鄒玉超 王 磊 李國(guó)勝3

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)國(guó)家煤加工與潔凈化工程技術(shù)研究中心，江蘇徐州221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇徐州221116；3.鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州450001）

流變學(xué)是研究物體在外力作用下變形和流動(dòng)的學(xué)科，研究對(duì)象包括流體、軟固體或在某些條件下可流動(dòng)的固體［1］。在選礦作業(yè)中，礦漿流變行為的改變往往會(huì)對(duì)礦物加工過(guò)程產(chǎn)生較大的影響，所以礦漿流變學(xué)研究備受科研工作者的重視。以往礦漿流變學(xué)的研究相對(duì)集中在礦漿輸送、磨礦、脫水等方面［2-4］。近年來(lái)，全球面臨富礦儲(chǔ)量嚴(yán)重減少，大量貧雜難選礦被加以分選利用，因其復(fù)雜的礦物流變特性，浮選系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生指標(biāo)惡化。因此，厘清浮選系統(tǒng)中礦物流變行為及影響已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)［5-7］。浮選系統(tǒng)的礦物流變行為一般涉及礦漿相和泡沫相，由于氣-液-固三相泡沫流變學(xué)測(cè)量技術(shù)尚未成熟，所以針對(duì)泡沫相流變行為的研究受到制約，當(dāng)前研究主要集中在礦漿相。

流體的流變行為一般可用流變圖表示，圖1為5種典型流體的流變圖［4，8-9］。在礦物浮選過(guò)程中，以高品位礦為主體的礦漿一般屬于牛頓流體，以貧雜難選礦為主體的礦漿則為非牛頓流體，表現(xiàn)為假塑性或賓漢塑性。在研究浮選礦漿流變性質(zhì)時(shí)一般涉及到兩個(gè)重要的流變參數(shù)，即屈服應(yīng)力和表觀黏度，前者表示物體在外力作用下開始發(fā)生形變時(shí)所受力的大小，后者為阻止物體變形的能力［9］。

針對(duì)貧雜難選礦的浮選特性，本文對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)中影響礦漿相流變性質(zhì)的主要因素、礦漿相流變學(xué)測(cè)量技術(shù)、礦漿相流變性對(duì)浮選指標(biāo)的影響、礦漿相黏度控制方法等研究進(jìn)行了總結(jié)和討論，旨在揭示國(guó)內(nèi)外貧雜難選礦的浮選礦漿流變學(xué)研究進(jìn)展及發(fā)展方向，為解決因礦漿流變行為而導(dǎo)致的貧雜難選礦浮選惡化問(wèn)題提供參考。

1 礦漿相流變性影響因素

1.1 礦漿濃度

礦漿濃度是影響礦漿流變性質(zhì)的重要因素［10-12］，該影響通常源于礦粒之間摩擦導(dǎo)致的體系能量耗散。一般而言，礦漿濃度與礦漿相表觀黏度呈正相關(guān)關(guān)系［13］，礦漿濃度增加，礦漿表觀黏度增大。圖2顯示了Becker等在研究UG2（南非布什維爾德的一個(gè)礦脈）和Great Dyke（津巴布韋的一個(gè)礦脈）鉑金礦石浮選時(shí)觀察到的礦漿濃度對(duì)礦漿表觀黏度的影響［14］?？梢钥闯觯?dāng)UG2和Great Dyke（GD）兩種礦石礦漿體積濃度超過(guò)25%后，礦漿表觀黏度隨礦漿濃度的提高而顯著增大。

實(shí)際上，礦物進(jìn)行浮選分離時(shí)入浮濃度一般會(huì)控制在低水平，質(zhì)量濃度約5%～40%（體積濃度11%～20%），只有極少礦物浮選時(shí)質(zhì)量濃度會(huì)超過(guò)50%（體積濃度約27%）［15］。研究表明，在常見(jiàn)的浮選濃度范圍內(nèi)，由高品位礦組成的礦漿一般呈牛頓流體或近似牛頓流體形態(tài)，黏度較低，其流變性質(zhì)不會(huì)影響浮選；但以貧雜難選礦為主體的礦漿流變性質(zhì)較為復(fù)雜，呈非牛頓流體形態(tài)，礦漿黏度較高，通常會(huì)惡化浮選指標(biāo)［7，16-18］。

