（矿物加工工程专业论文）复合力场分选低品位铝土矿的试验研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm i n e r a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nb e n e f i c i a t i o no f l o w - - g r a d eb a u x i t ew i t hc o m p o u n d f i e l d b yw a n g p e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw e id e z h o u d o c t o rg a os h u l i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e mb e r2 0 0 7 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：既 思。 学位论文作者签名：王j 峭 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ，ttt， 飞，扫 东北大学硕士学位论文 摘要 复合力场分选低品位铝土矿的试验研究 摘要 用拜耳法生产氧化铝，无论直接能耗还是间接能耗均要小于我国现在使用的 烧结法和联合法，拜耳法生产氧化铝要求铝硅比在8 以上，而我国7 5 的铝土矿 铝硅比小于7 ，这样的生产原料不能满足拜耳法生产氧化铝的要求，因此对我国 的铝土矿进行预脱硅处理，提高铝土矿的铝硅比就显得十分必要。 本文以低品位铝土矿( a s = 4 3 9 ) 为原料，在旋流离心力场与重力场的复合力 场中对其进行了较为系统的分选试验研究，初步得到如下结论： 1 ) 旋流重选试验结果表明：当旋流器锥比为0 7 1 、给矿浓度为7 9 、给 矿压强为o 1 5 m p a 时对分选最有利，取得的分选指标最好：底流产品的a s 为 5 7 l ，溢流产品的a s 为2 1 7 ，a 1 2 0 3 在底流中的回收率为8 2 4 1 ，s i 0 2 在溢流 中的回收率为3 5 9 5 。旋流重选产品的粒度分析表明，给矿压强、给矿浓度、 锥比对分级效率有着不同程度的影响。 2 ) 旋流反浮选试验结果表明：当给矿压强为0 2 m p a 、充气压强为o 3m p a 、 充气量为0 2 m 3 h 、改性淀粉i i 用量为1 2 0 0 9 t 、十二胺醋酸盐用量为1 5 0 9 t 时， 分选指标最好：底流产品的a s 为6 1 0 ，溢流产品的a s 为2 2 6 ，a 1 2 0 3 在底流 中的回收率为7 9 4 1 ，s i 0 2 在溢流中的回收率为4 1 1 9 ，底流产品的质量与旋 流重选相比有所提高。 3 ) 给矿细度对旋流一反浮选的技术指标具有显著的影响：在加入不同种类 的调整剂和不同用量的捕收剂条件下，当给矿细度为一0 0 7 4 m m 占6 0 时，获得 的分选指标最好。 4 ) 在旋流一反浮选过程中，充气量对矿物颗粒问的分离效果具有一定程度的 影响：增大充气量会削弱复合力场中的分级作用，但在少量的充气条件下则能强 化其中的分选作用。 关键词：低品位铝土矿；复合力场；旋流重选；旋流反浮选。 i i i ti sw e l lk n o w nt h a tt h ed i r e c to ri n d i r e c te n e r g yc o n s u m e di na l u m i n ap r o d u c t i o n b yb a y e rp r o c e s si sf a rl o w e rt h a nt h a tb ys i n t e r i n gm e t h o da n d c o m b i n a t i o nm e t h o 也 a n dt h er e q u i r e da s f o rp r o d u c i n ga l u m i n ab yb a y e rp r o c e s ss h o u l db ea b o v e 8 h o w e v e r , t h ea so f7 5 ；o fb a u x i t ei no u rc o u n t r yi sl e s st h a n7a n d i tc a nn o tm e e t t h ed e m a n do fb a y e rp r o c e s s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oa p p l yd e s i l i c o n i z a t i o n t e c h n o l