超细粉磨活化河北某磷矿粉试验研究

单志伟，李凤久,2，刘立伟，李国峰,2

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210，2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210）

磷矿资源是生产磷肥的重要物质基础，对增加粮食产量和障农业可持续发展起着举足轻重的作用[1]。我国磷矿资源总量丰富，仅次于摩洛哥，居世界第二位。但我国磷矿资源主要以中低品位磷矿石为主，可直接利用的富矿仅占总量的8%。据统计，全国磷矿石中 P2O5平均品位不足17%，与摩洛哥、美国及俄罗斯等国家30%以上的磷品位相差甚远[2-3]。

近年来，国内外加大了对中低品位磷矿资源开发利用的研究力度，并取得了一定的进展。但我国已探明的磷矿资源中，85%为沉积岩型磷矿，矿石中磷主要以胶磷矿的形式存在。该类磷矿石具有矿物结晶粒度细和嵌布关系密切的特点，矿物解离困难和选别难度大。此外，原矿磷品位越低，获得合格精矿时的选矿比越大，分选过程中磷的损失也越大，导致矿石中磷资源利用率降低的同时产生大量的尾矿，造成环境污染等问题[4]。随着机械化学的提出与发展，有学者将该理论直接应用于中低品位磷矿粉处理中。普通磷矿粉经超细粉磨，可降低磷矿粉的粒径、增大其比表面积、破坏磷矿物的晶格结构，进而提高磷矿粉中有效成分的溶解与释放能力，即增加磷矿粉枸溶率，进而可直接作为磷肥使用[5]。

本研究对河北省某地磷矿粉进行超细粉磨处理，探究较佳的磨矿工艺参数以及磷矿粉粒度对其枸溶率的影响。

1 试验原料与方法

1.1 试验原料

试验中所用原矿为河北某地磷矿粉，浅灰色，其化学组成见表1。

表1 磷矿粉化学多元素分析结果/%Table 1 Results of chemical multi-element analysis of phosphate rock

可见主要成分为CaO和P，微量的Al2O3、MgO及Fe2O3。磷矿粉的SEM图片见图1。

图1 磷矿粉的SEM照片Fig.1 SEM photo of phosphate rock

从图1中可以看出，磷矿粉颗粒形状大小不一，且不规则，颗粒大多都有棱角，破碎较为简单，具有较好的超细粉磨活化性能。原矿粒度分布累积曲线见图2。

从图2中可以看出，原矿中位径38.43 μm，原矿粒度呈正态分布，分布区间由0.305 μm到204.88 μm，主要集中在60～80 μm之间。

1.2 试验方法

将中位径为38.43 μm的磷矿粉，放入行星式球磨机中，磨矿介质为钢球，在干式磨矿条件下进行不同工艺参数（转速、充填率、料球比、球配及时间）的单因素条件试验，并采用NKT6100-D激光粒度分析仪以及Origin软件检测分析粉磨产品的粒度，获得较优的工艺参数，从而制备超细磷矿粉。采用钒钼黄比色法，对超细磷矿粉中有效磷质量分数的检测，并计算出枸溶率[6]（枸溶率=有效磷/全磷 x 100%），分析粒度对枸溶率的影响。

2 结果与分析

2.1 转速试验

固定磨机充填率为50%、料球比为0.5、球配为3：2（大球直径为1.0 cm、小球直径为0.6 cm）、磨矿时间为60 min，考察磨机转速对磨矿效果的影响，转速的数值分别为300、350、400、500和600 r/min。一般而言，超细粉磨后矿物粒度可减小至10 μm以下[7]。因此，在考察粉磨产品累积粒度特性的同时分析了0～10 μm粒级范围内的磨矿效率，其结果见图3。

由图3可知，从整体来看转速由300 r/min增加到500 r/min，粉磨产品的粒度显著减小，中位径从31.04 μm减小到3.38 μm；继续增加转速到600 r/min，产品粒度无明显变化。0～5 μm的粒度范围之间，500 r/min和600 r/min的粒度累积曲线几乎重合；粒度为5～10 μm，500 r/min的含量略高于600 r/min，因此500 r/min磨矿效率较高，所以选取转速为500 r/min。

2.2 充填率试验

固定转速为500 r/min，料球比为0.5、球配为3：2、时间为60 min，研究不同料球充填率条件下对磨矿效果的影响，充填率分别为40%、45%、50%、55%和60%新生成粒级量见图4。

图4 不同充填率的新生成粒级量Fig.4 Newly generated fractional levels for different filling rates

