不同粒度赤铁矿和石英的浮选行为研究

伍红强 邱廷省

（1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽 马鞍山 243000）

随着我国经济的发展，中国生铁产量逐年增加，2019年我国生铁产量8.09亿t、2020年我国生铁产量8.88亿t。2019年和2020年铁矿石消费总量分别约为12.78亿t和14.03亿t（折62%品位铁矿石），但铁矿石国产矿量仅占铁矿石消费总量的20%左右，急需加快国内铁矿山的发展，保障国内铁矿石的基础供应［1-2］。

我国铁矿资源禀赋差，富矿少，尤其是大量赤铁矿嵌布粒度细、品位低、选别回收率低，导致储量可观的难选赤铁矿没有得到充分的回收利用［3-4］。微细粒赤铁矿作为难选铁矿石的一种，嵌布粒度是影响其回收利用的主要因素之一，但目前粒度因子对赤铁矿和石英浮选效果影响的研究较少［5-6］。笔者在油酸钠浮选体系下研究了不同粒度赤铁矿和石英的浮选行为、赤铁矿与石英混合矿的浮选行为，并通过颗粒在水溶液中的相互作用分析混合矿的浮选行为，研究结果对微细粒赤铁矿的回收利用有一定的意义。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

赤铁矿和石英均采自马鞍山姑山矿，经手选除杂后破碎至-2 mm，然后经过球磨磨矿、强磁选等工艺流程获得赤铁矿和石英单矿物，取赤铁矿和石英代表性单矿物进行多元素分析，结果分别见表1、表2。从表1、表2可知，赤铁矿、石英单矿物纯度较高，可以作为单矿物浮选试验用样。将赤铁矿和石英单矿物进行细筛筛分，最终分别获得-0.015 mm、0.015～0.028 mm、0.028～0.045 mm、0.045～0.074 mm 4个粒级赤铁矿和石英单矿物作为浮选试验用样。

试验用油酸钠为化学纯，盐酸、氢氧化钠和氯化钙为分析纯，玉米淀粉为工业级。试验用水均为去离子水。

1.2 试验方法

单矿物浮选试验在XFG型挂槽式浮选机中进行，每次取单矿物3.0 g矿样，加至30 mL浮选槽内并加入适量的去离子水，然后按试验要求加入调整剂和捕收剂，药剂添加后搅拌3 min，浮选4 min，浮选机搅拌速度为1 600 r/min。获得的泡沫产品和槽内产品分别过滤、烘干、称重，计算回收率ε。

式中：W1为泡沫产品质量；W2为槽内产品质量。

2 试验结果与分析

2.1 赤铁矿和石英单矿物浮选试验结果与分析

2.1.1 油酸钠用量对单矿物浮选行为的影响

浮选溶液pH值为9时，油酸钠用量对不同粒度赤铁矿和石英浮选行为的影响如图1所示。

由图1可知：油酸钠对不同粒度赤铁矿浮选行为的影响趋势是一致的，均随油酸钠用量的增加呈现先增加后降低的趋势；-0.015 mm粒级赤铁矿的浮选回收率在降低区间内降低速率缓慢；油酸钠对不同粒度石英浮选行为的影响较小，-0.015 mm、0.015～0.028 mm粒级石英回收率随油酸钠用量的增加呈现先增加后缓慢降低的趋势，0.028～0.045 mm、0.045～0.074 mm粒级石英回收率几乎不受油酸钠用量的影响。

2.1.2 pH值对单矿物浮选行为的影响

油酸钠用量为300 mg/L时，pH值对不同粒度赤铁矿和石英浮选行为的影响如图2所示。

图2表明：pH值对不同粒度赤铁矿浮选行为的影响趋势一致，在pH值为3和9时，不同粒度赤铁矿的回收率均出现峰值，在pH值为2和12时不同粒度赤铁矿的回收率均较低，但在pH值为12时，0.028～0.045 mm、0.045～0.074 mm 2个粒级赤铁矿的回收率几乎为0，而此时-0.015 mm和0.015～0.028 mm 2个粒级赤铁矿的回收率还较高；pH值对不同粒度石英浮选行为的影响不大，随着pH值的增加，不同粒度石英回收率先增加后几乎不变。在此试验条件下粒度越细的石英相对越易上浮。

2.1.3 淀粉用量对单矿物浮选行为的影响

淀粉用量对不同粒度赤铁矿和石英浮选行为影响的试验过程中，油酸钠用量为300 mg/L，pH值为12，试验结果如图3所示。

由图3可知：淀粉对不同粒度赤铁矿具有显著的抑制效果，随着淀粉用量的增加，不同粒度赤铁矿回收率逐步降低；淀粉对不同粒度石英的浮选行为几乎没有影响，在此条件下粒度越细的石英可浮性相对更好。

2.1.4 CaCl2用量对单矿物浮选行为的影响

CaCl2用量对不同粒度赤铁矿和石英浮选行为影响的试验过程中，油酸钠用量为300 mg/L、pH值为12、淀粉用量为20 mg/L，CaCl2用量对不同粒度赤铁矿和石英浮选行为的影响如图4所示。

由图4可知：CaCl2用量对不同粒度赤铁矿浮选行为影响非常小；CaCl2用量对不同粒度石英浮选行为的影响非常大，随着CaCl2用量的增加，不同粒度石英的回收率逐步增加，不同粒级石英在高CaCl2用量条件下的浮选行为一致。

