劉海深,羅大芳,許紹彬,王利明
(重慶國際復合材料股份有限公司,重慶 400082)
重慶砂巖資源豐富,主要分為軟質(zhì)砂巖、硬質(zhì)石英砂巖、硬質(zhì)白泡石砂巖3種。其中白泡石砂巖是一種高嶺土膠結(jié)石英晶粒的沉積巖,具有一定的力學強度,廣泛應用于建筑、耐火材料、建材等領(lǐng)域[1-3]。
白泡石作為玻璃纖維生產(chǎn)原料,具有儲量大、價格低、易開采、便運輸?shù)葍?yōu)點,是玻纖生產(chǎn)的重要硅鋁原料之一。目前,玻纖生產(chǎn)所用白泡石的鋁元素的質(zhì)量分數(shù)(本文均以氧化物計)約為10%~12%,必須加入一定量高嶺土、葉蠟石或其他高鋁礦物,才能達到玻纖對鋁元素質(zhì)量分數(shù)要求[4,5],但滿足玻纖生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)高嶺土和葉蠟石市場資源一直緊張,尤其是葉蠟石主要分布于東南沿海區(qū)域[6,7]。
白泡石中高嶺土質(zhì)量分數(shù)約為20%,其礦物組成與江西、廣西、廣東等地軟質(zhì)高嶺土礦較為接近,但江西、廣西、廣東等地軟質(zhì)高嶺土多為疏松沙質(zhì)礦,部分通過擦洗、搗漿即可使高嶺土、長石、云母礦充分單體解離[8-11]。而重慶地區(qū)白泡石礦為高硬度沉積巖,高嶺土同石英、長石等礦物膠結(jié)致密,單體解離難度大,需經(jīng)過磨礦后才能有效單體解離。
開發(fā)一種以白泡石為原料,通過分離白泡石中部分石英和云母的方式,富集白泡石中高嶺土,達到提高鋁質(zhì)量分數(shù)降低鉀元素質(zhì)量分數(shù)的目的,得到一種可直接用于玻纖生產(chǎn)的高鋁低鉀粉料,以減少部分高嶺土、葉蠟石使用,對西南片區(qū)玻纖生產(chǎn)企業(yè)具有較大意義。
本文以永川某白泡石礦為實驗基礎(chǔ),進行白泡石中高嶺土、長石、石英、云母礦分離實驗及應用可行性研究,詳見后文。
本文選用鋁質(zhì)量分數(shù)約為10.5%,鉀元素質(zhì)量分數(shù)為1.09%,石英顆粒晶粒大小為50~100μm永川某白泡石作為研究對象,進行白泡石礦物分離實驗研究。其化學組成見表1。
表1 永川白泡石化學組成表 (%)
XRF化學成分見表1,XRD分析結(jié)果見圖1,數(shù)據(jù)表明本實驗選取的白泡石鉀元素質(zhì)量分數(shù)較高,鐵元素質(zhì)量分數(shù)較低,硅、鋁組分均在玻纖行業(yè)常用指標范圍,XRD半定量分析顯示該永川白泡石中石英質(zhì)量分數(shù)為71.2%,高嶺石為19.7%,云母族礦物為9.1%,本實驗樣品具有研究代表性。
圖1 永川白泡石XRD半定量分析
熒光分析儀:Axios-max型,帕納科;
X射線衍射儀:DX-2700型,丹東浩元;
浮選機:XFGCI型,武漢探礦。
(1)采用帕納科Axios-max型熒光分析儀對樣品進行化學成分分析,測試電壓為60 kV,電流為50 mA。
(2)采用丹東浩元的DX-2700型X射線衍射儀對樣品進行衍射XRD測試,測試條件:銅靶,電壓35 kV, 電流30 mA,步進掃描模式,角度3°~75°,掃描步寬0.02,采樣時間1.5 s。
(3)采用Jade9.0軟件,對樣品XRD數(shù)據(jù)進行礦物晶相定性及半定量分析。
(4)采用武漢探礦的XFGCI型浮選機進行浮選實驗。
先將白泡石礦破碎至2 mm全通過,充分混合均勻后,縮分成150 g/袋。在干燥條件下,使用罐磨機分別研磨10 s、20 s、30 s、40 s、50 s、60 s,將所得樣品進行干法篩分分離,并對篩后產(chǎn)物進行成分分析。
圖2、3分別為不同磨礦時間下120目篩下物化學元素組成、回收率和產(chǎn)率對比圖,圖4為磨礦時間為40 s時,各粒級化學元素組成。
結(jié)合圖2、3,可以看出各元素回收率隨磨礦時間呈正比例變化,但磨礦時間達到40 s后,鋁元素質(zhì)量分數(shù)達到最高值18.84%,篩下物產(chǎn)率為39.26%,鋁元素回收率為70.73%,磨礦時間超過40 s后,篩下物鋁元素質(zhì)量分數(shù)呈降低趨勢,分析認為磨礦時間過長后,白泡石中石英顆粒得到充分研磨,進入篩下產(chǎn)物中。從圖4可以看出鋁元素主要富集于120目篩下產(chǎn)物中,60目以上粒級的鋁質(zhì)量分數(shù)接近原礦鋁質(zhì)量分數(shù)為9.54%,說明大于60目的粒級礦物未得到充分研磨,石英與高嶺石分離較少;80~120目產(chǎn)物鋁質(zhì)量分數(shù)為5%左右,說明高嶺石同石英部分單體解離,分析認為部分膠結(jié)在石英表面的高嶺石層未有效剝離。此外,從圖4還看出鐵、鈦質(zhì)量分數(shù)變化趨勢同鋁質(zhì)量分數(shù)變化趨勢基本一致,說明鐵、鈦元素主要富集于高嶺石及云母族礦物中,但120目篩下物的鉀質(zhì)量分數(shù)劇增,篩上鉀質(zhì)量分數(shù)較低,說明白泡石中云母族礦物同其石英充分單體解離、并磨碎,這與白泡石礦物組成研究具有一致[3]。
