多金屬尾礦宏量分質分離試驗研究①

王 鑫， 孫 磊， 何斌全， 喬 毅， 王建軍， 向美桃， 曹學鋒， 艾妙香

（1.中南大學，湖南 長沙 410083； 2.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司，湖南 郴州 423037）

尾礦是在采選冶過程中產生的含有較低有用成分的殘渣。 我國目前的尾礦堆存量已經超過了100 億噸，且每年排放量仍在遞增。 這些堆存的尾礦不僅占用了大量土地，其中的重金屬和殘留藥劑等也對周圍土壤和水體構成了嚴重的威脅。 尾礦組分的復雜性和選別技術的局限性使得我國尾礦資源利用率僅7%左右。 隨著資源逐漸匱乏，尾礦庫無疑成為一座待開發的寶庫［1］。 目前，尾礦的利用方式主要有建筑材料、農業生產、采區回填、二次選別等［2］。 在建筑材料利用方面，有些尾礦的化學組分與硅酸鹽水泥熟料相似，可按一定比例摻入膠凝材料中，從而增強其抗壓強度，同時降低生產成本［3-4］。 在輕質陶粒燒制方面，尾礦也被廣泛利用，尤其是微細粒硅酸鹽尾礦，其比表面積大、有一定燒結黏性，是燒制輕質陶瓷化骨料的優質原料［5-6］。 此外，有些尾礦中含有有價組分，可以通過二次選別分選出來，但大多成本較高，綜合利用率較低。如何高效地利用和消納尾礦，已成為礦山企業面臨的突出問題和科研院所研究的重點問題。

湖南柿竹園多金屬尾礦組分多，賦存狀態復雜，導致有價組分深度回收困難；同時尾礦組分與建材行業所需物料要求差異大，無法直接進行大摻量利用。 宏量分質分離是一種依據多金屬尾礦中不同組分性質差異進行選別分類、得到不同產品并分別加以利用，從而實現尾礦高消納的方法。 本文以柿竹園多金屬尾礦為研究對象，采用宏量分質分離與綜合利用方法，將尾礦的二次選別目標與建材化利用需求相匹配。 該方法將分離后得到的鐵鋁質礦物產品用于制備燒結固化重金屬膠凝材料，鈣質礦物產品用于新型輕質建材生產或作為二級螢石產品進一步利用，硅質礦物產品用于燒結制備陶瓷化骨料。 采用這種處理方法可以實現尾礦的高消納利用，減少尾礦堆積，延長尾礦庫的使用年限，降低對周圍環境的污染，并為企業帶來經濟效益。

1 樣品性質

試驗所用樣品取自湖南郴州柿竹園多金屬尾礦，樣品中－25 μm 粒級含量超過50%，主要礦物為石英、長石、石榴石等含硅礦物和螢石（CaF2）、方解石等含鈣礦物，如表1 所示。 相應化學元素組成也以O、Si、Ca、Al、Fe 為主，如表2 所示。 礦物組成和元素組成相對復雜，無法滿足建材化利用的原料要求，需進行選別。

表1 試樣主要礦物組成（質量分數） %

表2 試樣化學多元素分析結果（質量分數） %

2 試驗方法、儀器和試劑

通過分析柿竹園尾礦樣品礦物組成和元素含量可知，尾礦中的鐵鋁質礦物主要為石榴石和綠泥石，鈣質礦物主要為螢石和方解石，硅質礦物包括石英及其他硅酸鹽。 將尾礦按上述類別進行分選，得到的產品即可滿足相應的建材化原料需求。 為此，本文開展了尾礦磁選和浮選研究。 磁選試驗采用DLSD-SY 型超精細高梯度磁選機，最高磁感應強度1.6 T。 浮選試驗采用XFD 型系列浮選機，所用浮選試劑無水碳酸鈉、油酸鈉、六偏磷酸鈉、硫酸鋁和硫酸為分析純試劑，松醇油為工業級試劑，抑制劑GLY-Ⅲ為實驗室自制改性鹽化水玻璃；所有試劑均用去離子水配置成溶液使用。試驗中使用的其他儀器設備還包括PHB-5 型pH 計、UW1020 型電子天平、ZGP-Φ260 型真空過濾機和DHG-9070A 型電熱鼓風干燥箱等。

3 試驗結果與討論

3.1 鐵鋁質礦物分離

尾礦中的石榴石、鐵氧化物等鐵鋁質礦物屬弱磁性礦物，采用磁選法選別。 磁感應強度1.3 T 時分選效果較好，該條件下的試驗結果如表3 所示。 磁選精礦中石榴石品位為40.17%，回收率達到94.08%。 該磁選精礦可用于制備膠凝材料，根據后續建材化試驗結果，摻入量可以超過70%，并且相較于傳統水泥，其水化反應更加完全，抗壓強度也更大，可部分替代礦山尾礦充填材料，降低充填成本。

