钾钠长石矿的除铁提纯流程研发

钾钠长石矿的除铁提纯流程研发河北理工大学化学工程学院夏青长石是一族含有钾、钠、钙和少量钡等碱金属的架状构造的铝硅酸盐矿物。长石在高温下熔融后成为胶体物质，冷却时不再结晶而成为透明的玻璃质，这种玻璃质具有高度的绝缘性，高度的化学稳定性，因此在一些工业部门具有广泛而重要的用途[1]。长石的熔点在1100—1300℃之间，比石英和硅酸盐的熔点低，在与石英及硅酸盐矿物共融时有助融作用等特点，常用于玻璃及陶瓷工业的助熔剂，并可降低烧成温度。在搪瓷原料工业上可用长石和其他原料相配。此外，长石还可以用于磨料工业的磨具和磨料；生产玻璃纤维；用作焊条等的融合结合剂、去污剂。钾长石是制造钾肥的原料，也是化工工业的原料。长石因其优良的工艺特性被广泛用作玻璃、陶瓷、化工、磨料磨具、玻璃纤维、电焊条工业的原料[2]。一、钾钠长石的除铁提纯流程钾钠长石矿中含有一定量有害杂质，特别是铁、钛元素的存在严重影响着长石的开发利用以及长石产品的质量。随着高品质钾钠长石的开发殆尽，对低品位长石的除铁提纯是目前正在研发的一项重要课题。钾钠长石矿的除铁提纯目前存在着多种方法和流程，结合目前低品位长石矿的开发利用情况，李学伟、管俊芳等[3]指出单一的选矿提纯工艺已不能满足当前的市场需求，采用多种选矿方法，组成联合选矿工艺是解决低品位矿选矿的有效途径。本文以钾钠长石矿的“磨矿一脱泥一磁选一浮选”工艺流程为线索，对与该流程相关的流程环节进行详细的说明，并指出该流程在对钾钠长石矿的除铁提纯中实际取得的效果。该流程的流程图见图1。1.磨矿对矿石进行磨矿，一方面是为了使有用矿物与有害矿物单体解离，一方面是为了满足最终产品的粒度要求，因此，磨矿是选别前的一个重要作业。长石的磨矿主要分为干法磨矿和湿法磨矿两种。相对而言，湿法磨矿效率较干法磨矿高并且不易出现“过磨“现象[1]。磨矿介质是磨矿效率的重要影响因素，磨矿介质大致可以分为钢质介质、瓷质介质和石质介质。在玻璃行业与陶瓷行业中，对作为原料的长石的要求一般较高，长石中的铁含量的高低决定了长石质量品级的高低。在我国玻璃行业与陶瓷行业中，为了避免在磨矿过程中带入铁杂质，长石矿的磨碎过程一般不采用铁介质磨矿，大多采用石质轮辗、间歇式砾磨或瓷球磨[2]。实践证明，较瓷球磨，采用钢球介质磨矿能够较大幅度的提高磨矿效率，但是磨矿过程中产生的机械夹带的铁杂质较多而降低长石的质量品级。可以通过试验对比不同的磨矿介质对磨矿细度及Fe2O3含量的影响，确定最佳的磨矿方式。潘力[1]针对山东某地伟晶岩长石矿床，通过实验证明采用“磨矿一脱泥一磁选一浮选”流程，磨矿过程中产生的机械夹带的铁杂质可以通过后续的脱泥作业和磁选作业有效去除；柳溪、高惠民等[4]通过对陕南某长石矿进行磨矿试验，采取上述流程，所得结论和潘力一致。磨矿时间直接影响磨矿细度从而影响除铁提纯的效果，实验证明，随着磨矿时间的增加，磨矿细度也随之增加。对不同产地的长石矿，最佳的磨矿细度也不同，可以通过试验确定所选长石矿的最佳磨矿细度。磨矿操作是在磨矿机中进行的，现以塔式磨机为例介绍磨矿机的工作原理及其工作性能的影响因素[5]。塔式磨机的结构如图2所示，由筒体、传动装置（包括电机及减速机）、螺旋搅拌器、机架等部件组成。电机经减速机带动螺旋搅拌器，在填充一定磨矿介质（钢球、刚玉球或砾石等）的筒体内旋转，使得磨矿介质和物料在筒体内作整体的多维循环运动和自转运动。位于径向上不同半径处的磨球运动的线速度不等；位于轴向上层与层之间的磨球运动存在速度梯度，剪切力和挤压力处处存在。磨机的工作原理是综合利用研磨介质之间的摩擦力、挤压力、剪切力和冲击力来研磨物料。影响磨矿机磨矿效率的因素是很复杂的，简单概括为三方面：即矿石性质、磨矿机结构以及操作条件。在被磨矿石及磨矿机选定的情况下，影响磨矿过程的操作因素包括：磨矿介质装入制度、磨矿浓度、给矿速度、磨矿机转速、返砂比、分级效率以及助磨剂的添加等。图1钾钠长石矿的除铁提纯流程图2.