立式辊磨机对菱镁矿磨矿及浮选效果的影响

李 闯 许鹏云 孙传尧 印万忠 付亚峰 姚 金

（1.东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819;2.沈阳理工大学材料科学与工程学院,辽宁 沈阳 110159;3.国家电子废弃物循环利用工程技术研究中心,湖北 荆门 448124;4.鞍钢集团北京研究院有限公司,北京 102200）

立式辊磨机又称立磨,是一种用于水泥生料、水泥熟料、矿渣及煤渣粉磨加工的设备,集破碎、粉磨、快速烘干、高效选粉等工序为一体的高效节能环保型设备,具有结构简单紧凑、工作可靠、流程简单、占地面积小等诸多优点[1-3]。目前,有不少对立式辊磨机能耗和性能方面的研究,以及针对少数矿种的试验都已开展。

DRUNICK、ALTUN等[4-6]对黄铜矿使用立式辊磨机进行磨矿中试试验,比较了现有常规磨矿和立式辊磨机的比能耗和磨损率,试验数据表明,使用立式辊磨机磨矿,不仅仅可以缩短工艺流程,同时还可以提高磨矿效率和降低磨矿能耗,立式辊磨机的能耗比传统球磨工艺低18%左右,可降低38.1%的运行成本。REICHERT等[7]使用Loesche公司的立式辊磨机对2种类型的磁铁矿进行大量试验。结果表明,不同的磨机参数会影响磨矿能耗、生产效率和矿物解离等重要性能,并通过多元回归分析,为这2种矿石类型建立一个最佳参数范围,进行了参数预测,在后续的实际测试工作中得到了成功的验证。付亚峰等[8]针对宽甸某低品级菱镁矿石进行立式辊磨—浮选试验研究,最终可获得氧化镁含量为47.24%、二氧化硅含量为0.27%、氧化钙含量为 0.29%、氧化镁回收率为65.14%的菱镁矿精矿。长沙有色冶金设计研究院的董鹏等[9]利用立式辊磨机生产碳酸锰粉末,试验结果显示,立式辊磨机配套的热风循环系统能有效地收集合格产品,所得产品中小于150 m的含量达到90%,含水率小于0.5%。该工艺相较于传统的粉磨工艺不仅生产效率较高、工艺耗能较低,而且整套系统的自动化程度高、占地面积小,对整个金属锰电解产业具有重要影响。冯裕果[10]对某钒矿的碎磨工艺进行了探讨,从安装功率、投资和生产成本等多方面进行了比较,结果表明:采用立式辊磨机工艺在投资成本、安装功率、能耗和生产成本上都比传统的三段一闭路加管磨工艺要有明显的优势。根据节能降耗、简化工艺流程、节约投资的原则,同时确保良好的工艺指标前提下,引入立式辊磨机代替干燥设备和管磨的流程是处理类似石煤型钒矿新的发展方向。

本研究以丹东某菱镁矿为试验矿样,分别利用立式辊磨机及球磨机进行磨矿试验研究,并通过对比闭路试验流程结果,考察立式辊磨机对菱镁矿磨矿及浮选的影响,从而为立式辊磨机在菱镁矿的应用提供技术支持。

1 立式辊磨机与球磨机工作原理

1.1 立式辊磨机的工作原理

立式磨的粉碎机理是高压料层粉碎,其应用高压料层粉碎原理完成对物料的加工,即物料在磨辊的高压作用下相互聚集,彼此接触形成料床,应力在颗粒间相互传递,物料在研磨体（即磨辊和磨盘）的挤压、碾压以及颗粒间相互作用下产生裂缝、断裂、劈裂而粉碎,物料层在磨辊之间除主要受压力作用之外,还受一定的剪切力。物料每通过磨辊一次,就要受到一次挤压和剪切作用,就有被粉碎的可能,不像冲击粉碎如球磨机那样,物料受钢球冲击具有随机性,因此立式辊磨机的粉碎效率较高。