2.2 赤铁矿和石英混合矿浮选试验结果与分析

赤铁矿和石英单矿物浮选试验结果表明，相同粒度赤铁矿的自然可浮性比石英相对更优，但通过添加不同调整剂可以改变不同粒度赤铁矿和石英的浮选行为。图1～图4表明在pH值为12、淀粉用量为20 mg/L、CaCl2用量为120 mg/L、油酸钠用量为300 mg/L的条件下，不同粒度赤铁矿几乎被完全抑制，无法上浮；不同粒度石英几乎被完全活化，大部分上浮。因此，在上述试验条件下，将相同粒度的赤铁矿和石英按质量比1∶1混合后再进行浮选，试验结果如图5所示。

图5表明，只有0.045～0.074 mm粒级混合矿的试验结果与赤铁矿和石英单矿物浮选试验结果相近，该粒度区间的赤铁矿和石英无论是单独分开还是混合在一起，其浮选行为几乎一致。粒度不同，赤铁矿和石英混合矿的浮选行为与赤铁矿和石英单矿物的浮选行为不同，说明随着粒度的变化，赤铁矿和石英颗粒相互之间的某些作用在逐渐变化，从而影响了混合矿中赤铁矿和石英的浮选行为［7-8］。

3 水溶液中赤铁矿-石英颗粒之间的作用能计算

为了进一步证实随着粒度的变化，赤铁矿和石英颗粒相互之间的某些作用在逐渐变化，从而影响了混合矿中赤铁矿和石英浮选行为的猜想，在简化和不考虑其他因素影响的条件下，用DLVO理论来进行分析探讨。

DLVO理论公式为：

式中，UT为DLVO理论总作用能，UA为范德华作用能（吸力位能），UR为静电作用能（斥力位能）。

为计算方便，假设处在理想环境中，其他因素对两颗粒间的作用没有影响，同时认为微细粒矿物为球形，半径相同。

分子之间的范德华作用能分别由葛生（Keeson）力、德拜（Debye）力和伦敦（London）力所产生的位能构成。当两颗粒半径相同，颗粒间相互作用的范德华作用能可以简化为：

式中：A为颗粒在真空中的Hamaker常数，J；R为颗粒的半径，m；H为两颗粒间的距离，m。

颗粒1和颗粒2在介质3中相互作用的Hamaker常数可以简化为：

颗粒在分散的介质中相互靠近后双电层开始重叠，颗粒之间产生静电作用，影响两颗粒之间静电作用的主要因素是颗粒的大小和双电层的厚度。不同物理化学性质、颗粒半径相同的颗粒间静电作用能简化为：

式中：εα为分散介质的绝对电解质常数；φ1为颗粒1的表面点位，V；φ2为颗粒2的表面点位，V；κ为Debye长度的倒数，m-1。

将式（3）和式（5）代入式（2）可得：

本文中颗粒的分散介质为水，颗粒1为赤铁矿，颗粒2为石英，查相关资料可得［9-10］：A1（赤铁矿）=23.2×10-20J，A2（石英）=5.0×10-20J，A3（水）=4.0×10-20J，计算的A123=4.38 ×10-20J；εα=6.95×10-10，κ=0.104 nm-1，φ1和φ2用矿物在水溶液中的动电位来代替，分别测得φ1和φ2动电位为28.2 mV和17.6 mV。计算结果如图6、图7所示。

由图6可知，0.028 mm粒级赤铁矿和石英颗粒间的范德华作用能UA小于零、静电作用能UR大于零，但总作用能UT小于零，颗粒之间在水溶液中表现为吸引力。

图7表明，不同粒度的赤铁矿和石英颗粒间总作用能均小于零，表明不同粒度的赤铁矿和石英颗粒在水溶液中表现为吸引力，从而证实了随着粒度变化，赤铁矿和石英颗粒相互之间的某些作用在发生变化，从而影响了混合矿中赤铁矿和石英浮选行为的猜想。同时，有相关研究表明［10］当颗粒粒度增大到一定程度时（大于0.04 mm），在流动的液体中质量力占主导作用，颗粒间的吸附现象会大大减弱，这也从侧面印证了0.045～0.074 mm混合矿试验结果的合理性。

4 结 论

（1）不同粒度赤铁矿和石英单矿物浮选试验表明，不同粒度赤铁矿单矿物的自然可浮性性能相近、均较好，但可以通过调整剂CaCl2作用改变不同粒度赤铁矿的浮选行为，使其从回收率80%到被抑制到回收率几乎为0；不同粒度石英单矿物的自然可浮性性能相近、均不好，但可以通过调整剂作用改变不同粒度石英的浮选行为，使其从回收率不到20%到被活化提高到回收率超过90%。但是不同粒度赤铁矿和石英人工混合矿浮选试验表明，只有0.045～0.074 mm粒级混合矿的试验结果与赤铁矿和石英单矿物浮选试验结果相近。

（2）通过DLVO理论分析，不同粒度的赤铁矿和石英混合矿颗粒间总作用能均为小于零，表明不同粒度的赤铁矿和石英混合矿颗粒在水溶液中表现为吸引力，从而影响了赤铁矿和石英的浮选行为。

（3）试验结果表明微细粒赤铁矿粒度因素对浮选效果的影响较大。可以借鉴试验结果，以克服颗粒间吸引力为出发点研发相关特效药剂，从而实现微细粒赤铁矿高效利用。同时试验结果可以为矿山的实际生产提供理论指导意义。