o g yf o rd i a s p o r i cb a u x i t ea n di m p r o v et h e a so fi t i nt h i sp a p e r , s e p a r a t i o nt e s t sw e r ec a r r i e do u tg e n e r a l l yi nc o m p o u n df i e l do f c y c l o n i cc e n t r i f u g a la n dg r a v i t a t i o n a lw i t hl o w g r a d eb a u x i t e 渊s = 4 3 9 ) t h em a i n c o n c l u s i o n sa r ea st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) t h es e p a r a t i o nr e s u l t so fc y c l o n i cg r a v i t a t i o n a lt e s t ss h o w e dt h a tw h e nt h e d i a m e t e rr a t i oo fa p e xt ov o r t e xw a s0 71 ，f e e dc o n c e n t r a t i o nw a s7 9 ，f e e dp r e s s u r e w a so 15 m p a , t h es e p a r a t i o ni n d e xw a st h eb e s t , n a m e l y , t h ea so fu n d e r f l o w p r o d u c t i o nw a s5 71 t h ea so fo v e r f l o wp r o d u c t i o nw a s2 17 ，t h er e c o v e r yo f a 1 2 0 3 i nu n d e r f l o ww a s8 2 4 1 ，t h er e c o v e r yo fs i 0 2i no v e r f l o ww a s3 5 9 5 t h es i z e a n a l y s i si n d i c a t e st h a tf e e dp r e s s u r e ，f e e dc o n c e n t r a t i o n ，t h ed i a m e t e rr a t i oo fa p e x t o v o r t e xa l lh a v es o m ei n f l u e n e eo nt h ec l a s s i f i c a t i o ne f f i c i e n c y ( 2 ) t h es e p a r a t i o nr e s u l t so fc y c l o n i c r e v e r s ef l o t a t i o ns h o w e dt h a tw h e nf e e d p r e s s u r ew a s0 2 m p a , a i rp r e s s u r ew a s0 3 m p a , a i rf l o ww a s0 2 m 3 h ，d o s a g eo f m o d i f i e ds t a r c h1 1w a s12 0 0 9 t ，d o s a g eo fl a u r y l a m i n ea c e t a t ew a s15 0 9 t , t h e s e p a r a t i o ni n d e xw a st h eb e s t ，n a m e l y , t h ea so f u n d e r f l o wp r o d u c t i o nw a s6 10 ，t h e a so fo v e r f l o wp r o d u c t i o nw a s2 2 6 ，t h er e c o v e r yo fa 1 2 0 3i nu n d e r f l o ww a s7 9 41 ， t h er e c o v e r yo fs i 0 2i no v e r f l o ww a s41 19 t h eq u a l i t yo fu n d e r f l o wb y c y c l o n i c r e v e r s ef l o t a t i o nw a sb e t t e rt h a nt h a tb yc y c l o n i cg r a v i t a t i o n a ls e p a r a t i o n ( 3 ) t h ef e e dg r i n d i n g sh a dg r e a te f f e c to nt h et e c h n i c a li n d e xo fc y c l o n i c r e v e r s e f l o t a t i o n ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e mt y p e so fa d j u s t i n gr e a g e n ta n dd i f f e r e n t d o s a g eo fc o l l e c t o r , t h es e p a r a t i o ni n d e xa t t a i n e dt oo p t i m i z a t i o nw h e n t h eg r i n d i n g w a s6 0 0 0 7 4 m m ( 4 ) i nt h ep r o c e s so fc y c l o n i c r e v e r s e s e p a r a t i o n o fm i n e r a lp a r t i c l e s ：t h e f l o t a t i o n ，a i rf l o wh a dad e f i n i t ee f f e c to nt h e i n c r e a s i n g o fa i rf l o ww i l lw e a k e nt h e i l 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t c l a s s i f i c a t i o ne f f e c ti nc o m p o u n df i e l d ，b u tal i t t l eo fa i rf l o ww i l ls t r e n g t h e nt h e k e y w o r d s ：l o w - g r a d eb a u x i t e ；c o m p o u n df i e l d ；c y c l o n i eg r a v i t a t i o n a ls e p a r a t i o n ； c y c l o n i c - - r e v e r s e - f l o t a t i o n i i i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i 】：i 第一章绪论1 1 1 铝土矿资源状况及用途1 1 1 1 世界铝土矿资源的特点1 1 1 2 国内铝土矿资源的特点2 1 1 3 铝土矿脱硅的必要性3 1 2 铝土矿物理法脱硅的进展4 1 2 1 正浮选脱硅4 1 2 2 反浮选脱硅4 1 2 3 重选脱硅。5 1 2 4 选择性絮凝5 1 3 旋流分选技术的研究现状6 1 3 1 常规旋流分选技术的研究现状6 1 3 2 旋流浮选研究现状7 1 4 本课题研究的依据及内容9 1 4 1 旋流反浮选的理论依据9 1 4 2 主要研究内容l o 第二章矿样、试剂、仪器和试验方法1 2 2 1 试验用矿样的制备及性质1 2 2 1 1 试验矿样的制备1 2 2 1 2 试验用矿样的性质1 2 2 2 药剂和仪器1 3 2 2 1 药剂1 3 2 2 2 仪器j 1 3 2 3 试验研究方法1 4 2 4 试验系统1 6 第三章低品位铝土矿旋流重选试验研究1 7 3 1 旋流器结构及操作参数对分选效果的影响1 7 i v 东北大学硕士学位论文目录 3 1 1 给矿压强对分选效果的影响1 7 3 1 2 锥比对分选效果的影响。1 9 3 1 3 给矿浓度对分选效果的影响2 1 3 2 旋流力场分选的机理分析2 3 3 3 旋流器分级效率的测定2 5 3 3 1 给矿压强对分级效率的影响2 5 3 3 2 锥比对分级效率的影响2 7 3 3 3 给矿浓度对分级效率的影响2 8 第四章低品位铝土矿旋流一反浮选试验研究3 0 4 1 充气量实验3 0 4 1 - 1 探索性实验3 0 4 1 2 给矿压强的影响3 3 4 1 3 小充气量试验3 6 4 2 抑制剂的用量试验3 9 4 2 1 改性淀粉i 对分选指标的影响3 9 4 2 2 改性淀粉i i 对分选指标的影响4 0 4 3 捕收剂的用量试验4 2 4 3 1 捕收剂的选择4 2 4 3 2 捕收剂的用量对分选效果的影响4 3 4 4 气泡调整剂用量试验。