。發(fā)生在硫化礦礦漿體系中一系列的復(fù)雜電偶腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)如下[4-7]:
表1 硫化礦物及鋼球的靜電位[3-4]
注:除注明外,pH值均為中性。
陽極反應(yīng):
(1)鋼球介質(zhì)表面。
(1)
(2)
(2)硫化礦物表面。
(3)
(4)
(5)
(3)捕收劑。
(6)
(7)
(8)
陰極反應(yīng):
(1)氧氣還原。
(9)
(2)銅離子。
(10)
(3)其他電化學(xué)活性較低的陽離子。
(11)
以上電偶腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)并不是同時(shí)發(fā)生,實(shí)際反應(yīng)要依情況而定,如與腐蝕電對(duì)(鋼球介質(zhì)、硫化礦物)的性質(zhì)(如極化性能)、相對(duì)面積以及溶液的化學(xué)組分有關(guān)[4]。
由以上電化學(xué)反應(yīng)可知,在硫化礦礦漿體系中,各種硫化礦物之間、磨礦介質(zhì)與硫化礦物之間存在的伽伐尼電偶作用導(dǎo)致磨礦介質(zhì)腐蝕,腐蝕形成的鐵的氧化物或氫氧化物吸附或沉積在硫化礦物表面將會(huì)顯著地影響硫化礦物的浮游行為。此外,其他金屬離子如Cu2+的氧化也將對(duì)其他硫化礦物的浮選產(chǎn)生影響。國內(nèi)外在這方面已做了很多相關(guān)研究。
Guozhi等[8]研究了磨礦過程中磨礦介質(zhì)與毒砂的原電池作用及其對(duì)浮選的影響。通過XPS分析磨礦后毒砂的表面性質(zhì)發(fā)現(xiàn),磨礦介質(zhì)的電化學(xué)活性越高,毒砂與磨礦介質(zhì)之間的原電池作用越強(qiáng),在其表面會(huì)生成更多的親水性氧化鐵物質(zhì),這些親水性物質(zhì)會(huì)影響細(xì)粒毒砂的浮選。
Y.Wei等[9]研究了磨礦環(huán)境對(duì)非洲納米比亞RoshPinah鉛鋅礦浮選的影響,發(fā)現(xiàn)不同的磨礦介質(zhì)對(duì)礦物的回收率和選擇性產(chǎn)生很大的影響,其中瓷球磨的回收率最高而選擇性最低,鋼球球磨的結(jié)果正好相反。原因是瓷球磨產(chǎn)生氧化環(huán)境,促使銅離子活化閃鋅礦,而鋼球球磨產(chǎn)生還原環(huán)境,阻礙了這種活化作用的產(chǎn)生。
G.Huang等[10]用一套連接有電化學(xué)分析裝置的特殊磨礦系統(tǒng)來量化低碳鋼鋼球與黃鐵礦之間的原電池作用。鋼球與黃鐵礦之間的迦伐尼電流取決于它們磨礦時(shí)的極化行為、幾何關(guān)系及其種類。鋼球與黃鐵礦的表面積之比對(duì)鋼球的迦伐尼電流有顯著影響,而對(duì)黃鐵礦的影響相對(duì)較小。而礦漿中的溶解氧對(duì)迦伐尼電流有很大的影響。氧氣的消耗產(chǎn)生最高的迦伐尼電流和最大的能被EDTA浸出的鐵含量,而空氣次之,氮?dú)庾钌佟|S鐵礦的可浮性取決于磨礦時(shí)鋼球與黃鐵礦之間的迦伐尼電流,因?yàn)樵撾娏鞯漠a(chǎn)生與鐵氧化物的數(shù)量及黃鐵礦的還原速率有關(guān)。
K.L.C.Goncalves等[11]研究發(fā)現(xiàn),不同磨礦介質(zhì)和磨機(jī)的結(jié)構(gòu)材料對(duì)Salobo硫化銅礦的浮選行為有很大影響。當(dāng)使用橡膠襯板磨機(jī)和不銹鋼磨礦介質(zhì)時(shí),能獲得最高的銅回收率和最快的浮選速率。