图1 立式辊磨机工作原理Fig.1 Working principle of vertical roller mill

1.2 球磨机的工作原理

在球磨机磨矿过程中,钢球在抛落过程中和随筒体一起转动过程中,钢球对矿粒的破碎作用可能是冲击破碎或者是挤压破碎和研磨破碎或者是它们的混合作用的结果。或者说钢球对矿粒的破碎作用带有随机性,钢球下落或滚动中可能碰到矿粒,也可能碰不到矿粒,所以钢球与矿粒的相碰是随机的。钢球即使碰到矿粒,但能否发生破碎行为也是随机的,这就是说,钢球碰上适宜它破碎的矿粒时可能出现破碎行为,而钢球的能量破碎不了的矿粒,则破碎行为就不能发生。因此,球磨机内的破碎过程实际是一个随机过程,在磨矿过程中,矿粒破碎发生的概率事件取决于钢球碰到矿粒的概率（碰撞概率）及钢球与矿粒碰撞后发生破碎的概率（破碎概率）。

图2 球磨机工作原理Fig.2 Working principle of ball mill

2 试验原料及试验方法

2.1 试验原料

以丹东宽甸某菱镁矿为原料,来料粒度为-12 mm,矿样的化学多元素分析结果见表1,矿样的X射线衍射分析结果见图3。

图3 矿样X射线衍射分析结果Fig.3 X-ray diffraction spectrum analysis results of ore sample

表1 矿样化学多元素分析结果Table 1 Chemical mult-element analysis results of ore sample %

由表1可以看出,菱镁矿样品中MgO含量为45.23%,SiO2含量为3.36%,CaO含量为0.98%,TFe含量仅为0.18%,同时从图3可以看出,菱镁矿样品中主要有用矿物为菱镁矿,主要脉石矿物有石英、白云石、方解石以及滑石等。

2.2 试验方法

2.2.1 立式辊磨机磨矿

将-12 mm的物料给入德国Gebr.Pfeiffer公司制造的MPS32型立式辊磨机,立式辊磨系统会进行粉磨—分级—物料收集,通过调节选粉机的参数,获得不同细度的粉磨产品。MPS32型半工业试验机如图4所示,立式辊磨系统粉磨工艺流程如图5所示。

图4 MPS32型半工业试验机Fig.4 MPS32 semi-industrial testing machine

图5 立式辊磨系统粉磨工艺流程Fig.5 Grinding process flow chart of vertical roller grinding system

2.2.2 球磨机磨矿

采用武汉探矿机械厂制造的XMQ-φ150×50型锥形球磨机,试验给料粒度小于3 mm,每次试验加入250 g矿样,磨矿浓度为60%,磨矿后产品经筛分确定-0.074μm粒级含量。

2.2.3 浮选试验

将磨矿后的矿样,放入XFD-0.75型750 mL单槽浮选机中,每组试验矿样质量为250 g,先后加入调整剂、捕收剂、起泡剂等,试验后将泡沫产品及浮选槽中产品分别进行过滤、烘干、称重,并取样化验品位,计算产率、回收率等数据,并依据各段产物的数据绘制数质量流程图。

图6 菱镁矿浮选试验流程Fig.6 Flow chart of magnesite flotation test

2.2.4 磨矿能耗与磨耗的数据获取

通过MPS32型立式辊磨机试验系统中的能耗反馈模块,可计算出磨矿能耗。通过称量粉磨前后磨辊的重量变化,可计算出磨辊的损耗。

通过现场生产数据的反馈,可知现场生产过程中球磨机的磨耗与能耗。

3 磨矿试验对比分析

3.1 磨矿能耗与磨耗的对比

将矿样放入MPS32试验系统中,在试验系统中通入冷风进行风力分级,每次试验时间为1 h,分别获得不同磨矿细度的粉磨产品,并测量试验系统的能耗与磨耗（表2）,与现场生产数据相对比（表3）。

表2 立式辊磨机磨耗与能耗试验数据Table 2 Experimental data of abrasion and energy consumption of vertical roller mill

