高强度调浆对微细粒磷灰石浮选效果的影响

张福亚 张 明 侯孝安 胡森伟

(1.北矿机电科技有限责任公司，北京 100160；
2.矿物加工科学与技术国家重点实验室，北京 102600)

常规浮选工艺对入浮物料的粒度有严格要求，矿物颗粒粒度低于或高于某一临界值时都会造成浮选指标急剧下降。微细粒矿物(粒度<20 μm)的浮选回收一般较为困难。原因为：一方面，微细粒矿物质量小，与气泡碰撞和黏附概率低，浮选速度慢，回收率低[1]，微细粒亲水性矿物夹带严重，降低精矿品位[2]；
另一方面，微细粒矿物比表面积和表面能大，其对浮选药剂非选择性吸附，且药耗大，矿物之间也容易异相凝聚形成矿泥罩盖[3]。

调浆作为浮选前重要的预处理环节，对浮选效果具有重要的影响[4]。对于加强微细粒含泥矿物的浮选前调浆预处理，高剪切调浆是一个重要的手段。高剪切调浆过程是一个机械搅拌分散的过程，捕收剂和吸附药剂的矿物粒团通过强剪切力等力的作用分散成更小的粒度级，并通过对矿浆进行高强度剪切，使矿粒表面得到磨新，改善表面吸附性[4]。调浆有利于减少粗颗粒表面的细泥罩盖，促进非极性油在水中的分散，强化捕收剂在煤颗粒表面的吸附效果，尤其对于细粒矿物，高剪切调浆有利于促进颗粒之间的剪切絮凝，提高细粒矿物浮选的选择性和回收率[6]，且在浮选前对细粒煤进行高剪切调浆可明显促进煤泥矿化效果，降低药剂消耗，提高浮选回收率[7，8]。

承德某选矿厂开展了磁选铁尾矿斜板溢流选磷工艺研究，溢流矿样经旋流器分级后进入微细粒选磷工序。给矿粒级分析结果表明：-0.010 mm粒级含量占比21.31%、-0.020 mm粒级含量占比37.56%。矿石整体粒度较细，采用常规调浆手段很难产生优良的浮选指标，需要加强浮选前的调浆预处理。本文首先在清水条件下研究了不同高强度调浆机叶轮形状对难溶性油类药剂的分散程度的影响，然后在此基础上开发出30 L半工业调浆机样机，并采用该样机在承德该微细粒尾矿选磷现场开展高强度调浆机性能测试试验，分析高强度调浆机不同的操作参数对浮选指标的影响。

1.1 清水试验系统

试验系统由高速摄像机、光源、4 L试验高强度调浆机和变频高速搅拌器组成。调浆机槽体采用透明玻璃材质。调浆机筒体的一侧截面做成了水平面，同时贴上黑色板，中心割除一块8 mm×8 mm的观察孔，有效避免由于曲面造成的微距图像变形。拍摄时采用微距镜头，将镜头近距离贴近8 mm视窗，筒体周围增补两个强光源。调整焦距和光源角度，保证观测的区域有足够的亮度。采用高速摄像的方式研究不同形式的搅拌桨在水油体系中对油滴的分散效果，高速拍照，对油滴尺寸分布进行静态分析。同时，在搅拌过程中对水油溶液进行浊度测量，定量表征油滴在水油体系中的分散状态。实验系统如图1和图2所示。

图1 高速摄像系统

图2 浊度测试系统

开始搅拌之前向水相表面滴加1 mL分析纯油酸。将搅拌器转速设置在900 r/min，然后开始搅拌并计时。每隔15 s用高速摄像机拍照一次。将照片汇总后从中提取第0、2、6、10、14 min时的图片进行不同叶轮的对比。

在高速摄像开始的同时，采用便携式浊度计测量浊度。搅拌开始后，每隔15 s用移液管从槽中固定位置取溶液并迅速转移至浊度仪的测量皿中，读取浊度数据并记录。搅拌30 min后停止搅拌，同时按照每隔15 s从溶液中相同固定位置取样测浊度，用以表征在停止搅拌后油滴的凝聚速度，凝聚越快，浊度降低的就越快。

