微细粒铁矿物絮凝分选技术研究现状和发展方向

牛福生 张晋霞 白丽梅 聂轶苗 刘淑贤

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009)

微细粒铁矿物絮凝分选技术研究现状和发展方向

牛福生1,2张晋霞1,2白丽梅1,2聂轶苗1,2刘淑贤1,2

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009)

归纳了微细粒铁矿物选择性絮凝—浮选工艺、选择性絮凝—磁选工艺和絮凝脱泥工艺的发展水平和工业应用现状，介绍了分散剂、絮凝剂、钙镁离子、流场特性等微细粒铁矿物絮凝分选工艺主要影响因素的研究进展，最后提出微细粒铁矿物絮凝分选技术今后的发展方向是加强分散和絮凝过程选择性、絮凝分选过程流场特性、高效絮凝分选工艺及设备等方面的研究。

微细粒铁矿物 絮凝分选 研究现状 发展方向

微细粒嵌布铁矿石资源的高效回收一直是一个技术难题。其原因一是铁矿物本身在解离过程中粒度变得非常细微(如祁东地区铁矿石中铁矿物的粒度95%小于30 μm，鲕状赤铁矿的粒度85%小于22 μm；袁家村铁石中铁矿物的粒度90%小于44 μm等)，而通常矿物颗粒所获分选力与其尺寸大小呈指数正比关系，粒度减小1个数量级会引起分选力的急剧衰减[1-2]；二是石英、绿泥石和黏土类等脉石矿物泥化后粒度多为几个微米甚至更为细小，极易对铁矿物颗粒形成罩盖，从而使得常规的分选工艺几乎不能回收这些铁矿物颗粒。

絮凝分选工艺的理论研究始于上世纪30年代，经过不断的完善，1975年在美国蒂尔登选矿厂进行了应用并获得了成功，絮凝后再脱泥成为蒂尔登选矿厂当时的年处理能力从原来的400万t提升到800万t的技术关键。在国内，絮凝分选工艺也得到了重视和发展，上世纪70年代以来先后对东鞍山铁矿石、山西岚县铁矿石、祁东铁矿石等进行了选择性絮凝分选工艺的研究，均取得了良好的效果[3-4]。近些年，絮凝分选技术在极细煤泥、微细硫化矿物和超细磷灰石的处理方面也得到了快速发展。本文将围绕微细粒铁矿物絮凝分选工艺和影响因素的研究进展进行述评，并对其发展趋势进行展望。

1 微细粒铁矿物絮凝分选工艺研究现状

1.1 选择性絮凝—浮选工艺

尽管资料表明，浮选工艺的入选粒度下限可以达到3～7 μm，但实际上当矿物的粒度小至10～15 μm时，浮选基本不能有效进行，而选择性絮凝团聚不仅可以显著增大目的矿物的有效尺寸，满足后续分选的粒度要求，同时还可以消除矿泥的影响，对于改善浮选效果有十分重要的作用。因此，选择性絮凝脱泥—浮选被认为是处理微细粒嵌布铁矿石最有前途的选矿工艺。

苑宏倩[5]针对齐大山铁矿选矿分厂细粒铁矿物难以回收，反浮选尾矿品位高达15%～18%的特点，以石油磺酸钠为絮凝剂和捕收剂，将磁选精矿剪切絮凝后进行1粗3精正浮选，获得了浮选精矿铁品位为66.08%、铁作业回收率达95.93%的良好试验指标。

湖南祁东铁矿石中铁矿物嵌布粒度极细，须细磨到0.038 mm占98%才能较充分解离。湖南三安矿业有限责任公司根据长沙矿冶研究院的实验室试验和扩大连选试验结果，按3次絮凝脱泥—1粗1精3扫反浮选工艺流程建设了年处理祁东铁矿石30万t的选矿试验厂，调试正常后获得了精矿铁品位63.02%、铁回收率65.83%的选别指标[6]。2014年，该公司在试验厂基础上按相同工艺建设的年处理量300万t的选矿厂顺利投产。

