于保強 何榮權 鄧朝安 鄒毅仁 張辰子

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038;2.河南省地質局地質災害防治中心,河南 鄭州 450000)

鋰由于其獨特的物理化學性質而被廣泛應用于電池、冶金、航空航天等重要領域,被譽為21世紀的能源金屬,是我國重要的戰(zhàn)略性礦產資源[1]。近年來隨著新能源汽車產業(yè)的快速發(fā)展,使得全球對鋰礦資源的開發(fā)力度逐漸增大[2-5]。國內常見的鋰礦資源有鋰輝石、透鋰長石、鋰云母等,但開發(fā)利用最多的主要是鋰輝石礦[6-7]。目前礦山對于鋰輝石礦的處理普遍采用破碎、磨礦、浮選或重浮聯合工藝[8-10],其中磨礦在整個工藝中不可或缺,但磨礦也是整個選廠投資最大、能耗最高、作業(yè)成本最高的環(huán)節(jié)[11]。對于偉晶巖型鋰輝石礦,鋰輝石嵌布粒度粗,在粗磨條件下即可較好解離。高壓輥磨機是一種基于層壓粉碎理論的高效節(jié)能粉碎設備[12],具有能耗低、粉碎效率高、產品粒度細等優(yōu)點[13],此外其粉碎產品單體解離性好,有利于后續(xù)選別。采用高壓輥磨機將鋰輝石礦直接粉碎至相對較粗的粒度時,鋰輝石礦物即可達到較高的解離度。此時對高壓輥磨粉碎產品直接進行粗粒浮選時,如果能夠獲得較好的浮選指標,那么工業(yè)上則有可能采用高壓輥磨機代替球磨機進行終粉磨,這對于礦山節(jié)能降耗、提質增效具有重要的意義。

本研究以新疆某鋰輝石礦為研究對象,采用高壓輥磨機將其粉碎至-0.5 mm,并以此作為鋰輝石礦粗粒浮選給料,探索了藥劑用量、礦漿濃度、攪拌轉速對鋰輝石礦粗粒浮選的影響。此外,本研究自行設計了粗粒浮選裝置用于提高粗粒鋰輝石礦的浮選效果,以期為鋰輝石礦粗粒浮選技術的開發(fā)提供思路。

1 原礦性質與試驗方法

1.1 原礦性質

試驗礦樣來源于新疆某鋰輝石礦,原礦經高壓輥磨機直接粉碎至-0.5 mm,粉碎后的礦樣直接用于粗粒浮選試驗。首先對代表性礦樣進行化學多元素分析,結果如表1所示。礦石礦物組成分析結果見表2。

表1 礦石化學多元素分析結果Table 1 Chemical composition analysis results of the ore %

表2 礦石礦物組成分析結果Table 2 Mineral composition analysis results of the ore %

從表1可以看出,礦石中主要可回收的有價金屬元素為鋰,Li2O含量為1.41%。BeO、Ta2O5、Nb2O5的含量較低,可作為伴生金屬回收。

從表2可以看出,礦石中主要含鋰礦物鋰輝石含量為22.15%,另外還含有少量的鋰云母以及鋰鐵電氣石。脈石礦物主要為石英、斜長石和正長石,含量分別為26.78%、31.36%、14.43%。金屬礦物主要為鉭鈮鐵礦以及鐵錳氧化礦,但含量很低。

采用礦物解離度分析儀(MLA)對高壓輥磨機粉碎后的試樣進行主要礦物解離度分析,結果如表3所示。

表3 試樣主要鋰礦物及脈石礦物單體解離度Table 3 Liberation degree of main lithium minerals and gangue minerals

從表3可以看出,原礦經高壓輥磨機粉碎至-0.5 mm后,主要含鋰礦物鋰輝石的單體解離度可達到91%以上,鋰云母的單體解離度也相對較高,脈石礦物石英和長石的單體解離度均在95%以上。這說明原礦經高壓輥磨機粉碎至0.5 mm后,主要目的礦物基本上已經充分解離,不需要進一步磨礦。

表4為-0.5 mm試樣的粒度組成以及鋰金屬在各粒級分布率結果。

表4 試樣粒度組成及鋰金屬在各粒級分布率Table 4 Particle size composition and lithium distribution of the sample

從表4可以看出,試樣-0.074 mm含量只有28.54%,0.5～0.3 mm粗粒級含量為33.20%,說明試樣粒度較粗。鋰金屬在0.5～0.3 mm粗粒級中分布率為41.35%,而在-0.074 mm細粒級中分布率較低,為20.85%,說明試樣中鋰輝石礦物更趨向于分布在粗粒級中。