4 4 4 5 调整性试验4 6 4 5 1 减小溢流管直径对分选效果的影响4 6 4 5 2 增大给矿压强对分选效果的影响4 7 4 6 入料细度的影响4 9 4 6 1 磨矿条件的确定4 9 4 6 2 加入调整剂情况下给矿细度对分选效果的影响5 0 4 6 3 加入捕收剂的情况下给矿细度对分选效果的影响5 3 第五章结论5 7 参考文献_ 5 8 致谢6 1 v 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 铝土矿资源状况及用途 1 1 1 世界铝土矿资源的特点 世界铝土矿资源极为丰富。据2 0 0 1 年数据统计世界铝土矿总储量为2 4 6 亿t ， 基础储量为3 4 亿t 【1 1 。世界铝土矿资源分布极不均匀，其中约8 0 以上集中分布 在少数几个国家。国外已探明的铝土矿储量、品位和矿物类型见表1 1 。某些铝 工业发达的国家却严重缺乏铝土矿资源，如美国、俄罗斯、法国和德国所拥有的 铝土矿储量之和还不到世界储量的2 ，澳大利亚和几内亚两国的储量约占世界 总储量的一半。西半球的巴西、牙买加、圭亚那、苏里南和委内瑞拉五国的储量 接近世界总储量的1 4 【2 1 。 表l - l 国外已探明的铝土矿储量、品位和矿物类型 t a b l e1 1a c m a l i t ) ，o ff o m i g nb a u x i t e 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 国内铝土矿资源的特点 我国已探明铝土矿矿区3 1 5 处。按矿产储量最新分类计，我国铝土矿储量约 5 3 9 亿t ，基础储量7 1 6 亿t ，资源量1 7 8 7 亿t ，总资源储量2 5 0 3 亿t 。我国部 一 分铝土矿的化学成分和矿物组成如表1 2 所示。我国铝土矿资源较为集中，主要分 布在山西、河南、贵州、广西4 省区。以上4 省区铝土矿保有储量占全国保有储 量的9 1 1 蚶3 。矿床类型以沉积型为主，主要分布在山西、河南、贵州。而储存于 广西、云南的铝土矿主要是堆积型矿床，约占我国总储量的1 1 。 表1 2 我国部分铝土矿的化学成分和矿物组成 t a b l e1 2c h e m i c a lc o m p o n e n t sa n dm i n e r a lc o m p o s e so fc h i n e s eb a u x i t e 含硅矿物是铝土矿中的主要杂质矿物，一般以高岭石、伊利石、叶腊石及长 石等铝硅酸盐矿物形态存在。我国各地的铝土矿所含的硅矿物各不相同，造成了 各地氧化铝生产流程和技术上的较大差异【4 】。山西铝土矿矿石中的硅矿物主要是 高岭石。而河南铝土矿矿石中则以伊利石、叶腊石和云母类矿物为主。贵州铝土 矿矿石中含有高岭石、绿泥石和伊利石。广西铝土矿矿石中除了高岭石外，还含 有较多的鲕绿泥石。与国外的铝土矿不同，我国铝土矿中以石英的形式存在的硅 矿物较少5 1 。 我国的铝土矿主要为一水硬铝石型铝土矿，有高铝、高硅、低铁的突出特点， 铝硅比偏低，矿物组成复杂，嵌布粒度细，嵌布关系复杂。初步统计，铝硅比大 于7 的矿石占一水硬铝石型矿石总量的2 7 4 8 ，在5 - 7 之间的矿石量占3 3 9 9 ， 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 小于5 的矿石量占3 8 5 3 1 6 1 。 1 1 3 铝土矿脱硅的必要性 目前，世界上采用拜耳法生产的氧化铝约占氧化铝总产量的9 0 左右，仅有 1 0 左右是采用烧结法或联合法生产的，只有我国和俄罗斯生产氧化铝以烧结法 和联合法为主。这三种不同工艺生产氧化铝的直接能耗与间接能耗情况见表1 3 和表1 4 【7 1 。其中直接能耗为直接工艺能耗，如动力、燃料和电力消耗。间接能 耗包括工厂( 或矿山) 设计建设和生产过程中消耗的全部原料、辅助材料所集结 的能耗等。 表1 3 三种不同工艺生产氧化铝的直接能耗 t a b l e1 3d i r e c te n e r g yc o n s u m e di nt h et h r e et e c h n i c st op r o d u c ea l u m i n a 表1 4 三种不同工艺生产氧化铝的间接能耗 t a b l e1 4i n d i r e c te n e r g yc o n s u m e di nt h et h r e et e c h n i c st op r o d u c ea l u m i n a 我国氧化铝生产之所以采用烧结法和联合法工艺，主要是由我国铝土矿资源 特点决定的，我国7 5 的铝土矿铝硅比小于7 ，而拜耳法生产氧化铝要求铝硅比 在8 以上嗍，这样的生产原料不能满足拜耳法生产氧化铝的要求。有资料表明： 用拜耳法生产氧化铝，铝土矿原料中s i 0 2 每增加1 ，每吨矿石将多消耗氢氧化 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 钠6 6 k g ，损失氧化铝8 5 k g ，而用烧结法生产氧化铝，铝土矿原料中每增加s i 0 2 1 ，则多消耗石灰3 5 k g t 9 1 。