矿物浮选矿浆相流变学研究进展

邹玉超 王 磊 李国胜3

（1.中国矿业大学国家煤加工与洁净化工程技术研究中心，江苏徐州221116；2.中国矿业大学化工学院，江苏徐州221116；3.郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州450001）

流变学是研究物体在外力作用下变形和流动的学科，研究对象包括流体、软固体或在某些条件下可流动的固体［1］。在选矿作业中，矿浆流变行为的改变往往会对矿物加工过程产生较大的影响，所以矿浆流变学研究备受科研工作者的重视。以往矿浆流变学的研究相对集中在矿浆输送、磨矿、脱水等方面［2-4］。近年来，全球面临富矿储量严重减少，大量贫杂难选矿被加以分选利用，因其复杂的矿物流变特性，浮选系统经常发生指标恶化。因此，厘清浮选系统中矿物流变行为及影响已成为当前研究热点［5-7］。浮选系统的矿物流变行为一般涉及矿浆相和泡沫相，由于气-液-固三相泡沫流变学测量技术尚未成熟，所以针对泡沫相流变行为的研究受到制约，当前研究主要集中在矿浆相。

流体的流变行为一般可用流变图表示，图1为5种典型流体的流变图［4，8-9］。在矿物浮选过程中，以高品位矿为主体的矿浆一般属于牛顿流体，以贫杂难选矿为主体的矿浆则为非牛顿流体，表现为假塑性或宾汉塑性。在研究浮选矿浆流变性质时一般涉及到两个重要的流变参数，即屈服应力和表观黏度，前者表示物体在外力作用下开始发生形变时所受力的大小，后者为阻止物体变形的能力［9］。

针对贫杂难选矿的浮选特性，本文对现有文献中影响矿浆相流变性质的主要因素、矿浆相流变学测量技术、矿浆相流变性对浮选指标的影响、矿浆相黏度控制方法等研究进行了总结和讨论，旨在揭示国内外贫杂难选矿的浮选矿浆流变学研究进展及发展方向，为解决因矿浆流变行为而导致的贫杂难选矿浮选恶化问题提供参考。

1 矿浆相流变性影响因素

1.1 矿浆浓度

矿浆浓度是影响矿浆流变性质的重要因素［10-12］，该影响通常源于矿粒之间摩擦导致的体系能量耗散。一般而言，矿浆浓度与矿浆相表观黏度呈正相关关系［13］，矿浆浓度增加，矿浆表观黏度增大。图2显示了Becker等在研究UG2（南非布什维尔德的一个矿脉）和Great Dyke（津巴布韦的一个矿脉）铂金矿石浮选时观察到的矿浆浓度对矿浆表观黏度的影响［14］。可以看出，当UG2和Great Dyke（GD）两种矿石矿浆体积浓度超过25%后，矿浆表观黏度随矿浆浓度的提高而显著增大。

实际上，矿物进行浮选分离时入浮浓度一般会控制在低水平，质量浓度约5%～40%（体积浓度11%～20%），只有极少矿物浮选时质量浓度会超过50%（体积浓度约27%）［15］。研究表明，在常见的浮选浓度范围内，由高品位矿组成的矿浆一般呈牛顿流体或近似牛顿流体形态，黏度较低，其流变性质不会影响浮选；但以贫杂难选矿为主体的矿浆流变性质较为复杂，呈非牛顿流体形态，矿浆黏度较高，通常会恶化浮选指标［7，16-18］。

1.2 矿粒特性

1.2.1 粒度与形状

矿粒粒度对矿浆流变性质有显著的影响，矿浆的表观黏度一般随矿粒粒度的减小而增大。图3显示了FARROKHPAY等在研究富含黏土矿物的金矿时发现的矿浆表观黏度与矿粒粒度之间的关系［19］。当矿浆质量浓度超过25%时，矿浆表观黏度变化显著，且其表观黏度随矿粒粒度的减小而增大。由此可见，矿物颗粒粒度对矿浆表观黏度的影响还受到矿浆浓度的制约。大量文献表明，减小矿粒粒度尺寸会导致更为复杂的矿浆流变性质，如剪切增稠或形成网络结构，不可避免地造成矿物分离困难［20-21］。

矿浆流变性质还受到矿粒形状的影响。Mueller等发现，在相同的矿浆浓度下，不规则形状颗粒之间的摩擦能量耗散要大于球形矿物颗粒［11］。例如，在矿物重介质分离中发现，当浆料密度和粒度条件相同时，硅铁球形颗粒悬浮液的黏度要低于不规则形状的磁铁矿颗粒悬浮液［22］。

