新疆某锂辉石矿粗粒浮选探索试验研究

于保强 何荣权 邓朝安 邹毅仁 张辰子

(1.中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038;2.河南省地质局地质灾害防治中心,河南 郑州 450000)

锂由于其独特的物理化学性质而被广泛应用于电池、冶金、航空航天等重要领域,被誉为21世纪的能源金属,是我国重要的战略性矿产资源[1]。近年来随着新能源汽车产业的快速发展,使得全球对锂矿资源的开发力度逐渐增大[2-5]。国内常见的锂矿资源有锂辉石、透锂长石、锂云母等,但开发利用最多的主要是锂辉石矿[6-7]。目前矿山对于锂辉石矿的处理普遍采用破碎、磨矿、浮选或重浮联合工艺[8-10],其中磨矿在整个工艺中不可或缺,但磨矿也是整个选厂投资最大、能耗最高、作业成本最高的环节[11]。对于伟晶岩型锂辉石矿,锂辉石嵌布粒度粗,在粗磨条件下即可较好解离。高压辊磨机是一种基于层压粉碎理论的高效节能粉碎设备[12],具有能耗低、粉碎效率高、产品粒度细等优点[13],此外其粉碎产品单体解离性好,有利于后续选别。采用高压辊磨机将锂辉石矿直接粉碎至相对较粗的粒度时,锂辉石矿物即可达到较高的解离度。此时对高压辊磨粉碎产品直接进行粗粒浮选时,如果能够获得较好的浮选指标,那么工业上则有可能采用高压辊磨机代替球磨机进行终粉磨,这对于矿山节能降耗、提质增效具有重要的意义。

本研究以新疆某锂辉石矿为研究对象,采用高压辊磨机将其粉碎至-0.5 mm,并以此作为锂辉石矿粗粒浮选给料,探索了药剂用量、矿浆浓度、搅拌转速对锂辉石矿粗粒浮选的影响。此外,本研究自行设计了粗粒浮选装置用于提高粗粒锂辉石矿的浮选效果,以期为锂辉石矿粗粒浮选技术的开发提供思路。

1 原矿性质与试验方法

1.1 原矿性质

试验矿样来源于新疆某锂辉石矿,原矿经高压辊磨机直接粉碎至-0.5 mm,粉碎后的矿样直接用于粗粒浮选试验。首先对代表性矿样进行化学多元素分析,结果如表1所示。矿石矿物组成分析结果见表2。

表1 矿石化学多元素分析结果Table 1 Chemical composition analysis results of the ore %

表2 矿石矿物组成分析结果Table 2 Mineral composition analysis results of the ore %

从表1可以看出,矿石中主要可回收的有价金属元素为锂,Li2O含量为1.41%。BeO、Ta2O5、Nb2O5的含量较低,可作为伴生金属回收。

从表2可以看出,矿石中主要含锂矿物锂辉石含量为22.15%,另外还含有少量的锂云母以及锂铁电气石。脉石矿物主要为石英、斜长石和正长石,含量分别为26.78%、31.36%、14.43%。金属矿物主要为钽铌铁矿以及铁锰氧化矿,但含量很低。

采用矿物解离度分析仪(MLA)对高压辊磨机粉碎后的试样进行主要矿物解离度分析,结果如表3所示。

表3 试样主要锂矿物及脉石矿物单体解离度Table 3 Liberation degree of main lithium minerals and gangue minerals

从表3可以看出,原矿经高压辊磨机粉碎至-0.5 mm后,主要含锂矿物锂辉石的单体解离度可达到91%以上,锂云母的单体解离度也相对较高,脉石矿物石英和长石的单体解离度均在95%以上。这说明原矿经高压辊磨机粉碎至0.5 mm后,主要目的矿物基本上已经充分解离,不需要进一步磨矿。

表4为-0.5 mm试样的粒度组成以及锂金属在各粒级分布率结果。

表4 试样粒度组成及锂金属在各粒级分布率Table 4 Particle size composition and lithium distribution of the sample

从表4可以看出,试样-0.074 mm含量只有28.54%,0.5～0.3 mm粗粒级含量为33.20%,说明试样粒度较粗。锂金属在0.5～0.3 mm粗粒级中分布率为41.35%,而在-0.074 mm细粒级中分布率较低,为20.85%,说明试样中锂辉石矿物更趋向于分布在粗粒级中。