脱泥脱泥的主要目的是去除矿石中的原生矿泥和破碎磨矿过程中产生的次生矿泥，从而防止细泥影响后续的选矿作业（磁选、浮选等）。常用的脱泥设备有水利旋流器、分级机和脱泥斗等[1]。脱泥可采用水力沉降法，也可利用矿泥带负电会优先与浮选药剂结合的特点，使用起泡剂或捕收剂浮选脱泥。柳溪、高惠民等通过试验证明浮选脱泥时，脱泥选择性差，矿泥和云母混杂，不利于泥的进一步处理，并且精矿中仍含泥；而沉降脱泥法能有效分离矿泥、云母，保证精矿指标[4]。脱泥粒度的选择也会对最终的除铁效果产生重大影响，通过试验，考察铁、钙等杂质元素在矿石各粒级中分布情况，可为脱泥粒度的确定提供参考依据。3.磁选磁选是根据矿物磁性的差异，采用磁选设备在不均匀磁场中在磁力和其他力作用下实现矿物分选的过程。磁选法广泛地应用于铁矿石的选别、煤粉脱硫、非金属矿物原料中除铁、排出铁磁性物保护破碎机与其他设备、从冶炼生产的钢渣中回收废钢、从生产和生活污水中除去磁性污染物等[6]。随着科学技术的不断进步，强磁性矿物的分选已经实现了磁选机的永磁化，但是弱磁性矿物的分选仍采用电磁分选或其他手段进行。近年来，随着第三代高磁性能永磁材料钱铁硼的出现和磁选设备新型磁系结构的发展，推动了永磁强磁选矿备技术性能的发展，永磁强磁选机逐步应用于弱磁性矿物的分选和非金属矿图2塔式磨机的结构示意图除铁。永磁选机具有节能降耗、磁系结构简单、操作方便等优点，对当前工业的迅速发展具有重要的现实意义[7]。近20多年来，磁选得到了较大的发展，出现了一些新的磁选工艺和新的磁选设备。高梯度磁选是20世纪70年代发展起来的一项磁选新工艺。它能有效回收磁性很弱、粒度很细的磁性矿粒，为解决品位低、粒度细、磁性弱的氧化铁矿石的选别开辟了新途径。它不仅用于选别矿石，还可以用于选别许多其它细粒和微细粒物料。尤其以Slon立环脉动高梯度磁选机为代表。高梯度磁选机新工艺在环境保护领域也有广泛的应用前景，将来可能成为全球性的环境保护的重要方法之一。将超导技术用于选矿领域，研制出超导电磁选机。这种磁选机采用超导材料做线圈，在极低的温度（绝对零度附近）下工作。线圈通入电流后可在较大的分选空间内产生1600kA/m（200000e）以上的强磁场，并且线圈不消耗电能，磁场长时间不衰减。这种磁选机体积小、重量轻、磁场强度大、分选效果好，是用于工业生产的较理想的设备。美国Eriez公司已成功生产了工业超导磁选机，我国正在进行超导电磁选机的研制工作。这种磁选机可用于选别矿石特别是稀有金属矿石以及从非金属矿石中除去含铁杂质等等。非金属矿物原料的选矿中，在许多情况下都伴随有除铁的问题，磁选成为一项重要的作业。主要是用弱磁场磁选机除去强磁性矿物，用强磁场磁选机除去非磁性产品中的弱磁性矿物[6]。长石矿中的铁矿物、云母和石榴子石等都有一定的磁性，而长石没有磁性，因此，可以在外加磁场的条件下实现长石与磁性矿物的分离。由于矿石中的铁矿物、云母和石榴子石的磁性较弱，通常需采用强磁选设备才能将其有效去除。目前，国内采用的磁选设备主要有高梯度强磁选机、永磁辊式强磁选机、湿式平环强磁选机和永磁筒式中强磁选机等[1]。根据工艺流程及物料性质选择磁选设备原则一般为：（1）优先采用永磁磁选机，只是在质量要求较高或永磁磁选设备无法实现的情况，再考虑电磁磁选设备；（2）先弱磁后强磁；（3）微细粒时采用湿式分选；（4）高精度分选时可采用干式分选；（5）选择合适的分选粒度，在达到产品粒度要求的情况下，尽量在较粗的粒度下进行除铁作业；（6）避免铁杂质的二次混入，在进行除铁作业之后，尽量不要再进行破碎、筛分等作业[8]。磁选是在磁选设备的磁场中进行的。目前较为典型的圆筒磁选机的分选矿物示意图如图3所示。磁选机工作时磁系固定不动，圆筒内壁与磁系之间有较小空隙，沿逆时针方向绕磁系旋转。矿浆流入分选槽体后，非磁性矿粒和磁性很弱的矿粒从下面排出。磁性矿粒由分选圆筒带至磁场作用区域以外的排矿口，在冲洗水作用下排出，实现不同磁性矿物的分离[7]。