由图4可知，充填率由40%增加到50%时，粉磨产品的新生成粒级量明显增多，以粒径10 μm为例，从6.76 g/(m3·h)增加到8.47 g/(m3·h)，继续增加至60%，磨矿产品的新生成粒级量无明显变化。因此在0～10 μm范围内分析，在2～7 μm范围内，充填率50%的新生成粒级量较高，磨矿效果较佳，7～10 μm范围内，充填率50%、55%和60%的新生成粒级量没有明显差别，综合考虑，充填率为50%的磨矿效果较佳。

2.3 料球比试验

在确定转速为500 r/min、充填率为50%的条件下，固定球配为3：2、磨矿时间为60 min，研究料球比对磨矿效率的影响，料球比分别为1、0.875、0.75、0.625、0.5和0.375，不同料球比的新生成粒级量见图5。

图5 不同料球比的新生成粒级量Fig.5 Newly generated particle size for different ball ratios

通过图5可以看出，料球比由0.375增大到0.875，粉磨产品的新生成粒级量有显著的增长，在粒径为10μm处，从7.76 g/（m3·h）增加到15.53 g/（m3·h），料球比继续增加至1，粉磨产品新生成粒级量增长较小。在0～10 μm的粒径范围内，料球比0.875与料球比1的新生成粒级量变化较小，在粒径＜5 μm的范围内，料球比0.875的新生成粒级量略高于其他条件，在微细粒级磨矿效率更高一些，综合考虑，料球比选择为0.875。

2.4 球配试验

在确定转速为500 r/min、充填率为50%、料球比为0.875的条件下，固定磨矿时间为60 min，研究球配对磨矿效率的影响，球配的数值分别为4：1、3：1、3：2、2：3 和 1：3，粒度累积曲线见图 6。

图6 球配与磷矿粉粒度关系Fig .6 Relationship between ball distribution and particle size of phosphate rock

在确定转速为500 r/min、充填率为50%、料球比为0.875的条件下，固定磨矿时间为60 min，研究球配对磨矿效率的影响，球配的数值分别为4：1、3：1、3：2、2：3和1：3，粒度累积曲线见图5所示。

由图6可知，随着球配由1：3变为3：1，粉磨产品的中位径有明显的减小，由4.0 μm减小到3.34 μm，继续变为4：1时，中位径明显增大。球配为3：1的条件下，累积含量高于其他条件，球配为3：1的中位径明显低于其他条件，中位径为3.34 μm，在0～10 μm范围内，含量也略高于其他条件，因此球配选为3：1，此时磨矿效果较佳。

2.5 磨矿时间试验

确定转速为500 r/min、充填率为50%、料球比为0.875、球配为3：1的条件下，磨矿时间分别为60、90、120、150、180、210以及240 min时，粒度累积曲线见图7。

图7 磨矿时间与磷矿粉粒度关系Fig .7 Relationship between grinding time and particle size of phosphate rock

由图7可知，随着磨矿时间由30 min延长至150 min，粉磨产品的中位径由6.14 μm减小到2.64 μm，继续延长至240 min，粉磨产品的中位径没有明显变化，四个时间点的中位径相差在0.1 μm范围之内，中位径约2.71 μm左右，与原矿的中位径相比下降了35 μm左右。随着时间的延长，粒度随之变小，磨矿效率也随之在减小。当磨矿时间超过150 min，磷矿粉粒度没有明显变细。

采用钒钼黄比色法，对不同磨矿时间条件下的磨矿产品进行化验，所得磨矿时间与枸溶率关系见图8。

图8 磨矿时间与枸溶率关系Fig .8 Relationship between grinding time and enthalpy dissolution rate

随着磨矿时间的增加，粒度随之减小，枸溶率随之增高。当粒度变化趋近于平缓时，枸溶率的增长速率也随之变缓。原矿中枸溶率为9.14%，经过超细粉磨后的磷矿粉的枸溶率约在40%-63%左右，最高达到63.45%，相对于原矿提高了54个百分点。

3 结 论

（1）未活化磷矿粉颗粒形状大小不一，且不规则，颗粒大多都有棱角，破碎较为简单，具有较好的机械活化性能。

（2）在磨机转速为500 r/min，充填率为50%，料球比为0.875，球配为3：1和不同磨矿时间条件下，可使磨矿产品的中位径降低35个百分点左右，最终获得中位径在3μm左右的超细磷矿粉。

（3）通过超细粉磨活化后，磷矿粉中枸溶率有明显的增高，随着粒度的减小，枸溶率随之增高，枸溶率最高可达到63.45%，相对于原矿提高了54个百分点。

（4）磷矿粉经过超细粉磨处理后，磷矿粉中有效磷的释放量有明显的增加，取得了良好的指标效果。超细粉磨活化磷矿粉技术有效的提高了磷矿粉中有效磷的含量，而且不会对环境造成污染，值得更深一步的探索与研究。