安徽某石英岩矿选矿提纯工艺研究_杨诚.pdf

石英矿物资源的分离提纯及材料化应用安徽某石英岩矿选矿提纯工艺研究杨诚，张鹏鹏，曹阳，王海川，李明阳安徽工业大学 冶金工程学院,安徽 马鞍山 243002中图分类号：TD973+.3文献标识码：A文章编号：10010076（2022）05006406DOI：10.13779/ki.issn10010076.2022.05.010摘要对安徽某地石英砂岩矿进行了提纯工艺研究，采用破碎高温煅烧水淬磁选浮选酸浸流程，考察了煅烧温度、磁选场强、浮选药剂用量、混合酸液种类和酸浸时间对石英砂提纯效果的影响。全流程试验结果表明，通过 900 高温煅烧后破碎磁选，进一步采用捕收剂油酸钠、十二胺和抑制剂氟硅酸钠进行浮选，并在混合酸(15%HCl+10%HNO3+5%HF)中酸浸6 h，使得 SiO2纯度从 93.35%上升至 99.92%，杂质元素含量从 6.65%下降至 0.08%。该工艺流程对该矿区石英砂岩矿的提纯效果显著，达到了高透光率太阳能光伏玻璃生产原料标准，为石英岩矿提纯提供一定参考依据。关键词石英矿；提纯；煅烧；磁选；浮选 引言高纯石英是指 SiO2含量大于 99.9%的石英产品的总称，广泛应用于电子信息、光学光源、光伏能源和航空航天等新技术领域，是一种重要的战略性矿产资源1-2。近年对太阳能资源开发力度提高，对高透光率太阳能光伏玻璃生产原料高纯石英需求量增大，而光伏玻璃生产对有色杂质元素 Fe 含量要求更低3。石英砂通常与硅酸盐类矿物如长石、云母、闪石等伴生存在，如何实现石英与硅酸盐杂质矿物分离是石英提纯的关键所在4-6。制备高纯石英一般以石英岩和石英砂岩为原料，主要采用分级水洗、擦洗、磁选、浮选等物理方法和酸浸化学方法分离杂质矿物7-8。李小黎等9对四川某地石英砂矿进行了选矿和化学提纯试验研究，通过磨矿、强磁选、浮选、酸浸等工艺，获得石英精矿 SiO2含量99.95%、Fe2O30.001%、Al2O30.01%。王梅等人10以某石英矿矿样为原料，系统研究了擦洗分散、筛分、离心分离方法对石英提纯效果的影响，经擦洗分散、离心分选和浮选后得到了高纯石英产品，其 SiO2含量达 99.47%，MgO 的含量降到 0.03%。赵阳等人11按照粗碎煅烧水淬中碎细碎磁选浮选酸浸流程处理矿样，在最佳试验条件下可获得 SiO2品位为 99.99%以上、杂质总含量小于 55 g/g 的高纯石英砂。于福家等12通过对石英、长石单矿物的浮选行为研究，确定了石英矿浮选除去含 Al 杂质矿物的工艺条件和流程，结果表明，石英矿在原矿 SiO2品位 97.45%时，经磨矿脱泥反浮选流程选别，可得到 SiO2品位 99.93%、产率 62%、Al 去除率 99.03%的良好提纯指标。本试验以安徽某石英砂岩矿为原料，采用破碎高温煅烧水淬磁选浮选酸浸流程进行提纯，研究煅烧温度、磁选场强、浮选药剂用量、混合酸液种类和酸浸时间等条件对石英砂提纯效果的影响。1试验原料及设备1.1原矿化学组成和矿物组成试验所用石英岩矿样品采集自安徽某地，石英岩矿表面覆盖一层黄褐色表皮，整体呈现出灰白色光泽，白度较低。通过 XRD、原矿多元素化学分析和矿物含量分析得出矿样中主要杂质，结果如表 1、表 2 和图 1 所示。从表 1 中可以看出，该石英岩矿的主要杂质元素为 Al，含量高达 5.31%，其余杂质元素 Fe、K、Mg 等含量较少。从图 1 可以看出，该矿石中主要有用矿物为石英，主要脉石矿物为长石。结合表 1 发现，主要杂质元素 Al 以长石的形式存在，实现石英与长石之间 收稿日期：2022 09 28基金项目：国家自然科学基金资助项目(51904001)；安徽省自然科学基金青年项目(2008085QE223)；博士后科学基金(2020M673590XB)作者简介：杨诚，博士研究生，主要从事复杂难选铁矿分选研究。通信作者：李明阳，副教授，博士生导师，Email：。