要改变这种状况，采用能耗较低的拜耳法生产工艺， 就必须对我国的铝土矿进行预脱硅处理，提高铝土矿的铝硅比，以满足拜耳法生 产氧化铝对原料的要求。 1 2 铝土矿物理法脱硅的进展 1 2 1 正浮选脱硅 铝土矿中的有用矿物三水铝石和一水铝石均属氧化矿，脉石矿物主要是铝硅 酸盐，因此正浮选脱硅是抑制铝硅酸盐矿物，采用阴离子捕收剂浮选一水铝石或 三水铝石。采用正浮选来实现铝土矿脱硅的研究相对较多，国内外都有过许多相 关报道。 1 2 1 1 正浮选常用药剂制度 对各种铝土矿脱硅捕收剂的研究主要集中在油酸、塔尔油、中性油、十二烷 基苯磺酸钠、氧化石腊皂、7 3 3 、r a 3 1 5 、苯乙烯磷酸等药剂，研究表明：脂 肪酸类捕收剂如油酸、塔尔油、氧化石腊皂等效果较好【1o ，n 】。 调整剂的研究主要集中在硅酸钠、六偏磷酸盐、亚硫酸钠、碳酸钠、腐植 酸钠、苛性钠、苛性锭粉等药剂以及它们的混合物上【1 2 1 。对脉石矿物有较好抑 制作用的调整剂有硅酸钠、六偏磷酸钠、苛性淀粉等。p h 调整剂有碳酸钠、苛 性钠等。 1 2 1 2 正浮选脱硅的主要特点 1 采用正浮选脱硅的主要特点为【1 3 1 4 1 ：使用的捕收剂为脂肪酸类，调整 剂和抑制剂为n a e c 0 3 、六偏磷酸钠、腐殖酸钠等，药剂来源广泛、成本低。 2 正浮选存在的缺点是：精矿上浮量大，导致脱硅过程中药剂用量大、精 矿中药剂残余量高，对后续拜耳溶出工艺产生负面影响；对于矿物组成复杂、嵌 布粒度细的铝土矿要求细磨，磨矿能耗高，精矿脱水困难、水分含量较大，不利 于降低拜耳法溶出过程的能耗【l 卯。 1 2 2 反浮选脱硅 铝土矿中含硅矿物的含量远低于一水铝石或三水铝石的含量，依据浮少抑多 的原则，采用反浮选工艺更为合理。对于反浮选脱硅来说，关键是对一水铝石或 三水铝石的选择性抑制、采用阳离子型捕收剂或阴离子型捕收剂对硅酸盐矿物和 铝硅酸盐矿物的强化捕收【1 6 , 1 7 】。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 1 反浮选常用药剂制度 关于药剂的研究目前有许多报道【1 删，概括起来主要有以下两个方面。 阳离子型捕收剂反浮选：捕收剂为脂肪胺，活化剂有n a f 、n a 2 s i f 6 、a i f 3 ， 抑制剂有硅酸钠、淀粉、糊精、单宁等，p h 调整剂为h 2 s 0 4 和n a 2 c 0 3 。 阴离子型捕收剂反浮选：捕收剂为脂肪酸盐类，活化剂为金属盐类，抑 制剂有淀粉、单宁等。 1 2 2 2 反浮选脱硅的技术特点 与铝土矿的正浮选脱硅工艺比较，反浮选脱硅工艺具有如下一些特点： 易于实现在比较粗的磨矿条件下进行分选。由于硅酸盐矿物和铝硅酸盐矿 物的硬度低，容易磨碎，因而可以在一水硬铝石粒度较粗的状态进行浮选 分离，这既有利于降低磨矿能耗，同时因获得的一水硬铝石精矿的粒度相 对较粗，使得产物的水分明显下降。 上浮产品产率小，浮选药剂用量少，成本低，且一水硬铝石精矿基本不含 表面活性剂，对拜耳法溶出过程影响小，而且精矿易过滤，也有利于降低 其水分。 机械夹带少，有利于提高产品质量。 由于原矿中存在少量含西、f e 、c a 、m g 的杂质矿物，可望在反浮选中被 选出，可减少拜耳法溶出过程中镁渣结疤与钛渣结疤问题。然而，由于伊 利石可浮性差，一水硬铝石精矿中的伊利石含量有可能大于正浮选的情 况，致使拜耳法溶出过程的钠硅渣结疤问题加重。因此，铝土矿的反浮选 脱硅工艺必须强化对伊利石的捕收。 1 2 3 重选脱硅 铝土矿矿石中各种矿物的密度差异不大，一般很难用单一重选工艺实现分 离。重选更多是作为联合流程中的辅助手段乜引。潘泽琳利用流化床重力分选把原 矿a s 由6 5 5 提高到1 1 5 0 ，a 1 2 0 3 回收率为7 2 8 0 。 贺飞丽啦用重选一浮选联合流程处理山西孝义克俄矿区的铝土矿，首先将 + 0 0 7 4 m m 部分用螺旋溜槽和摇床分选，回收粗粒级的一水硬铝石，重选尾矿再 磨后进入正浮选作业。该工艺与全浮选流程相比，原矿不须一次全部磨细，进入 浮选作业的物料产率减少了2 0 ，药耗、能耗、电耗等都相应减少。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 4 选择性絮凝 选择性絮凝脱硅法主要适用于处理嵌布粒度很细的一水软铝石型铝土矿矿 石。由于该类矿石中含泥较多，故要将矿石细磨，以六偏磷酸钠作分散剂，以 碳酸钠、氢氧化钠作调整剂，以聚丙烯酰胺作絮凝剂使铝矿物发生絮凝，然后将 絮凝物与悬浮物分离。 沃洛娃等嘶3 也进行过高岭石一一水软铝石型铝土矿的选择性絮凝脱硅研究。 