1.2 半工业试验系统

试验系统建立在细粒磷浮选车间，工业流程中脱硫的尾矿进入选磷作业。采用虹吸的方法将脱硫浮选机尾矿箱中的矿浆引入到一台容积30 L的半工业高强调浆机中，将调浆后的矿浆引入到串联的2台30 L实验室浮选机中，通过改变调浆机的结构和参数，探索其对浮选指标的影响。开展普通调浆试验时则将尾矿箱中的矿浆引入到普通调浆机中，调浆后再通过蠕动泵引入到30 L浮选机中。

试验系统设备联接图示意图如图3所示。以上两套系统都是通过调节蠕动泵给矿，通过控制转速控制浮选机给矿的流量。

1-选硫尾矿箱(调浆前取样点)；
2-30 L高强度调浆机；
3-排余蠕动泵；
4-20 L缓冲槽；
5-给矿蠕动泵；
6-30 L尾矿箱；
7-30 L双联槽浮选机；
8-30 L给矿箱

由于本试验主要研究浮选前调浆机的调浆效果，因此浮选机本身的操作参数和药剂制度均保持不变。浮选机的充气量为0.3m3/(m2·min)，叶轮转速为650 r/min。通过蠕动泵控制给矿流量，通过微调尾矿锥阀的开度控制泡沫层厚度，进而控制精矿的产率。每调整一次锥阀开度，待产率稳定后开始取样，对原矿、精矿、尾矿分别取样，每隔15 min取一次样，取4次样合成一个综合样，作为该产率条件下原矿、精矿、尾矿样，分别烘干、制样并化验品位，计算产率和回收率。

两个试验系统涉及的4 L和30 L高强调浆机样机参数见表1。

表1 样机基本参数表

高强度调浆机由于其较高的剪切力能够充分将难溶的脂肪酸药剂进行强制溶解和分散，进而能够强化药剂在矿物表面的吸附。因此，本节以油滴作为研究对象，研究不同调浆机叶轮形状对油滴分散效果的影响。

2.1 基于CCD方法的分散特性可视化分析

高速摄像选择了三种叶轮作为对比，一种是常规搅拌槽使用的螺旋叶轮。第二种是TBK系列高强调浆机使用的鱼骨型叶轮，第三种是常规改质机用的后倾竖齿叶轮[9]。叶轮直径都是60 mm，设定叶轮转速为900 r/min。叶轮距离容器底部高度为50 mm，液位高度为300 mm。图4展示了相同调浆时间下不同叶轮形式调浆后的水油体系的油滴分散状态。

图4 三种叶轮相同调浆时间下的油滴分散状态

从图4可以看出，螺旋叶轮的油滴分散效果最差，即使到了14 min，仍然有较多的大尺寸油滴，且油滴的总个数较少，说明油滴并没有充分分散。螺旋叶轮作为浮选工业上最为常用的调浆搅拌槽叶轮，其主要作用是混合矿浆，为浮选提供一个均匀稳定的矿浆性质，但是其并不能对油类药剂进行充分的剪切分散。而TBK鱼骨型叶轮和改质机后倾竖齿叶轮的的油滴分散效果都比较好，尤其是鱼骨型叶轮，在10 min和14 min时，都能看出油滴尺寸非常小且油滴数量非常多。

2.2 基于浊度测试的分散特性分析

浊度测试选取的叶轮与高速摄像时所选取的叶轮形状相同。图5展现了不同叶轮搅拌随着调浆时间延长后，水油体系浊度的变化趋势，图6展现了搅拌停止后，随着静止时间延长，水油体系浊度的变化趋势。

图5 叶轮搅拌时间与浊度的关系

图6 叶轮搅拌静置时间与浊度的关系

从图5可以看出，随着搅拌时间的延长，TBK鱼骨型叶轮的浊度增加最快，后倾竖齿叶轮的浊度增加也较快，但是其浊度值始终低于鱼骨型叶轮的浊度。螺旋叶轮的浊度最低，且随时间延长其增长幅度也最小。以上结论与高速摄像拍摄油滴尺寸分布的趋势一致。油滴分散的越好，浊度越高。搅拌停止后(图6)，后倾竖齿叶片和螺旋叶片搅拌的溶液浊度降低较快，在0～15 s内就已经显著下降(曲线中未能显示，曲线所取得第一个点为15 s时的值，此时浊度已经较刚停搅拌时下降较为明显)，说明搅拌30 min终止时的乳浊液体系是极不稳定的体系，油滴并未形成稳定的小油滴。停止搅拌后，油滴迅速发生凝聚。与其它两种叶轮相比，鱼骨型叶轮的油滴凝聚效果要小得多。停止搅拌16 min后，其浊度值仍然高达150，说明在该水油体系中已经有部分油滴形成了比较稳定的胶体态。