1.2 试验设备与药剂

对高压辊磨机终粉磨-0.5 mm试样直接进行浮选,以探索锂辉石矿粗粒浮选的可行性。试验用高压辊磨机型号为CLM-2510,粗选试验在XFD-1L单槽浮选机中进行,精选试验在XFD-0.5L单槽浮选机中进行。此外为了强化对粗颗粒锂辉石的回收,本研究自行设计了粗粒浮选装置(图1),试样首先置于搅拌槽中并添加药剂进行调浆,调浆后通过给料泵给入粗粒浮选柱,给料泵与粗粒浮选柱之间的管路中设置有微泡发生器,矿物颗粒与气泡充分混合后在浮选柱中进行选别,浮选柱的泡沫从上部溢流槽排除,尾矿从下部排出后返回搅拌槽,粗粒浮选装置实物图如图2所示。试验所用浮选捕收剂为氧化石蜡皂、油酸钠,均为工业纯,调整剂为Na2CO3、NaOH,均为分析纯。

图1 粗粒浮选装置示意Fig.1 Schematic diagram of coarse particle flotation device

图2 粗粒浮选装置实物Fig.2 Actual picture of coarse particle flotation device

2 试验结果与讨论

2.1 浮选条件试验

为了确定锂辉石矿粗粒浮选适宜的条件,分别考察了浮选药剂用量、浮选矿浆浓度、浮选机搅拌转速对浮选指标的影响,试验流程见图3。

图3 粗选试验流程Fig.3 Rough flotation tests flow diagram

2.1.1 碳酸钠用量试验

碳酸钠是锂辉石矿浮选常用的调整剂,主要用于调节矿浆pH值,且对矿泥具有分散作用。固定矿浆浓度40%、搅拌转速2 000 r/min、氢氧化钠用量600 g/t、氧化石蜡皂用量2 000 g/t、油酸钠用量200 g/t,进行碳酸钠用量试验,结果见图4。

图4 碳酸钠用量试验结果Fig.4 Sodium carbonate dosage test results

从图4可以看出,随着碳酸钠用量的逐渐增加,锂粗精矿Li2O品位逐渐升高,但Li2O回收率先升高后缓慢降低。当碳酸钠用量为500 g/t时,Li2O的回收率最高,此时Li2O的品位也相对较高。因此,确定碳酸钠用量为500 g/t。

2.1.2 氢氧化钠用量试验

氢氧化钠除作为锂辉石浮选常用的pH值调整剂外,还对锂辉石具有一定的活化作用,可提高锂辉石的选择性。固定矿浆浓度40%、搅拌转速2 000 r/min、碳酸钠用量500 g/t、氧化石蜡皂用量2 000 g/t、油酸钠用量200 g/t,进行氢氧化钠用量试验,结果见图5。

图5 氢氧化钠用量试验结果Fig.5 Sodium hydroxide dosage test results

从图5可以看出,随着氢氧化钠用量的增加,锂粗精矿Li2O品位和回收率都呈现出先增加后下降的趋势,说明添加适量的氢氧化钠不但可以提高锂辉石矿物的浮选活性,还可以使捕收剂对锂辉石矿物的选择性增强。因此,确定氢氧化钠用量为600 g/t。

2.1.3 捕收剂用量试验

选择捕收能力较强的氧化石蜡皂为捕收剂,选择油酸钠作为辅助捕收剂强化对粗粒锂辉石矿物的捕收能力。固定矿浆浓度40%、搅拌转速2 000 r/min、碳酸钠用量500 g/t、氢氧化钠用量600 g/t,进行氧化石蜡皂和油酸钠用量试验,结果见图6。

图6 捕收剂总用量试验结果Fig.6 Collector total dosage test results

从图6可以看出,随着捕收剂用量的增大,粗精矿Li2O品位逐渐降低,Li2O回收率逐渐增加。当氧化石蜡皂+油酸钠用量为3 000+300 g/t时,Li2O的回收率可达到61.19%,相对于常规捕收剂用量(氧化石蜡皂2 000 g/t、油酸钠200 g/t)[14]Li2O的回收率可提高约10个百分点。这说明对于粗粒锂辉石矿物的浮选,需要增大捕收剂用量才能获得较好的回收指标。因此,确定捕收剂氧化石蜡皂+油酸钠用量为3 000+300 g/t。

2.1.4 矿浆浓度试验

粗粒锂辉石矿物浮选时由于颗粒粒度大而容易下沉,适当增大矿浆浓度有利于粗粒矿物浮选[15]。固定碳酸钠用量500 g/t、氢氧化钠用量600 g/t、氧化石蜡皂用量3 000 g/t、油酸钠用量300 g/t,进行矿浆浓度试验,结果见图7。

图7 矿浆浓度试验结果Fig.7 Pulp concentration test results

图7表明,随着矿浆浓度由30%增加到40%,粗精矿Li2O回收率由59.69%缓慢增加到61.19%,随后趋于平缓,而Li2O品位基本保持不变,说明适当增大浮选矿浆浓度有利于提高粗粒锂辉石矿物的浮选回收率。综合考虑,选择矿浆浓度为40%。