首先添加碳酸钠和氢氧化钠，使c a 2 + 等难免离子形成沉淀，然后加入六偏磷酸钠 进行分散，最后添加水解聚丙烯酰胺，水解度8 5 - 8 8 ，分子量2 1 x 1 0 5 2 2 x 1 0 5 。 用机械分级作业分选出粗粒精矿，并与细粒级的选择性絮凝作业配合，使铝土矿 的铝硅比从3 提高到6 ，获得了产率为5 0 - - - 5 5 的精矿和铝硅比为1 2 - - 1 3 、产 率为2 0 - - 2 5 的高岭石产品1 。 选择性絮凝脱硅工艺的主要缺陷是：( 1 ) 磨矿粒度细，要求各组成矿物基本 单体解离，磨矿费用高；( 2 ) 矿石中多种矿物都含有铝，铝本身具有一定的凝聚 作用，使选择性降低；( 3 ) 水质对絮凝效果影响很大。 目前，铝土矿的正浮选和反浮选脱硅工艺都存在一些技术难题需要进一步解 决，主要体现在： 1 药剂成本高，并且没有高效的浮选药剂。 2 磨矿细度比较高，因此消耗的能源比较高，致使铝土矿的分选成本增加。 3 流程复杂，影响因素较多。 1 3 旋流分选技术的研究现状 1 3 1 常规旋流分选技术的研究现状 1 3 1 1 旋流器结构和分离原理 水力旋流器的工作原理是基于离心沉降作用。浆体在一定压强下通过给矿管 沿切向进入旋流器后，在旋流器内形成回旋流，其切向速度在溢流管下口附近达 最大值。同时，在后面浆体的推动下，进入旋流器内的浆体，一面向下运动，一 面向中心运动，形成轴向和径向流动速度，即浆体在旋流器内的流动属于三维运 一 动。 浆体在旋流器内向下运动的过程中，因流动断面逐渐减小，所以内层浆体转 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 而向上运动，即浆体在水力旋流器轴向上的运动是外层向下，内层向上，在任意 一高度断面上均存在着一个速度方向的转变点。在该点上浆体的轴向速度为零。 把这些点连接起来，即构成一个近似锥形面，称为零速包络面。 位于浆体中的固体颗粒，由于离心惯性力的作用而产生向外运动的趋势，但 由于浆体由外向内的径向流动的阻碍，使得细小的颗粒因所受离心惯性力太小， 不足以克服液流的阻力，而只能随向内的浆体流一起进入零速包络面以内，并随 向上的液流一起由溢流管排出，形成溢流产物；而较粗的颗粒则借较大的离心惯 性力克服向内流动浆体流的阻碍，向外运动至零速包络面以外，随向下的液流一 起由沉砂口排出，形成沉砂产物瞳引。 1 3 1 2 常规旋流分离技术的应用 对旋流器的研究历史可追溯到1 8 9 1 年。当时，e b r e t n e y 在美国申请了世 界上第一个水力旋流器的专利 2 9 1 。在1 9 3 9 年，d r i e s s e n 才在荷兰的一座煤矿里 将水力旋流器用于煤泥水的澄清作业【3 0 】。进入2 0 世纪5 0 年代后，水力旋流器 首先在世界各地的选矿厂得到了日益广泛的应用。2 0 0 3 年在南非的c a p e t o w n 召开的0 3 年度m e i 水力旋流器研讨会上，a x s l a m o z l e y 公司的b e n t l e y o r c h a r d ， 介绍了微型水力旋流器在矿物、化学、食品和石油等工业方面的应用情况，旋流 分离技术的应用推广又推上了一个台阶p 1 1 。 与此同时，研究人员做了大量的研究，建立了许多关联边界粒径与旋流器结 构参数和料液物性的模型，但一般只能在得到经验模型的试验范围内使用。基于 这一点，人们利用流体力学理论建立数学模型，但只能部分地解决问题，有很大 局限性。有些研究人员在假定旋流器内部湍流各向同性的条件下求解了关于旋流 器液流运动的偏微分方程，所得到的速度很好的预测了旋流器直径为2 0 0 m m 的 一组实验结果，但他们的工作没有检验模型对进料物性与旋漉器结构参数的稳定 性与敏感性。近年来，h s i e h 、r a j a m a n i 等人在假定有效粘度为旋流器结构与操 作参数函数的条件下，求解了旋流器液流运动的纳维尔一斯托克斯方程。他们所 得到的模型，很好地描述了旋流器结构尺寸对流场的影响1 3 引。 我国在这方面的研究起步较晚，我国的科研院所、大专院校、矿山、石化行 业在消化吸收引进技术和自行开发的基础上也取得了一定成果，关于旋流分离技 术的科研论文常见报道，也有了一些专业生产厂家，例如山东威海海王旋流器有 限公司、江西维东矿山设备有限公司。这些设备在特定的工况下能达到一定的技 术效果，但通用性和稳定性差，缺乏系统的理论依据，在许多方面还需要进一步 研究，如提高分级效率、改善高浓度的细粒分级效果、提高耐磨性能及降低阻力 损失、实现操作的自动控制等，与世界先进国家还有一定的差距，还有许多研究 工作要做 3 3 3 4 1 。 7 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 旋流浮选研究现状 浮选技术已被广泛应用于矿物分选中。