酒钢铁矿石悬浮焙烧磁选精矿提质降杂试验研究

孙洪硕 高泽宾 韩跃新 王建雄 祁生亮 梁金鹏

(1.酒钢集团宏兴股份公司选矿厂,甘肃 嘉峪关 735100;2.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819;3.难采选铁矿资源高效开发利用技术国家地方联合工程研究中心,辽宁 沈阳 110819)

钢铁材料是现代社会中最为重要的结构性材料和功能性材料之一,其主要生产原料为铁矿石,然而国产铁矿石却难以满足我国的钢铁生产需求,铁矿石大部分依赖于进口,对外依存度过高[1-3]。为保障中国铁矿石的供应安全,亟需高效开发利用国产铁矿石。但我国铁矿床以中小型居多,大型和超大型铁矿床少;此外我国铁矿石铁资源禀赋差,矿物结晶粒度细、组成成分复杂、矿石铁品位低,大部分属复杂难选铁矿资源,常与钒、钛、锌、硫和砷等元素伴生,平均铁品位仅有33%。随着优质矿石资源的日益消耗,复杂难选铁矿石的开发利用逐渐引发关注。研究表明,悬浮磁化焙烧—磁选是处理复杂难选铁矿资源的有效工艺路线之一[1-3]。但在处理某些复杂难选铁矿石时,单一悬浮磁化焙烧—磁选工艺所获得的产品难以满足钢铁冶炼的生产要求,因此有必要在此基础之上进一步对悬浮磁化焙烧磁选精矿进行提质降杂[4-6]。

本文以酒钢镜铁山粉矿的悬浮焙烧磁选精矿为研究对象,探究捕收剂用量、抑制剂用量、矿浆pH值及浮选温度对磁选精矿浮选的影响,确定适宜的浮选工艺参数,并采用红外光谱分析对浮选机理进行了研究。研究成果将进一步丰富悬浮磁化焙烧分选理论体系。

1 试验原料与药剂

1.1 试验原料及药剂

将粒度为-1 mm的酒钢镜铁山粉矿在焙烧温度570℃、焙烧时间10 min、CO浓度20%条件下进行悬浮磁化焙烧;然后将焙烧产品磨至-0.045 mm占90%,使用磁选管在磁场强度为139.26 kA/m的条件下对其进行选别,以磁选获得的磁选精矿作为反浮选给矿。磁选精矿的化学多元素分析结果如表1所示。

表1 磁选精矿化学成分分析结果Table 1 Chemical composition analysis results of the magnetic separation concentrate %

由表1可知,磁选精矿铁品位为55.00%,主要的杂质为SiO2,其含量为10.45%;此外还含有少量的Al2O3、CaO和 MgO,含量分别为 0.99%、0.43%和2.82%;有害元素 S和 P的含量分别为0.28%和0.01%。

为了确定磁选精矿中铁元素赋存状态,对矿石行了铁物相分析,结果如表2所示。

由表2可知,磁选精矿中铁主要以磁性铁的形式存在,分布率为95.38%,其次,以赤褐铁矿和碳酸铁形式存在,铁分布率分别为2.33%和1.75%,而以硫化铁和硅酸铁形式存在的铁分布率很低。

表2 磁选精矿铁物相分析结果Table 2 Iron phase analysis results of the magnetic separation concentrate %

磁选精矿中磁铁矿与脉石的嵌布关系如图1所示。磁铁矿解离度如图2所示。由图1及图2可知,磁铁矿主要以单体形式存在,单体占有率为84.34%,其连生体主要为富连生体,磁铁矿及富连生体的含量合计达到96.46%,贫连生体含量很低。脉石矿物主要以单体形式产出,少量与磁铁矿连生,故采取反浮选进一步脱除脉石矿物。

图1 磁铁矿与脉石矿物嵌布关系Fig.1 Embedded relationship between magnetite and gangue

图2 磁铁矿单体解离度分析Fig.2 Analysis results of liberation degree of magnetite

1.2 试验药剂

试验所用试剂胺类捕收剂为YG-328B。抑制剂苛性淀粉制备方法:将可溶性淀粉和氢氧化钠按质量比5∶1在水溶液中混合,然后在90℃下恒温水浴30 min,即得到试验用苛性淀粉溶液。pH调整剂为稀硫酸。

2 试验方法

2.1 反浮选试验

浮选试验采用XFGII型挂槽浮选机,主轴搅拌转速为1 992 r/min。量取70 mL去离子水加入浮选槽中,然后加入50 g磁选精矿矿样,搅拌3 min后依次加入抑制剂苛性淀粉、捕收剂YG-328B和pH调整剂,每种药剂加入后搅拌3min;粗选时间5min,精选时间3min,浮选浓度33.33%。浮选结束后将所得产品烘干、称重,化验品位并计算回收率,浮选条件试验流程如图3所示。

