,刘征建 张路明 1.北京科技大学 冶金与生态工程学院， 北京 100083;
2.唐山国丰钢铁有限公司， 河北 唐山 063300
收稿日期: 2014-08-23
基金项目: 国家科技支撑计划项目2011BAC01B02; 国家重点基础研究发展计划项目2012CB720401.
作者简介: 王振阳1989-,男,河南安阳人,北京科技大学博士研究生;张建良1965-,男,天津人,北京科技大学教授,博士生导师.
摘要: 为拓宽铁矿石来源，提高海砂品位以应用于长流程炼铁系统，对一种印尼海砂矿进行了球磨磁选实验，并利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)以及激光粒度分析(LPSA)等方法，研究了其在不同球磨阶段的微观解离特点、粒度与磁感应强度对精矿品位与回收率的影响以及细粒级下磁选过程中的受力机理.结果表明：球磨至一定阶段后，矿石粒度已较小，连生体基本以包裹体形式存在，很难继续解离，故此时继续降低矿石粒度对精矿品位的提升意义不大；另外，当矿石较细时，水阻力将成为磁选过程中的主要作用力，细粒级矿粒将不能到达磁鼓表面，故此时精矿回收率较低.
关键词: 海砂矿 解离 磁选 细粒级 受力机理
Ball-Milling Micro-dissociation of Ironsand and Magnetic Force at Fine Level
WANG Zhen-yang, ZHANG Jian-liang
,LIU Zheng-jian ZHANG Lu-ming 1. School of Metallurgical & Ecological Engineering, University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083, China;
2. Tangshan Guofeng Iron & Steel Co., Ltd., Tangshan 063300, China.
Corresponding author: ZHANG Jian-liang, professor, E-mail: jl.zhang@ustb.edu.cn
Abstract: To broaden the iron ore sources and raise the grade of ironsand for long process ironmaking system, the ball-milling and magnetic separation were conducted on a ironsand from Indonesia. The analysis methods of X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and laser particle size analyzer (LPSA) were used to investigate the micro-dissociation characteristics in different ball-milling stages, the influence of particle size and magnetic induction intensity on the concentrate grade and recovery and the force mechanism of fine ironsand in the process of magnetic separation. After the ball-milling to a certain stage, the granularity of ironsand is small and the locked mineral is in the form of inclusions which is hard to continue to disintegrate. Therefore, it makes little sense to reduce the ironsand granularity for the promotion of concentrate grade. In addition, when the ore is fine, water resistance will become the main force in the process of magnetic separation and the fine particles will not be able to reach the surface of the drum, and lead to a lower concentrate recovery rate.
Key words: ironsand dissociation magnetic separation fine level force mechanism 2013年我国铁矿石消费总额为10.86亿t，其中进口铁矿石为8.19亿t，占总消费量的75%，而在进口铁矿中，来自世界铁矿三大巨头(澳洲必和必拓、力拓矿业以及巴西淡水河谷)则占到85%以上[1].可以看出，我国铁矿石贸易特点为对外依存度过高、进口来源过于集中.一旦遭遇世界经济波动或重大政治事件，会对我国经济、政治安全造成潜在威胁.因此有必要拓宽铁矿石资源来源，开发其他铁矿资源应用于国内成熟炼铁系统的技术[2, 3].
海砂矿是一种成本低、来源广的铁矿资源，在东南亚、新西兰、南非以及我国海南岛沿海均有矿床分布，但受限于其全铁品位较低而一直未大规模使用，国内外的研究多集中于对海砂原矿的预氧化处理与还原机理方面[4, 5, 6, 7]，而对进一步提高其品位以符合长流程炼铁原料的要求则报道较少.基于此，本文通过对一种印尼海砂进行球磨磁选实验，研究了海砂矿在球磨过程中的解离特点，磁选过程中的受力机理以及不同粒度与磁感应强度下的精矿品位与回收率，为进一步提高海砂品位并应用于国内成熟炼铁系统提供理论基础.
