不同磨矿方式对硫化矿浮选影响的研究现状*

马英强 黄发兰 李晓慢

(福州大学紫金矿业学院)

不同磨矿方式对硫化矿浮选影响的研究现状*

马英强 黄发兰 李晓慢

(福州大学紫金矿业学院)

通过分析传统硫化矿磨矿—浮选与高压辊终粉磨的磨矿环境、作用机理，得出高压辊终粉磨对优化浮选环境，提高浮选综合指标，提高硫化矿石的综合利用率有着至关重要的影响，是硫化矿碎磨最具前景和研究价值的一项高效节能技术。

磨矿方式 电偶腐蚀 高压辊终粉磨 浮选

硫化矿物的磨矿过程是一个存在力学、电化学和机械力化学等多种作用因素的复杂过程，这一过程直接影响硫化矿物的表面形态与性质、矿浆的溶液化学性质和硫化矿物的浮选行为，进而影响硫化矿物浮选的指标[1]。因此，研究不同磨矿方式对硫化矿物浮选的影响具有非常重要的意义。

1 湿磨条件下磨矿介质对浮选的影响

大多数的硫化矿物都是良好的半导体，其浮选过程是一个复杂的电化学过程。在磨矿—浮选体系中，不同硫化矿物和磨矿介质在矿浆中的表面静电位(腐蚀电位)不同，造成不同硫化矿物之间以及矿物与磨矿介质之间相互接触时，发生迦伐尼电偶作用，静电位较低的物质发生阳极氧化反应，而溶液中的氧在静电位较高的物质表面发生阴极还原反应，对矿物的表面性质产生一定的影响[1-2]。

常见硫化矿物及钢球在中性条件下测得的静电位见表1。

由表1可知，与硫化矿物的静电位相比，低碳钢钢球和铁镍合金钢球的静电位均低很多, 表明在磨矿过程中由于形成迦伐尼电偶作用，剧烈的阳极氧化反应将在钢球表面发生，同时氧的还原反应将在静电位很高的黄铁矿表面发生；此外，若黄铁矿与其它硫化矿物处于电接触状态,则另一个硫化矿物的氧化将会被加速。发生在硫化矿矿浆体系中一系列的复杂电偶腐蚀的电化学反应如下[4-7]：

表1 硫化矿物及钢球的静电位[3-4]

注：除注明外，pH值均为中性。

阳极反应：

(1)钢球介质表面。

(1)

(2)

(2)硫化矿物表面。

(3)

(4)

(5)

(3)捕收剂。

(6)

(7)

(8)

阴极反应：

(1)氧气还原。

(9)

(2)铜离子。

(10)

(3)其他电化学活性较低的阳离子。

(11)

以上电偶腐蚀的电化学反应并不是同时发生，实际反应要依情况而定，如与腐蚀电对(钢球介质、硫化矿物)的性质(如极化性能)、相对面积以及溶液的化学组分有关[4]。

由以上电化学反应可知，在硫化矿矿浆体系中，各种硫化矿物之间、磨矿介质与硫化矿物之间存在的伽伐尼电偶作用导致磨矿介质腐蚀，腐蚀形成的铁的氧化物或氢氧化物吸附或沉积在硫化矿物表面将会显著地影响硫化矿物的浮游行为。此外，其他金属离子如Cu2+的氧化也将对其他硫化矿物的浮选产生影响。国内外在这方面已做了很多相关研究。

Guozhi等[8]研究了磨矿过程中磨矿介质与毒砂的原电池作用及其对浮选的影响。通过XPS分析磨矿后毒砂的表面性质发现，磨矿介质的电化学活性越高，毒砂与磨矿介质之间的原电池作用越强，在其表面会生成更多的亲水性氧化铁物质，这些亲水性物质会影响细粒毒砂的浮选。

Y.Wei等[9]研究了磨矿环境对非洲纳米比亚RoshPinah铅锌矿浮选的影响，发现不同的磨矿介质对矿物的回收率和选择性产生很大的影响，其中瓷球磨的回收率最高而选择性最低，钢球球磨的结果正好相反。原因是瓷球磨产生氧化环境，促使铜离子活化闪锌矿，而钢球球磨产生还原环境，阻碍了这种活化作用的产生。

G.Huang等[10]用一套连接有电化学分析装置的特殊磨矿系统来量化低碳钢钢球与黄铁矿之间的原电池作用。钢球与黄铁矿之间的迦伐尼电流取决于它们磨矿时的极化行为、几何关系及其种类。钢球与黄铁矿的表面积之比对钢球的迦伐尼电流有显著影响，而对黄铁矿的影响相对较小。而矿浆中的溶解氧对迦伐尼电流有很大的影响。氧气的消耗产生最高的迦伐尼电流和最大的能被EDTA浸出的铁含量，而空气次之，氮气最少。黄铁矿的可浮性取决于磨矿时钢球与黄铁矿之间的迦伐尼电流，因为该电流的产生与铁氧化物的数量及黄铁矿的还原速率有关。

