白云母、电气石、磷灰石对白...浮选过程中矿浆流变性的影响_薛季玮.pdf

国家自然科学基金白云母、电气石、磷灰石对白钨矿浮选过程中矿浆流变性的影响薛季玮1,2，屈垚犇1，张崇辉1，涂华臻1，孙健1，卜显忠11.西安建筑科技大学 资源工程学院,陕西 西安 710055；2.矿物加工科学与技术国家重点实验室,北京 100260中图分类号：TD954；TD923文献标识码：A文章编号：10010076（2023）01002408DOI：10.13779/ki.issn1001-0076.2023.01.002摘要通过矿浆流变性测试、人工混合矿浮选试验和泡沫稳定性测量研究了白云母、电气石、磷灰石等 3 种常见伴生脉石矿物分别对白钨矿和石英人工混合矿矿浆流变性和白钨矿浮选指标的影响。流变测试表明：白云母在矿浆中会形成端面层面和端面端面结合的三维网状结构，具有较大的表观黏度，而电气石、磷灰石在矿浆中仅为简单的堆砌型结构，其黏度略有增加。浮选试验和泡沫稳定性测量表明：在白钨矿白云母石英的人工混合矿浮选体系中，随着白云母质量浓度的增大，其较高的黏度会使浮选泡沫的半衰期和最大高度增加，使得“二次富集”作用明显提高，浮选指标在一定范围内变好，但较高的矿浆黏度同时会抑制气泡和颗粒之间的碰撞以及气泡颗粒聚集体的流动性，导致浮选指标变差；在白钨矿电气石石英的人工混合矿浮选体系中，随着电气石在水中溶解出的 Fe3+、Mg2+、Ca2+等金属阳离子增加，抑制了白钨矿的浮选，使得精矿品位和回收率下降；在白钨矿磷灰石石英的人工混合矿浮选体系中，磷灰石溶解出的 PO43在白钨矿表面的吸附会导致矿物的表面转化，使得白钨矿和磷灰石表面性质相近，会恶化白钨矿浮选。此外，由于黏度增长缓慢，电气石和磷灰石的加入对泡沫稳定性几乎没有影响。研究可为实际矿石浮选过程中矿浆流变性的调控，以及白钨矿与脉石矿物的高效分离提供理论依据。关键词白钨矿；矿浆流变性；泡沫稳定性；浮选；白云母；电气石；磷灰石 引言在选矿作业中，矿浆流变行为的改变往往会对矿物加工过程产生较大的影响，所以矿浆流变学研究备受选矿科研工作者的重视。针对贫、杂难选矿石矿物浮选特性，国内外研究学者在影响矿浆相流变性质的主要因素、矿浆相流变学测量技术、矿浆相流变性对浮选指标的影响、矿浆相黏度控制方法等方面进行了大量研究工作。矿浆流变学是研究矿物加工过程中矿浆流体在外加剪切应力作用下流动与变形性质的学科1。通过研究矿浆在矿物组分、粒度组成、化学药剂、外加力场等因素作用下变形与流动的规律，分析矿浆流体中由于矿物颗粒(包括矿石矿物与脉石矿物)粒度与表面性质差异引起的矿浆整体黏度、屈服应力、黏弹性等流变特性的变化规律，揭示矿浆中矿物颗粒之间的相互作用与聚集分散行为，为磨矿、搅拌、浮选、过滤等矿物加工过程的研究提供参考依据。目前矿浆流变学的研究已经涉及到典型硫化矿2-3、典型氧化矿4、黏土矿物5-6、煤泥7等矿浆中不同矿物颗粒之间相互作用的研究。通过矿浆流变性的测量，研究矿浆流变性对矿浆中水动力学、气泡分散、颗粒悬浮、气泡-颗粒碰撞、黏附和解体等浮选过程的影响。有研究表明，矿浆中主要脉石矿物是影响矿浆流变性的重要因素。Cruz 等人发现，在铜金矿浮选作业中，由于某些含钙矿物溶解产生的 Ca2+与黏土矿物作用增大了矿浆的表观黏度与屈服应力，导致矿浆中形成了稳定的三维结构，阻碍了气泡的有效分散和浮选药剂与目的矿物的选择性作用，导致铜矿浮选恶化8-9。而高岭石在对应浮选药剂作用下对矿浆表观黏度没有较大影响，但是显著地增大了泡沫层的屈服应力，表明高岭石是以夹 收稿日期：2022 11 26基金项目：国家自然科学基金项目(52074206)；安徽省2021 年重点研究与开发计划项目(202104a07020012)；陕西省自然科学基础研究计划(2021JQ-507)；矿物加工科学与技术国家重点实验室项目(BGRIMM-KJSKL-2021-19)；西安建筑科技大学人才科技基金项目(ZR20066)作者简介：薛季玮(1990)，男，博士，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向为铜硫矿物高效浮选分离，E-mail：。