1.2 礦粒特性

1.2.1 粒度與形狀

礦粒粒度對(duì)礦漿流變性質(zhì)有顯著的影響，礦漿的表觀黏度一般隨礦粒粒度的減小而增大。圖3顯示了FARROKHPAY等在研究富含黏土礦物的金礦時(shí)發(fā)現(xiàn)的礦漿表觀黏度與礦粒粒度之間的關(guān)系［19］。當(dāng)?shù)V漿質(zhì)量濃度超過(guò)25%時(shí)，礦漿表觀黏度變化顯著，且其表觀黏度隨礦粒粒度的減小而增大。由此可見(jiàn)，礦物顆粒粒度對(duì)礦漿表觀黏度的影響還受到礦漿濃度的制約。大量文獻(xiàn)表明，減小礦粒粒度尺寸會(huì)導(dǎo)致更為復(fù)雜的礦漿流變性質(zhì)，如剪切增稠或形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不可避免地造成礦物分離困難［20-21］。

礦漿流變性質(zhì)還受到礦粒形狀的影響。Mueller等發(fā)現(xiàn)，在相同的礦漿濃度下，不規(guī)則形狀顆粒之間的摩擦能量耗散要大于球形礦物顆粒［11］。例如，在礦物重介質(zhì)分離中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)漿料密度和粒度條件相同時(shí)，硅鐵球形顆粒懸浮液的黏度要低于不規(guī)則形狀的磁鐵礦顆粒懸浮液［22］。

1.2.2 礦物類型

不同類型的礦物，如礦物表面帶電性或表面形態(tài)差異等，決定了其浮選礦漿的流變行為有所不同［23-25］。NDLOVU等在研究由不同黏土礦物組成的懸浮液的黏度時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同黏土礦物配制的礦漿賓漢黏度呈現(xiàn)出較大差異，相比非層狀硅酸鹽礦礦漿（如石英），在相同條件下膨脹性黏土和蛇紋石等層狀硅酸鹽礦礦漿通常更黏稠［6］（圖4）。

1.3 礦粒間相互作用

貧雜難選礦為主體的礦漿中通常含有大量脈石礦物，這些顆粒不僅粒度分布寬，表面性質(zhì)差異性也大。文獻(xiàn)表明，礦物顆粒間的相互作用，如靜電作用、范德華引力作用等是支配浮選礦漿流變行為的重要因素［26］。

礦粒間的相互作用易受礦漿相剪切速率和化學(xué)環(huán)境的影響［9］。對(duì)于非牛頓流體礦漿，剪切速率對(duì)其流變性質(zhì)影響較大。實(shí)驗(yàn)研究中通常把剪切速率100 s-1或160 s-1設(shè)為浮選礦漿相的平均剪切速率，并在此基礎(chǔ)上獲取相應(yīng)的表觀黏度數(shù)據(jù)［25，27］。但在實(shí)際浮選中，浮選槽中礦漿距離轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪的位置不同，受到的剪切力也不同，因此礦粒間的相互作用會(huì)不同，礦漿黏度也會(huì)呈現(xiàn)出顯著的差異性［28］。

礦漿化學(xué)環(huán)境對(duì)礦漿流變性質(zhì)的影響較為復(fù)雜，因?yàn)榛诓煌敫〉V物，需選用不同的浮選藥劑和介質(zhì)因素（如離子、pH等）進(jìn)行分選。FARROKHPAY和ZANIN在考察鋅礦浮選泡沫穩(wěn)定性時(shí)發(fā)現(xiàn)，礦漿黏度隨 Al3+、Ca2+和 Na+離子濃度增加而增大［29］，如圖5所示。該變化歸因于離子改變了礦粒間的相互作用，從而影響了礦漿黏度。Cruz等研究了浮選藥劑對(duì)高嶺石和膨潤(rùn)土礦漿流變行為的影響，結(jié)果表明pH調(diào)整劑（NaOH、石灰、Na2CO3）、捕收劑（戊基黃原酸鈉）、起泡劑（Interfroth 6500）均可通過(guò)改變礦粒間的相互作用使得高嶺石和膨潤(rùn)土礦漿的流變行為發(fā)生變化［27］。

2 礦漿流變學(xué)測(cè)量

浮選礦漿相是由氣體、水和礦物顆粒組成的三相體系。有研究表明，當(dāng)氣-液-固三相體系中氣含率低于73%（關(guān)鍵值）時(shí)，氣泡會(huì)呈分散狀態(tài)，三相體系流動(dòng)過(guò)程中的能量耗散則與氣泡的變形或氣泡間的摩擦無(wú)關(guān)［9，13，30］。研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)浮選系統(tǒng)礦漿相氣含率遠(yuǎn)低于關(guān)鍵值，分別約為2.5%～15%和6%～21%［13］。所以在進(jìn)行浮選礦漿相流變學(xué)測(cè)量時(shí)，通常使用由水和礦粒組成的兩相體系。目前，已有多種儀器應(yīng)用于礦漿流變性質(zhì)測(cè)定，如毛細(xì)管黏度計(jì)、振動(dòng)球黏度計(jì)和旋轉(zhuǎn)流變儀等［31-32］。旋轉(zhuǎn)流變儀由于可以在特定的剪切速率下完成流變性質(zhì)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析，因此較其它儀器更具優(yōu)勢(shì)［17，33］。