解琳[7]针对国内某鲕状赤铁矿矿物成分复杂、嵌布粒度细等特点，采用强磁选—絮凝脱泥—反浮选工艺流程进行选矿试验，最终获得了铁品位56.42%、铁回收率65.89%的铁精矿，且铁精矿中的磷含量降低至0.097%。

朱林英[8]针对通道赤铁矿矿石必须磨至-19 μm才能单体解离的特点，对强磁选精矿进行5次选择性絮凝脱泥后再反浮选，最终获得了精矿铁品位为62.60%、铁回收率为64.47%以及尾矿铁品位为13.22%的试验指标。

1.2 选择性絮凝—磁选工艺

相对于絮凝后浮选所涉及的复杂的影响因素和较苛刻的操作条件等，磁选在工艺过程和设备方面具有较显著的优势。另外，研究表明，在矿物表面覆盖0.01%～0.1%的磁性粒子即可改变矿物表面的磁性，因此通过改变矿物表面的磁化性质来提高弱磁性铁矿物的分选效果是一个值得重视的研究方向。

陈雯[9]在对某地褐铁矿矿石的选矿试验中发现，直接磁选时，-30 μm的微细粒铁矿物容易流失到尾矿中无法回收，而采用絮凝—磁选工艺后，在精矿铁品位不变的情况下，铁回收率可比原工艺提高10～15个百分点。分析其原因，主要是由于微细粒铁矿物经絮凝后粒度变大而得到了有效的回收。

马鞍山矿山研究院对江西某褐铁矿矿石进行了选矿试验，结果表明，与采用其他常规工艺流程相比，采用选择性絮凝—强磁选工艺可在精矿铁品位相近的情况下，使铁回收率提高8个百分点以上。

河北宣钢鲕状赤铁矿矿石铁矿物嵌布粒度极细，经常规强磁选—反浮选后，尾矿的铁品位和铁损失率分别高达37.55%和46.81%。孙达对该尾矿进行1次絮凝强磁粗选和1次扫选，可获得品位为56.07%、回收率为60.44%的铁精矿，从而使损失于尾矿中的微细粒铁矿物得到了有效的回收[3]。

郭宇峰[10]对某镍冶金渣进行了选择性絮凝—磁选试验研究。该渣中磁铁矿的嵌布粒度极细，采用常规的物理选矿方法无法对其进行有效的回收。试验以油酸为选择性絮凝剂、碳酸钠为分散剂将微细粒磁铁矿絮凝，然后在159.2 kA/m磁场强度下进行弱磁选，可获得品位为56.68%、回收率为81.72%的铁精矿。

S.宋[11]采用絮团磁选法处理某细粒赤铁矿矿石，获得了铁品位为64%的高品质铁精矿，且铁回收率达82%。

柏少军[12]将含铁43.75%、含磷0.92%的某高磷褐铁矿矿石钠化还原焙烧后，采用自制的磁絮凝分选柱进行分选，获得了铁品位为69.87%、磷含量为0.28%的铁精矿，与采用磁选管分选相比，铁精矿铁品位提高4.45个百分点，磷含量降低0.22个百分点。

伍喜庆[13]用空气氧化法在矿浆中生成Fe3O4粒子以磁化赤铁矿表面，使赤铁矿的磁选回收率由未磁化时的68.0%提高到了95.2%。

河北联合大学研究发现，利用纳米磁性粒子对赤铁矿进行表面磁化处理可大大提高赤铁矿的磁选回收率，其中矿浆pH值是影响磁化效果的重要因素。

1.3 絮凝脱泥工艺

微细矿物颗粒絮凝后可在一定程度上增加其有效分选粒径，但形成的絮团往往会受到后续浮选、磁选过程的影响而被破坏，从而造成絮凝失效。研究表明，对铁矿物嵌布粒度极细或含泥较多的铁矿石，当后续分选条件要求比较苛刻的时候，直接进行絮凝脱泥也是一种有效的方法。

