北方某铁尾矿浮磷试验研究

荣一阳，叶国华，亢选雄，朱思琴，宋昌溆，项新月，张 云

（昆明理工大学国土资源工程学院,云南 昆明 650093）

0 引言

磷是最常见的元素之一，也是维持动植物生命必不可少的组分，广泛用于制备磷肥、磷酸和其他含磷化学产品。磷矿是我国重要的战略资源，对于国民经济的发展和社会建设都有重要的影响[1]。我国北方地区拥有丰富的低品位铁磷矿资源，主要分布在河北、辽宁、内蒙古、新疆、山东、山西等省份。迄今为止，已探明磷资源量高达27 亿 t，大约占全国磷总储量的12%[2]。这些铁磷矿大部分为磁铁矿–磷灰石型矿石，属于低品位的磁铁矿和磷矿，有些还含有钒、稀土等组分，关于此类矿石的回收利用研究并不多见。北方某公司采用“先磁后浮”工艺处理含钛低品位铁磷矿，先经弱磁选获得铁精矿，选铁尾矿(尾矿含磷高于2%)再由“一粗–一扫–二精”浮选流程回收磷精矿[3]。但随着矿石的不断开采，原矿性质有所变化和波动，现有的选磷流程和药剂制度已无法满足生产指标的要求，致使磷精矿产率偏小、磷回收率低下，磷资源损失很是严重，亟需对现有的选磷流程和药剂制度进行优化与调整。由于矿石中有用组分含量较低，进行单独回收时选矿比大，选矿成本较高。因此，对其进行综合回收利用可以有效降低选矿成本，提高经济效益，同时可以避免资源的浪费，减少固体废弃物排放，符合国家绿色发展理念。此外，尾矿资源化也是资源综合回收利用的重要方向，经过初步磨选加工后，尾矿中有用成分得以充分利用，有助于节约矿物资源，促进资源节约型循环经济的发展[4]。

笔者以北方某选铁尾矿为研究对象，分析了其性质特点，在此基础上开展浮选回收磷的试验研究，以期实现铁尾矿中磷的高效回收，减少矿产资源的流失，为该类含磷铁尾矿的综合利用提供重要参考。

1 矿石性质

试样取自北方地区某含钛低品位铁磷矿经过弱磁选铁后得到的选铁尾矿，此矿样多数为晶质磷灰石，样品为细砂状，呈浅灰色，无需进行粉碎处理，其宏观形貌见图1，原矿化学元素分析结果见表1。工艺矿物学研究表明，磷灰石嵌布粒度粗，单体解离度较高，且磨矿时容易泥化，因此选择在较粗粒度下进行选别，无需进行磨选。将矿样混匀、筛分，作为化验样及试验样，采用筛析法进行了粒度分析试验，结果见表2。

表1 原矿多元素分析结果Table 1 Results of multi-element analysis of raw ore %

表2 原矿粒度分析结果Table 2 Particle size analysis result of raw ore %

图1 试样（选铁尾矿）宏观形貌Fig.1 Macromorphology of the sample (iron tailings)

由表1 可知，试样TFe 含量为12.17%，属于超贫铁尾矿，P2O5的含量为2.93%，具有回收价值，且S 和V2O5含量较低，不具备回收价值。

由表2 可以看出，尽管磷在细粒级（-0.045 mm）中有所富集，但粗粒级部分的产率较高，仍有48.65%的磷分布于其中。因此，采用分级手段实现抛废预富集，基本不具备可行性，无需采用预富集提高选别指标。

本次试验旨在获取选铁尾矿矿样中的有用组分磷。为此，根据相关研究成果和经验，结合该矿样的性质特点，对药剂进行了优选，并提出了适合该矿样性质特点的工艺。在分选过程中，正反浮选是常用的两种方法。正浮选适用于有用矿物的浮选性能好的情况，例如硫化矿物、氧化矿物等。正浮选的操作方法是将矿物粉末浸入水中，加入起泡剂，使有价矿物浮起来脱附，而废石沉下去。反浮选则是在正浮选后，向浮选液中加入抑制剂，使原本能够浮起来的有价矿物变得沉淀。反浮选适用于有用矿物的浮选性能不好的情况，例如膨润土、煤等。基于试验的目的，选用正浮选方法进行选磷条件试验，分别探究了正浮选适宜的捕收剂、pH 调整剂（碳酸钠）以及抑制剂（水玻璃）的用量[5-6]。