1.2.2 矿物类型

不同类型的矿物，如矿物表面带电性或表面形态差异等，决定了其浮选矿浆的流变行为有所不同［23-25］。NDLOVU等在研究由不同黏土矿物组成的悬浮液的黏度时发现，不同黏土矿物配制的矿浆宾汉黏度呈现出较大差异，相比非层状硅酸盐矿矿浆（如石英），在相同条件下膨胀性黏土和蛇纹石等层状硅酸盐矿矿浆通常更黏稠［6］（图4）。

1.3 矿粒间相互作用

贫杂难选矿为主体的矿浆中通常含有大量脉石矿物，这些颗粒不仅粒度分布宽，表面性质差异性也大。文献表明，矿物颗粒间的相互作用，如静电作用、范德华引力作用等是支配浮选矿浆流变行为的重要因素［26］。

矿粒间的相互作用易受矿浆相剪切速率和化学环境的影响［9］。对于非牛顿流体矿浆，剪切速率对其流变性质影响较大。实验研究中通常把剪切速率100 s-1或160 s-1设为浮选矿浆相的平均剪切速率，并在此基础上获取相应的表观黏度数据［25，27］。但在实际浮选中，浮选槽中矿浆距离转动叶轮的位置不同，受到的剪切力也不同，因此矿粒间的相互作用会不同，矿浆黏度也会呈现出显著的差异性［28］。

矿浆化学环境对矿浆流变性质的影响较为复杂，因为基于不同入浮矿物，需选用不同的浮选药剂和介质因素（如离子、pH等）进行分选。FARROKHPAY和ZANIN在考察锌矿浮选泡沫稳定性时发现，矿浆黏度随 Al3+、Ca2+和 Na+离子浓度增加而增大［29］，如图5所示。该变化归因于离子改变了矿粒间的相互作用，从而影响了矿浆黏度。Cruz等研究了浮选药剂对高岭石和膨润土矿浆流变行为的影响，结果表明pH调整剂（NaOH、石灰、Na2CO3）、捕收剂（戊基黄原酸钠）、起泡剂（Interfroth 6500）均可通过改变矿粒间的相互作用使得高岭石和膨润土矿浆的流变行为发生变化［27］。

2 矿浆流变学测量

浮选矿浆相是由气体、水和矿物颗粒组成的三相体系。有研究表明，当气-液-固三相体系中气含率低于73%（关键值）时，气泡会呈分散状态，三相体系流动过程中的能量耗散则与气泡的变形或气泡间的摩擦无关［9，13，30］。研究发现，实验室和工业浮选系统矿浆相气含率远低于关键值，分别约为2.5%～15%和6%～21%［13］。所以在进行浮选矿浆相流变学测量时，通常使用由水和矿粒组成的两相体系。目前，已有多种仪器应用于矿浆流变性质测定，如毛细管黏度计、振动球黏度计和旋转流变仪等［31-32］。旋转流变仪由于可以在特定的剪切速率下完成流变性质测量和数据分析，因此较其它仪器更具优势［17，33］。

以高品位矿为主体的矿浆黏度通常较低，进行黏度测量时，因矿物颗粒沉降等因素的干扰，一般难以获得可靠、准确的数据。值得指出的是，此类矿浆在常规浮选条件下通常不会因流变问题而影响浮选。相比而言，以贫杂难选矿为主体的矿浆中含有较多细粒黏土矿物，具有黏度高等特点，且会严重恶化浮选指标，所以对此类矿浆进行流变性质测定与分析显得尤为重要。文献表明，对于贫、细、杂难选的高黏度矿浆，使用同轴圆筒型（bob-cup）流变仪可以有效测量其流变行为。CRUZ等给出了此类矿浆流变学测量的具体步骤，即以1 000 s-1的速率高速剪切圆筒内矿浆15 s使矿粒均匀分散，然后静置矿浆3 s后开始进行测量，时间持续35 s［33］。对于在低剪切速率下存在屈服应力的矿浆，TADROS、BOGER等建议使用含高敏气驱叶片测头的流变仪进行相关测量［20，26］。此外，CRUZ和PENG还建议采用动态振荡流变学测量方法补充分析矿浆内颗粒间的相互作用，深入了解贫杂难选矿的矿浆流变特性［9］。