圖2 不同磨礦時間120目篩下物化學組成
圖3 不同磨礦時間120目篩下物回收率
圖4 干法磨礦40秒各粒級化學組成
玻纖生產(chǎn)過程中,硅鋁原料鋁元素質(zhì)量分數(shù)一般控制在16%~20%之間,因此,選擇以鋁質(zhì)量分數(shù)最高的磨礦時間條件為基礎(chǔ),進行下一步實驗研究。
為進一步了解白泡石可磨性及干法、濕法磨礦環(huán)境因素對單體解離度的影響,對白泡石進行濕法磨礦,礦漿溶度為60%,控制磨礦時間為40 s。結(jié)果表明,濕法磨礦后,120目篩下物化學成分同干法磨礦結(jié)果較為接近,但整體較干法磨礦低,各元素的回收率略高。說明濕法條件下,白泡石更容易得到細粒級粉料,但對礦物的單體解離沒有明顯影響,這與漿液流動性較好,研磨過程中部分細粒級得到充分研磨及濕法篩分有較大關(guān)系。
表2 干、濕法磨礦120目篩下物化學組成對比表 (%)
圖5 干、濕法磨礦40秒120目篩下物回收率
從上文可知,通過簡單的磨礦和篩分,可以一定程度上分離出白泡石中部分石英,達到富集高嶺石和提高鋁質(zhì)量分數(shù)目的。但篩下產(chǎn)物中鉀元素和鐵元素的質(zhì)量分數(shù)上升較高,無法大量用于玻纖生產(chǎn),這主要是由于白泡石中云母磨碎后,富集于120目 篩下產(chǎn)物中,且僅通過磨礦和篩分分級,無法使其與高嶺石有效分離。
諸多研究表明,水力旋流器和旋風分離器、高梯度磁選等物理分離方式,很難將粒徑相近的云母、高嶺土有效分離[12,13]。浮選是用于分離云母、長石、高嶺土最常見選礦手段[14,15]。
為研究120目篩下物礦物解離情況,并探究鉀降低的可行性,本文以干法磨礦40 s條件下,所得的120目篩下產(chǎn)物進行浮選實驗研究。采用反浮選工藝,浮選實驗流程見圖6。
圖6 反浮選工藝流程圖
從圖6和表3分析實驗數(shù)據(jù)得出,磨礦時間40 s 后的篩下產(chǎn)物直接進行反浮選,未見明顯效果,據(jù)此推斷該磨礦條件下,篩下物中云母未同高嶺土單體解離度較低,需要進一步磨礦。
表3 120目篩下物直接反浮選實驗結(jié)果
表4為120目篩下物再磨后的反浮選結(jié)果,從表中數(shù)據(jù)可以看出,120目篩下物再磨后,反浮選效果明顯,精礦鉀質(zhì)量分數(shù)為0.76%,較原礦降低30.28%,鋁質(zhì)量分數(shù)為17.25%,較原礦高64.44%,篩下物鉀元素去除率為72.19%。此外,發(fā)現(xiàn)相比原礦,鐵質(zhì)量分數(shù)、鈦質(zhì)量分數(shù)變化差異明顯,70.62%的鐵元素富集于尾礦中,93.31%的鈦元素富集于高嶺土精礦中,說明大部分鐵元素賦存于云母族等硅酸鹽礦物中,鈦元素則以其他形式存在。
表4 再磨至200目占80%后反浮選實驗結(jié)果
實驗證明,通過浮選手段可有效分離白泡石中云母和高嶺土礦物,但由于玻纖生產(chǎn)原料均為干燥粉體,浮選產(chǎn)物需要烘干后才能使用,且產(chǎn)生的酸性廢水再次處理,該工藝成本較高,無法起到降低成本的目的,因此該選礦手段去除白泡石中鉀暫不適用于玻纖行業(yè)。
(1)通過磨礦手段可以分離部分石英,達到提高富集高嶺土、提高鋁質(zhì)量分數(shù)效果,但磨礦時間超過40 s后,120目篩下產(chǎn)物鋁質(zhì)量分數(shù)開始降低。干法磨礦40 s時,120目篩下物鋁質(zhì)量分數(shù)最高為18.48%,產(chǎn)率為39.26%,元素回收率為70.73%。
(2)干法磨礦和濕法磨礦,120目篩下物鋁質(zhì)量分數(shù)較干法磨礦低,但鋁元素回收率更高為76%,主要是因為漿料流動性較好,細顆粒易磨碎,120目產(chǎn)物中石英質(zhì)量分數(shù)上升。
(3)干法磨礦40s后120目篩下物直接進行浮選效果不佳,將篩下物再磨至200目達到80%后,浮選手段可以有效分離白泡石中云母物質(zhì),但該方法不具備經(jīng)濟效益,暫不適用于玻纖生產(chǎn)。
(4)尋找和開發(fā)一種能保持石英顆粒粒徑基本不變情況下,使石英、云母、高嶺石3者有效單體解離的粉碎技術(shù)和干法分離云母、高嶺土技術(shù),是白泡石提鋁、降鉀的技術(shù)難點和研究方向。