1 实 验1.1 实验原料本文所选海砂矿来自印尼某滨海矿场，原矿通过化学法得到其成分，并与某时期我国攀枝花选矿厂的钒钛磁铁矿成分作对比，结果见表 1.
表1(Table 1)
 表1 海砂矿化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of titania-ferrous ore(mass fraction)
| 表1 海砂矿化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of titania-ferrous ore(mass fraction) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
由表 1可知，本实验所用海砂矿是一种伴生钒、钛元素的磁铁矿，海砂原矿全铁品位超过了55%，大大高于钒钛原矿，且超出钒钛精矿4%的全铁品位；TiO2与V2O5质量分数与钒钛精矿相差不大；四元自然碱度为0.58，略高于钒钛精矿，利于降低后续工艺中的熔剂用量.考虑到我国攀钢、承德等地冶炼钒钛磁铁矿的丰富经验，从化学成分角度考量，海砂矿完全可以作为一种入炉原料，应用于我国高炉炼铁工艺流程当中.同时，由于海砂矿脉石的质量分数近12%，故仍有较大空间通过球磨磁选工艺以提高全铁品位.
为进一步探究海砂矿应用于球磨磁选工艺的可行性，利用LPSA与XRD分别对海砂原矿的粒度与物相组成进行了分析，结果见图 1，图 2.
图1(Figure 1)
 | 图1 海砂矿的粒度分布 Fig. 1 Size distribution of ironsand |
图2(Figure 2)
 | 图2 海砂矿XRD图谱 Fig. 2 XRD pattern of ironsand |
由图 1可得，所有海砂矿颗粒均在90 ~425 μm之间，粒级分布较为集中，而128~214 μm之间的颗粒为主要组成部分，占到总量的55%.在该种粒度范围内的矿粒，应用于烧结工艺则粒度偏细，会对其制粒及透气性产生较大影响.而对该种海砂矿进行细磨磁选后，可在提高全铁品位的同时进一步降低矿石粒度，故磁选后的精矿粉可以应用于造球工艺中.
由图 2可得，本实验所用海砂矿主要由4种物相组成:1)立方尖晶石结构的钛磁铁矿相(TTM)，它是由磁铁矿(Fe3O4)与钛铁尖晶石(Fe2TiO4)相互固溶而成(Fe3O4-Fe2TiO4)，钛磁铁矿占据主要衍射峰，是海砂矿中的主要矿相；2)菱方晶系的钛赤铁矿相(TTH)，是由赤铁矿(Fe2O3)与钛铁矿(FeTiO3)相互固溶而成(Fe2O3-FeTiO3)，TTH的峰值较TTM低，为次要矿相.有研究表明[8, 9]，TTH是由TTM在大气气氛下经过长时间的氧化而成，故TTH的质量分数可以部分反映海砂矿的成矿年代；3)部分单独存在的钛铁矿(FeTiO3)以及以辉石的形式存在的脉石.由于海砂矿中铁、钛元素的高度固溶性，可以推断很难将铁钛通过细磨解离的方法分离，故钛元素也就无法在磁选中进入尾矿.
1.2 实验方法干式球磨法较适于处理大批量难磨矿石，故本文采用干法球磨机对海砂原矿进行磨矿实验，取海砂原矿500 g各4份，分别将其球磨10,20,30和40 min后分点平均取样，并通过LPSA与SEM，得到不同磨矿时间下的海砂矿粒度与微观解离形貌.预实验的结果表明，当磁感应强度大于200 mT时，精矿品位与回收率基本不再发生变化，因此选择40~200 mT作为磁感应强度研究范围.取不同球磨时间的粉矿各100 g，加入同等量的水以保证每次实验的给矿浓度不变，调节磁选机至预定的磁感应强度，并保持磁鼓转速与水流速度不变，待磁选机运行稳定后，利用胶头滴管每隔30 s加入一次矿浆至矿槽中.实验完毕后，将不同磁选条件下所得的精矿粉烘干、称量并制样，利用化学法对TFe与TiO2质量分数进行分析.