3 矿浆黏度与浮选指标

3.1 目的矿物回收率

矿浆黏度主要是通过影响气泡-颗粒间的碰撞、黏附以及两者形成的气泡-颗粒团聚体的上浮来影响目的矿物的回收。一般来说，高矿浆黏度对应低目的矿物回收率。Patra等在进行铜矿浮选试验中发现，加入纤维蛇纹石后矿浆黏度明显升高，在此条件下矿浆内气体分散和气泡运动受到限制，目的矿物颗粒无法与气泡有效碰撞、附着形成团聚体上浮，从而导致铜回收率显著下降［34］。

ZHANG和PENG在铜-金矿浮选中分别加入膨润土（膨胀性黏土）和高岭石（Q38品牌和Snobrite品牌，属非膨胀性黏土）后也观察到矿浆表观黏度与目的矿物回收率之间存在强关联性（图6）［24］。不同类型黏土矿物组成的矿浆具有不同的流变性质，当增加黏土矿物浓度时，添加膨润土的铜-金矿表观黏度的变化比添加高岭石的铜-金矿更显著，对铜、金回收率的影响更大。ZHANG和PENG对此现象给出了与Patra相似的解释：矿浆中存在的黏土矿物可使矿浆黏度增大，矿浆流动性变差，从而导致气泡-颗粒碰撞概率降低，目的矿物回收率降低。

ZHANG和PENG在研究中还观察到，并非所有目的矿物浮选回收率都随着矿浆黏度的增加而降低。从图6（b）可以看出，当膨润土质量浓度增至5%和Q38高岭石质量浓度增至15%时，矿浆黏度微量增加，金回收率也有所提高［24］。实际上，矿粒与气泡黏附后，高脱附概率有时是导致某些大比重、粗粒矿物浮选回收率低的原因。矿浆相湍流场有利于气泡与矿粒的碰撞和附着，但同时也会导致惯性较大的颗粒与气泡分离，从而降低浮选产率。由此可见，只有适当的矿浆黏度才有利于气泡-颗粒团聚体稳定，达到提高目的矿物回收率的目的。

3.2 精矿品位

浮选过程中影响精矿品位的主要因素包括泡沫夹带、矿泥罩盖等［35-36］。泡沫夹带是浮选系统普遍存在的一种脉石进入精矿的方式，这一过程通常是非选择性的。当脉石矿物颗粒粒度小于50 μm时，由于矿粒质量很小，可均匀地分散在浮选矿浆中，更易随水进入泡沫相从而最终进入到精矿中［37］。WANG等认为矿浆黏度会直接影响矿浆相中脉石颗粒的悬浮状态和在泡沫相脉石颗粒相对于水的沉降状态，所以矿浆黏度对泡沫夹带有显著影响［38］。CHEN等使用纯黄铜矿、石英和非晶态二氧化硅研究矿浆黏度对铜矿浮选的影响时发现，随着矿浆中非晶态二氧化硅含量增加，矿浆黏度会先小幅增加而后显著增加。当矿浆黏度小幅增加时，铜回收率略有降低，但精矿总质量回收率明显增加，这表明增大矿浆黏度显著提高了脉石夹带回收率，降低了精矿品位（见图7）［25］。随着矿浆黏度进一步增大，铜回收率和总质量回收率都受到了抑制。

矿泥罩盖是指脉石矿物颗粒因相互作用力黏附到目的矿物表面，一方面降低了目的矿物疏水性导致目的矿物回收率下降，另一方面脉石矿物随目的矿物进入到浮选精矿中造成精矿品位降低。贫杂难选矿组成的矿浆通常含有大量细粒黏土矿物，矿浆体系黏度偏高，尽管关于矿浆黏度如何影响矿泥罩盖的研究较少，但现有文献表明矿浆黏度与矿泥罩盖存在关联性。图8为CHEN等使用不同粒度石榴石改善白钨矿浮选时的精矿品位与回收率［21］。当加入的石榴石粒度大于38 μm时，石榴石会在调浆过程中与黏土矿物团聚体发生剧烈碰撞，导致黏土矿物团聚体形成的网状结构得到破坏，降低了矿浆黏度及黏土矿物在目的矿物颗粒表面的罩盖，从而提高了精矿品位和回收率。

综上所述，虽然在不同的浮选体系中，矿浆流变性质对浮选指标的影响有所差别，尚未得出广泛认可的规律性结论，但上文表明浮选指标与矿浆的流变性质密切相关。因此，还需展开进一步工作，研究探明矿浆流变性质对浮选指标的影响规律，揭示矿浆流变性质影响精矿回收率、品位的作用机制，明晰浮选指标与矿浆流变性质的关联性。