图3 浮选条件试验流程Fig.3 Flow sheet of flotation condition experiments

2.2 红外光谱测试

取2.00 g粒度为-0.15 mm的矿样,加入20 mL蒸馏水以及对应用量的药剂,充分搅拌后静止10 min,进行抽滤并将矿样置于真空干燥箱中低温烘干。检测时,取1 mg矿样与100 mg光谱纯的溴化钾置于玛瑙研钵中进行充分研磨、混合,用专门的压片模具进行压片,然后测量。

3 试验结果与讨论

3.1 浮选温度试验

浮选温度对精矿指标有较大的影响,一般情况下,一定范围内升高温度,浮选药剂活性增强,利于浮选分离。然而需要考虑经济成本等问题,故选取适宜浮选温度具有重要意义。在pH=7.50、YG-328B用量为300 g/t、苛性淀粉用量为400 g/t的条件下,探讨了浮选温度对精矿指标的影响,试验结果如图4所示。

图4 浮选温度对精矿指标的影响Fig.4 Effect of flotation temperature on the concentrate indexes

从图4可知,随着浮选温度的升高,铁品位和铁回收率均呈现升高的趋势。当浮选温度由25℃提升至30℃时,铁品位由57.64%提升至58.82%,铁回收率由89.53%提高至91.08%。继续升高浮选温度至35℃时,铁品位升高至59.00%,铁回收率提升为91.30%,铁品位及回收率提升均很低。综合考虑,确定适宜的浮选温度为30℃,此时浮选精矿铁品位为58.82%、回收率为91.08%。

3.2 YG-328B用量试验

在浮选温度为30℃、pH=7.50、苛性淀粉用量400 g/t的条件下,考察了YG-328B用量对精矿指标的影响,试验结果如图5所示。

从图5可知,随着YG-328B用量的增加,反浮选精矿的铁回收率先保持稳定之后降低,铁品位呈现先略微降低后持续提高的趋势。YG-328B用量由180 g/t提升至300 g/t时,反浮选精矿铁品位由57.61%提升至58.35%,而反浮选精矿铁回收率稳定在91.24%～92.16%。在YG-328B用量继续提高至420 g/t时,铁品位持续提升至60.17%,而铁回收率迅速降低至75.97%。综合考虑,确定YG-328B用量为300 g/t,此时浮选精矿铁品位为58.35%、回收率为92.17%。

图5 YG-328B用量对精矿指标的影响Fig.5 Effect of YG-328B dosage on the concentrate indexes

3.3 苛性淀粉用量试验

在浮选温度为30℃、pH=7.50、YG-328B 用量300 g/t的条件下,研究苛性淀粉用量对精矿指标的影响,试验结果如图6所示。

图6 苛性淀粉用量对精矿指标的影响Fig.6 Effect of cautic starch dosage on the concentrate indexes

从图6可知,随着苛性淀粉用量的增加,反浮选精矿的回收率呈现持续升高的趋势,铁品位呈现先升高后降低最后略微提升的趋势。苛性淀粉用量由100 g/t提升至400 g/t时,反浮选精矿铁品位由57.97%提升至58.82%,而铁回收率由85.93%提升为91.08%。当苛性淀粉用量由400 g/t提升至1 000 g/t时,反浮选精矿铁品位降低为57.22%,铁回收率提升至92.54%。继续提升苛性淀粉用量,铁品位略微提高至57.56%,铁回收率提高至93.84%。试验结果说明苛性淀粉用量偏高或偏低都不利于铁矿物与石英的分离。综合考虑,确定苛性淀粉用量为400 g/t,此时浮选精矿铁品位为58.82%、铁回收率为91.08%。

3.4 矿浆pH值试验

在浮选温度为30℃、YG-328B用量为300 g/t、苛性淀粉用量为400 g/t的条件下,探讨了矿浆pH值对精矿指标的影响,试验结果如图7所示。

从图7可知,随着pH值的升高,铁品位呈现先提高后降低的趋势,而铁回收率呈现先降低后升高的趋势。矿浆pH值由4.10提升至7.50时,铁品位由58.11%提升至58.82%,铁回收率由94.88%降低为91.08%。继续提升pH值至11.89时,铁品位降低至57.42%,铁回收率提升为95.63%。综合考虑,确定适宜的矿浆pH值为7.50,此时浮选精矿铁品位为58.82%、回收率为91.08%。