K.L.C.Goncalves等[11]研究发现，不同磨矿介质和磨机的结构材料对Salobo硫化铜矿的浮选行为有很大影响。当使用橡胶衬板磨机和不锈钢磨矿介质时，能获得最高的铜回收率和最快的浮选速率。

魏以和、周高云等[12]研究了磨矿环境对纳米比亚某复杂铅锌矿浮选的影响，试验发现捕收剂的作用效果与磨矿环境密切相关。常规的低碳钢磨机磨矿环境下，由于其强的还原性气氛以及腐蚀产生的铁类氧化物在矿物表面的覆盖，使方铅矿的可浮性下降，在此磨矿环境下需采用捕收能力较强的捕收剂才能获得较好的选别指标；相反的，在瓷磨机的非铁质氧化性磨矿环境下，方铅矿具有良好的可浮性，可采用捕收能力较弱但选择性较强的捕收剂。

何发钰等[13]研究了磨矿环境对方铅矿、闪锌矿单矿物及双矿物磨矿矿浆化学性质的影响。结果表明，采用瓷介质磨矿时，单矿物体系的矿浆化学性质主要受硫化矿物局部电池作用的影响，双矿物体系的矿浆化学性质同时受硫化矿物自身局部电池和矿物间伽伐尼电偶双重作用的影响；采用铁介质磨矿时，无论单矿物体系还是双矿物体系，均同时存在硫化矿物、磨矿介质自身局部电池的作用和磨矿介质与硫化矿物之间伽伐尼电偶的作用，另外，双矿物体系中还存在硫化矿物之间的伽伐尼电偶作用。因此，矿浆化学性质受铁介质磨矿的影响更为显著。

K.Adam等[15]研究发现，当磁黄铁矿与金属镁接触时，对磁黄铁矿浮选的不利影响最大，而使用奥氏体不锈钢球时这种影响最小。俄歇电子能谱和XPS研究发现，磁黄铁矿与活性金属之间的迦伐尼电偶作用导致在磁黄铁矿表面生成了铁的氧化物、氢氧化物及硫酸盐，严重影响了磁黄铁矿的可浮性。

可见，湿式磨矿过程是一个复杂的物理、化学和物理化学过程,磨矿—浮选过程产生的电偶腐蚀作用严重影响了硫化矿的浮选特征和硫化矿物间的选择性分离。因此应深入了解硫化矿矿浆体系中的电偶腐蚀，尽量减少其在硫化矿物浮选分离过程中产生的影响。

2 干磨条件下磨矿介质对浮选的影响

干式磨矿是在矿石原始含水状态下进行，磨矿时不再另补加水[16]。在磨矿作业中，一般湿式磨矿是最主要的磨矿方式，虽然湿式磨矿要比干式磨矿的效率高得多，但由前文可知，湿式磨矿过程中容易发生电化学腐蚀作用，结果是影响某些硫化矿的可浮性，直接恶化选别指标。此外，有研究表明,湿式磨矿比干式磨矿的金属消耗量更多，其金属消耗费用已接近甚至超过动力消耗费用[17]。因此，研究干磨条件下磨矿介质对硫化矿浮选的影响意义重大。

刘书杰等人[18-19]研究了干式磨矿对硫化矿的浮选影响，发现不同磨矿介质对闪锌矿和黄铁矿的矿浆化学性质产生重要影响，且黄铁矿经干磨以后矿物表面变化较大且有新物质FeSO4生成，而闪锌矿表面没有生成新物质。此外，他们还研究了干式铁磨和干式瓷磨对黄铁矿表面性质以及后续浮选的影响。结果表明, 瓷介质磨矿的矿物浮游性较铁介质磨矿的矿物浮游性好，黄铁矿氧化形成的缺金属富硫表面和矿物晶格中的阳离子空位将大大提高黄铁矿的回收率和浮游速度。

D.Feng等人[20]对南非的MerenskyReef复杂硫化矿的干湿磨研究发现，硫化矿干磨时，其表面相对粗糙，含有大量微小的结构缺陷，而湿磨时表面相对较平整光滑。干磨产生的活性颗粒表面能加速颗粒的溶解和药剂在颗粒表面的吸附，呈现出更高更稳定的负载泡沫和更快的浮选动力学。此外，如果干磨和湿磨结合，则能改善硫化矿的浮选动力学及最终的品位和回收率。