4 矿浆黏度调控方法

4.1 稀浆浮选

矿浆浓度是影响矿浆流变性质的重要因素，矿浆浓度增加，矿浆表观黏度越高，矿物分选效果越差。研究发现，降低浮选矿浆浓度能降低浮选矿浆黏度、提高浮选指标，因此对含泥较多的低品位矿石一般可选择降低入浮矿浆浓度。例如，夏亮在分选安徽某含泥难选铜钼矿时发现，该矿石含有大量易泥化的蛇纹石和少量滑石，导致矿浆黏度过高，严重影响铜钼矿的回收。随着矿浆浓度的降低，矿浆黏度降低，铜、钼的粗精矿品位和回收率均有较大幅度的提高［39］。

4.2 分级浮选

采用分级浮选工艺也有助于降低矿浆黏度、改善贫杂难选矿的浮选指标。例如，赵凤婷对云南某硅质及硅酸盐型胶磷矿进行了分级浮选工艺研究［40］，矿物学分析表明该磷矿+38 μm粒级仅含有少量细粒级脉石，采用分级浮选工艺避免了该粒级矿物受到大量细粒黏土类矿物的污染，降低了由矿浆黏度过高造成的负面影响。程飞飞对高黏土石墨矿进行了分选研究，石墨原矿经矿物学分析后进行预先分级，+20 μm粒级中黏土矿物含量减少，矿物粒度较粗，浮选矿浆的黏度较低，浮选指标得到有效改善［41］。

4.3 脱泥浮选

针对含泥量较高的贫杂难选矿也可采用脱泥浮选的处理工艺。在脱泥浮选中，尽管存在部分有用矿物损失，但由于大量的细粒黏土类脉石矿物被预先脱除，所以后续浮选作业中矿浆黏度相应改变，同时减弱了细泥罩盖、夹带等不利影响，使得浮选得到明显改善。例如，王琛研究了高泥氧化锌脱泥/不脱泥浮选对矿浆流变性能的影响［42］。结果表明，在脱泥处理条件下，矿浆流变性质得以改变，有效提高了矿浆分散度，最佳浮选浓度、精矿品位与回收率等浮选指标均大幅提升。

4.4 其它方式

从减弱矿浆黏度方面来改善矿物浮选的方式还可以通过使用调整剂（分散剂）或盐离子。目前，国内外学者对多种化学物质作为调整剂进行了探究。SEAMAN和WEI发现，木质素磺酸基聚合物等生物聚合物可有效分散黏土矿物，降低浮选黏度，提高浮选指标［43］。在某一工业分散剂性能研究中发现，Cyquest 40E（改性聚合物）可有效降低矿浆黏度，提高金回收率约10个百分点，然而使用BorreFlo D-919（木质素磺酸基聚合物）时，虽然矿浆黏度可以降低，但金回收率与精矿品位发生恶化［19］。文献表明，使用调整剂可降低浮选矿浆黏度改善浮选指标，但不同调整剂作用效果不同，依然存在一些规律性问题亟待发现。

研究表明盐离子也可调节矿浆黏度来提高浮选性能。例如，ZHANG等发现含有Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl−、SO42−的海水可以降低膨润土在浮选矿浆中的溶胀能力，使得膨润土在矿浆中的网络结构发生变化，从而导致矿浆黏度降低，铜和金的回收率相应提高［44］。WANG等在研究不同阳离子存在条件下铜浮选行为时发现，Na+、K+、Mg2+和Ca2+可以有效降低矿浆黏度从而提高了铜浮选回收率［45］。

5 结论

浮选矿浆流变学性质对贫杂难选矿产资源的高效分选影响重大。近年来，研究学者在浮选矿浆相流变性的影响因素、矿浆相流变学测量技术、矿浆相流变性对浮选的影响规律与作用机理、矿浆相黏度调控方法等方面进行了诸多研究，研究成果对工业分选贫杂难选矿有重要借鉴意义。目前，针对矿物浮选矿浆相流变学的研究仍存在局限性，建议深入开展以下方面的研究：

（1）发展与流体类型和剪切作用相适配的矿浆相流变学精确测量技术；

（2）划分贫杂难选矿脉石矿物组别，按类别进行矿浆流变行为及其浮选研究；

（3）建立浮选矿浆相和泡沫相流变行为之间的联系，构建矿浆黏度与浮选指标的定量关系；

（4）探求浮选矿浆黏度调控的新工艺、新技术。