魏以和、周高云等[12]研究了磨礦環(huán)境對(duì)納米比亞某復(fù)雜鉛鋅礦浮選的影響,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)捕收劑的作用效果與磨礦環(huán)境密切相關(guān)。常規(guī)的低碳鋼磨機(jī)磨礦環(huán)境下,由于其強(qiáng)的還原性氣氛以及腐蝕產(chǎn)生的鐵類氧化物在礦物表面的覆蓋,使方鉛礦的可浮性下降,在此磨礦環(huán)境下需采用捕收能力較強(qiáng)的捕收劑才能獲得較好的選別指標(biāo);相反的,在瓷磨機(jī)的非鐵質(zhì)氧化性磨礦環(huán)境下,方鉛礦具有良好的可浮性,可采用捕收能力較弱但選擇性較強(qiáng)的捕收劑。
何發(fā)鈺等[13]研究了磨礦環(huán)境對(duì)方鉛礦、閃鋅礦單礦物及雙礦物磨礦礦漿化學(xué)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明,采用瓷介質(zhì)磨礦時(shí),單礦物體系的礦漿化學(xué)性質(zhì)主要受硫化礦物局部電池作用的影響,雙礦物體系的礦漿化學(xué)性質(zhì)同時(shí)受硫化礦物自身局部電池和礦物間伽伐尼電偶雙重作用的影響;采用鐵介質(zhì)磨礦時(shí),無論單礦物體系還是雙礦物體系,均同時(shí)存在硫化礦物、磨礦介質(zhì)自身局部電池的作用和磨礦介質(zhì)與硫化礦物之間伽伐尼電偶的作用,另外,雙礦物體系中還存在硫化礦物之間的伽伐尼電偶作用。因此,礦漿化學(xué)性質(zhì)受鐵介質(zhì)磨礦的影響更為顯著。
K.Adam等[15]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)磁黃鐵礦與金屬鎂接觸時(shí),對(duì)磁黃鐵礦浮選的不利影響最大,而使用奧氏體不銹鋼球時(shí)這種影響最小。俄歇電子能譜和XPS研究發(fā)現(xiàn),磁黃鐵礦與活性金屬之間的迦伐尼電偶作用導(dǎo)致在磁黃鐵礦表面生成了鐵的氧化物、氫氧化物及硫酸鹽,嚴(yán)重影響了磁黃鐵礦的可浮性。
可見,濕式磨礦過程是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和物理化學(xué)過程,磨礦—浮選過程產(chǎn)生的電偶腐蝕作用嚴(yán)重影響了硫化礦的浮選特征和硫化礦物間的選擇性分離。因此應(yīng)深入了解硫化礦礦漿體系中的電偶腐蝕,盡量減少其在硫化礦物浮選分離過程中產(chǎn)生的影響。
干式磨礦是在礦石原始含水狀態(tài)下進(jìn)行,磨礦時(shí)不再另補(bǔ)加水[16]。在磨礦作業(yè)中,一般濕式磨礦是最主要的磨礦方式,雖然濕式磨礦要比干式磨礦的效率高得多,但由前文可知,濕式磨礦過程中容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕作用,結(jié)果是影響某些硫化礦的可浮性,直接惡化選別指標(biāo)。此外,有研究表明,濕式磨礦比干式磨礦的金屬消耗量更多,其金屬消耗費(fèi)用已接近甚至超過動(dòng)力消耗費(fèi)用[17]。因此,研究干磨條件下磨礦介質(zhì)對(duì)硫化礦浮選的影響意義重大。
劉書杰等人[18-19]研究了干式磨礦對(duì)硫化礦的浮選影響,發(fā)現(xiàn)不同磨礦介質(zhì)對(duì)閃鋅礦和黃鐵礦的礦漿化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響,且黃鐵礦經(jīng)干磨以后礦物表面變化較大且有新物質(zhì)FeSO4生成,而閃鋅礦表面沒有生成新物質(zhì)。此外,他們還研究了干式鐵磨和干式瓷磨對(duì)黃鐵礦表面性質(zhì)以及后續(xù)浮選的影響。結(jié)果表明, 瓷介質(zhì)磨礦的礦物浮游性較鐵介質(zhì)磨礦的礦物浮游性好,黃鐵礦氧化形成的缺金屬富硫表面和礦物晶格中的陽離子空位將大大提高黃鐵礦的回收率和浮游速度。