2 结果及讨论

2.1 捕收剂的选择及试验

目前用于磷灰石浮选主要使用的捕收剂是脂肪酸类，如油酸、油酸钠、氧化石蜡皂等[7-10]。试验中所使用的捕收剂多为油酸钠、氧化石蜡皂、二者的组合以及二者与其他的组合等，但由于油酸钠价格相对较高，一般不单独使用。

本次试验采用油酸钠（800 g/t）+氧化石蜡皂（800 g/t）以及氧化石蜡皂（1 600 g/t）两种捕收剂，在不磨条件下，以碳酸钠为pH 值调整剂、水玻璃为分散剂与抑制剂。采用“一粗–两精”开路流程进行两组捕收剂的优选试验，结果见图2。由图2 可知，不磨直接浮选，采用两种类型的捕收剂，均可获得较优的指标，精矿产率均接近8%。其中，与油酸钠和氧化石蜡皂组合捕收剂相比，以单一的氧化石蜡皂为捕收剂时，精矿磷品位和回收率也相对较高。此外，氧化石蜡皂含有长链脂肪酸，能与多种矿物金属表面生成络合物，提高矿物表面的疏水性，同时也兼备起泡性，可替代其他多种脂肪酸皂类的捕收剂，用于磷矿的正浮选工艺，且氧化石蜡皂价格较油酸钠更为便宜[11]。最终确定以单一氧化石蜡皂为捕收剂。

图2 捕收剂的优选试验结果Fig.2 Optimal test results of collectors

2.2 氧化石蜡皂用量的影响

氧化石蜡皂常作为磷矿的捕收剂，用量大小会直接影响捕收剂与矿物表面的作用，且氧化石蜡皂具备起泡剂的特性，可以替代多种脂肪酸皂类的阴离子捕收剂。

在碳酸钠用量为2 000 g/t，水玻璃用量为200 g/t 的条件下，采用“一粗–两精”开路流程进行了氧化石蜡皂用量条件试验，结果见图3。

图3 氧化石蜡皂用量对选别指标的影响Fig.3 Effect of dosage of oxidized paraffin soap on selection index

由图3 可知，在一定的捕收剂浓度范围内和确定pH 值的条件下，随着药剂用量的增加，浮选回收率会提高。然而，当药剂用量达到一定值后，随用量的增加回收率的提高幅度会逐渐减小。当药剂用量过高时，回收率不再升高，甚至会下降。此外，氧化石蜡皂具有起泡性，过高的用量会导致泡沫发粘，甚至出现“跑槽”现象，使操作变得困难或造成泡沫产品的输送和脱水变得困难。且在氧化石蜡皂用量为1 200 g/t 时，P2O5品位和回收率均达到最高。因此，最终氧化石蜡皂用量确定为1 200 g/t。

2.3 碳酸钠用量的影响

碳酸钠对矿浆pH 值有缓冲作用，可稳定矿浆的酸碱度，同时具有分散矿泥的功效[12]，通过沉淀作用，它可以去除矿浆中的有害离子，如钙镁离子等。碳酸钠的使用量对于调节泡沫层的多少和厚薄起着关键作用[13-15]。在水玻璃用量为200 g/t，氧化石蜡皂用量为1 200 g/t 的条件下。采用“一粗–两精”开路流程进行了碳酸钠用量条件试验，结果见图4。由图4 可知，在整个碳酸钠用量范围内，磷精矿品位及回收率变化都比较大，当添加碳酸钠为1 000 g/t时，磷回收率最低。随着碳酸钠用量的增加，磷回收率呈现出先增加后减少的情况；当碳酸钠用量增至2 000 g/t 时，精矿磷品位和磷回收率均较好，此时碳酸钠用量不大，可节省药剂成本；继续增加碳酸钠用量，品位会大幅下降，并且在到达2 800 g/t 后，回收率也会逐渐下降。综合试验分析，碳酸钠用量选择2 000 g/t 为宜。