表3 磨矿能耗与磨耗对比Table 3 Comparison of grinding energy consumption and wear

通过表2可以看出,使用立式辊磨机粉磨菱镁矿,当粉磨产品-0.074 mm含量从73.8%提高至94.2%时,其能耗在由3.6 kWh/t升高至7.8 kWh/t,磨耗则稳定在6.1～6.2 g/t。

通过现场的数据反馈,当现场球磨机磨矿产品粒度在-0.074 mm含量为70%左右时,球磨机生产能耗为21～22 kWh/t,钢球及衬板的磨耗为100 g/t。

从表3可以看出,立式辊磨机磨矿的能耗与磨耗均低于球磨机磨矿,其中立式辊磨机磨矿的能耗仅为球磨机磨矿能耗的17%左右,立式辊磨机的磨耗约为球磨机磨耗的6%左右,通过对比可知,在降低菱镁矿磨矿成本方面,立式辊磨机具有较大的优势。

3.2 磨矿产品粒度分析

选取-0.074 mm含量为81.6%的立式辊磨产品与球磨磨矿产品分别进行筛分,并测试各粒级元素含量,试验结果见图7。

图7 2种粉磨方式下不同粒级中元素分布分析Fig.7 Distribution of elements in different partical size under two grinding modes

通过图7可知,立式辊磨机磨矿产品中没有超大颗粒（+0.420 mm粒级）的存在,而且立式辊磨机磨矿产品中,有利于浮选的中间粒级（0.105～0.045 mm）含量比球磨机磨矿产品中的中间粒级含量高2.39个百分点,这也将影响着磨矿产品的浮选效果。

3.3 矿浆中Fe3+浓度对比

不同的碎磨方式会导致后续浮选作业时矿浆中难免离子的种类和浓度不同,很多研究表明[11-13],金属阳离子的存在会影响菱镁矿的浮选效果,尤其是Fe3+会显著降低菱镁矿的浮选回收率。

在球磨湿式磨矿中,由于磨矿介质为钢球,磨矿环境中有大量的水的存在,因此会发生钢球的机械损耗、钢球的微电池反应等,由此在矿浆中会出现大量的Fe3+。在立式辊磨磨矿中,由于磨辊与磨盘之间有缝隙,磨矿介质之间不会直接接触,因此磨矿产品中的铁屑很少,磨矿介质的机械损耗较低;而且立式辊磨磨矿过程是干式磨矿,磨矿介质的微电池反应无法发生,因此矿浆中Fe3+浓度会比较低。表4为2种磨矿方式下矿浆中Fe3+浓度的测试结果。

表4 不同磨矿方式下矿浆中Fe3+浓度Table 4 Pulp concentration of Fe3+in different grinding methods

由表4可以看出,立式辊磨机磨矿矿浆中的Fe3+浓度非常低,仅为0.002 mg/L,约为球磨机磨矿矿浆中Fe3+浓度的0.179%。Fe3+在矿物表面会生成氢氧化物沉淀,并在矿物表面产生吸附与罩盖,从而改变矿物表面的性质,阻碍浮选药剂与矿物表面的吸附作用,对菱镁矿的浮选过程产生不利影响。

4 浮选试验研究

4.1 磨矿细度试验

磨矿作业是浮选前的一道重要工序,其目的是使矿石中的有用矿物与脉石矿物实现单体解离,并制备适宜浮选的合格粒度产品。取经过破碎后的样品,经立式辊磨机磨至不同细度,在捕收剂十二胺用量为150 g/t、起泡剂2#油用量为20 g/t条件下考察磨矿细度对浮选指标的影响,结果见图8所示。

图8 立磨机磨矿细度条件试验结果Fig.8 Results of vertical roller mill grinding fineness test

由图8可以看出,当立式辊磨机磨矿细度增加时,精矿中的MgO品位及回收率均呈先上升后降低的趋势,但精矿中SiO2品位随着磨矿细度的增加而升高。综合考虑精矿中MgO品位、回收率以及SiO2品位,选择磨矿细度为-74μm含量81.6%。

4.2 十二胺用量对比试验

控制磨矿细度为-74μm含量81.6%,将立式辊磨机和球磨机磨矿产品分别给入浮选机中,在2#油用量为20 g/t条件下,考察十二胺用量对浮选指标的影响,结果见图9。

