不同粒度对赤铁矿可浮性的影响

张晋霞，张晓亮，牛福生

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省安全技术及开采重点实验室，河北 唐山063009)



不同粒度对赤铁矿可浮性的影响

张晋霞1，2，张晓亮1，牛福生1，2

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省安全技术及开采重点实验室，河北 唐山063009)

通过赤铁矿纯矿物浮选试验，研究了不同粒度对赤铁矿可浮性的影响，测定了不同粒度对捕收剂YSB的吸附量，并对不同粒径赤铁矿颗粒进行了矿粒-气泡的碰撞概率与上浮概率计算。研究结果表明，4种不同粒度赤铁矿均在转速为1900r/min，矿浆浓度为20%，pH=6～7，捕收剂YSB用量为25mg/L条件下浮选回收率达到最大值，但平均粒度10.05μm粒度的回收率要低于其它3个粗粒度。同时当颗粒的粒径降低为15μm时，矿粒-气泡的碰撞概率仅为0.35%，上浮概率为1.38%，导致浮选回收率大幅度降低。

赤铁矿；粒度；碰撞概率；上浮概率

我国优质铁矿石资源匮乏，现存的铁矿石资源多数是矿物组成复杂的微细粒铁矿。微细粒矿物具有动能小、比表面能高、表面电荷高等特殊的物理性质，采用常规的选矿方法难以有效回收，此类赤铁矿的高效利用一直是选矿界的难题[1]。

有研究认为[2]颗粒粒度对矿物浮选特性方面的影响主要体现在流体动力学特性及表面力的作用方面。矿物颗粒粒度越小其比表面积愈大，同时比表面能也随之增加，表面层分子在整个体系中所占的比增大，表面效应愈强。矿物颗粒的粒度减小后，矿粒的表面特性尤其是疏水性仅发生微弱变化，但其惯性急剧下降，导致矿物颗粒的动能过低，受流体作用力影响变大[2-3]。近年来有关浮选过程中矿物粒度效应的研究越来越受重视。邹文杰[4]研究发现，适当增大煤颗粒的表观粒度可以提高其上浮概率，提高浮选效率；通过控制石英和高岭土的粒径小于10μm或大于45μm，可显著降低其上浮概率，该结论为微细粒煤泥浮选的界面调控指明了方向。陈治泉[5]认为矿物粒度对于赤铁矿浮选效果的影响非常明显，在最佳粒度条件下，十二烷基磺酸钠可以有效地回收微细粒赤铁矿。本论文对4个不同粒度的赤铁矿进行了浮选试验研究，测定了不同粒度赤铁矿对捕收剂YSB的吸附量，并通过理论计算对浮选过程中赤铁矿的粒度效应进行了分析研究。

1　实验与方法

1.1纯矿物的制备

试验所用赤铁矿来自司家营选矿厂螺旋溜槽铁精矿，经多段球磨→分级→弱磁→摇床制得赤铁矿纯矿物。对制备好的纯矿物进行了化学成分分析，结果见表1，XRD分析见图1。从表1可看出，赤铁矿TFe为67.92%，其它杂质较少。从图1也可以看出，该矿物纯度较高。经过超声波湿筛制备出四种不同粒度，分别为-75μm+50μm、-50μm+38μm、-38μm+15μm和-15μm，采用TZC-4颗粒仪测得四个粒级的平均粒度分别为69.11μm、47.49μm、35.43μm、10.05μm。

表1　试验用赤铁矿化学成分分析

图1　赤铁矿XRD分析

1.2单矿物浮选试验

单矿物浮选实验在XFG型挂槽浮选机上进行，每次称取2.00g矿物放入30mL浮选槽中，加入25mL蒸馏水，搅拌1min后加入药剂YSB，此药剂为油酸钠和苯甲羟肟酸钠按一定比例复配而成，搅拌2min，然后浮选3min，泡沫和槽内产品分别过滤、烘干、称重，计算浮选回收率。

1.3吸附量测定

取1g被测纯矿物，加入到25mL一定药剂浓度的溶液中，搅拌3min，离心5min，搅拌速度为10000r/min，离心分离后取滤液测药剂的残余浓度，再与原始溶液的药剂浓度差减即可得到矿物表面的药剂吸附量和吸附率。计算公式见式(1)。

(1)

式中：Γ量表示吸附量，mg/g；C0为捕收剂初始浓度，mg/g；C为残余药剂浓度，mg/g；V为加入溶液的体积，mL；m为加入矿物的质量，g。

2　实验结果及分析

2.1搅拌强度对不同粒度赤铁矿浮选效果的影响

不同搅拌强度导致浮选体系中矿浆流体状态的差异，其对不同粒度赤铁矿的可浮性影响显著。在矿浆浓度10%，YSB用量为250mg/L，矿浆pH=7的条件下，考察了搅拌强度对于不同粒度赤铁矿回收率的影响，结果如图2所示。

