硫化礦磨礦體系的物理和化學作用及其對浮選工藝的影響

李青柯 巫焱明 顧幗華 王艷紅

(1.中南大學資源加工與生物工程學院,湖南 長沙 410083;2.紫金礦業集團股份有限公司,福建 上杭 364200)

磨礦作為礦石在選別前的重要加工作業,一直是影響和決定選礦廠工藝指標和經濟效益的重要工序[1]。 磨礦實現礦石中有用成分充分單體分離,并獲得粒度分布合適入選的物料,是礦物高效分選的先決條件[2-3]。 因此,磨礦產品的質量很大程度上決定選礦廠工藝指標(精礦質量與回收率)的好壞。 同時,磨礦又是一個能耗和介質消耗較高的工序,其費用在整個選礦成本中占比較高,直接影響選礦廠的經濟效益[4-5]。

正因如此,磨礦的研究一直是礦物加工領域的重點[6]。 已有文獻資料表明,有關磨礦體系的研究主要集中在兩個方面,一是從傳統磨礦作用的角度,圍繞如何提高有用礦物解離度和磨礦效率、降低碎磨能耗等,在介質選擇、設備開發和流程優化等方面開展了大量工作,并取得了顯著進展[7-9]。 另一方面,隨著學者們研究的不斷深入,發現磨礦對礦物,特別是硫化礦物的浮選行為有顯著影響[10-13],而這些影響與磨礦體系中存在的磨礦介質和礦石參與的物理和化學作用有關。

硫化礦物在自然界中廣泛分布,也是有色金屬礦產資源的重要存在形式,常常采用浮選法進行選別。硫化礦磨礦—浮選是一個非常復雜的過程,許多學者針對硫化礦物單體解離和可浮性的關系、磨礦介質及其對硫化礦物浮選性能的影響進行了廣泛的理論研究和實踐驗證[3,14-15]。 已經證實硫化礦磨礦過程中受到物理粉碎作用、機械力化學作用和電化學作用,導致磨礦產品粒度分布、晶體結構、表面性質和礦漿化學性質發生改變,這對浮選礦漿環境和硫化礦物的浮選分離行為產生至關重要的影響[16-18]。 本研究從硫化礦磨礦體系中存在的物理和化學作用角度,探討了磨礦設備、磨礦性質、工藝參數、氣體和溶液環境等對磨礦產品性質和礦漿化學性質的影響,以及最終對硫化礦浮選的影響。

1 磨礦體系的物理和化學作用

硫化礦磨礦過程是一個復雜的物理化學過程,常常伴隨著物理粉碎作用、機械力化學作用和電化學作用等,研究這些作用是理解磨礦如何影響硫化礦物浮選的關鍵。

1.1 物理粉碎作用

磨礦體系對硫化礦的物理粉碎作用,是指在不同粉碎機制的磨礦設備內部,運動的磨礦介質對礦石的粉碎作用,其主要影響因素包括基于不同粉碎機制的磨礦設備、磨機內運動的介質以及礦石的性質等,各因素之間相互關聯、相互制約決定了礦物的解離效果。

硫化礦石的構成往往比較復雜,大部分是多礦種共伴生,且有用礦物嵌布粒度較細,礦石需要分階段磨礦。 針對不同的硫化礦石性質和產品細度需要選用不同磨礦設備,如球磨機、(半)自磨機等滾筒磨機,塔磨機、Isa 磨機等攪拌磨機,這些設備為在其內部運動的礦石和介質提供不同的運動環境,導致各磨礦設備的主要物理粉碎作用不同[19]。 一般來講,磨機的物理粉碎作用主要有沖擊、研磨和擠壓3 種,如圖1 所示[20]。

圖1 硫化礦磨礦體系的物理粉碎作用(根據文獻[20]重新繪制)Fig.1 Physical comminution action of grinding systems for sulfide minerals (redrawn according to literature[20])

(1)沖擊作用。 沖擊作用包括磨礦介質、礦石、筒壁三者之間的沖擊,此時介質和礦石之間的動量交換非常迅速,能夠在較短時間內完成粉碎[21]。 當半自磨機、球磨機等滾筒磨機筒體轉速較高時,介質隨筒體上升到一定高度后拋落下來,介質的機械能主要用于沖擊礦石。 沖擊作用適用于初始磨礦,此時礦石粒度較大,耐受沖擊能力較強,且受沖擊幾率較高[22];隨著磨礦的進行,礦石粒度逐漸減小,受到沖擊的概率也隨之減少。