图4 碳酸钠用量对选别指标的影响Fig.4 Effect of sodium carbonate dosage on separation index

2.4 水玻璃用量的影响

试样中石英、硅酸盐等脉石矿物含量较高，如何抑制这些脉石矿物是提高精矿品位的关键环节之一，且试样中含有一定的矿泥，为消除矿泥带来的不利影响，需对矿浆进行分散处理。

水玻璃是一种无机胶体，是一种良好的矿泥分散剂，其抑制和分散效果与其用量密切相关。在碳酸钠用量为2 000 g/t，氧化石蜡皂用量为1 200 g/t的条件下，采用“一粗–两精”开路流程进行了水玻璃用量条件试验，结果见图5。

图5 水玻璃用量对选别指标的影响Fig.5 Effect of water glass dosage on selection index

从图5 可知，在用量达到350 g/t 时，浮选时的泡沫明显减少，精矿产量也随之减少，因此不在进行后续的条件试验。且在水玻璃用量为150 g/t 到200 g/t 的范围内，磷精矿回收率随着水玻璃用量的增多而不断提高，然而随着水玻璃用量的持续增加，磷精矿回收率却不断下降，在水玻璃用量为200 g/t左右时，回收率达到最大；当水玻璃量为250 g/t 时，磷精矿品位最高。综合试验现象以及具体指标考虑，水玻璃用量确定为200 g/t 为宜。

2.5 综合试验

根据条件试验结果，确定最佳工艺条件为：氧化石蜡皂为捕收剂，用量为1 200 g/t，碳酸钠为pH 调整剂，用量为2000 g/t，水玻璃为分散剂与抑制剂，用量选择200 g/t。。

在此最佳条件的基础上，采用了“一粗–一扫–三精”流程，进行了全闭路浮选试验，其流程如图6所示，结果见表3。根据表3 可知，“一粗–一扫–三精”全闭路试验结果并不能获得预期的理想指标（精矿磷品位未达到33%以上）。同时，在扫选环节中矿循环量很大，且在以上最优试验过程中发现，粗选尾矿品位和扫选尾矿品位相差无几，扫选精矿品位很低，因此去掉扫选环节，采用不磨“一粗–三精”的浮选流程。

表3 一粗–一扫–三精全闭路试验结果Table 3 One rough-one sweep-three fine full closed circuit test results

图6 全闭路流程及条件Fig.6 Fully closed circuit process and conditions

大开路式闭路流程及条件见图7，结果见表4。

表4 大开路式闭路（一粗–三精）试验结果Table 4 Open-circuit closed-circuit (one rough-three fine)test results

图7 大开路式闭路流程及条件Fig.7 Schematic diagram of half-close flow process and condition

3 结论

1）北方某选铁尾矿，TFe 含量为12.17%，P2O5含量为2.93%，磷矿物多为磷灰石，含磷量较低。对该选铁尾矿进行了粒级分析，发现磷在-0.045 mm中有所富集，但其他粒级部分有着较高产率，仍有48.65%的磷分布于其中。因此，采用分级手段实现抛废预富集，基本不具备可行性。

2）针对该矿石的性质特点，确定以氧化石蜡皂为捕收剂，用量为1 200 g/t；碳酸钠为pH 调整剂，用量为2 000 g/t；水玻璃为分散剂与抑制剂，用量为200 g/t。在此最佳条件下，采用“一粗–三精”的大开路式闭路浮选工艺流程，获得了理想的技术指标，实现了选铁尾矿中磷矿物的经济有效回收。获得的P2O5品位达33.19%、回收率达82.98%。