由于在重力场中进行的传统机械搅拌 式浮选有两个不足：一是停留时间较长，浮选最少停留时间一般为2m i n ；二是 有效浮选粒度范围较窄，对于较粗或较细的颗粒都不能回收，粒度范围一般为 o o l o l m m ”j 。这两方面的限制严重影响着传统机械搅拌式浮选机的效率。而较。 长的浮选时间则要求大的浮选空间，因此限制了浮选厂的生产能力。为了克服在 一定程度上影响了浮选回收率的约束，研究者提出了用离心力场强化浮选的理 论。矿物与药剂作用后，通过吸气或充气，气泡矿化形成矿粒与气泡的聚合体， 在旋流器离心场中实现旋流浮选技术。目前研究主要分为强化细粒浮选和粗粒浮 选两个方面，依据粗粒和细粒浮选的不同要求，研制了多种新型旋流浮选设备 3 6 - 3 9 o l - 3 2 1 旋流浮选的原理 旋流浮选的理论基础是用离心力强化浮选。各旋流浮选设备的原理不尽相 同。研究最多的是充气式水力旋流器。矿浆从充气水力旋流器顶部沿切线进入其 内之后，首先在内壁上形成一个薄的旋转流层，气体通过多孔介质壁压入充气水 力旋流器内，旋流器内壁表面高速旋转流体强烈的剪切力使气体脱离多孔壁而形 成微小气泡，与药剂作用后的矿粒与气泡碰撞，疏水颗粒进入中央泡沫柱从溢流 管排出，实现选别效果【4 0 】。m i l l e r 等研究者从惯性碰撞理论出发，考虑矿粒与气 泡发生碰撞及附着的概率，定义这样一个粒径：粒径小于它的矿粒将不与气泡发 生碰撞，因为这时矿粒没有足够的惯性来偏离流体的流线。表征惯性力与黏滞力 之比的s t o k e s 准数，可以用来判定矿粒偏离其流线并与气泡发生惯性碰撞的可 能性的大j x 4 。根据临界s t o k e s 准数和其他物理量，可以计算出一个使惯性碰 撞刚好发生的临界粒度，即细粒浮选中的有效浮选矿粒的大小的下限。随着力场 的增强，惯性碰撞临界粒度迅速下降，拓宽了细粒浮选的粒径下限，避免微细粒 的流失 4 2 4 3 1 。 j 吸气式浮选旋流器的不同之处在于，巧妙的利用高速矿浆流产生的负压，自 然吸入空气，用泵将预处理后的矿浆通过气泡发生器的喷嘴高速并沿切线方向给 i 入旋流器。由于高速射流的卷吸作用，气泡发生器吸入大量的空气，矿浆在旋流 器中受圆柱形器壁的限制而作旋转运动，吸入的空气在旋流器内以气泡的形式析 出，气泡与疏水矿粒作用使气泡矿化，旋转的矿化气泡向旋流器中心运动，并形 成泡沫柱，最终由溢流管排出。而亲水的矿粒不与气泡作用，保留在矿浆中，沿 旋流器壁向下运动最终由底流口排出，从而完成了整个分选过程瞰“5 1 。 外部充气式旋流浮选机采用了高能气泡发生器，在矿浆进入旋流器之前，气 泡与矿粒发生高能碰撞，使较宽粒级的疏水矿粒( 包括微细粒和较粗粒) 与气泡碰 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 撞黏附，进入旋流器后，与气泡粘着在一起的疏水颗粒的平均密度小与细粒级矿 粒一同进入溢流管排出。实现对较粗疏水矿粒的预先分离，避免过磨 4 6 “7 1 。 1 3 2 2 旋流浮选的应用实践 在充气水力旋流器的研究发展过程中，人们已将其应用于多种矿物的分选， 如细粒煤浮选、铜矿浮选、黄金浮选、黄铁矿浮选等。其中有的已经在工业上获 得成功应用，有的仅进行过小规模试验研究。 ( 1 ) 铜矿石浮选 v a nc a m p 、k i n n e r b e r g 和m i l l e r 分别在1 9 8 1 和1 9 8 3 年用充气水力旋流器进 行了铜矿石浮选试验研究。用直径为5 1n l n l 、长度为4 0 6i i r a 、泡沫底座直径为 4 5i n i n 的充气水力旋流器对斑岩铜矿进行浮选。其浮选效果与一般工厂的效果相 比铜回收率基本相当，铜的品位约为工业生产效果的一半，但浮选停留时间仅为 0 2 5s ，充气水力旋流器的浮选停留时间大大缩短【4 引。 ( 2 ) 黄金浮选 m i l l e r 等人于1 9 8 6 年用充气水力旋流器对美国c o l o r a d o 河细粒砂金进行了 浮选研究。河砂的含金量为0 4 2g t ，其中2 5 以上的金分布于4 0 0 目粒级。用 直径为5 0 姗的充气水力旋流器进行单段浮选可得到含金6 5 1g t 的精矿，回收 率为8 0 9 8 ；而常规浮选方法仅能获得含金3 2 2 5 眺的精矿，回收率仅为 5 5 8 1 。充气水力旋流器分选细粒级含量高的砂金矿比常规浮选方法效果要好 1 4 9 1o ( 3 ) 黄铁矿浮选 上世纪8 0 年代后期，v a nd e v e n t e r 等人用充气水力旋流器进行了浮选黄铁矿 的研究陬5 1 1 ，从e a s t w i t w a t e r s r a n d 的e r g o 公司的回收堆取出2 批矿样，分别 用充气水力旋流器对其进行了回收黄铁矿的浮选试验【5 2 】。第一批矿样中含硫量 为0 1 4 ，第二批矿样中含硫量为1 4 2 。 ( 4 ) 细粒煤浮选 细粒煤浮选是迄今为止充气水力旋流器应用研究最深入的领域。上世纪8 0 年代初，m i l l e r 和v a n c a m p t 5 3 ，5 4 】采用内径为1 5 0m i l l 的充气水力旋流器对2 8 目 的煤泥进行浮选试验，充气量为6 6l s ，起泡剂浓度为2 0m g l ，进料固相浓度 为3 ，进料流量为4l s ，其浮选性能比常规浮选优越。 1 3 2 3 充气水力旋流器浮选的优缺点 将近7 5 年的研究和应用表明：充气水力旋流器浮选克服了传统机械搅拌式 浮选机存在的两大难题：一是矿粒浮选停留时间长，要求较大的浮选空间，限制 了浮选的生产能力，严重影响浮选效率；二是细粒级矿粒浮选效果差，得不到有 效的分选，细泥夹带严重。而充气水力旋流器相对于传统浮选机具有对细粒级矿 9 东北大学硕士学位论文第一章绪论 物快速有效浮选的优势。充气水力旋流器浮选具有明显优势的同时也存在不足： 由于在离心力场中浮选，所以矿粒的总脱落力增大，脱落临界粒径变小。因此， 该设备浮选要求的入料粒度上限不能太大，适宜细粒矿物的浮选【5 5 】。 1 4 本课题研究的依据及内容 1 4 1 旋流反浮选的理论依据 铝、硅矿物在密度和硬度上都有明显的差异，如表1 5 和1 6 所示。一水硬 铝石的密度为3 2 0 0 , - , 3 5 0 0 k g m 3 ，高于其他硅酸盐矿物的密度，而且一水硬铝石 的硬度较高，铝硅酸盐矿物的硬度低。这两类矿物在晶体结构上也差异明显：一 水硬铝石属链状结构，原子间主要以离子键相连；高岭石、伊利石、叶腊石均为 层状结构，层间为氢键、弱离子键、分子键。 表1 5 铝土矿中矿物的硬度 t a b l e1 5t h er i g i d i t yo f m i n e r a l si nb a u x i t e 由于一水硬铝石与脉石矿物之间存在硬度差异，可以通过选择性磨矿方法实 现解离；由于解离后的二者在原来密度差异的基础上多了粒度差异，故可以利用 旋流器实现分级与分选。 若在旋流器中引入空气、入料预先调浆即加入反浮选体系，则可以强化脉 石矿物的浮溢、阻碍一水硬铝石颗粒与气泡接触( 矿化) ，迫使其进入外旋流， 而且在反浮选体系中，即使一水硬铝石没有被抑制而矿化也不必担心，因为其密 度大从而在离心力场中从气泡上脱落的几率比脉石矿物大得多，所以不必突出显 著的抑制效果，这样可以降低抑制剂选择的难度，比完全的反浮选方法具有较大 的优势。另外，在离心力场中的浮选速度也比其在重力场中快的多。 将旋流力场与反浮选方法相结合来处理一水硬铝石型铝土矿的研究尚未见 报道，开展此方面的研究可为铝土矿选矿探索一条全新的工艺思路。 1 0 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 按美国矿务局公布的1 9 7 8 - - 2 0 0 0 年资源保证程度分类的标准衡量，我国铝 土矿资源属于供应十分充裕的矿种。因此完全具备发展氧化铝工业的资源条件。 因而，我国十分重视铝土矿资源的开发利用，继1 9 9 6 年国家计委将“我国一水 硬铝石型铝土矿生产氧化铝新工艺新技术研究 ( 编号：9 6 一1 2 2 一0 1 ) 列入国家 “九五”重点科技攻关项目以后，1 9 9 9 年国家又将“铝土矿分离基础理论研究 列入了“国家重大基础研究发展规划项目( 简称“9 7 3 计划) 的内容之一。从 2 0 0 5 年起，东北大学承担了“提高铝材质量基础理论研究 ( 批准编号 2 0 0 5 c b 6 2 3 7 0 1 ) 中的子课题“低品位铝土矿浮选分离与综合利用 的研究任务， 本论文就是基于这样的背景做了相关探索，希望寻找到一条适合我国资源特点的 铝土矿有效脱硅的途径。 1 4 2 主要研究内容 1 旋流器的结构参数与操作参数对分选效果的影响 旋流器锥比对分选效果的影响 给矿压强对分选效果的影响 给矿浓度对分选效果的影响 2 旋流重选产品的粒度分析 旋流器锥比对分级效果的影响 给矿压强对分级效果的影响 给矿浓度对分级效果的影响 3 旋流反浮选工艺参数对分选效果的影响 充气量对分选效果的影响 抑制剂种类和用量对分选效果的影响 捕收剂用量对分选效果的影响 气泡调整剂用量对分选效果的影响 4 充气量试验产品的粒度分析 5 给矿细度对旋流反浮选分选效果的影响 不同调整剂条件下给矿细度对分选效果的影响 不同捕收剂用量条件下给矿细度对分选效果的影响 方法 2 1 1 试验矿样的制备 本研究所用矿样为实际矿石，取自河南长城铝业公司。用颚式破碎机和辊式 破碎机将矿样闭路破碎到2 m m 以下，试样制备流程如图2 1 所示。 原矿 试验用矿样 图2 1 破碎流程图 f i g 2 1f l o w s h e e t o fc r a s h i n g 2 1 2 试验用矿样的性质 矿样的