2 结果与分析2.1 精矿品位与回收率
精矿经烘干、称量及化学分析后，利用式(1)对其TFe与TiO2的回收率进行计算.式中，Ri为组元i的磁选回收率，%；m原与m精分别为原矿与精矿的质量，g；mi,原与mi,精分别为组元i在原矿与精矿中的质量分数.结合化学分析结果，精矿中TFe与TiO2的品位与回收率见图 3.
图3(Figure 3)
 | (a)—精矿全铁品位； (b)—精矿全铁回收率; (c)—精矿TiO2品位； (d)—精矿TiO2回收率.图3 不同磁选条件下精矿TFe与TiO2品位与回收率 Fig. 3 Grade and recovery rate of TFe and TiO2 under different conditions of magnetic separation |
由图 3a,图 3b可得，随着磁感应强度的增加，精矿w(TFe)是逐渐下降的，而RTFe是逐渐增加的，这是由于部分解离不完全的矿粒在逐渐增强的磁场作用下从尾矿进入了精矿，故降低了精矿w(TFe)并增加了RTFe；而在相同磁场条件下，随着海砂矿粒度的下降，精矿w(TFe)是逐渐升高的，但RTFe下降，这是由于细粒度海砂矿解离度更高，利于脉石与有用矿物的分离以及w(TFe)的提高，而由于粒度越细的海砂所受到的水阻力越大，更难到达磁鼓表面，故导致RTFe的下降.随着磁感应强度由40 mT增加至200 mT，球磨10 min的精矿w(TFe)由58.3%降低至57.2%，减少了1.1%，而球磨40 min精矿w(TFe)仅降低了0.7%，这说明粒度较粗的矿粒受磁场力的影响更加显著(有关磁场中的受力机理，将在2.3节中予以阐述).因此，对于粒度较粗的矿粒，应采用弱磁选以保证精矿w(TFe)，而对于细粒度矿粒，应采用强磁选，可以在保证精矿w(TFe)的同时，提高RTFe.
如图 3c，图 3d所示，经球磨磁选后，相比于11.41%的原矿w(TiO2)，精矿中w(TiO2)均有所提高，且在弱磁选、细粒度条件下w(TiO2)更高.由前所述，海砂矿中Ti与Fe是以钛磁铁矿、钛赤铁矿等固溶体的形式而共生，因此，只有少部分粒度较细的铁钛固溶体颗粒由于磁场力小于总阻力而进入尾矿，但大部分颗粒由于铁、钛伴生存在，在提高精矿中铁的品位与回收率，降低脉石质量分数的同时，不可避免地会增加w(TiO2)和RTiO2.
2.2 解离微观分析 不同球磨时间海砂矿的粒度与微观解离形貌见图 4.
图4(Figure 4)
 | (a)—海砂矿粒度； (b)—海砂原矿; (c)—磨矿10 min； (d)—磨矿20 min;(e)—磨矿30 min； (f)—磨矿40 min.图4 不同磨矿时间下海砂矿细度与微观形貌 Fig. 4 Size and microstructure of ironsand at different grinding time |
由图 4可得，随着磨矿时间的延长，小于0.076 mm矿粒的比例逐渐增加，但增加的幅度放缓，即磨矿效率逐渐降低.由海砂原矿的SEM图谱可得，矿物的形貌组成存在3种形式：灰白色的铁钛固溶体有用矿物；灰黑色的以SiO2为主的脉石单体；脉石与有用矿物结合在一起的连生体.当磨矿10 min后，少部分连生体解离，但仍有大部分连生体存在，解离不充分以至于降低了磁选后的精矿品位；当磨矿20 min后，大部分连生体已经解离，因此对于磨矿20 min的海砂在弱磁选条件下精矿品位已经可以达到59%以上；而对于磨矿30 min的海砂矿，连生体基本以包裹体形式存在，该种连生体较难解离，且随着粒度的减小，磨矿效率下降明显，故虽然磨矿进行至40 min后，矿粒直径进一步减小，但磁选后品位的提高幅度并不显著.