D.Feng等人[20]對(duì)南非的MerenskyReef復(fù)雜硫化礦的干濕磨研究發(fā)現(xiàn),硫化礦干磨時(shí),其表面相對(duì)粗糙,含有大量微小的結(jié)構(gòu)缺陷,而濕磨時(shí)表面相對(duì)較平整光滑。干磨產(chǎn)生的活性顆粒表面能加速顆粒的溶解和藥劑在顆粒表面的吸附,呈現(xiàn)出更高更穩(wěn)定的負(fù)載泡沫和更快的浮選動(dòng)力學(xué)。此外,如果干磨和濕磨結(jié)合,則能改善硫化礦的浮選動(dòng)力學(xué)及最終的品位和回收率。
由此可見,干磨條件下,磨礦介質(zhì)的機(jī)械力化學(xué)作用也會(huì)影響硫化礦的礦漿化學(xué)性質(zhì),進(jìn)而影響選礦效果。
高壓輥磨機(jī)是基于層壓粉碎理論而設(shè)計(jì)的一種新型高效節(jié)能粉碎設(shè)備。所謂層壓粉碎是指在有限的空間內(nèi)大量顆粒聚集在一起,相互接觸,隨著壓力不斷增加,顆粒之間互相傳遞應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到顆粒壓碎強(qiáng)度時(shí),顆粒即開始粉碎[21]。高壓輥磨機(jī)的工作原理[22]是兩個(gè)輥?zhàn)幼雎俚南鄬?duì)運(yùn)動(dòng),其中一個(gè)輥?zhàn)庸潭?,另一個(gè)輥?zhàn)涌勺魉椒较虻幕瑒?dòng)。物料由上部連續(xù)喂入并通過輥間的間隙,用液壓給活動(dòng)輥施壓,物料受壓而粉碎,并被壓成料餅下落至機(jī)外。
近年來,隨著高壓輥磨機(jī)制造技術(shù)和控制水平的發(fā)展,尤其是輥面磨損問題的解決,加上其具有單位破碎能耗低、破碎產(chǎn)品粒度均勻、細(xì)粒級(jí)含量高、占地面積少、設(shè)備作業(yè)率高、簡(jiǎn)化工藝流程、節(jié)約投資、降低操作維護(hù)費(fèi)用、礦石適應(yīng)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn),使其在礦物加工領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大,尤其是用于金、鐵、銅、鉬等各種礦物的細(xì)碎或超細(xì)碎[23-30]。但高壓輥磨機(jī)的這些應(yīng)用只是集中在礦石的破碎階段,必須結(jié)合后續(xù)的球磨粉磨工藝才能使礦石中的目的礦物達(dá)到有效單體解離,而后方可進(jìn)入選別作業(yè)分選富集,從而得到綜合利用。而高壓輥終粉磨是一種集高壓輥粉磨和風(fēng)力分級(jí)等技術(shù)于一體的現(xiàn)代節(jié)能增產(chǎn)干法粉磨新技術(shù),可以取代傳統(tǒng)的濕法球磨粉磨系統(tǒng),減少了磨礦過程產(chǎn)生的一些難免離子對(duì)后續(xù)浮選的嚴(yán)重干擾,為硫化礦的高效浮選和綜合利用帶來新契機(jī)。
目前,高壓輥終粉磨技術(shù)在水泥行業(yè)的應(yīng)用推廣非常迅速,但在礦物加工領(lǐng)域的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道。水泥生料高壓輥終粉磨系統(tǒng)一般由高壓輥磨機(jī)、V型選粉機(jī)、動(dòng)態(tài)選粉機(jī)、除塵器等裝置構(gòu)成,水泥生料高壓輥終粉磨系統(tǒng)工藝設(shè)備聯(lián)系見圖1[31]。