从图2中可看出，搅拌强度对赤铁矿回收率的影响显著，随着搅拌强度的增强，精矿的回收率呈上升趋势，当转速达到1900r/min后，回收率的变化趋于平缓，此时，69.11μm、47.49μm、35.43μm和10.05μm四个粒度的回收率分别为87.73%、82.33%、81.27%和70.63%，因此，搅拌强度初步定在1900r/min。同时从图2还可以看出，微细粒赤铁矿的回收率始终低于较粗粒度赤铁矿的回收率，但搅拌强度的增大会减弱其浮选效果的差异。

图2　搅拌强度对不同粒度赤铁矿回收率的影响

2.2捕收剂用量对不同粒度赤铁矿浮选效果的影响

捕收剂用量过高或不足均无法获得理想的分选效果，其用量存在最佳范围。在矿浆浓度10%，转速为1900r/min，矿浆pH=7的条件下，考察了YSB用量对于不同粒度赤铁矿回收率的影响，结果如图3所示。

从图3可以看出，随着YSB用量的增加，4个粒度赤铁矿精矿回收率呈先升高后降低的趋势，在25～250mg/L范围内，精矿回收率始终保持较高值，最大回收率在25mg/L处取得，此时赤铁矿的浮选回收率为91.28%。同时还可看出，10.05μm粒度的赤铁矿的回收率始终明显低于其他3个粗粒度的回收率，最大差值将近20%。

2.3矿浆pH值对不同粒度赤铁矿浮选的影响

在浮选中通过添加调节剂改变矿浆pH值，进而改变矿物表面电位，控制矿浆pH值在合适范围内才能获得理想的浮选效果。在矿浆浓度为10%，转速1900r/min，捕收剂YSB用量25mg/L的条件下，以H2SO4和NaOH作为pH值调节剂，考察了矿浆pH值对不同粒度赤铁矿回收率的影响，结果见图4。

图3　YSB浓度对不同粒度赤铁矿回收率的影响

图4　矿浆pH值对不同粒度赤铁矿回收率的影响

由图4可以看出，4个粒度的赤铁矿的回收率随矿浆pH值的变化趋势相同，都是先升高后降低，在pH=7左右达到最大值。差异在于粗粒度赤铁矿的回收率在矿浆pH值偏碱性后时仍然较高，而此时细粒度赤铁矿的回收率有所降低。赤铁矿粒度变细，分选最佳pH值区间将变窄。在pH=7时三个较粗粒度赤铁矿的回收率非常接近，都在89%左右，此时10.05μm的赤铁矿回收率仅为68.80%。可见，矿浆pH值的变化对于微细粒赤铁矿回收率的影响更显著。

2.4矿浆浓度对不同粒度赤铁矿浮选的影响

微细粒矿物浮选矿浆浓度不宜过高，较低的矿浆浓度有利于提高微细粒矿物的浮选回收率。在转速为1900r/min，捕收剂YSB用量25mg/L，控制矿浆pH=7左右的条件下，考察矿浆浓度对不同粒度赤铁矿浮选回收率的影响，结果见图5。

从图5可看出，四个粒度赤铁矿的回收率随矿浆浓度的变化基本一致，都呈先升高再降低的趋势，在矿浆能到为10%～20%之间回收率保持在较高水平且变化不大，当浓度高于20%后，赤铁矿回收率急剧降低，因此矿浆浓度可定为20%。同时还可以看出，平均粒度为10.05μm的赤铁矿回收率始终要低于其他3个粒度，而这三个粒度赤铁矿的回收率相当接近。矿浆浓度在10%～20%内变化时，35.43μm赤铁矿的回收率甚至略高于47.49μm赤铁矿的回收率。

3　结果讨论

3.1不同粒度赤铁矿对YSB吸附量测定

针对4个不同粒度赤铁矿，考察了不同粒度赤铁矿对捕收剂YSB吸附量的变化，结果见图6。

图5　浆浓度对不同粒度赤铁矿回收率的影响

图6　不同粒度赤铁矿对YSB的吸附量的影响

由图6可知，4个粒度赤铁矿的吸附量均随捕收剂初始浓度的增加而升高，且粒度较细赤铁矿对捕收剂YSB的吸附量要高于粒度较粗赤铁矿对其吸附量。这是由于矿物粒度越细，其比表面积越大，表面自由能越高，对药剂的吸附量也就越大。

由浮选试验结果可知，粒度较细赤铁矿的回收率偏低，而吸附量试验又表明粒度较细赤铁矿对YSB的吸附量高。因此，气泡与矿物颗粒的碰撞接触过程及流体动力学可能是导致细粒赤铁矿回收率偏低的主要影响因素[4]。

3.2粒度对矿粒-气泡碰撞概率的影响

矿物颗粒和气泡的大小，相对运动和矿浆流态决定了两者之间的有效碰撞概率[7]。矿粒与气泡的碰撞概率主要取决于颗粒和气泡的大小，两者的相对运动、矿浆的湍流状态和气泡雷诺数的。气泡直径越小，越易于碰撞，颗粒直径越小，越不容易发生碰撞。Yoon及Luttrell[8]推导出不同流态下的碰撞概率Pc表达式(2)，作者在此基础上分析了赤铁矿颗粒—气泡碰撞概率与粒度的关系，结果见图7。

(2)