以高品位礦為主體的礦漿黏度通常較低，進(jìn)行黏度測(cè)量時(shí)，因礦物顆粒沉降等因素的干擾，一般難以獲得可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。值得指出的是，此類礦漿在常規(guī)浮選條件下通常不會(huì)因流變問(wèn)題而影響浮選。相比而言，以貧雜難選礦為主體的礦漿中含有較多細(xì)粒黏土礦物，具有黏度高等特點(diǎn)，且會(huì)嚴(yán)重惡化浮選指標(biāo)，所以對(duì)此類礦漿進(jìn)行流變性質(zhì)測(cè)定與分析顯得尤為重要。文獻(xiàn)表明，對(duì)于貧、細(xì)、雜難選的高黏度礦漿，使用同軸圓筒型（bob-cup）流變儀可以有效測(cè)量其流變行為。CRUZ等給出了此類礦漿流變學(xué)測(cè)量的具體步驟，即以1 000 s-1的速率高速剪切圓筒內(nèi)礦漿15 s使礦粒均勻分散，然后靜置礦漿3 s后開始進(jìn)行測(cè)量，時(shí)間持續(xù)35 s［33］。對(duì)于在低剪切速率下存在屈服應(yīng)力的礦漿，TADROS、BOGER等建議使用含高敏氣驅(qū)葉片測(cè)頭的流變儀進(jìn)行相關(guān)測(cè)量［20，26］。此外，CRUZ和PENG還建議采用動(dòng)態(tài)振蕩流變學(xué)測(cè)量方法補(bǔ)充分析礦漿內(nèi)顆粒間的相互作用，深入了解貧雜難選礦的礦漿流變特性［9］。

3 礦漿黏度與浮選指標(biāo)

3.1 目的礦物回收率

礦漿黏度主要是通過(guò)影響氣泡-顆粒間的碰撞、黏附以及兩者形成的氣泡-顆粒團(tuán)聚體的上浮來(lái)影響目的礦物的回收。一般來(lái)說(shuō)，高礦漿黏度對(duì)應(yīng)低目的礦物回收率。Patra等在進(jìn)行銅礦浮選試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，加入纖維蛇紋石后礦漿黏度明顯升高，在此條件下礦漿內(nèi)氣體分散和氣泡運(yùn)動(dòng)受到限制，目的礦物顆粒無(wú)法與氣泡有效碰撞、附著形成團(tuán)聚體上浮，從而導(dǎo)致銅回收率顯著下降［34］。

ZHANG和PENG在銅-金礦浮選中分別加入膨潤(rùn)土（膨脹性黏土）和高嶺石（Q38品牌和Snobrite品牌，屬非膨脹性黏土）后也觀察到礦漿表觀黏度與目的礦物回收率之間存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)性（圖6）［24］。不同類型黏土礦物組成的礦漿具有不同的流變性質(zhì)，當(dāng)增加黏土礦物濃度時(shí)，添加膨潤(rùn)土的銅-金礦表觀黏度的變化比添加高嶺石的銅-金礦更顯著，對(duì)銅、金回收率的影響更大。ZHANG和PENG對(duì)此現(xiàn)象給出了與Patra相似的解釋：礦漿中存在的黏土礦物可使礦漿黏度增大，礦漿流動(dòng)性變差，從而導(dǎo)致氣泡-顆粒碰撞概率降低，目的礦物回收率降低。

ZHANG和PENG在研究中還觀察到，并非所有目的礦物浮選回收率都隨著礦漿黏度的增加而降低。從圖6（b）可以看出，當(dāng)膨潤(rùn)土質(zhì)量濃度增至5%和Q38高嶺石質(zhì)量濃度增至15%時(shí)，礦漿黏度微量增加，金回收率也有所提高［24］。實(shí)際上，礦粒與氣泡黏附后，高脫附概率有時(shí)是導(dǎo)致某些大比重、粗粒礦物浮選回收率低的原因。礦漿相湍流場(chǎng)有利于氣泡與礦粒的碰撞和附著，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致慣性較大的顆粒與氣泡分離，從而降低浮選產(chǎn)率。由此可見(jiàn)，只有適當(dāng)?shù)牡V漿黏度才有利于氣泡-顆粒團(tuán)聚體穩(wěn)定，達(dá)到提高目的礦物回收率的目的。