综上而言，鱼骨型叶轮的油滴分散效果最好，其次是后倾竖齿叶轮，螺旋叶轮的油滴分散效果最差。

3.1 高强度调浆机和普通调浆机调浆与指标的关系

30 L高强度调浆和普通调浆的浮选指标对比结果如图7所示。两者的转速均设置为800 r/min，叶轮直径160 mm，线速度均为6.7 m/s，给矿速率为5.0 L/min。

图7 30 L高强度调浆机与30 L普通调浆机调浆效果对比

从图7可以看出，经过高强度调浆机调浆后，在相同产率下的精矿回收率显著提高。在产率为5%时，回收率提高了约10%，随着产率继续提高，两者的差距逐渐减小，说明采用高强度调浆机处理后，有用矿物表面的矿泥罩盖被打开，裸露的新鲜表面促进了捕收剂在矿物表面的选择性吸附，因此在产率较低的条件下就取得了较高的回收率。随着产率的不断提高，药剂的选择性变差，矿泥夹带增加，两者的差距逐渐减小。

3.2 高强度调浆机转速与指标的关系

控制给矿流量为5 L/min，改变调浆机的转速，设计高强调浆机转速依次为600、800、1 000、1 200 r/min，研究高强度调浆机转速与浮选指标的影响，试验结果如图8所示。

图8 高强度调浆机不同转速对指标的影响

从图8可以看出，产率和回收率随着调浆机转速的提高均呈现先增加后降低的趋势，在转速为1 000 r/min时，产率和回收率最高，此时对应的叶轮端线速度为8.35 m/s。

3.3 高强度调浆机调浆时间与指标的关系

设定调浆机调浆时间分别为3、6、10 min，对应的调浆机给矿量为10、5、3 L/min。给入到双联槽KYF-0.03浮选机矿浆量控制在3 L/min。从调浆机中排出的多余矿浆量通过管路分支排掉。结果如图9所示。

图9 高强度调浆机不同调浆时间对指标的影响

从图9可以看出，在产率低于15%时，调浆时间越短，回收率越高，在产率15%时，调浆时间从3 min增加到10 min时，回收率几乎没有变化，产率高于15%后，调浆6 min和调浆10 min的回收率几乎没有差异，说明调浆时间超过6 min后，时间延长对调浆效果影响不大。综合而言，最佳的调浆时间为6 min。

3.4 高强度调浆机叶轮形式和挡板与指标的关系

为了进一步探究调浆机内部结构对调浆效果的影响，选取了三种桨叶形式，分别为常规改质机上使用的后倾竖齿叶轮、化工常用的双叶直桨叶轮和此次试验高强度调浆机专用的鱼骨型叶轮，同时对比了有无水平挡板的影响。试验结果如图10所示。

图10 叶轮形状和挡板对指标的影响

从图10可以看出，在选用后倾竖齿叶轮的条件下，有挡板不利于改善调浆效果。对比三种叶轮在无挡板条件下的指标，在产率高于10%时，鱼骨型叶轮和直桨叶轮的调浆效果几乎一致，都高于后倾竖齿叶轮。

3.5 高强调浆机不同叶轮的功耗分析

对比了清水条件下，三种叶轮的功耗，结果如图11所示。从图11可以看出，直桨叶轮的功耗显著高于后倾竖齿叶轮和鱼骨型叶轮，而鱼骨型叶轮在整个转速范围内的功耗都是最低的。

图11 三种叶轮功耗对比

1)微细粒矿物浮选需要高强度调浆预处理，合适的调浆机结构和操作参数对后续的浮选指标有重要影响。

2)对水油体系，鱼骨型叶轮对油滴的分散效果最好，形成的乳浊液体系最为稳定，在取得较优调浆效果的同时能耗最低。

3)带矿条件下，在精矿产率相当情况下，采用高强度调浆机调浆后的浮选回收率比采用普通调浆机调浆后的回收率高近10个百分点，鱼骨型叶轮调浆后的浮选指标好于其它形式的叶轮，结果与清水测试鱼骨型叶轮对油滴分散能力相一致。高强度调浆机的调浆效率较高，30 L的调浆机样机的最佳线速度为8.35 m/s，在调浆6 min时即达到最佳的调浆效果。