式中：dp代表颗粒的直径；dc代表气泡的直径。Bc、n为常数，对于各种流体，Bc及n值见表2。本次计算采用中间流(Yoon)，表中Reb代表气体雷诺数。

表2　不同流态下的Bc及n值

图7　粒径对赤铁矿矿粒-气泡碰撞概率的影响

由图7可看出，当颗粒的粒径为75μm时，其在流体中与气泡的碰撞概率为9.25%，当颗粒的粒径降至15μm时，碰撞概率降低为0.35%。因此，增大颗粒粒度，可有效增加颗粒的碰撞概率。

3.3粒度对赤铁矿颗粒上浮概率的影响

气泡的碰撞Pc、粘附概率Pa及牢固概率Ps三者共同作用决定了矿物颗粒黏附于气泡并上浮的概率[4]，其关系式见式(3)。

(3)

其中：Pc为碰撞概率；Pa为粘附概率；Ps为牢固概率。

(4)

图8　粒度对赤铁矿颗粒上浮概率的影响

如图8所示，在中等紊流强度的流体环境中，颗粒上浮的概率在一定的粒度范围取值最大，当粒径小于100μm时，赤铁矿颗粒的上浮概率随粒度的减小而降低，且降低速率加快，即颗粒越细越难选，这也解释了在上述浮选实验中-74+50μm粒级的浮选回收率要高于-15μm粒级的浮选回收率的原因。同时从图8也可看出，当粒径大于100μm时，颗粒的上浮概率随着粒径的增大也逐渐降低。因此，适当控制颗粒的粒径范围，则可以增加赤铁矿颗粒的上浮概率，提高浮选效率。这一研究结论为微细粒赤铁矿浮选的界面调控指明了方向。

4　结　论

1)浮选试验结果表明，不同粒度赤铁矿的浮选回收率不尽相同，但是均在转速为1900r/min，矿浆浓度为20%，pH=6～7条件下，捕收剂YSB用量为25mg/L，赤铁矿的浮选回收率基本上都可达最大值91.28%。

表有局部基岩出露，井下采空区在留巷段完全敞开，外部漏风较传统回采工艺漏风更为严重，地表堵漏工作更加重要。

12201综采工作面在回采期间，地面产生了大量宽度在50～300mm，高差50～200mm的裂缝。矿井安排了固定人员每天对12201采空区地表塌陷进行回填，通过回填，有效的减少采空区的漏风。

4.5井下喷浆堵漏防灭火

12201综采工作面采用切顶泄压无煤柱开采，采空区裸露在巷道内，增大了采空区漏风通道，在留巷内与采空区之间的压差作用下，采空区内气体会直接向留巷内涌出，为了进一步降低采空区遗煤自然发火危险性，矿井采取对留巷采空区侧进行喷浆，减少采空区漏风通道，降低采空区漏风，减少采空区遗煤自燃的几率。

5　结　论

通过对哈拉沟煤矿12201切顶卸压无煤柱开采采空区的探索、研究，在神东矿区浅埋深近距离煤层条件下，利用切顶沿空留巷无煤柱开采技术进行回采，采空区气体变化明显，变化规律符合采空区自燃三带变化特征，采空区气体有规律的进入窒息带，工作面采空区能够得以有效的管控区。

在神东矿区哈拉沟煤矿切顶卸压无煤柱开采采空区的成功管控，打破了传统采空区的管理模式，标志着神东矿区防灭火技术管理新理念的诞生，同时积累了“开式采空区”防灭火管理经验，为神东矿区进一步推广应用新的采煤工艺奠定基础。

[1]华心祝.我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议[J].煤炭科学技术，2006，11(9)：37.

[2]谢军，薛生.综放采空区空间自燃三带划分指标及方法研究[J].煤炭科学技术，2011，39(1)：65-68.

矿业纵横

Study on the size effect on hematite particles in flotation

ZHANG Jin-xia1，2，ZHANG Xiao-liang1，NIU Fu-sheng1，2

( 1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；2.Key Laboratory of Mineral Development and Security Technology of Hebei Province，Tangshan 063009，China)

The size effect of hematite particles in flotation was studied by the pure mineral flotation experiments.The adsorption capacity of collector YSB on different grain size hematite was measured.At the same time，the flotation collision probability of particle and bubble and floating probability of different sizes hematite were calculated in theory.The results showed that the four different particle size of hematite were in speed for 1900r/min，slurry concentration is 20%，pH=6～7，collecting agent YSB dosage of 25mg /L under the condition of flotation recovery rate reaches the maximum value，but-15 μm size fractions of recovery rate is lower than that of the other three coarse.Also when the particle size is reduced to 15 μ m，the collision probability of mineral particles and the bubble is only 0.35%，floating probability is1.38%，resulting in recovery rate is greatly reduced.

hematite；size；collision probability；floating probability

2016-04-12

国家自然科学基金项目资助(编号：51474087)；河北省百名优秀创新人才支持计划项目资助(编号：BR2-214)

张晋霞(1979-)，女，华北理工大学矿业工程学院，副教授，博士，主要从事复杂难选矿选矿理论与工艺研究。

TD91

A

1004-4051(2016)08-0122-04