3.2 精礦品位

浮選過(guò)程中影響精礦品位的主要因素包括泡沫夾帶、礦泥罩蓋等［35-36］。泡沫夾帶是浮選系統(tǒng)普遍存在的一種脈石進(jìn)入精礦的方式，這一過(guò)程通常是非選擇性的。當(dāng)脈石礦物顆粒粒度小于50 μm時(shí)，由于礦粒質(zhì)量很小，可均勻地分散在浮選礦漿中，更易隨水進(jìn)入泡沫相從而最終進(jìn)入到精礦中［37］。WANG等認(rèn)為礦漿黏度會(huì)直接影響礦漿相中脈石顆粒的懸浮狀態(tài)和在泡沫相脈石顆粒相對(duì)于水的沉降狀態(tài)，所以礦漿黏度對(duì)泡沫夾帶有顯著影響［38］。CHEN等使用純黃銅礦、石英和非晶態(tài)二氧化硅研究礦漿黏度對(duì)銅礦浮選的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著礦漿中非晶態(tài)二氧化硅含量增加，礦漿黏度會(huì)先小幅增加而后顯著增加。當(dāng)?shù)V漿黏度小幅增加時(shí)，銅回收率略有降低，但精礦總質(zhì)量回收率明顯增加，這表明增大礦漿黏度顯著提高了脈石夾帶回收率，降低了精礦品位（見(jiàn)圖7）［25］。隨著礦漿黏度進(jìn)一步增大，銅回收率和總質(zhì)量回收率都受到了抑制。

礦泥罩蓋是指脈石礦物顆粒因相互作用力黏附到目的礦物表面，一方面降低了目的礦物疏水性導(dǎo)致目的礦物回收率下降，另一方面脈石礦物隨目的礦物進(jìn)入到浮選精礦中造成精礦品位降低。貧雜難選礦組成的礦漿通常含有大量細(xì)粒黏土礦物，礦漿體系黏度偏高，盡管關(guān)于礦漿黏度如何影響礦泥罩蓋的研究較少，但現(xiàn)有文獻(xiàn)表明礦漿黏度與礦泥罩蓋存在關(guān)聯(lián)性。圖8為CHEN等使用不同粒度石榴石改善白鎢礦浮選時(shí)的精礦品位與回收率［21］。當(dāng)加入的石榴石粒度大于38 μm時(shí)，石榴石會(huì)在調(diào)漿過(guò)程中與黏土礦物團(tuán)聚體發(fā)生劇烈碰撞，導(dǎo)致黏土礦物團(tuán)聚體形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)得到破壞，降低了礦漿黏度及黏土礦物在目的礦物顆粒表面的罩蓋，從而提高了精礦品位和回收率。

綜上所述，雖然在不同的浮選體系中，礦漿流變性質(zhì)對(duì)浮選指標(biāo)的影響有所差別，尚未得出廣泛認(rèn)可的規(guī)律性結(jié)論，但上文表明浮選指標(biāo)與礦漿的流變性質(zhì)密切相關(guān)。因此，還需展開進(jìn)一步工作，研究探明礦漿流變性質(zhì)對(duì)浮選指標(biāo)的影響規(guī)律，揭示礦漿流變性質(zhì)影響精礦回收率、品位的作用機(jī)制，明晰浮選指標(biāo)與礦漿流變性質(zhì)的關(guān)聯(lián)性。

4 礦漿黏度調(diào)控方法

4.1 稀漿浮選

礦漿濃度是影響礦漿流變性質(zhì)的重要因素，礦漿濃度增加，礦漿表觀黏度越高，礦物分選效果越差。研究發(fā)現(xiàn)，降低浮選礦漿濃度能降低浮選礦漿黏度、提高浮選指標(biāo)，因此對(duì)含泥較多的低品位礦石一般可選擇降低入浮礦漿濃度。例如，夏亮在分選安徽某含泥難選銅鉬礦時(shí)發(fā)現(xiàn)，該礦石含有大量易泥化的蛇紋石和少量滑石，導(dǎo)致礦漿黏度過(guò)高，嚴(yán)重影響銅鉬礦的回收。隨著礦漿濃度的降低，礦漿黏度降低，銅、鉬的粗精礦品位和回收率均有較大幅度的提高［39］。

