充填介质对柱选铝土矿浮选行为的影响研究①

朱煜腾， 欧乐明， 张鹏羽， 朱仔成

(1.中南大学 资源加工与生物工程学院,湖南 长沙410083； 2.战略含钙矿物资源清洁高效利用湖南省重点实验室,湖南 长沙410083)

随着国民经济快速发展,我国已成为世界第一大铝生产国和消费国［1］。 我国低品位铝土矿资源储量丰富且主要以一水硬铝石型为主,一般需要浮选脱硅才能用于工业拜耳法生产,但铝土矿磨矿产品粒度两极分化严重,细粒级含量高的问题严重影响着铝土矿浮选脱硅效率［2-3］。 因此,开发适用于低品位微细粒铝土矿浮选的新型设备对于盘活低品位铝土矿资源具有重要意义。

浮选柱作为一种微细粒浮选设备,广泛应用于各类金属和非金属选别,但传统逆流式浮选柱仍存在诸多问题,如矿浆在浮选柱轴向返混严重,浮选柱液面出现翻花沟流现象等［4-5］。 研究表明,在传统逆流式浮选柱中充填介质可实现浮选柱内静态分选,有效解决传统逆流式浮选柱存在的问题［6-8］。 本文以微细粒铝土矿为研究对象,探究不同高度“十字形”充填介质对铝土矿浮选及柱内流态影响规律,为浮选柱的结构优化提供依据。

1 试样及试验系统

1.1 试 样

试样取自河南某铝土矿矿山,破碎至-3 mm 后混匀。 试样多元素分析结果如表1 所示。 原矿铝硅比为1.92,属于典型的低铝硅比型铝土矿。 该铝土矿属于一水硬铝石型铝土矿,主要脉石矿物为云母、菱铁矿、高岭石、锐钛矿、石英、方解石和黄铁矿。 原矿硅含量较高,需要通过浮选脱硅获得合格精矿。 由于该低品位铝土矿嵌布粒度较细,根据现场实际情况和微细粒级铝土矿浮选实验目的,确定的实验室规模磨矿细度大致为-0.074 mm 粒级占90%。 表2 为用于试验研究的磨矿产品粒度分布数据。

表1 铝土矿矿样化学多元素分析结果（质量分数）/%

表2 磨矿产品粒度分析结果

表2 数据表明,当-0.074 mm 粒级含量达到90%以上时,-0.038 mm 粒级占70%以上。

1.2 试验系统

本次柱浮选试验核心设备为自制实验室小型浮选柱,规格为Φ80 mm×1 300 mm,浮选柱柱体由4 段有机玻璃管组成,各段有机玻璃管中开有取样孔(A、B、C、D),可实现浮选柱轴向高度取样,有机玻璃管之间通过法兰连接,不同充填介质固定在两段有机玻璃管之间。 柱浮选试验设备联系图如图1 所示。

图1 柱浮选试验设备示意

试验用充填介质为PVC 薄板自制而成,薄板厚度为1 mm,横向和纵向各3 块薄板相互垂直交叉固定在圆环上,薄板方向与浮选柱轴线平行,相邻两薄板间距离为20 mm。 充填介质如图2 所示。

图2 不同高度充填介质示意

柱浮选操作过程为:称取2 000 g 铝土矿分批磨至-0.074 mm 粒级占90.86%后,用0.147 mm 标准筛隔除粗颗粒,然后将筛下矿浆倒入搅拌桶中,浮选矿浆浓度控制在15%左右,先加入碳酸钠调整矿浆pH 值至9.5 左右,搅拌3 min,再加入六偏磷酸钠100 g/t,搅拌3 min 后加入油酸钠1 200 g/t,搅拌4 min。 调浆完成后,按浮选柱操作程序启动浮选柱系统,调节空压机阀门至指定充气压力,保证充气量为150 L/h,用蠕动泵(WG600S-CE 型工业蠕动泵)将矿浆经给矿口给入浮选柱,让矿浆到达指定液位,然后调节蠕动泵转速为150 r/min,打开尾矿蠕动泵,使液位维持稳定,待泡沫层稳定后打开淋洗水喷头,保持淋洗水流量为7.17 mL/s,同时从不同浮选柱轴向高度的4 个取样点A、B、C、D各取出50 mL 矿浆样品,使用Malvern Mastersize 2000型激光粒度分析仪进行粒度测试,接着浮选12 min,得到精矿和尾矿产品。 将得到的精矿、尾矿产品过滤、烘干、制样、化验。 使用激光粒度分析仪分析精矿产品粒度组成。 保持试验参数不变,更换不同高度充填介质进行柱浮选,探究对比有无充填介质以及充填介质高度对浮选指标和粒度分布的影响。 浮选工艺流程见图3。