1.2 試驗設備與藥劑

對高壓輥磨機終粉磨-0.5 mm試樣直接進行浮選,以探索鋰輝石礦粗粒浮選的可行性。試驗用高壓輥磨機型號為CLM-2510,粗選試驗在XFD-1L單槽浮選機中進行,精選試驗在XFD-0.5L單槽浮選機中進行。此外為了強化對粗顆粒鋰輝石的回收,本研究自行設計了粗粒浮選裝置(圖1),試樣首先置于攪拌槽中并添加藥劑進行調漿,調漿后通過給料泵給入粗粒浮選柱,給料泵與粗粒浮選柱之間的管路中設置有微泡發(fā)生器,礦物顆粒與氣泡充分混合后在浮選柱中進行選別,浮選柱的泡沫從上部溢流槽排除,尾礦從下部排出后返回攪拌槽,粗粒浮選裝置實物圖如圖2所示。試驗所用浮選捕收劑為氧化石蠟皂、油酸鈉,均為工業(yè)純,調整劑為Na2CO3、NaOH,均為分析純。

圖1 粗粒浮選裝置示意Fig.1 Schematic diagram of coarse particle flotation device

圖2 粗粒浮選裝置實物Fig.2 Actual picture of coarse particle flotation device

2 試驗結果與討論

2.1 浮選條件試驗

為了確定鋰輝石礦粗粒浮選適宜的條件,分別考察了浮選藥劑用量、浮選礦漿濃度、浮選機攪拌轉速對浮選指標的影響,試驗流程見圖3。

圖3 粗選試驗流程Fig.3 Rough flotation tests flow diagram

2.1.1 碳酸鈉用量試驗

碳酸鈉是鋰輝石礦浮選常用的調整劑,主要用于調節(jié)礦漿pH值,且對礦泥具有分散作用。固定礦漿濃度40%、攪拌轉速2 000 r/min、氫氧化鈉用量600 g/t、氧化石蠟皂用量2 000 g/t、油酸鈉用量200 g/t,進行碳酸鈉用量試驗,結果見圖4。

圖4 碳酸鈉用量試驗結果Fig.4 Sodium carbonate dosage test results

從圖4可以看出,隨著碳酸鈉用量的逐漸增加,鋰粗精礦Li2O品位逐漸升高,但Li2O回收率先升高后緩慢降低。當碳酸鈉用量為500 g/t時,Li2O的回收率最高,此時Li2O的品位也相對較高。因此,確定碳酸鈉用量為500 g/t。

2.1.2 氫氧化鈉用量試驗

氫氧化鈉除作為鋰輝石浮選常用的pH值調整劑外,還對鋰輝石具有一定的活化作用,可提高鋰輝石的選擇性。固定礦漿濃度40%、攪拌轉速2 000 r/min、碳酸鈉用量500 g/t、氧化石蠟皂用量2 000 g/t、油酸鈉用量200 g/t,進行氫氧化鈉用量試驗,結果見圖5。

圖5 氫氧化鈉用量試驗結果Fig.5 Sodium hydroxide dosage test results

從圖5可以看出,隨著氫氧化鈉用量的增加,鋰粗精礦Li2O品位和回收率都呈現出先增加后下降的趨勢,說明添加適量的氫氧化鈉不但可以提高鋰輝石礦物的浮選活性,還可以使捕收劑對鋰輝石礦物的選擇性增強。因此,確定氫氧化鈉用量為600 g/t。

2.1.3 捕收劑用量試驗

選擇捕收能力較強的氧化石蠟皂為捕收劑,選擇油酸鈉作為輔助捕收劑強化對粗粒鋰輝石礦物的捕收能力。固定礦漿濃度40%、攪拌轉速2 000 r/min、碳酸鈉用量500 g/t、氫氧化鈉用量600 g/t,進行氧化石蠟皂和油酸鈉用量試驗,結果見圖6。

圖6 捕收劑總用量試驗結果Fig.6 Collector total dosage test results

從圖6可以看出,隨著捕收劑用量的增大,粗精礦Li2O品位逐漸降低,Li2O回收率逐漸增加。當氧化石蠟皂+油酸鈉用量為3 000+300 g/t時,Li2O的回收率可達到61.19%,相對于常規(guī)捕收劑用量(氧化石蠟皂2 000 g/t、油酸鈉200 g/t)[14]Li2O的回收率可提高約10個百分點。這說明對于粗粒鋰輝石礦物的浮選,需要增大捕收劑用量才能獲得較好的回收指標。因此,確定捕收劑氧化石蠟皂+油酸鈉用量為3 000+300 g/t。

2.1.4 礦漿濃度試驗

粗粒鋰輝石礦物浮選時由于顆粒粒度大而容易下沉,適當增大礦漿濃度有利于粗粒礦物浮選[15]。固定碳酸鈉用量500 g/t、氫氧化鈉用量600 g/t、氧化石蠟皂用量3 000 g/t、油酸鈉用量300 g/t,進行礦漿濃度試驗,結果見圖7。

圖7 礦漿濃度試驗結果Fig.7 Pulp concentration test results

圖7表明,隨著礦漿濃度由30%增加到40%,粗精礦Li2O回收率由59.69%緩慢增加到61.19%,隨后趨于平緩,而Li2O品位基本保持不變,說明適當增大浮選礦漿濃度有利于提高粗粒鋰輝石礦物的浮選回收率。綜合考慮,選擇礦漿濃度為40%。