4.2 分級(jí)浮選

采用分級(jí)浮選工藝也有助于降低礦漿黏度、改善貧雜難選礦的浮選指標(biāo)。例如，趙鳳婷對(duì)云南某硅質(zhì)及硅酸鹽型膠磷礦進(jìn)行了分級(jí)浮選工藝研究［40］，礦物學(xué)分析表明該磷礦+38 μm粒級(jí)僅含有少量細(xì)粒級(jí)脈石，采用分級(jí)浮選工藝避免了該粒級(jí)礦物受到大量細(xì)粒黏土類礦物的污染，降低了由礦漿黏度過(guò)高造成的負(fù)面影響。程飛飛對(duì)高黏土石墨礦進(jìn)行了分選研究，石墨原礦經(jīng)礦物學(xué)分析后進(jìn)行預(yù)先分級(jí)，+20 μm粒級(jí)中黏土礦物含量減少，礦物粒度較粗，浮選礦漿的黏度較低，浮選指標(biāo)得到有效改善［41］。

4.3 脫泥浮選

針對(duì)含泥量較高的貧雜難選礦也可采用脫泥浮選的處理工藝。在脫泥浮選中，盡管存在部分有用礦物損失，但由于大量的細(xì)粒黏土類脈石礦物被預(yù)先脫除，所以后續(xù)浮選作業(yè)中礦漿黏度相應(yīng)改變，同時(shí)減弱了細(xì)泥罩蓋、夾帶等不利影響，使得浮選得到明顯改善。例如，王琛研究了高泥氧化鋅脫泥/不脫泥浮選對(duì)礦漿流變性能的影響［42］。結(jié)果表明，在脫泥處理?xiàng)l件下，礦漿流變性質(zhì)得以改變，有效提高了礦漿分散度，最佳浮選濃度、精礦品位與回收率等浮選指標(biāo)均大幅提升。

4.4 其它方式

從減弱礦漿黏度方面來(lái)改善礦物浮選的方式還可以通過(guò)使用調(diào)整劑（分散劑）或鹽離子。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多種化學(xué)物質(zhì)作為調(diào)整劑進(jìn)行了探究。SEAMAN和WEI發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素磺酸基聚合物等生物聚合物可有效分散黏土礦物，降低浮選黏度，提高浮選指標(biāo)［43］。在某一工業(yè)分散劑性能研究中發(fā)現(xiàn)，Cyquest 40E（改性聚合物）可有效降低礦漿黏度，提高金回收率約10個(gè)百分點(diǎn)，然而使用BorreFlo D-919（木質(zhì)素磺酸基聚合物）時(shí)，雖然礦漿黏度可以降低，但金回收率與精礦品位發(fā)生惡化［19］。文獻(xiàn)表明，使用調(diào)整劑可降低浮選礦漿黏度改善浮選指標(biāo)，但不同調(diào)整劑作用效果不同，依然存在一些規(guī)律性問(wèn)題亟待發(fā)現(xiàn)。

研究表明鹽離子也可調(diào)節(jié)礦漿黏度來(lái)提高浮選性能。例如，ZHANG等發(fā)現(xiàn)含有Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl?、SO42?的海水可以降低膨潤(rùn)土在浮選礦漿中的溶脹能力，使得膨潤(rùn)土在礦漿中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致礦漿黏度降低，銅和金的回收率相應(yīng)提高［44］。WANG等在研究不同陽(yáng)離子存在條件下銅浮選行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，Na+、K+、Mg2+和Ca2+可以有效降低礦漿黏度從而提高了銅浮選回收率［45］。

5 結(jié)論

浮選礦漿流變學(xué)性質(zhì)對(duì)貧雜難選礦產(chǎn)資源的高效分選影響重大。近年來(lái)，研究學(xué)者在浮選礦漿相流變性的影響因素、礦漿相流變學(xué)測(cè)量技術(shù)、礦漿相流變性對(duì)浮選的影響規(guī)律與作用機(jī)理、礦漿相黏度調(diào)控方法等方面進(jìn)行了諸多研究，研究成果對(duì)工業(yè)分選貧雜難選礦有重要借鑒意義。目前，針對(duì)礦物浮選礦漿相流變學(xué)的研究仍存在局限性，建議深入開展以下方面的研究：

（1）發(fā)展與流體類型和剪切作用相適配的礦漿相流變學(xué)精確測(cè)量技術(shù)；

（2）劃分貧雜難選礦脈石礦物組別，按類別進(jìn)行礦漿流變行為及其浮選研究；

（3）建立浮選礦漿相和泡沫相流變行為之間的聯(lián)系，構(gòu)建礦漿黏度與浮選指標(biāo)的定量關(guān)系；

（4）探求浮選礦漿黏度調(diào)控的新工藝、新技術(shù)。