图9 反浮选十二胺用量试验结果对比Fig.9 Comparison of experimental results of dodecylamine dosage in reverse flotation

由图9可以看出,随着十二胺用量的增加,立式辊磨机与球磨机磨矿产品的浮选精矿中,MgO品位均呈先上升后下降的趋势,MgO回收率则随着十二胺用量的增加而降低;立式辊磨浮选精矿中SiO2品位呈下降趋势,球磨浮选精矿中SiO2品位则先下降后上升。因此综合考虑菱镁矿的回收率,确定立式辊磨浮选试验中十二胺的用量为100 g/t,球磨浮选试验中十二胺用量为100 g/t。

4.3 正浮选Na2CO3用量对比试验

将立式辊磨机和球磨机磨矿产品分别给入浮选机中,其中磨矿细度为-74μm含量81.6%,十二胺用量100 g/t,2#油用量20 g/t,水玻璃用量1 000 g/t、六偏磷酸钠用量260 g/t、捕收剂油酸钠用量800 g/t,考察Na2CO3用量对浮选指标的影响。试验流程见图10,试验结果见图11。

图10 浮选试验流程Fig.10 Flowsheet of flotation test

由图11可以看出,随着Na2CO3用量的增加,两种磨矿方式下的矿浆pH值呈轻微上升趋势。立式辊磨精矿中MgO、SiO2、CaO品位呈先升高后降低并趋于稳定趋势,MgO回收率则先升高后降低,当Na2CO3用量为1 000 g/t,MgO回收率达到最高,为75.92%,此时 SiO2、CaO品位也可接受,因此选取Na2CO3用量为1 000 g/t。 球磨精矿中,MgO、SiO2品位呈先降低后升高趋势,CaO品位变化很小,MgO回收率则先降低后略微升高,综合考虑MgO品位、回收率及SiO2、CaO品位,选取Na2CO3用量为800 g/t。

图11 正浮选Na2 CO 3用量试验结果对比Fig.11 Comparison of test results of Na2CO3 dosage in positive flotation

4.4 正浮选六偏磷酸钠用量对比试验

将-74μm含量为81.6%的立式辊磨机和球磨机磨矿产品分别给入浮选机中,其中十二胺用量100 g/t,2#油用量20 g/t,水玻璃用量1 000 g/t,油酸钠用量800 g/t;立式辊磨机浮选试验中Na2CO3用量为1 000 g/t,球磨浮选试验中 Na2CO3用量为800 g/t,考察六偏磷酸钠用量对浮选指标的影响。试验流程见图10,试验结果见图12。

图12 正浮选六偏磷酸钠用量试验结果对比Fig.12 Comparison of test results of （NaPO 3）6 dosage in positive flotation

由图12可以看出,随着六偏磷酸钠用量的增加,2种磨矿方式的浮选精矿中MgO品位均呈先上升后降低趋势,精矿中MgO回收率均呈降低趋势。对于精矿中的SiO2品位与CaO品位,则随着六偏磷酸钠用量的增加而降低,但CaO品位降低的趋势更明显。综合考虑,确定立式辊磨浮选中六偏磷酸钠用量为100 g/t,球磨浮选中六偏磷酸钠用量为200 g/t。

4.5 正浮选油酸钠用量对比试验

本论文正浮选捕收剂采用脂肪酸类阴离子捕收剂油酸钠。油酸钠是一种不饱和脂肪酸盐,在浮选过程中主要是油酸分子或油酸根离子起作用。

将立式辊磨机和球磨机磨矿产品,给入浮选机中,其中磨矿细度为-74μm含量81.6%,十二胺用量100 g/t,2#油用量20 g/t,水玻璃用量1 000 g/t,油酸钠用量800 g/t;立式辊磨机浮选试验中Na2CO3用量为1 000 g/t,六偏磷酸钠用量为100 g/t;球磨浮选试验中Na2CO3用量为800 g/t,六偏磷酸钠用量为200 g/t,考察油酸钠用量对浮选精矿指标的影响。试验流程图见图10,试验结果见图13。