第 5 期矿产保护与利用No.52022 年 10 月Conservation and Utilization of Mineral ResourcesOct.2022分离即可达到石英提纯的目的，而通过浮选工艺可以使石英与长石有效分离。1.2原矿粒度组成将原矿破碎至0.71 mm，采用网格缩分法取样 1 kg，使用实验室标准网格筛进行筛析，产品筛析及多元素分析结果见表 3。由表 3 可以看出，当矿物粒度达到0.074 mm 时，Al2O3和 Fe2O3总品位处于较高水平，分布率相对其他粒度试样上升明显；Al2O3和 Fe2O3总分布率也分别达到了 35.45%和 36.24%，而 SiO2的品位相差不大。由此可知，原矿试样要磨矿至0.074 mm 粒度时才能使Al2O3和 Fe2O3得到充分的解离；同时在磨矿过程中，为防止矿石过磨，需在磨矿作业前进行预先筛分。1.3试验设备和浮选试剂破碎设备采用实验室 XPC 对辊破碎机、PEF 负悬挂式颚式破碎机和玛瑙行星球磨机，高温煅烧设备采用 MF-4-10AX 实验室马弗炉，浮选设备采用实验室 XFG5 变频挂槽式浮选机、磁选设备采用实验室XCR 弱磁选机和 Slon 立式高梯度磁选机。表 3 原矿粒级多元素分析Table 3 Analysis of multiple elements of primary ore grade粒度/mm产率/%品位/%白度/%分布率/%SiO2Al2O3Fe2O3SiO2Al2O3Fe2O30.27+0.1532.1291.714.510.0476.6131.8323.2716.900.15+0.07422.8392.025.710.0482.4022.7220.9512.650.074+0.03830.6193.407.170.0978.2130.9935.4536.240.03814.4492.278.760.1865.3514.4620.3334.21合计100.0092.836.250.076100.00100.00100.00 浮选药剂油酸钠(NaOL)、十二胺(DDA)和氟硅酸钠均为分析纯，氢氧化钠、盐酸、硝酸和氢氟酸均为化学纯，均购买于南京化学药剂股份公司。2结果与讨论石英岩晶体普遍含有少量气-液包裹体及固体包裹体，由常规加工技术难以分离，可以用高温煅烧水淬的方法打开包裹体。碎屑物中的云母及胶结物中含有 1%3%的黏土矿物和小于 2%的铁质，可以用擦洗和磁选法部分去除13。该石英岩矿中的脉石矿物主要是长石，此类硅酸盐矿物可以用浮选法去除。化学成分分析表明，Al、Fe、Na、Mg 等金属成分含量都较高，可以用混合酸洗的方法去除。据此，选定“破碎煅烧水淬磁选浮选酸浸”的处理工艺，对该石英砂岩进行提纯试验，原则工艺流程如图 2。图 2原则工艺流程Fig.2 Principle flowsheet 表 1 原矿化学成分/%Table 1 Chemical composition of sample化学成分SiO2Al2O3K2OCaONa2OFe2O3MgOTiO2含量93.355.310.9530.1120.0830.1120.0520.022 表 2 原矿矿物成分/%Table 2 Mineral content of sample矿物成分石英长石云母含铁氧化物 碳酸盐矿物 泥质分含量92.765.651.1430.1040.1940.176 20406080FFQQQQQQQQQ Intensity2/()Q-QuartzF-FeldsparQF图 1石英矿样的 XRD 谱图Fig.1 XRD patterns of quartz sample第 5 期杨诚，等：安徽某石英岩矿选矿提纯工艺研究 65 2.1破碎和煅烧水淬采用颚式破碎机将石英原矿初步破碎成粒径约10 mm 的粗石英块，将所得石英块放入 950 马弗炉中煅烧保温 2 h 后快速水冷，并用去离子水冲洗掉焙砂表面上的泥沙，烘干后进一步采用辊式破碎机将石英块破碎至粒径约 1 mm 的细石英砂，多次破碎使得石英砂粒度均匀。