超声波对锡铁精矿粒度影响的实验研究

魏俊，刘念，张群

（安庆师范大学资源环境学院,安徽安庆246133）

含锡铁矿作为典型的难处理复杂铁矿资源，在世界范围内主要分布在中国、俄罗斯、印尼、日本等国家[1]。资源特点是矿床均为砂卡岩型，矿石成分比较复杂，选冶难度大。而在我国，含锡铁矿的储量巨大，主要分布在内蒙古、湖南、云南等省份[2]。据统计，该类矿石一般铁品位30%～55%，锡品位0.2%～1.2%[3-4]，具有极高的经济价值和综合利用价值。锡矿石中矿物嵌布关系复杂[5]，含锡矿物多以单体细粒或微细粒包裹体与磁铁矿和赤、褐铁矿共生，部分与脉石矿物连生[6]。采用常规的重、磁、浮等物理选矿方法分选时，超细磨才能使锡石和铁矿物解离，因锡石易过粉碎和褐铁矿易泥化，导致锡、铁综合回收率低，锡、铁精矿中的铁、锡含量高，需要进一步处理才能满足钢铁生产和锡冶炼的要求[7-8]。因锡铁矿中锡铁共生难以分离，导致锡铁矿资源没有得到有效的开发利用。超声波是一种特殊的能量输入方式，以其自身独有的特点（频率大、波长短、能量高、方向性好）和作用（机械作用、空化作用、化学效应）[9]在众多领域中得到广泛应用，且效果显著[10]，因矿物的物化性质存在差异，以及超声波作用存在差别，可以使锡矿物和铁矿物在不同粒度的条件下得以有效解离。因此，通过探究超声波各种参数及其他因素对矿物粒度影响的规律，研究超声波强化锡铁分离的特性，形成锡铁矿物解离新方案，对实现锡铁的高效分离与回收，进而达到大规模高效开发利用锡铁矿的目标，缓解我国铁精矿长期短缺现状和锡矿资源危机，对推动以资源高效循环、节能降耗为主题与生态系统相协调的绿色新技术的开发具有重要的意义。

1 实验部分

1.1 原料采集与制备

实际矿石锡铁精矿取自云锡集团浮选精矿。原料因含水，需经干燥、粉碎、反复混匀、多次缩分制得试验用料。

1.2实验仪器与设备（表1）

表1 主要设备和仪器

1.3 实验方法与表征

（1）实验方法

本实验的实验过程分为取样配料、超声波处理、过滤烘干等步骤。在实验过程中，用分析天平称取研磨晒干过后的锡铁矿50 g，放于事先准备好的试纸上，利用量筒量取100 mL 的纯净水。将称取好的锡铁矿分别置于60 W、80 W、100 W 不同频率的超声波仪器中，分别进行1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h的超声波处理。在实验中需不断更换超声波清洗仪中的水，以免温度过高损坏仪器。待超声波处理结束后，取出样品，过滤。恒温干燥箱60℃烘干实验样品。烘干后封袋标注。

（2）实验表征

用BT-9300S型激光粒度分析仪测试锡铁精矿以及经超声后的试样粒度。每次称取适量待测试样置入烧杯并添加一定量的水，达到激光粒度分析仪所需溶液浊度，经磁力搅拌器调浆后置入激光粒度分析仪测试样品粒度分布。每个样品测量3 次，取其平均值。

2 结果与讨论

2.1 锡铁精矿粒度分析结果

超声波作用前锡铁精矿粒度分布见图1。

图1 锡铁精矿粒度分析结果

锡铁精矿的主要粒度集中在-116+10 μm，以-75+20 μm 为主，-5 μm 粒级的含量几乎没有，本实验主要探究-5 μm粒级含量的变化。

2.2 20 kHz超声功率和时间对锡铁精矿粒度的影响

通过考查频率为20 kHz，超声功率逐渐增大，时间逐渐加长后对锡铁精矿的破碎效果，并分析其中的规律性。

研究当频率为20 kHz 时，超声时间由1 h 增加到3 h 相对应的功率由60 W 提高到100 W 对锡铁精矿的破碎粒度的影响情况。

图2 超声功率60 W时超声时间对锡铁精矿粒度的影响

由图2 可知，各个作用时间内-116+20 μm 粒级的含量减少，-5 μm 粒级的含量有较大的提升，表明在频率和功率一定时超声所作用的时间对粒度的有影响。

图3 超声功率80 W时超声时间对锡铁精矿粒度的影响

由图 3 可知，各个作用时间内-116+45 μm 粒级的含量减少，-5 μm 粒级的含量有所增加，表明在频率和功率一定时超声所作用的时间对粒度有影响，且时间越长效果越好。

