某铝土矿浮选脱硅脱硫工艺矿物学的可行性研究

任 朋,郭 鑫,张 乐,田应忠

(中铝郑州有色金属研究院有限公司 国家铝冶炼工程技术研究中心,河南 郑州 450041)

我国铝土矿资源主要以一水硬铝石型为主,其中高硫型一水硬铝石型铝土矿储量达1.5亿吨,占总储量的11.0%左右[1-2]。随着工业不断发展,我国铝资源消耗也在逐步增加,优质的铝土矿资源已开发殆尽,贫矿、高硫铝土矿等资源正在被不断的开发利用[3-5]。本文对云南某高硫铝土矿进行了元素和矿物物相组成分析,着重研究了铝、铁、硫的矿物组成、嵌布特征、粒级分布、矿物单体解离度等工艺矿物学性质,为该地区高硫铝土矿选矿脱硫试验研究提供了重要的理论依据,对提高选矿指标具有重要的指导作用。

1 原矿性质分析

1.1 矿样制备

根据分析需求,挑选部分代表性块样,磨制光片、薄片,用作光学显微镜下观察;将原矿进行破碎、混匀、缩分后,磨细至-200目粒级,用作X-荧光光谱分析和X衍射分析。将原矿进行破碎、混匀、缩分后,磨细至-0.3 mm,用作MLA(矿物特征自动定量分析系统)分析。

1.2 主要化学元素分析

原矿化学多元素分析结果参见表1。分析结果表明,矿石中Al2O3含量为49.94%,SiO2含量为10.01%,A/S为4.99。原矿中S含量为6.47%,S含量较高,属高硫铝土矿。

表1 化学多元素分析结果

1.3 矿物物相组成分析

采用MLA(工艺矿物学参数设置分析系统)对矿石进行分析,以确定其矿物组成。矿物组成与含量结果分析见表2。

表2 矿石的矿物组成

分析结果表明,该矿石共由13种矿物组成,其中,一水硬铝石含量最高,达到53.72%,其次为黄铁矿、白云母、赤/褐铁矿、绿泥石等,含量分别为11.97%、16.10%、7.77%和5.20%,另有少量方解石、白云石、高岭石、锐钛矿、石英、草铁矾,偶见三水铝石和石墨。

2 主要矿物的嵌布特征

2.1 一水硬铝石的嵌布特征

一水硬铝石的嵌布特征见显微照片图1。

图1 一水硬铝石扫描电镜图像

由图3可知,一水硬铝石粒度较粗且主要与黄铁矿、白云母、赤/褐铁矿、绿泥石等共生,一水硬铝石颗粒中包裹细粒黄铁矿、赤/褐铁矿、绿泥石的现象比较普遍,使其在磨矿过程中充分解离存在一定难度。

2.2 黄铁矿的嵌布特征

黄铁矿的嵌布特征见显微照片图2。

由图2可知,黄铁矿呈现两种典型的嵌布特征:粗粒黄铁矿与其它矿物的共生关系较为简单,大多解离程度较好;而细粒黄铁矿颗粒与其它矿物,特别是一水硬铝石、白云母的共生关系复杂,多呈微细粒包裹于一水硬铝石和白云母中,解离程度较差,在磨矿过程中充分解离存在一定难度。

图2 黄铁矿扫描电镜图像

2.3 赤/褐铁矿的嵌布特征

赤/褐铁矿的嵌布特征见图3。

图3 赤/褐铁矿扫描电镜图像

由图4可知,赤/褐铁矿与一水硬铝石的共生关系最为紧密,多与一水硬铝石呈简单连生关系,部分与一水硬铝石相互包裹,另与白云母、绿泥石有少量连生或包裹。

2.4 主要矿物与其它矿物的共生关系

采用MLA分析并统计矿石中目的矿物与其它矿物的共生关系,分析结果见表3。

表3 主要矿物的共生关系

分析结果表明,矿石中一水硬铝石的自由表面积比例为90.20%。一水硬铝石主要与黄铁矿、白云母、赤/褐铁矿、绿泥石共生。黄铁矿的自由表面积比例为84.78%,主要与一水硬铝石、白云母共生,其它少量。赤/褐铁矿的自由表面积比例为74.32%。赤/褐铁矿主要与一水硬铝石共生,其次为白云母、绿泥石,其它少量。