粗碎后的石英块表面附着大量包含杂质元素的泥沙，通过高温水淬可以有效去除这一部分杂质。不仅如此，石英块中的微裂纹也是泥沙等杂质的富集点，在高温水淬过程中由于体积快速变化使之成为应力薄弱点，粗砂中的微裂纹快速扩大导致石英粗砂沿着裂纹再次破碎，从而将微裂纹中所包含的泥沙包裹物等杂质暴露出来，后续采用去离子水冲洗，进一步减少泥沙等杂质。试验过程中将250 g 石英块放入300 mL坩埚中，随炉加热至一定温度后保温 2 h，快速倒入去离子水中水淬，多次使用去离子水冲洗后烘干保存，图 3 为煅烧温度对 Al、Fe 杂质脱除的影响。7007508008509009500.0600.0650.0700.075 Fe AlCalcination temperature/Fe content/%Al content/%5.96.06.16.2图 3煅烧温度对 Al 和 Fe 杂质的影响Fig.3 Effect of the calcination temperature on the Al and Feimpurities 由图 3 可知，当煅烧温度在 700950 时，杂质元素 Al 和 Fe 的含量出现明显的下降，而在煅烧温度达到 900 之后，杂质含量下降速率减缓，曲线趋于平稳。这是由于-石英在 900 之后相变转化成-石英，当相变结束之后，石英的微裂纹不再扩大，无法形成新的裂纹，因此继续升高温度对杂质的去除效果不再提高。2.2磁选为了去除石英岩矿中的磁性杂质以及在破碎过程中所引入的机械铁，进行了磁选试验。试验采用先弱磁选后强磁选的磁选流程，在弱磁选过程中去除破碎过程中所引入的机械铁，并且可以防止大块的机械铁聚积从而影响后续的强磁选。强磁选可以有效去除磁性杂质，如磁铁矿及其连生体。2.2.1磁感应强度对降铁提纯的影响弱磁选磁感应强度取 0.4 T，强磁选磁感应强度是影响磁选效果的关键因素，因此在试验中探索了强磁选磁感应强度对除铁效果的影响，试验结果如图 4 所示。1.01.11.21.31.41.59495969798 SiO2 FeMagnetic induction intensity/TSiO2 content/%Fe content/%0.0450.0500.0550.0600.065图 4磁感应强度对 SiO2和 Fe 含量的影响Fig.4 Effect of magnetic induction intensity on SiO2 and Fecontent 由图 4 可知，随着磁感应强度的升高，精矿中SiO2含量逐渐升高，Fe 含量逐渐下降后略微升高，在磁感应强度为 1.3 T 时分选效果最好，此时 SiO2含量和 Fe 含量分别为 96.21%和 0.045%。Fe 含量升高的原因可能是磁感应强度升高导致设备介质盒磁性升高，对弱磁性矿物吸附量增大，到达设备极限后，继续给料后难以吸附，未被吸附的矿料直接进入精矿，使得 Fe 含量升高。2.3浮选氢氟酸法是长石、石英浮选分离的成熟方法，由于氟离子污染环境，已逐渐被无氟工艺所取代14。首先将磁选精矿磨至0.074 mm，筛分出0.074+0.038 mm粒级，0.038 mm 粒级石英砂作为尾矿排除。浮选试验采用常规的阴阳离子组合捕收剂油酸钠(NaOL)和十二胺(DDA)，摩尔比为 12。在试验过程中探索浮选药剂用量对石英提纯效果的影响，在氟硅酸钠用量为 60 mg/L 条件下，调整 pH 为 2.0，搅拌 3 min，依次加入抑制剂和捕收剂，两者间隔 3 min，浮选刮泡 3 min，对所得精矿 SiO2纯度进行检测，确定捕收剂最佳用量，结果如图 5 所示。确定最佳捕收剂用量后，重复浮选步骤，进一步确定最佳抑制剂用量，结果如图 6 所示。由图 5 和图 6 可看出，在阴阳离子捕收剂 NaOL与 DDA 摩尔比为 12、pH=2 的条件下，SiO2含量随着捕收剂用量增加而提高。当捕收剂用量达到 90 mg