通信作者：卜显忠(1977)，男，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为界面化学与流变学，E-mail：。第 1 期矿产保护与利用No.12023 年 2 月Conservation and Utilization of Mineral ResourcesFeb.2023带的方式进入精矿而恶化浮选10-11。Yan 等人12使用原子力显微镜对云母的层面和端面分别进行了研究，结果表明：云母的层面带永久负电荷，且端面的零电点在 pH 值 7.5。因此推测影响白云母矿浆流变性的主要原因是矿物颗粒在矿浆中形成端面层面和端面端面结合的三维网状结构13，表现为具有较大的表观黏度，严重影响浮选。白钨矿是我国主要的钨金属来源，但大部分白钨矿赋存于矽卡岩型钨矿床中，平均品位较低，嵌布粒度较细，且大多数脉石矿物为白云母、绿泥石等黏土矿物，以及与白钨可浮性相近的磷灰石、方解石、萤石等含钙矿物14-15。有研究表明16，在白钨矿石英方解石人工混合矿浮选体系中，通过调节调浆搅拌过程中能量的输入，改变矿浆的屈服应力，可以促进微细粒白钨矿形成疏水性颗粒聚团，同时增强抑制剂海藻酸钠的选择性作用，提升富集比。但对于脉石矿物，特别是硅酸盐类脉石的矿浆流变特性研究仍有欠缺。本文以白钨矿为研究对象，从流变学的角度开展浮选研究，通过浮选试验、矿浆流变性及泡沫稳定性测量等方法，研究浮选过程中矿浆浓度和不同种类脉石矿物含量对矿浆流变特性和浮选行为的影响，并分析矿浆流变性与浮选泡沫性能之间的关系，以便为实现白钨矿与石英、白云母、电气石、磷灰石等脉石矿物的浮选分离提供理论依据。1试验及方法1.1材料和试剂试验所用单矿物样品取自湖南某矿山，白钨矿纯度为 98%，石英纯度为 99%，电气石纯度为 99%，白云母纯度为 97.6%，磷灰石纯度为 90%，各单矿物的XRD 图如图1 所示。经人工挑选、手碎提纯后，取2 mm粒级用三头研磨机进行干式研磨，通过干式标准筛筛分，取74+38 m 粒径的矿样，用于流变学测量、浮选试验及泡沫稳定测量。试验所用的捕收剂油酸钠为分析纯。所有试验用水均为去离子水。1020304050607080902/()SSSSSSSSSSSSSSSS-白钨矿102030405060708090QQQQQQQQQQQQQQQ-石英2/()102030405060708090TTTTTTTTTTTTTTTTTT-电气石2/()102030405060708090MMMMMMMMMMMMMMM-白云母2/()1020304050607080902/()AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA-磷灰石图 1白钨矿、石英、电气石、白云母、磷灰石 XRD 分析Fig.1 XRD analysis of scheelite,quartz,tourmaline,muscovite and apatite第 1 期薛季玮，等：白云母、电气石、磷灰石对白钨矿浮选过程中矿浆流变性的影响 25 1.2流变性测量流变性测量在 Haake Mars40 流变仪上进行。每次将 13 mL 矿浆样品倒入杯中，降低转子位置，直到转子和杯底之间的间隙为 1 mm。流变学测量具体步骤为:(1)矿浆在 100 s1的条件下预剪切 60 s;(2)矿浆在 0 s1时稳定 10 s;(3)在剪切速率为 0180 s1的范围内测量流变曲线。流变图为剪切速率与剪切应力的函数关系图。每个样品测量 3 次，取平均值。在测量过程中，温度保持在 25，精确度为1。选择 Herschel-Buckley 模型来分析矿浆的流体特性，因为该模型在试验段最符合流变曲线。模型由以下表达式描述17：=B+Bp（1）其中：是剪切应力（Pa），是剪切速率（s1），B是Herschel-Buckley 屈服应力（Pa），B是流动系数（Pasp），p 是 Herschel-Buckley 流动指数。