2.3 磁选受力机理在磁选过程中，矿粒主要受到重力与浮力的合力、水阻力与磁场力的作用，其中重力与浮力的合力、水阻力与磁场力可分别由式(2)~式(5)表示：
式中：d为单个矿粒的最大直径，m；ρ矿与ρ水分别为矿粒与磁选介质水的密度，kg·m-3；ψ与k为阻力系数常数；Re为雷诺数；μ水为水的黏度，Pa·s；υ为矿粒运动速度，m·s-1；μ为水介质的磁导率，N·A-2；χ为矿粒的磁化率；H为磁场强度，A·m-1；gradH为矿粒所处位置的磁场梯度，A·m-2.
因此，在相同磁选条件的情况下，矿粒在磁场中的受力只与其最大直径有关.磁选机中磁选管的规格为Φ60 mm×1 000 mm，矿粒由磁选管圆心位置运动至边缘需要时间为t=2.4 s，设矿粒为匀速运动，则υ=0.025 m·s-1.按表 2所示取计算参数，可得海砂矿粒受到的作用力与矿粒最大直径的关系，见图 5.
表2(Table 2)
表2 海砂矿粒受力参数Table 2 Ironsand magnetic field parameters
| 表2 海砂矿粒受力参数 Table 2 Ironsand magnetic field parameters |
图5(Figure 5)
 | 图5 海砂矿粒所受作用力与颗粒直径的关系 Fig. 5 The relationship between force on ironsand grain and particle diameter |
由图 5可得，随着海砂矿粒直径的增加，其所受重力与浮力的合力(以下简称重力)、水阻力以及磁场力均呈现增加的趋势，在颗粒直径为0~30 μm时，水阻力较大，而磁场力与重力相对较小，此时水阻力为矿粒所受主要作用力；当颗粒直径达到30 μm后，磁场力迅速增加，而重力与水阻力增加趋势较为缓慢，直至矿粒直径增加至59 μm时，此时磁场力与总阻力相等，截留比为1，矿粒刚好可以达到磁鼓表面，而当颗粒直径大于59 μm时，重力增加趋势加快，但磁场力仍大于总阻力，矿粒可以达到磁鼓表面，磁场力此时为矿粒所受主要作用力.因此，过磨易造成选矿指标下降，同时也从力学角度说明了图 3中细粒度海砂回收率较低，而粗粒度海砂回收率较高且受磁场力影响显著的原因.
3 结 论1) 本实验所选印尼海砂在化学成分上类似于我国攀西地区的钒钛磁铁矿，主要以钛磁铁矿、钛赤铁矿、钛铁矿和辉石等物相形式存在，粒度分布集中于90 ~425 μm之间，适于在细磨磁选提高品位后应用于球团工序.
2) 随着磨矿时间的增加与磁感应强度的下降，磁选后精矿中w(TFe)与w(TiO2)是逐渐增加的，但回收率呈现下降趋势，综合考量，采用(20 min，80 mT)以及(30 min，120 mT)可以在获得较高品位精矿的同时保证较好的回收率.
3) 随着磨矿时间增加，连生体解离度逐渐增加，但磨矿30 min后，连生体基本以包裹体形式存在，该种连生体较难解离，因此虽然磨矿进行至40 min，但磁选后品位提高的幅度并不明显.
4) 矿粒在磁选过程中主要受到重力、浮力、水阻力与磁场力的作用，对本实验磁选条件下的海砂颗粒而言，当其直径在0~30 μm时，水阻力为主要作用力，而当矿粒直径增加至59 μm及以上时，磁场力大于总阻力，截留比大于1，矿粒可以达到磁鼓表面，从而解释了细粒度海砂回收率较低、粗粒度海砂受磁场力影响更加显著的原因.
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