图7 矿浆pH值对精矿指标的影响Fig.7 Effect of pulp pH value on the concentrate indexes

3.5 反浮选闭路试验

采用1粗1精3扫的试验流程,在浮选温度为30℃、pH值为7.50、苛性淀粉用量为400 g/t、粗选 YG-328B用量为300 g/t、精选 YG-328B用量为150 g/t的条件下,对磁化焙烧产品磁选精矿进行反浮选闭路试验。反浮选闭路试验数质量流程如图8所示。由图8可知,反浮选精矿的铁品位为58.02%、铁回收率为98.39%;而尾矿的铁品位为13.10%、铁回收率为1.61%。试验结果表明通过对悬浮焙烧产品磁选精矿进行反浮选,实现了提质降杂的目的,实现了铁资源的高效回收利用。

图8 反浮选闭路试验数质量流程Fig.8 Quantity and quality flow sheet of closed circuit reverse flotation test

3.6 红外光谱分析

红外光谱分析不仅在有机化合物结构分析与表征中起重要作用,也常用于研究两种物质之间的相互作用。在浮选领域里,红外光谱分析广泛地用于浮选药剂与矿物表面相互作用的机理研究。为了更好地了解所用浮选药剂与焙烧产品磁选精矿表面的作用机理,对与苛性淀粉作用前后的磁选精矿和与YG-328B作用前后经苛性淀粉作用的磁选精矿进行了红外光谱检测。

在矿浆pH值为7.5条件下,与苛性淀粉作用前后磁选精矿的红外光谱分析如图9所示。

图9 苛性淀粉作用磁选精矿前后的红外光谱分析Fig.9 IR of magnetic separation concentrate both before and after interacting with caustic starch

由图9可知:磁选精矿1 436.82 cm-1处对应的是CaCO3的振动吸收峰,1 081.61 cm-1处对应的是石英Si—O—Si反对称伸缩振动吸收峰,797.24 cm-1处对应的是石英Si—O—Si对称伸缩振动吸收峰,1 031.54 cm-1、880.06 cm-1及778.28 cm-1处对应的是硫酸根的振动吸收峰,566.02 cm-1处对应的是磁铁矿振动吸收峰;苛性淀粉3 580.62 cm-1至3 100.56 cm-1处对应的是糖类O—H伸缩振动吸收峰,形成宽的吸收带,1 655.51 cm-1处对应的是羰基C=O伸缩振动吸收峰,850 cm-1至1 150 cm-1处主要对应的是C—O振动吸收峰;苛性淀粉作用后,在3 134.42 cm-1处新增了苛性淀粉O—H伸缩振动吸收峰,且峰值发生偏移,可能是由于氢键作用;562.49 cm-1处的Fe—O振动吸收峰峰向高频漂移至566.41 cm-1,表明磁铁矿中的Fe—O参与吸附作用,且以化学吸附为主[7-9]。

在矿浆pH值为7.5条件下,YG-328B作用前后磁选精矿的红外光谱如图10所示。

由图10可知:YG-328B中2 957.05 cm-1处对应的是CH3反对称伸缩振动吸收峰,2 928.54 cm-1处对应的是 CH2反对称伸缩振动吸收峰,2 858.95 cm-1处对应的是CH2的伸缩振动吸收峰,1 632.80 cm-1处对应的是NH2的振动吸收峰,1 466.37 cm-1处对应CH2的振动吸收峰。在磁选精矿与YG-328B作用后,在1 432.78 cm-1处新增了YG-328B的振动吸收峰,表明YG-328B吸附于苛性淀粉处理后的磁选精矿中石英表面,且为静电吸附[10]。

图10 YG-328B作用磁选精矿前后的红外光谱分析Fig.10 IR analysis of magnetic separation concentrate both before and after interacting with YG-328B

4 结 论

(1)对酒钢镜铁山粉矿悬浮磁化焙烧产品的磁选精矿进行了反浮选条件试验,结果表明其最佳粗选工艺条件为:浮选温度为30℃、YG-328B用量300 g/t、苛性淀粉用量400 g/t、矿浆 pH值7.5。采用 1粗1精3扫的试验流程,反浮选闭路试验获得的精矿铁品位为58.02%、铁回收率为98.37%。反浮选实现了对磁选精矿的提质降杂。

(2)红外光谱分析表明,在反浮选过程中,抑制剂苛性淀粉吸附于磁铁矿表面,吸附方式主要为化学吸附和氢键吸附;而捕收剂YG-328B吸附于石英表面,主要以静电吸附方式实现。