被选矿石给入磁选设备的分选空间后，受到磁力和机械力（包括重力、离心力、水流动力等等）的作用。磁性不同的矿粒受到不同的磁力作用，沿着不同的路径运动。因为矿粒运动的路径不同，所以分别接取时就可以得到磁性产品和非磁性产品（或是磁性强的产品和磁性弱的产品）。进入磁性产品中的磁性矿粒的运动路径由作用在这些矿粒上的磁力和所有机械力合力的比值来决定。进入非磁性产品中的非磁性矿粒的运动路径由作用在它们上面的机械力的合力来决定。因此，为了保证把被分选的矿石中的磁性强的矿粒和磁性弱的矿粒分开，必须满足以下条件：F1磁∑F机F2磁式中：F1磁—作用在磁性强的矿粒上的磁力；∑F机—与磁力方向相反的所有机械力的合力；F2磁—作用在磁性弱的矿粒上的磁力。这一公式不仅说明了不同磁性矿粒的分离条件，同时也说明了磁选的实质，即磁选是利用磁力和机械力对不同磁性矿粒的不同作用而实现的。F磁∑F机保证了磁性矿粒被吸到磁极上，在分离磁性差别较大的易选矿石时，能够顺利地分出磁性部分，但在分离磁性差异小的难选矿石时，就需要很好的调整各种磁性矿粒的磁力和机械力关系，使之能有选择性的分离，才能得到良好的效果[6]。1-圆筒；2-磁系；3-分选槽体；4-给矿箱磁选机工作效率及选矿除铁效果的影响因素可以概括为两点，一是矿石的性质，如矿石的粒度、磁化率；二是磁选机的工作参数，如磁选场强、矿浆的流速、磁选机脉动频率，对高梯度磁选机，还包括磁场梯度的设定。磁选的操作条件与矿石的粒度以及纯度有关，在对粒度相对较粗的高纯度非金属矿进行除铁提纯时，可采用干式强磁选方法；对于细粒或微细粒矿物，由于颗粒之间的相互吸附作用增强，磁性和非磁性物之间夹杂严重，如采用干法分选，难以将磁性物去除干净，一般需采用湿法[8]。矿石或待除杂志的磁性或磁化率决定磁选机磁场强度（强磁或弱磁）的选择和矿石的分选方式。矿石的分选方式按矿石和杂志的磁性的相近程度可以分为磁性矿粒偏离、磁性矿粒吸住和磁性矿粒吸出。对磁性差别较大的矿粒选用第一种情况效果较好；对磁性差别相近的矿粒特别是用于非金属矿如长石矿的除杂后两种情况效果较好[6]。磁选机的工作参数对不同的矿石存在一个适宜或是最佳参数，对指定的钾钠长石矿，可以设计场强条件试验、矿浆流速条件试验和脉动频率条件试验，分别图3圆筒磁选机的分选矿物示意图对试验的结果进行分析可以得出最佳的工作参数。4.浮选钾钠长石一般与云母、石英、方解石以及含铁矿物共生，一般情况下长石矿物中的铁主要赋存在云母、赤褐铁矿、黄铁矿和含铁碱金属硅酸盐矿物中(如石榴子石、电气石和角闪石)。浮选是去除长石中有害杂质的有效方法之一。长石可用油酸类捕收剂浮选。铝盐在酸性介质中抑制长石，而在弱碱性介质中活化长石。胺类也是长石的捕收剂，选别效果良好，但要注意矿浆pH的调整和矿泥的脱出。浮选机是是实现浮选过程的重要设备。浮选时，矿浆与浮选药剂调和后送入浮选机，在其中经搅拌和充气，使欲浮目的矿物附着于气泡上形成矿化气泡，浮到矿浆表面形成矿化泡沫层，泡沫用刮板刮出，或以自溢的方式溢出，即得泡沫产品，而非泡沫产品则自槽底排出。浮选药剂可以分为：捕收剂、起泡剂、调整剂（抑制剂、活化剂、介质pH调节剂、矿泥分散剂、凝结剂、絮凝剂）[9]。浮选时，矿浆中的欲浮矿粒在活化剂的作用下靠吸附作用（化学吸附、物理吸附）与捕收剂结合，是矿粒表面呈现疏水状态，同时矿粒表面的Zeta电位的绝对值降低，此时，在起泡剂作用下，矿粒附着于气泡上并随气泡上浮；而非浮矿粒与抑制剂结合使表面呈亲水状态，不能附着于气泡上从而达到浮选的目的。根据浮选工业实践经验、气泡矿化理论以及对浮选机流体动力学特性研究的结果，对浮选机提出如下基本要求[9]：（1）良好的充气作用；（2）搅拌作用；（3）能形成比较平稳的泡沫区；（4）能连续工作及便于调节。在现代浮选机中，还有一些新的要求，也是近代浮选机的发展趋势：（1）选矿厂的自动化；（2）大型化、高效率、能处理大量低品位矿；（3）能适应粗粒矿物的浮选（即能提高可浮粒度上限）。影响浮选工艺过程的因素有很