2.1.5 攪拌轉速試驗

對于粗粒鋰輝石礦物浮選,當攪拌轉速較低時藥劑與礦物作用不充分,浮選效果變差,而轉速較大時黏附在氣泡上的粗顆粒鋰輝石容易脫落而不易上浮,同樣不利于浮選[16]。在礦漿濃度40%、碳酸鈉用量500 g/t、氫氧化鈉用量600 g/t、氧化石蠟皂用量3 000 g/t、油酸鈉用量300 g/t的條件下進行攪拌轉速試驗,結果見圖8。

圖8 攪拌轉速試驗結果Fig.8 Agitation speed test results

從圖8可以看出,隨著攪拌轉速的增大,粗精礦Li2O品位基本保持不變,當攪拌轉速為1 750 r/min時,Li2O的回收率最高,為62.56%。因此,選擇攪拌轉速為1 750 r/min。

2.2 粗粒浮選裝置浮選試驗

為了強化對粗顆粒鋰輝石礦物的浮選回收,采用自行設計的粗粒浮選裝置進行浮選。浮選時粗顆粒鋰輝石礦物與藥劑、氣泡充分接觸后通過中心給料管從下向上并以散射狀形式給入到浮選柱,中心給料管末端(即礦化泡沫出口)浸入在泡沫層中。粗顆粒鋰輝石礦物借助礦漿向上的流體推動力能夠及時進入到泡沫層中,進而溢流至泡沫溜槽成為精礦,減少了鋰輝石礦物在浮選設備中的停留時間,且降低了礦漿中鋰輝石礦物從氣泡上脫落的概率,能夠促進粗粒鋰輝石礦物的回收。

為了驗證該設備對粗粒鋰輝石礦物的浮選效果,在礦漿濃度40%、碳酸鈉用量500 g/t、氫氧化鈉用量600 g/t、氧化石蠟皂用量3 000 g/t、油酸鈉用量300 g/t的條件下按照圖2所示流程進行浮選試驗,并與常規(guī)掛槽浮選機結果進行對比,試驗結果見表5。采用粗粒浮選裝置后粗精礦Li2O回收率為72.74%,相對于常規(guī)掛槽浮選機約提高了10百分點,說明該裝置能夠有效改善對粗粒鋰輝石礦物的回收。但粗精礦品位略有降低,這可能是由于該粗粒浮選裝置會使鋰輝石礦物在泡沫中停留時間變短,二次富集作用減少。

表5 鋰輝石礦粗粒浮選裝置浮選指標Table 5 Flotation result of spodumene ore by coarse particle flotation device %

此外,本研究采用球磨機將常規(guī)破碎后的樣品磨至與高壓輥磨機粉碎產品相同的細度(-0.074 mm占28.54%),并在相同的浮選條件下在掛槽浮選機中進行浮選,結果見表5。相同細度條件下,常規(guī)破碎-球磨產品浮選得到的鋰粗精礦鋰品位與回收率指標與高壓輥磨終粉磨產品指標基本相同,說明在該粉碎產品細度條件下高壓輥磨終粉磨相對于常規(guī)破碎-球磨基本不會造成浮選指標變差。

2.3 閉路浮選試驗

基于以上粗粒浮選條件,按照圖9所示流程進行了2次粗選3次精選1次掃選以及中礦順序返回的閉路浮選試驗,試驗結果見表6。

圖9 閉路浮選試驗流程Fig.9 Closed flotation test flow diagram

表6 閉路浮選試驗結果Table 6 Closed circuit flotation test results %

從表6可以看出,閉路浮選試驗可獲得Li2O品位為5.11%、Li2O回收率為70.04%的鋰精礦。選礦指標相對較好,為鋰輝石礦山采用高壓輥磨機作為終粉磨取代球磨機細磨提供了可能。

3 結 論

(1)鋰輝石礦主要有價成分為Li2O,含量為1.41%,主要含鋰礦物為鋰輝石,另有少量的鋰云母,脈石礦物主要是石英、斜長石、正長石。浮選礦樣為高壓輥磨機直接粉碎至-0.5 mm的樣品,-0.074 mm粒級含量占28.54%,且礦樣中鋰輝石礦物的單體解離度較高,在90%以上。

(2)粗選條件試驗表明,粗粒鋰輝石礦比常規(guī)細粒浮選需要的捕收劑用量要大,且需要在相對較低的攪拌轉速以及較高的礦漿濃度條件下才能獲得較好的浮選指標。

(3)本研究設計的粗粒浮選裝置相對于常規(guī)掛槽浮選機可提高Li2O回收率約10百分點,說明該浮選裝置對于粗粒鋰輝石礦具有較好的回收效果。

(4)通過閉路浮選試驗可獲得Li2O品位為5.11%、Li2O回收率為70.04%的鋰精礦指標,為鋰輝石礦山采用高壓輥磨機作為終粉磨而取代球磨機細磨提供了可能。