图4 超声功率100 W时超声时间对锡铁精矿粒度的影响

由图 4 可知，不同作用时间内-116+10 μm 粒级的含量减少，-5 μm 粒级的含量有较大的提高，表明在一定超声频率和超声功率的条件下，超声时间越长，粒度细化程度越高。

由图2、图3、图4可知，在频率和功率一定时超声所作用的时间对粒度有影响，且随着超声时间的增加邻近的细粒级含量增加，当超声时间为3 h 时效果最明显，-5 μm粒级的含量最多。

2.3 40 kHz超声功率和时间对锡铁精矿粒度的影响

研究当频率为40 kHz 时，超声时间由1 h 增加到3 h 相对应的功率由60 W 提高到100 W 对锡铁精矿的破碎粒度的影响情况。

图5 超声功率60 W时超声时间对锡铁精矿粒度的影响

由图5 可知，各个作用时间内-116+20 μm 粒级的含量减少明显，-5 μm 粒级的含量有所增加，表明在频率和功率一定时超声所作用的时间对粒度有影响。对比图2 可知，作用时间少于2 h 的实验组-5 μm 粒级的含量有所增加，但是时间大于2 h 的实验组-5 μm 粒级的含量增加不明显。

图6 超声功率80 W时超声时间对锡铁精矿粒度的影响

由图6 可知，各个作用时间内-116+10 μm 粒级的含量减少明显，-5 μm 粒级的含量增加显著，表明在频率和功率一定时，超声所作用的时间对粒度有影响。对比图3 可知，作用时间少于2 h 的实验组-5 μm 粒级的含量增加非常显著，但是时间大于2 h 的实验组-5 μm粒级的含量增加还是明显。

图7 超声功率100 W时超声时间对锡铁精矿粒度的影响

由图 7 可知，各个作用时间内-116+10 μm 粒级的含量减少明显，-5 μm 粒级的含量增加显著，表明在频率和功率一定时，超声所作用的时间对粒度有影响。对比图4可知，作用时间少于1.5 h的实验组-5 μm粒级的含量增加非常显著，但是时间大于1.5 h的实验组-5 μm粒级的含量增加还是明显。

对比图2、图3、图4 可知，随着功率和时间的增加-5 μm粒级的含量增加逐渐明显，当功率和时间在一定的频率下达到最大值时，细粒级的含量增加最为明显。

2.4 60 kHz超声功率和时间对锡铁精矿粒度的影响

继续增大频率到60 kHz，功率和时间依旧按原来的变化，继续探究超声参量对锡铁精矿的破碎效果影响。

图8 超声功率60 W时超声时间对锡铁精矿粒度的影响

由图 8 可知，各个作用时间内-116+20 μm 粒级的含量减少明显，-5 μm 粒级的含量有所增加，表明在频率和功率一定时超声所作用的时间对粒度有影响。对比图5可知，作用时间少于1.5 h的实验组-5 μm粒级的含量有所增加，但是时间大于1.5 h 的实验组-5 μm 粒级的含量增加不明显。

图9 超声功率80 W时超声时间对锡铁精矿粒度的影响

由图9 可知，各个作用时间内-116+5 μm 粒级的含量减少明显，-5 μm 粒级的含量增加显著，表明在频率和功率一定时超声所作用的时间对粒度有影响。对比图6 可知，作用时间一定时细粒级的含量随着超声频率的增加含量增加不明显。

图10 超声功率100 W时超声时间对锡铁精矿粒度的影响

由图10 可知，各个作用时间内-116+5 μm 粒级的含量减少明显，-5 μm 粒级的含量增加显著，表明在频率和功率一定时超声所作用的时间对粒度有影响。对比图7 可知，作用时间一定时细粒级的含量随着超声频率的增加含量增加不明显。

3 结论

通过上述数据分析统计，可以得到以下结论：

（1）当超声频率、超声功率一定时，随着超声时间的增加，锡铁矿破碎的效果越来越明显，-5 μm 粒级的细粒含量增加明显。

（2）当超声频率、超声时间一定时，随着超声功率的增加，锡铁矿破碎的效果越来越明显，-5 μm 粒级的细粒含量增加明显。

（3）超声功率、超声时间一定时，随着超声功率的增加，锡铁矿破碎的效果不明显，-5 μm 粒级的细粒含量增加也不明显。

（4）对于锡铁矿的超声处理，随着超声时间以及超声功率的增加，锡铁矿的粒度随之变细。当超声波的功率为60 W/80 W/100 W，超声处理时间为3 h左右时，锡铁矿的处理效果比较好，且超声频率对粒径的影响较小。