(2)研磨作用。 研磨是通過平行作用于礦石顆粒的剪切力來研磨砂石的過程,礦物在研磨作用下被磨蝕[23]。 沖擊和研磨區別在于,介質和礦物發生沖擊作用時,二者的重心位于公切面的法線上,即發生共線碰撞,而研磨作用是偏心碰撞,因此,研磨可看作低能量的沖擊[24]。 對于攪拌磨機而言,介質幾乎沒有自由下落,因此其粉碎作用是研磨,而非沖擊[25]。當滾筒磨機轉速較低時,介質隨磨機筒壁到達最高處后,在自身重力作用下瀉落,對礦石的粉碎作用以研磨為主。

(3)擠壓作用。 擠壓作用是指礦石受到介質的擠壓而被粉碎,由于壓力作用較為緩慢,能獲得粒度較均勻的磨礦產品。 在攪拌磨機中,介質對礦物的作用力包括水平方向上的離心擠壓力和豎直方向上的重力擠壓力,靠近磨機底部的介質受到的作用力較強,對礦物的粉碎作用也較明顯[26]。 研究表明,擠壓作用產生較高的應力,使得礦物在晶界產生微裂紋,有利于礦石的解理,提高礦物解離度[27-29]。

沖擊、研磨和擠壓這3 種物理粉碎作用可同時存在,但其各自的加載速率(應變率)不同。 SAEIDI等[30]將不同粉碎作用按照應變率的大小分為靜態、準靜態和動態三組,如圖2 所示。 常見粉碎設備處理礦石的應變率屬于準靜態,一般而言,高壓輥磨機和破碎機依靠擠壓力來破碎顆粒,擠壓速度范圍為0.05 m/s 至0.1 m/s;滾筒磨機主要依靠沖擊力來破碎顆粒,加載速率范圍從0.5 m/s 到10 m/s。 研究表明,加載速率對硫化礦物解離有重要意義[30-32]。GARCIA 等[33]利用X 射線顯微斷層掃描技術分析硫化銅礦物在擠壓前后的比界面面積,并用二者之比定量分析礦物晶界斷裂的程度,結果表明,加載速率變慢,礦物的晶界斷裂顯著,有利于裂紋在晶界處拓展。OZCAN 等[34]研究沖擊和擠壓的加載速率對2 種硫化銅礦解離的影響,結果表明,對于+75 μm 粒級,擠壓比沖擊有更好的礦物解離效果;而對于-75 μm 粒級,二者無明顯區別。 ALTUN 等[22]發現,沖擊和研磨對黃銅礦磨礦產品中不同粒級的解離程度有所差異,對于+38 μm 粒級,沖擊作用的解離效果更好;對于-38 μm 粒級,研磨作用具有優勢,能獲得更高的解離度。 可見,粉碎作用直接影響硫化礦磨礦產品的粒度和解離度。

圖2 與不同機制相關的應變率(根據文獻[30]重新繪制)Fig.2 Strain rates associated with different types of loading(redrawn according to literature[30])

1.2 化學作用

硫化礦的磨礦過程不僅有力學因素主導的物理作用過程,還存在硫化礦物、磨礦介質、溶液和氣體環境等參與的化學作用,如電化學作用和機械力化學作用。

1.2.1 電化學作用

由于大多數硫化礦具有半導體性質,在磨礦過程中會與磨礦介質或其他硫化礦物發生電化學作用。按照腐蝕電化學原理中的混合電位理論,磨礦體系是一個沒有外加電壓的內部短路體系,在空間上存在著被隔離的陽極過程和陰極過程,其中的電化學作用可以分成兩類,一是在同一固體表面發生的電化學反應即局部電池,二是2 個或多個固相處在電接觸狀態時形成的迦伐尼電偶[12]。

硫化礦物在成礦過程中往往會形成類質同象,使其存在一定的雜質,這會造成礦物性質的不均勻性。硫化礦物表面因此產生不同的電位區域,使得電化學作用能夠在空間上分隔,分別形成發生氧化反應的陽極區和發生還原反應的陰極區,即形成局部電池,如圖3(a)所示。 磨礦介質(通常是鋼球)存在與硫化礦類似的現象,如圖3(b)所示。 另外,由于各種硫化礦物以及磨礦介質的靜電位不同,磨礦過程中,礦物與鋼介質之間、各種礦物之間相互接觸,就會由于靜電位的差異而形成腐蝕電偶,如圖3(c)～(e)所示。此時,在靜電位較低的礦物或鋼介質表面發生陽極反應,在靜電位較高的礦物表面發生陰極反應。