图13 正浮选油酸钠用量试验结果对比Fig.13 Comparison of test results of sodium oleate dosage in positive flotation

由图13可以看出,随着油酸钠用量的增加,两种磨矿方式下MgO回收率均呈上升趋势,但MgO品位呈现出不同的趋势:立式辊磨浮选精矿中MgO品位呈先上升后下降趋势,球磨浮选精矿中MgO品位呈先下降后上升趋势。2种磨矿方式下CaO品位均随油酸钠用量的增加而上升,球磨浮选精矿中SiO2品位则变化不大,立式辊磨浮选精矿中SiO2品位呈先上升后下降趋势。

综合考虑,确定油酸钠适宜用量为:立式辊磨浮选1 000 g/t,球磨浮选1 500 g/t,此时MgO品位较高,SiO2及CaO品位均较低。

4.6 闭路流程试验对比

通过上述条件试验,确定闭路流程试验药剂制度,然后将-0.074 mm含量约为81.6%的2种磨矿产品,进行闭路浮选试验研究,从而考察不同磨矿方式对菱镁矿浮选效果的影响。闭路试验流程见图14,浮选流程中药剂用量对比见表5,浮选试验结果对比见表6。

图14 闭路试验工艺流程Fig.14 The flowsheet of closed circuit flotation test

由表5可以看出,使用立式辊磨机磨矿,可有效降低油酸钠与六偏磷酸钠用量,其中油酸钠用量降低了约33.3%,六偏磷酸钠用量降低了50%。

表5 2种磨矿产品浮选流程的药剂用量对比Tab.5 Comparison of reagent dosage for flotation process of two grinding products

由表6可以看出,2种磨矿方式下浮选精矿的指标各有差异。立式辊磨机磨矿产品的浮选精矿中MgO、SiO2品位与球磨磨矿的浮选精矿指标差距不大,但立式辊磨机磨矿系统的精矿产率要比球磨磨矿的精矿产率高2.72个百分点,同时立式辊磨产品的MgO回收率也比球磨产品高3.19个百分点。尤其重要的是,通过对比精矿中CaO品位,可以发现,立式辊磨磨矿的浮选精矿中CaO品位为0.29%,而球磨磨矿产品的浮选精矿中CaO品位则为0.57%,是立式辊磨精矿产品的1.97倍,这些指标将影响菱镁矿产品的附加值。

表6 2种磨矿产品的浮选精矿指标对比Tab.6 Comparison of flotation concentrate indexes of two grinding products

5 结 论

通过对丹东宽甸某菱镁矿进行立式辊磨机磨矿—闭路浮选流程试验与球磨机磨矿—闭路浮选流程试验,对比分析了磨矿能耗、磨矿磨耗、矿浆中Fe3+浓度、磨矿产品粒度分布、药剂制度及精矿指标,得出以下结论:

（1）相对于球磨机,立式辊磨机在磨矿能耗与磨耗方面具有极大的优势:立式辊磨机磨矿的能耗仅为球磨机磨矿能耗的17%左右,立式辊磨机的磨耗约为球磨机磨耗的6%左右。

（2）立式辊磨机磨矿产品中没有超大颗粒（+0.420 mm粒级）的存在,而且立式辊磨机磨矿产品中,有利于浮选的中间粒级（0.105～0.045 mm）含量比球磨机磨矿产品中的中间粒级含量高2.39%,这有利于菱镁矿的浮选。

（3）立式辊磨机磨矿矿浆中的Fe3+浓度约为球磨机磨矿矿浆的17.86%,这会减少矿物表面铁的氢氧化物的形成,有利于药剂与菱镁矿颗粒的吸附。

（4）浮选试验表明,使用立式辊磨机磨矿,可有效降低油酸钠与六偏磷酸钠用量,并降低精矿中CaO品位,提升精矿质量。

综上所述,使用立式辊磨机对菱镁矿进行磨矿,可有效降低磨矿过程中的能耗与磨耗,提升菱镁矿精矿产品质量。