由此可见，干磨条件下，磨矿介质的机械力化学作用也会影响硫化矿的矿浆化学性质，进而影响选矿效果。

3 高压辊终粉磨

高压辊磨机是基于层压粉碎理论而设计的一种新型高效节能粉碎设备。所谓层压粉碎是指在有限的空间内大量颗粒聚集在一起，相互接触，随着压力不断增加，颗粒之间互相传递应力，当应力强度达到颗粒压碎强度时，颗粒即开始粉碎[21]。高压辊磨机的工作原理[22]是两个辊子做慢速的相对运动，其中一个辊子固定，另一个辊子可作水平方向的滑动。物料由上部连续喂入并通过辊间的间隙，用液压给活动辊施压，物料受压而粉碎，并被压成料饼下落至机外。

近年来，随着高压辊磨机制造技术和控制水平的发展，尤其是辊面磨损问题的解决，加上其具有单位破碎能耗低、破碎产品粒度均匀、细粒级含量高、占地面积少、设备作业率高、简化工艺流程、节约投资、降低操作维护费用、矿石适应性强等一系列优点，使其在矿物加工领域的应用逐渐扩大，尤其是用于金、铁、铜、钼等各种矿物的细碎或超细碎[23-30]。但高压辊磨机的这些应用只是集中在矿石的破碎阶段，必须结合后续的球磨粉磨工艺才能使矿石中的目的矿物达到有效单体解离，而后方可进入选别作业分选富集，从而得到综合利用。而高压辊终粉磨是一种集高压辊粉磨和风力分级等技术于一体的现代节能增产干法粉磨新技术，可以取代传统的湿法球磨粉磨系统，减少了磨矿过程产生的一些难免离子对后续浮选的严重干扰，为硫化矿的高效浮选和综合利用带来新契机。

目前，高压辊终粉磨技术在水泥行业的应用推广非常迅速，但在矿物加工领域的应用却鲜有报道。水泥生料高压辊终粉磨系统一般由高压辊磨机、V型选粉机、动态选粉机、除尘器等装置构成，水泥生料高压辊终粉磨系统工艺设备联系见图1[31]。其工作原理是[32]：物料由加料装置均匀给入，在旋转磨辊的作用下，被带入两辊之间的粉碎腔，受到挤压作用；随着物料的下沉，料床间的空隙越来越小，挤压的强度也越来越大，直至达到最大值；粉碎后的物料，被挤压成料饼状而卸出。通过V型选粉机和动态选粉机等其他工序的反复循环，可将符合要求的细粉选出，由除尘器收集送达生料库，粗粉返回辊磨机继续粉磨，并最终实现对生料的终粉磨。该原理对高压辊终粉磨技术运用到有色金属碎磨中具有指导意义。张千新、印万忠等人[33]对武平悦洋铜银矿石进行了高压辊碎磨—分选技术研究，结果表明高压辊终粉磨产品粒度分布和金属量分布较均匀，其选矿回收率远远高于常规碎磨矿样，所得铜银粗精矿铜回收率为95.01%，银回收率为94.04%。

图1 水泥生料高压辊终粉磨系统工艺设备联系示意

可见，高压辊终粉磨作为用于碎磨最具前景的一项高效节能技术，可以直接省略常规的球磨粉磨系统，不会对其产品产生磨矿因素的影响，进而可优化浮选环境，对浮选效果产生重要意义。

4 结 语

(1)在传统的硫化矿磨矿—浮选过程中，磨矿介质与硫化矿物之间、硫化矿物与硫化矿物之间由于电化学腐蚀作用和机械力化学作用产生的一些难免离子或矿浆化学作用等因素均会对选矿效果产生难以避免的干扰作用，进而影响浮选指标。

(2)高压辊终粉磨作为一种干法制粉技术，可以取消磨矿过程，不会对其产品产生磨矿因素的影响，由此可推断其具有优化浮选环境、提高浮选综合指标与硫化矿石综合利用率的重要作用，但目前相关的应用及基础研究均较少，笔者会针对相关内容开展进一步的深入研究工作。

(3)当今企业生产越来越重视节能降耗，高压辊磨机因其能耗低、适应性强、破碎产品细粒级含量高、易于生产管理等优势，未来在有色金属矿山中将具有广阔的发展前景。同时，由此发展的高压辊终粉磨作为用于碎磨最具前景的一项高效节能技术，也极具研究价值。

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国家自然科学基金资助项目(编号：51374079)；福州大学科技发展基金项目(编号：2014-XQ-41)；福建省大学生创新创业训练计划项目(编号：201410386081)；福州大学科研启动基金项目(编号：510057)。

2015-01-16)

马英强(1983—)，男，博士，讲师，350108 福建省福州市闽侯县大学城。