表3 尾礦試樣磁選試驗結果

3.2 鈣硅質礦物分離

3.2.1 含鈣礦物捕收劑種類試驗

強磁選之后的尾礦需要進一步分選鈣質礦物和硅質礦物。 尾礦中的鈣質礦物主要為螢石和方解石，常用捕收劑為油酸、油酸鈉和十二烷基硫酸鈉等［7-8］。 試驗礦漿濃度30%，捕收劑用量均為500 g／t 時，考察了各含鈣礦物捕收劑的效果，試驗流程及藥劑制度如圖1所示，結果如表4 所示。

圖1 鈣硅質礦物浮選分離捕收劑種類試驗流程

表4 鈣硅質礦物浮選分離捕收劑種類試驗結果

由表4 可知，以油酸鈉為捕收劑、用量為500 g／t時，粗選精礦中Ca 品位可以達到18.03%，回收率為76.74%，浮選效果較好。 而以十二烷基硫酸鈉為捕收劑時，精礦中Ca 品位為13.43%，回收率為72.03%，產率最大，選擇性很差。 油酸的浮選效果居中。

3.2.2 含硅礦物抑制劑種類試驗

為進一步提升鈣硅分離效果，提高精礦中Ca 品位，考察了常用硅酸鹽抑制劑鹽化水玻璃、酸化水玻璃［9-11］以及自制改性鹽化水玻璃GLY-Ⅲ與六偏磷酸鈉組合使用［12-13］在精選中對含硅礦物的抑制效果。

一粗七精抑制劑用量依次為1 000 g／t、500 g／t、500 g／t、250 g／t、250 g／t、100 g／t 和50 g／t，3 組對比試驗中抑制劑用量相同，試驗流程及藥劑制度如圖2 所示，結果如表5 所示。 由表5 可知，GLY-Ⅲ＋六偏磷酸鈉配合使用的抑制效果優于鹽化水玻璃和酸化水玻璃，并且二者配比對抑制效果影響明顯。 當其質量比為1 ∶1時，浮選精礦Ca 品位為48.04%，其中CaF2品位達到了71.34%，Si 品位僅為1.11%，鈣硅分離效果較好。 水玻璃主要通過SiO（OH）3－吸附于石英等含硅礦物表面，降低其表面電位，增加顆粒間靜電斥力和親水性，而自制抑制劑GLY-Ⅲ在此基礎上增強了對含硅礦物的選擇性抑制，抑制效果更顯著。

圖2 鈣硅質礦物浮選分離抑制劑種類試驗流程

表5 鈣硅質礦物浮選分離抑制劑種類試驗結果

3.2.3 閉路浮選試驗

在開路試驗基礎上，對磁選尾礦開展了閉路浮選試驗，試驗流程和藥劑制度如圖3 所示，結果如表6 所示。 通過“一粗七精兩掃”浮選工藝流程，最終得到鈣質礦物和硅質礦物兩個產品。 鈣質礦物中Ca 品位達到58.00%（其余元素為O、C、F 以及微量的Si），回收率為50.29%，其中主要含鈣礦物為螢石，品位為76.47%，回收率為64.79%。 鈣質礦物產品既滿足燒結制備膠凝材料的配料要求，也可以作為低品質螢石進一步利用。 硅質礦物中Si 品位為27.96%，回收率超過了99%，且Fe、Al 等有害元素含量較低，滿足燒結制備陶瓷化骨料的原料要求。

圖3 鈣硅質礦物浮選分離閉路試驗流程

表6 鈣硅質礦物浮選分離閉路試驗結果

4 結 論

1） 湖南柿竹園多金屬尾礦主要礦物組分有石英、長石、石榴石等含硅礦物和螢石、方解石等含鈣礦物，礦物組成和元素組成復雜，與建材行業所需物料要求差異大，無法直接利用。

2） 尾礦通過磁感應強度1.3 T 的強磁選，可獲得品位40.17%、回收率94.08%的石榴石精礦。 磁選尾礦以油酸鈉為捕收劑、自制改性鹽化水玻璃GLY-Ⅲ與六偏磷酸鈉為組合抑制劑，通過“一粗七精兩掃”浮選，可獲得CaF2品位76.47%、回收率64.79%的鈣質礦物和Si 品位27.96%的硅質礦物，實現了Fe、Ca、Si三類礦物的宏量分質分離。

3） 經磁選-浮選法分質分離得到的鐵鋁質礦物、鈣質礦物和硅質礦物滿足制備膠凝材料、燒結陶瓷化骨料等不同建材化配料需求，為實現多金屬尾礦的高消納利用提供了新的方法和思路。