其工作原理是[32]:物料由加料裝置均勻給入,在旋轉(zhuǎn)磨輥的作用下,被帶入兩輥之間的粉碎腔,受到擠壓作用;隨著物料的下沉,料床間的空隙越來越小,擠壓的強(qiáng)度也越來越大,直至達(dá)到最大值;粉碎后的物料,被擠壓成料餅狀而卸出。通過V型選粉機(jī)和動(dòng)態(tài)選粉機(jī)等其他工序的反復(fù)循環(huán),可將符合要求的細(xì)粉選出,由除塵器收集送達(dá)生料庫,粗粉返回輥磨機(jī)繼續(xù)粉磨,并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)生料的終粉磨。該原理對(duì)高壓輥終粉磨技術(shù)運(yùn)用到有色金屬碎磨中具有指導(dǎo)意義。張千新、印萬忠等人[33]對(duì)武平悅洋銅銀礦石進(jìn)行了高壓輥碎磨—分選技術(shù)研究,結(jié)果表明高壓輥終粉磨產(chǎn)品粒度分布和金屬量分布較均勻,其選礦回收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)碎磨礦樣,所得銅銀粗精礦銅回收率為95.01%,銀回收率為94.04%。
圖1 水泥生料高壓輥終粉磨系統(tǒng)工藝設(shè)備聯(lián)系示意
可見,高壓輥終粉磨作為用于碎磨最具前景的一項(xiàng)高效節(jié)能技術(shù),可以直接省略常規(guī)的球磨粉磨系統(tǒng),不會(huì)對(duì)其產(chǎn)品產(chǎn)生磨礦因素的影響,進(jìn)而可優(yōu)化浮選環(huán)境,對(duì)浮選效果產(chǎn)生重要意義。
(1)在傳統(tǒng)的硫化礦磨礦—浮選過程中,磨礦介質(zhì)與硫化礦物之間、硫化礦物與硫化礦物之間由于電化學(xué)腐蝕作用和機(jī)械力化學(xué)作用產(chǎn)生的一些難免離子或礦漿化學(xué)作用等因素均會(huì)對(duì)選礦效果產(chǎn)生難以避免的干擾作用,進(jìn)而影響浮選指標(biāo)。
(2)高壓輥終粉磨作為一種干法制粉技術(shù),可以取消磨礦過程,不會(huì)對(duì)其產(chǎn)品產(chǎn)生磨礦因素的影響,由此可推斷其具有優(yōu)化浮選環(huán)境、提高浮選綜合指標(biāo)與硫化礦石綜合利用率的重要作用,但目前相關(guān)的應(yīng)用及基礎(chǔ)研究均較少,筆者會(huì)針對(duì)相關(guān)內(nèi)容開展進(jìn)一步的深入研究工作。
(3)當(dāng)今企業(yè)生產(chǎn)越來越重視節(jié)能降耗,高壓輥磨機(jī)因其能耗低、適應(yīng)性強(qiáng)、破碎產(chǎn)品細(xì)粒級(jí)含量高、易于生產(chǎn)管理等優(yōu)勢(shì),未來在有色金屬礦山中將具有廣闊的發(fā)展前景。同時(shí),由此發(fā)展的高壓輥終粉磨作為用于碎磨最具前景的一項(xiàng)高效節(jié)能技術(shù),也極具研究價(jià)值。
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國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):51374079);福州大學(xué)科技發(fā)展基金項(xiàng)目(編號(hào):2014-XQ-41);福建省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):201410386081);福州大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(編號(hào):510057)。
2015-01-16)
馬英強(qiáng)(1983—),男,博士,講師,350108 福建省福州市閩侯縣大學(xué)城。