3 主要矿物粒度、解离度分析

3.1 粒度分布特征

将综合样磨细至-0.3 mm后,MLA对当前磨矿细度条件下目的矿物和矿石的粒度特征进行了分析和统计(其中,矿石的粒度可视为磨矿细度;目的矿物的粒度可视为其当前磨矿细度下的嵌布粒度或工艺粒度,统计对象包括目的矿物在单体颗粒、连生体、包裹体颗粒中的粒度)。分析结果见表4。

表4 主要矿物和矿石的粒度特征分布

分析结果表明,在当前磨矿细度条件下,矿石+75 μm(+200目)粒级的累计分布率为37.44%,矿石的磨矿粒度较粗。其中,一水硬铝石、黄铁矿、白云母、赤/褐铁矿和绿泥石+75 μm粒级的累计分布率分别为40.04%、3.02%、32.22%、29.83%和3.35%。

3.2 解离度分析

表5 主要矿物的解离度分析结果

分析结果表明,在矿石磨矿细度为-75 μm(-200目)含量为62.56%时,除黄铁矿外,各主要矿物的单体解离水平均较低。其中,目的矿物一水硬铝石完全解离的颗粒仅占43.99%。黄铁矿虽然单体解离水平较高,完全解离的达到74.40%,但其未解离部分与目的矿物一水硬铝石的共生关系极为紧密,多呈微细粒形式包裹于一水硬铝石中,仍会对选矿脱硫指标造成一定影响。

3.3 铝元素赋存状态

铝元素的赋存状态MLA分析结果见表6。

表6 铝的赋存状态分析结果 %

分析结果表明,矿石中的含铝矿物共5种,其中一水硬铝石是铝最主要的载体矿物,铝在其中的分布率达到86.62%;其次为白云母,铝在其中的分布率为9.76%;另有少量分布于赤/褐铁矿、绿泥石和高岭石中。

4 影响选冶工艺的矿物学因素

4.1 影响选矿脱硅工艺的矿物学因素

4.1.1 矿物组成对选矿的影响

该铝土矿为一水硬铝石型铝土矿。由该矿元素分析可知,矿石中氧化铝含量为49.94%,铝硅比为4.99,主要含硅矿物为白云母、高岭石,矿石铝硅比低,成分较为复杂。一水硬铝石的晶体结构与含硅脉石矿物的晶体结构差异较大,一水硬铝石属于链状结构基型,硬度大,较难磨;而白云母、高岭石属于层状铝硅酸盐矿物,硬度低,密度小,可磨性高。在碎磨过程中,白云母、高岭石等脉石将优先被磨细,解离。如果要将一水硬铝石磨细至浮选粒度,铝硅酸盐矿物将过磨并出现泥化现象, 影响浮选过程。矿物粒度变小后,由于比表面积与表面能增加,引起矿泥罩盖和细粒夹带等现象,严重影响脱硅效果。因此针对该矿,在优化碎磨工艺基础上,推荐采用粗磨-反浮选脱硅的工艺进行浮选脱硅。

4.1.2 嵌布特征对选矿的影响

矿石中86.62%的铝是以一水硬铝石的状态存在,铝硅酸盐矿物主要以白云母、高岭石状态存在。其中白云母和高岭石为易泥化矿物,不利于选矿。由主要矿物的共生关系可知,白云母的自由表面积比例为90.22%,其余主要与一硬水铝石、黄铁矿、赤/褐铁矿、绿泥石共生。由矿物嵌布特征电镜照片可知,白云母与一水硬铝石、黄铁矿、赤/褐铁矿嵌布关系复杂,部分细粒一水硬铝石和其他脉石矿物与白云母相互包裹或共生,造成此部分矿物难以单体解离。

4.1.3 粒度对选矿的影响

由矿物的粒度测量结果看出,一水硬铝石粒度较粗,其中粒度+0.075 mm 的一水硬铝石占40.04%,而粒度-0.019 mm的一水硬铝石占6.05%。铝硅酸盐矿物粒度较细,其中粒度+0.075 mm 的白云母占32.22%,而粒度-0.019 mm的白云母占8.51%。由于一水硬铝石硬度高,较难磨,铝硅酸盐矿物易磨,使得在磨矿过程中含硅铝硅酸盐矿物优先解离。部分一水硬铝石中包裹有少量的脉石矿物,但由于此部分一水硬铝石的铝硅比高,可视为富集合体,不需过度追求其单体解离,因此本矿石可以粗磨入选。