2.1.5 搅拌转速试验

对于粗粒锂辉石矿物浮选,当搅拌转速较低时药剂与矿物作用不充分,浮选效果变差,而转速较大时黏附在气泡上的粗颗粒锂辉石容易脱落而不易上浮,同样不利于浮选[16]。在矿浆浓度40%、碳酸钠用量500 g/t、氢氧化钠用量600 g/t、氧化石蜡皂用量3 000 g/t、油酸钠用量300 g/t的条件下进行搅拌转速试验,结果见图8。

图8 搅拌转速试验结果Fig.8 Agitation speed test results

从图8可以看出,随着搅拌转速的增大,粗精矿Li2O品位基本保持不变,当搅拌转速为1 750 r/min时,Li2O的回收率最高,为62.56%。因此,选择搅拌转速为1 750 r/min。

2.2 粗粒浮选装置浮选试验

为了强化对粗颗粒锂辉石矿物的浮选回收,采用自行设计的粗粒浮选装置进行浮选。浮选时粗颗粒锂辉石矿物与药剂、气泡充分接触后通过中心给料管从下向上并以散射状形式给入到浮选柱,中心给料管末端(即矿化泡沫出口)浸入在泡沫层中。粗颗粒锂辉石矿物借助矿浆向上的流体推动力能够及时进入到泡沫层中,进而溢流至泡沫溜槽成为精矿,减少了锂辉石矿物在浮选设备中的停留时间,且降低了矿浆中锂辉石矿物从气泡上脱落的概率,能够促进粗粒锂辉石矿物的回收。

为了验证该设备对粗粒锂辉石矿物的浮选效果,在矿浆浓度40%、碳酸钠用量500 g/t、氢氧化钠用量600 g/t、氧化石蜡皂用量3 000 g/t、油酸钠用量300 g/t的条件下按照图2所示流程进行浮选试验,并与常规挂槽浮选机结果进行对比,试验结果见表5。采用粗粒浮选装置后粗精矿Li2O回收率为72.74%,相对于常规挂槽浮选机约提高了10百分点,说明该装置能够有效改善对粗粒锂辉石矿物的回收。但粗精矿品位略有降低,这可能是由于该粗粒浮选装置会使锂辉石矿物在泡沫中停留时间变短,二次富集作用减少。

表5 锂辉石矿粗粒浮选装置浮选指标Table 5 Flotation result of spodumene ore by coarse particle flotation device %

此外,本研究采用球磨机将常规破碎后的样品磨至与高压辊磨机粉碎产品相同的细度(-0.074 mm占28.54%),并在相同的浮选条件下在挂槽浮选机中进行浮选,结果见表5。相同细度条件下,常规破碎-球磨产品浮选得到的锂粗精矿锂品位与回收率指标与高压辊磨终粉磨产品指标基本相同,说明在该粉碎产品细度条件下高压辊磨终粉磨相对于常规破碎-球磨基本不会造成浮选指标变差。

2.3 闭路浮选试验

基于以上粗粒浮选条件,按照图9所示流程进行了2次粗选3次精选1次扫选以及中矿顺序返回的闭路浮选试验,试验结果见表6。

图9 闭路浮选试验流程Fig.9 Closed flotation test flow diagram

表6 闭路浮选试验结果Table 6 Closed circuit flotation test results %

从表6可以看出,闭路浮选试验可获得Li2O品位为5.11%、Li2O回收率为70.04%的锂精矿。选矿指标相对较好,为锂辉石矿山采用高压辊磨机作为终粉磨取代球磨机细磨提供了可能。

3 结 论

(1)锂辉石矿主要有价成分为Li2O,含量为1.41%,主要含锂矿物为锂辉石,另有少量的锂云母,脉石矿物主要是石英、斜长石、正长石。浮选矿样为高压辊磨机直接粉碎至-0.5 mm的样品,-0.074 mm粒级含量占28.54%,且矿样中锂辉石矿物的单体解离度较高,在90%以上。

(2)粗选条件试验表明,粗粒锂辉石矿比常规细粒浮选需要的捕收剂用量要大,且需要在相对较低的搅拌转速以及较高的矿浆浓度条件下才能获得较好的浮选指标。

(3)本研究设计的粗粒浮选装置相对于常规挂槽浮选机可提高Li2O回收率约10百分点,说明该浮选装置对于粗粒锂辉石矿具有较好的回收效果。

(4)通过闭路浮选试验可获得Li2O品位为5.11%、Li2O回收率为70.04%的锂精矿指标,为锂辉石矿山采用高压辊磨机作为终粉磨而取代球磨机细磨提供了可能。