B项是矿浆的外推屈服应力，其定义为在外力影响下的初始变形阻力。流动系数 B是描述矿浆稠度的一个术语，而 Herschel-Buckley 流动指数 p 表示偏离牛顿流体行为。1.3微浮选试验在研究不同脉石矿物对白钨矿和石英人工混合矿浮选的影响时，制备了一系列人工混合矿。每份人工混合矿中白钨矿质量分数固定为 10%，除石英外其他脉石矿物占比分别为 10%、20%、30%、40%、50%、60%，随着其他脉石矿物占比的增加，石英占比减小为80%、70%、60%、50%、40%、30%。按照前期探索试验，具体浮选流程如图 2 所示。图 2人工混合矿浮选试验流程Fig.2 Flowchart of flotation test for artificial mixed ore 1.4泡沫稳定性测量采用气流法测量泡沫稳定性。其装置如图 3 所示。其中 Hallimond 管的内径为 4.5 cm，高度为 100 cm。使用磁力搅拌器调浆后，将矿浆迅速移入泡沫管内并以恒定的速度开始充气，观测管内泡沫高度，当泡沫达到平衡时，立即测量泡沫最大高度 H；停止充气后，记录泡沫高度衰减到原来高度的一半时所需的时间t1/2，用于表征泡沫的稳定性。图 3泡沫稳定性测量装置Fig.3 Foam stability measuring device 2结果和讨论2.1脉石矿物对矿浆流变性的影响2.1.1单矿物矿浆流变性为了研究白云母、电气石、磷灰石等脉石矿物在白钨矿浮选过程中的流变学效应，首先研究了单矿物体系中矿浆质量浓度对各矿物矿浆流变性的影响，即将各单矿物分别加入水中，制备成不同质量浓度的矿浆，然后进行流变性测量。图 4 分别为白钨矿、白云母、电气石、磷灰石、石英在矿浆质量浓度 10%40%范围内的剪切速率与剪切应力曲线图。可以看出，无论是在低剪切速率还是高剪切速率下，矿浆的剪切应力随矿浆质量浓度的增加而增加。此外，在矿浆质量浓度为 10%时，几种矿浆表现出牛顿流体的特征；在矿浆质量浓度大于10%时，出现了剪切变稀行为，这是典型的假塑性流体的特征18。说明在较高剪切下，颗粒间的相互作用已被破坏，颗粒趋于分散状态，颗粒间相互作用减弱。而对于白云母来说，当矿浆质量浓度达到 30%以上时，通过 Herschel-Buckley 模型拟合，此时矿浆表现为具有屈服应力的宾汉流体。图 5 为不同矿浆质量浓度下脉石种类与表观黏度的关系。由图可知，几种单矿物表观黏度随着矿浆质量浓度的增加而增加，这是因为随着矿物颗粒的含量增加，矿物在矿浆剪切场中内摩擦显著增大，颗粒间的相互作用显著增强，甚至可能形成了具有较大强度的三维网状结构。白钨矿、电气石、磷灰石和石英的表观黏度在矿浆质量浓度为 5%40%范围内呈缓慢上升趋势，而白云母在矿浆质量浓度小于 15%时黏度变化较为平缓，然后随着矿浆质量浓度增加呈指数型变大，远远超过其他几种矿物，这可能与其独特的鳞片状结构有关。几种类型矿浆黏度的涨幅顺序为：白云母电气石石英白钨矿/磷灰石。26 矿产保护与利用2023 年2.1.2人工混合矿矿浆流变性石英是一种物理性质和化学性质均十分稳定的硅酸盐矿物，具有简单的结构形态以及表面电荷分布，对矿浆流变性影响较弱，常与其他矿物进行比较。因此，以去离子水为介质，研究了白云母、电气石、磷灰石分别对白钨矿与石英人工混合矿矿浆流变性的影响，在总固体质量不变的情况下，白钨矿与石英混合矿矿浆剪切应力、表观黏度随剪切速率与各脉石矿物质量浓度的变化关系如图 6、图 7 所示。如图所示，在矿浆质量浓度为 20%、除石英外其他脉石矿物质量浓度为 060%范围内，三种人工混合矿矿浆都表现出假塑性流体特征。随着电气石和磷灰石质量浓度的增加，矿浆的表观黏度和剪切应力呈缓慢上升的趋势，两者对矿浆黏度的影响相似，白云母质量浓度的增加对矿浆黏度和剪切应力影响最大，由 133.1 mPas 迅速增长到 160.5 mPas，是其他脉石矿物黏度涨幅的 45 倍。此外，相对于同一矿浆浓度下单一矿物的黏度，人工