4.2 影响选矿脱硫工艺的矿物学因素

4.2.1 矿物组成对选矿的影响

铝土矿中的硫元素在拜耳法氧化铝生产过程中会导致结疤严重、碱耗增加、设备腐蚀、氧化铝品质变差等诸多问题,使得高硫铝土矿不适宜直接用于拜耳法生产氧化铝,极大的影响了高硫铝土矿的高效利用。由该矿元素分析可知,矿石中硫含量为6.47%,主要含硫矿物为黄铁矿,主要成分为FeS2。黄铁矿可浮性较好,在一般情况下,很容易用黄药类捕收剂浮出。浮选表面化学研究表明,黄药在黄铁矿表面氧化成双黄药吸附,形成疏水膜。因此针对该铝土矿,在合适浮选脱硫药剂和脱硫工艺下,可有效的降低原矿中的硫含量,提高铝土矿的利用效率。

4.2.2 嵌布特征对选矿的影响

矿石中的硫主要以黄铁矿的状态存在。一水硬铝石的浸染粒度以粗粒嵌布为主,但其在-0.038 mm粒级的分布率也较高,为36.05%,另一部分则呈细粒状被其他矿物包裹,这部分微细粒的一水硬铝石难以单体解离,对氧化铝的回收有一定的影响。矿石中黄铁矿的浸染粒度较细,-0.038 mm粒级的分布率为77.80%,而细粒黄铁矿颗粒与其它矿物,特别是一水硬铝石、白云母的共生关系复杂,多呈微细粒包裹于一水硬铝石和白云母中,解离程度较差,在磨矿过程中充分解离难度大,这对脱硫效果有较大影响。因此应该加强磨矿技术和工艺的研究,使一水硬铝石矿物既充分单体解离,又尽量避免过磨,同时使细粒黄铁矿矿物有效解离出来,提高脱硫效率。

4.2.3 粒度对选矿的影响

从矿物的粒度测量结果可以看出,黄铁矿粒度较细,大部分在0.075 mm以下,-0.019 mm含量为46.26%,细粒级含量较高。由黄铁矿显微照片和矿物共生关系分析可知,细粒未解离的黄铁矿与一水硬铝石、白云母、赤/褐铁矿的共生关系极为紧密,多呈微细粒形式包裹于其他矿物中。因此综合同步脱硅、脱硫的要求,本矿适合阶段磨矿-阶段选别的工艺流程以达到良好的脱硅、脱硫效果。

5 结 论

(1)西南某铝土矿属高硫一水硬铝石型铝土矿,矿石中主要有用矿物为一水硬铝石,氧化铝含量为49.94%,S含量为6.47%,硅含量为10.01%,A/S为4.99。矿石中,硅主要以铝硅酸盐矿物形式存在,硫主要以黄铁矿形式存在。

(2)该矿嵌布关系较为复杂,一水硬铝石颗粒中包裹细粒黄铁矿、白云母、赤/褐铁矿、绿泥石的现象比较普遍,细粒黄铁矿多呈微细粒包裹于一水硬铝石和白云母中,解离程度较差,因此要充分考虑磨矿因素对一水硬铝石、黄铁矿和其他脉石矿物充分解离的影响。

(4)从该矿的工艺矿物学分析结果可知,一水硬铝石和脉石矿物的解离度差异较大,且部分细粒级的一水硬铝石与脉石矿物共生关系复杂。因此,在该矿在进行浮选脱硅、脱硫时,宜采用粗磨入选脱硅、粗精矿细磨浮选脱硫的工艺流程,以避免含硅铝硅酸盐矿物和一水硬铝石过磨泥化和含硫矿物解离不充分造成脱硅、脱硫效果不佳。

(5)对该型铝土矿的工艺矿物学研究,充分了解了矿石中各矿物组分的矿物学特性,分析了影响该型铝土矿选冶工艺的因素,为该铝土矿的选矿除杂和高效利用提供了重要的理论依据和技术支撑。