图3 浮选工艺流程

2 结果与讨论

2.1 充填介质对铝土矿浮选指标的影响

添加不同高度十字型充填介质后的柱浮选指标如表3 所示。 由表3 可以看出,添加充填介质可以有效提高铝土矿浮选铝硅比,强化浮选分离效果。 随着充填介质高度增加,Al2O3品位变化不大,但精矿中SiO2品位下降较明显,铝硅比A/S 随着充填介质高度增加显著增加。 当充填介质高度达60 mm 时,精矿中SiO2品位降至5.01%,A/S 达到11.83。 这说明在浮选柱中添加“十字形”充填介质可以有效强化有用矿物的富集,降低硅含量,获得优质的拜耳法生产氧化铝原料。

表3 充填介质高度对柱浮选指标的影响

2.2 充填介质对精矿产品粒度分布的影响

表4 为使用不同高度介质进行充填时浮选柱精矿产品粒度分布情况。 添加充填介质可有效提高精矿产品中0.010～0.038 mm 易浮粒级含量,降低微细粒级和粗粒级产品含量,由此提高精矿产品A/S,提高产品质量。 由铝土矿选择性磨矿特点可知,磨矿产品中Si 主要在-0.010 mm 粒级中富集［9］。 因此降低-0.010 mm粒级含量可有效降低精矿中含硅脉石含量,从而达到提高铝硅比的目的。

表4 精矿产品粒级分布情况

2.3 充填介质对浮选柱内轴向粒度分布特性的影响

传统无充填逆流式浮选柱中液相速度在浮选柱径向方向有一定变化,在柱中心向上、近壁面向下,浮选柱内存在较大的循环流,柱内返混严重。 返混会加剧已矿化气泡颗粒的脱附,造成精矿品位和回收率下降。添加充填介质后,浮选柱内大的漩涡消失,返混减弱,浮选柱内紊流度降低,矿化气泡-颗粒脱附概率降低,气泡兼并情况减少,浮选柱内流态趋向于柱塞流,更加有利于矿物的富集分选［7］。 充填介质对浮选柱内流态影响如图4 所示,在分选区域内添加充填介质可明显改善浮选柱内流态特性。

图4 充填介质对浮选柱内流态影响

柱塞流的特点是物料在每一截面上性质完全相同,所有矿粒驻留时间都一样,但同时也意味着中心轴上存在可浮物浓度梯度［10］。 根据铝土矿选择性磨矿的特点,本文以轴向粒度分布来表征可浮物浓度变化。不同充填介质高度下矿物颗粒粒度分布随浮选柱轴向高度变化(取样点A、B、C、D 轴向高度依次增加)如图5和表5 所示。

图5 浮选柱轴向粒度分布情况

表5 浮选柱轴向粒度d50分布情况

由图5 可见,无充填时浮选柱各轴向高度(A、B、C、D)粒度分布曲线基本重合,添加充填介质后,轴向粒度分布曲线差异性增加,且充填介质高度越高,差异性越明显。 如表5 所示,以粒度分布曲线中d50大小表征浮选柱内轴向特定高度粒度粗细程度,以d50标准偏差表征浮选柱内轴向混合均匀性。 随着充填介质高度增加,标准偏差逐渐增大,粒度差异增大,返混程度逐渐降低,浮选柱内流态向柱塞流发展。 且随着浮选柱轴向高度增加,粒度逐渐变粗,从微细粒级向细粒级发展。 结合铝土矿选择性磨矿特点,脉石矿物更易泥化,更易在微细粒级中富集,而铝土矿更易在较粗粒级中富集,说明添加充填介质可以强化粒度之间的差异性,从而提高铝土矿柱浮选分选指标。

3 结 论

1) 与传统无充填逆流式浮选柱相比,添加“十字形”充填介质可有效降低铝土矿柱浮选精矿中SiO2含量,从而提高铝硅比。 随着充填介质高度增加,浮选效果更好。 在原矿铝硅比1.92 情况下,无充填浮选柱精矿铝硅比为5.17,充填60 mm 高度介质后,精矿铝硅比可达11.83。

2) 充填介质可强化易浮粒级(10～38 μm)矿物回收,降低-10 μm 微细粒级易浮脉石回收,从而提高精矿铝硅比。 随着充填介质高度增加,强化效果增加。

3) 添加充填介质可增强浮选柱轴向高度粒度分布差异性,使各粒级含量在轴向高度存在一定梯度,从而提高分选效率。