刘安荣[14]针对某高铝高硅赤铁矿矿石进行了选择性絮凝试验研究，结果表明，在磨矿细度为-325目占88%、矿浆pH值为9、水玻璃用量为90 g/t、改性聚丙酰烯胺用量为300 g/t的条件下，经絮凝沉降，可获得品位为54.40%、回收率为71.16%的铁精矿。

某铁矿石中赤铁矿和磁铁矿的嵌布粒度分别为5 ～10 μm和20 ～200 μm。Algoma公司对该矿石进行了选择性絮凝研究，结果表明，将原矿磨至-37 μm占94%后进行一段絮凝脱泥，所得粗精矿再磨矿至-10 μm占80%后进行二段絮凝脱泥，可获得品位为65%、回收率为74%的最终铁精矿[2]。

白云鄂博共伴生矿反浮选尾矿中铁含量高(28%～30%)，但铁矿物解离程度低。北京矿冶研究总院等单位采用细磨至-325目后连续进行4次选择性絮凝脱泥的工艺流程，从该尾矿中获得了品位为60%～64%、回收率为77%～80%的铁精矿。

杨慧芬[15]介绍了美国学者关于赤铁矿和石英在草分枝杆菌体系中絮凝行为差异的研究成果。该研究发现，在合适的条件下，草分枝杆菌只对赤铁矿有絮凝作用而对石英无絮凝作用，由此可实现赤铁矿与石英的选择性分离。

2 微细粒铁矿物絮凝分选影响因素研究进展

2.1 分散剂

只有使脉石矿物高度分散，才能实现目的矿物的选择性絮凝聚集[16]。添加化学分散药剂是实现矿浆充分分散的常用方法。虽然强烈机械搅拌和超声波分散等物理方法效果也比较好，但限于能耗和复杂的操作条件，工业应用不多。

陈淼等[17]研究了3种分散剂六偏磷酸钠、水玻璃、多聚磷酸钠对微细粒赤铁矿和石英分散行为的影响，结果表明：六偏磷酸钠对石英的分散效果最好。在自然pH下，六偏磷酸钠用量达到50 mg/L时，可使石英的沉降率降到40%以下，而此时赤铁矿的沉降率超过90%。

也有研究认为，六偏磷酸钠虽然具有良好的分散作用，但同时会阻碍聚丙烯酞胺对铁矿物的絮凝作用，而高模数的水玻璃是铁矿石(主要脉石为石英)选择性絮凝脱泥过程的良好分散剂。

2.2 絮凝剂

不同于水处理或其他领域，应用于矿物分选的絮凝剂要求其本身或在一定条件下对目的矿物具有选择性，这也是矿物絮凝剂的发展方向。

蒂尔登选矿厂在大量探索的基础上，采用木薯淀粉作为选择性絮凝剂，去除了原矿中15%～30%的细粒矿泥，而铁矿物只损失了5%，其关键在于有效地调节了矿物表面的电性，为矿浆的良好分散及淀粉在铁矿物表面的选择性吸附创造了条件[3]。祁东铁矿采用腐殖酸盐作为选择性絮凝剂，将铁精矿品位提高了7～10个百分点，同时回收率提高了2个百分点。

李淮湘[2]为了提高絮凝剂的选择性，制备出了淀粉-丙烯酰胺的接枝聚合物。该絮凝剂与传统的絮凝剂相比具有较强的选择性。通过吸附试验，发现该絮凝剂在赤铁矿表面的吸附量可达55%，而在石英表面的吸附量仅为9%左右。

2.3 钙镁离子

研究表明，Ca2+、Ma2+极易形成氢氧化物而沉淀在大部分矿物表面，这将改变脉石矿物(石英和其他硅酸盐矿物)的表面电位，从而影响待分选铁矿物的选择性聚团[18]。一般认为，将矿浆pH提高到11左右，或采取六偏磷酸钠或三聚磷酸钠与硅酸钠联合使用的方法，可消除矿浆中Ca2+、Ma2+的影响；如果Ca2+、Ma2+的浓度超过一定的范围(>20×10-6)，则必须预先进行水质处理。

2.4 流场特性

微细矿物颗粒的分散和选择性絮凝都是在流场中进行的，其分选效果很大程度上取决于二相或三相流场的特性。

黄鹏[19]用Fluent软件对水力旋流器中的流场进行了数值模拟分析，揭示了流体的流场特性和颗粒的运动规律，指出适合的水力学特性可以改善微细矿物颗粒的絮凝效果。

吴龙华[20]利用DPIV技术对往复隔板絮凝池中的流场进行了测量，不仅准确获得了絮凝池内的流场结构特征，也发现了通过改善流场特性提高絮凝效果的方法。

除上述主要影响因素外，絮团颗粒的大小、变形、破裂及与后续分选力的结合状态，不同的分选工艺(磁选、浮选、水力分级等)，混有药剂的回水和矿浆的温度等等，也都会对絮凝分选效果造成不同程度的影响[21-22]。

3 微细粒铁矿物絮凝分选技术发展方向

絮凝分选技术在微细粒铁矿物高效回收利用方面虽然得到了一定程度的规模应用，但其发展速度相对于其他分选技术仍略显缓慢，今后应加强以下几方面的工作：

(1)分散和絮凝过程选择性研究。在改善和提高微细粒矿物分散和絮凝的选择性方面，专家学者们已获得较多的研究成果。但由于地质成因不同，即使是同一种矿物，在不同的矿石中也存在较大的性质差异，因此，有针对性地进行分散和絮凝药剂分子设计、差异强化复合力场开发和矿物表面改性等将会成为分散和絮凝过程选择性研究的新方向。

(2)絮凝分选过程流场特性研究。现有的流场计算模型大部分是在层流条件下导出的，无法表征复杂的气、固、液三相流体结构特征。应用计算数学、多相流体力学、传递原理等学科方法对微细粒铁矿物的絮凝过程、絮团与气泡的结合过程以及絮团的运动特征等进行研究将具有重要意义。

(3)高效絮凝分选工艺和设备研究。目前，微细粒铁矿物絮凝分选工艺的主要困难在于其效率低，常常要经过三四次甚至更多次数的选择性絮凝过程。巨大的絮凝设备和作业的低效率对后续分选造成很大的影响，同时絮团分选时对设备的苛刻要求也限制了絮凝分选工艺的更广泛应用。因此，短流程絮凝分选工艺、分步絮凝工艺的研究及高效分散絮凝设备的开发等将成为絮凝分选技术的发展方向。

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(责任编辑 孙 放)

ResearchStatusandProgressonFlocculationSeparationTechnologyofUltrafineIronMineral

Niu Fusheng1,2Zhang Jinxia1,2Bai Limei1,2Nie Yimiao1,2Liu Shuxian1,2

(1.CollegeofMiningEngineering，HebeiUnitedUniversity，Tangshan063009，China；2.HebeiKeyLaboratoryofMineralDevelopmentandSecurityTechnology，Tangshan063009，China)

The development status and industrial application of selective flocculation-flotation process，selective flocculation-magnetic separation process，and flocculation desliming process for the ultrafine iron minerals are summarized.Progress on research of the main factors for flocculation of ultrafine iron minerals including dispersant，flocculant，calcium and magnesium ions，flow-field characteristics are introduced.Finally，the development direction in flocculation technique of ultra-fine iron minerals is proposed in strengthening the investigation on the selective process of dispersion and flocculation，flow-field characteristics of in flocculation process，and high efficient flocculation process and equipment.

Ultra-fine iron mineral，Flocculation separation，Research status，Development direction

2014-10-29

国家自然科学基金项目(编号：51474087)，河北省高校百名优秀创新人才支持计划项目(编号：BR2-214)。

牛福生(1974—)，男，教授。

TD951.1

A

1001-1250(2014)-12-085-05