圖3 硫化礦磨礦體系的電化學作用Fig.3 Electrochemical interactions of grinding system for sulfide minerals

硫化礦磨礦體系電化學作用的主要結果是磨礦介質中的鐵被氧化,發生的反應如式(1)～(2)所示。這些電化學反應產生的電子轉移到陰極硫化礦物上,導致氧氣還原,如式(3)所示。 如果礦石中含有不同的硫化礦物,則靜電位較低的硫化礦作陽極,其表面生成單質硫,如式(4)所示,并進一步氧化成其他硫氧化合物。

1.2.2 機械力化學作用

機械力化學作用是指物質受到機械力作用而發生的化學變化或物理化學變化[35]。 磨礦過程中,硫化礦界面相互作用表現為一種機械力電化學行為,這是力學和電化學共同作用的結果[36]。 硫化礦物在磨礦過程中受到沖擊、研磨和擠壓的機械力作用,礦物會發生解理或脫去被氧化的表面,當礦物粒度減小到一定限度時還會發生塑性變形,其表面結構的有序程度受到干擾并不斷向內部擴展,最終使得礦物顆粒的結晶狀態發生改變[37-39]。 在此過程中,硫化礦顆粒以晶格缺陷的形式儲存機械能,導致體系自由能增加,礦物表面活性增強,可以誘發許多常溫下難以進行的化學反應[40-41]。

不同晶體結構和物理化學性質的硫化礦在機械力作用下會表現出不同的作用機理和效果。 HU等[42]發現硫化礦磨礦機械力化學作用的一般規律是:對于具有良好的熱穩定性和完整解理面的硫化礦物,如閃鋅礦、輝鉬礦,機械力化學作用主要是使礦物晶格發生改變;而對于黃鐵礦和方鉛礦之類的具有熱不穩定性的脆性硫化礦,機械力化學作用不僅會使礦物晶格發生改變,還會使礦物產生熱分解。 因此,不同硫化礦物在機械力作用下表現出不同的化學性質。

在硫化礦磨礦體系中,機械力化學作用的主要體現形式為磨礦,機械力化學作用對不同硫化礦物晶體的破壞程度不同,可以通過調節磨礦條件和后續浮選藥劑條件實現復雜礦物的選擇性分離[43]。 另外,由于磨礦機械力化學作用能夠促進礦物細化,降低浸出溫度,增加晶格畸變,并產生水溶性化合物,因而在強化硫化礦物浸出方面也得到良好應用[44-45]。

綜上,硫化礦在磨礦體系中會發生一系列復雜的物理和化學作用。 基于不同碎磨機制的磨機為其內部運動的介質提供不同的機械環境,造成介質對礦物物理粉碎作用的差異。 硫化礦在受到磨礦介質施加的作用力被粉碎,在粒度減小、表面積增加的同時,還會以晶格缺陷的形式儲存能量,增強礦物表面活性,發生機械力化學作用。 硫化礦物具有的半導體性質使其在磨礦中與介質或其他礦物接觸時發生電化學作用。

2 磨礦體系物理和化學作用對磨礦產品顆粒性質的影響

如前所述,硫化礦在磨礦過程中受到物理粉碎作用造成礦石粒度減小,同時電化學作用和機械力化學作用會改變硫化礦物的表面性質和晶體結構。

2.1 磨礦產品粒度及其分布

硫化礦磨礦過程中,磨礦體系的物理粉碎作用機制、介質性質、工藝參數等影響介質的運動狀態,進而改變體系內的物理作用強度,并造成硫化礦磨礦產品粒度及其分布和礦物解離程度的差異。

研究表明,物理粉碎作用決定硫化礦磨礦產品的粒度分布:沖擊產品的粒度分布較寬,擠壓次之,研磨最窄[46]。 在磨礦產品細度(如以-200 目計)相同時,以沖擊和研磨作用為主的Magotteaux 磨機比以研磨作用為主的Isa 磨機能產生更多的微細粒產品和更寬的粒度分布[47]。

對于確定的磨機來說,磨礦介質對硫化礦磨礦產品粒度及其分布的影響主要受控于介質尺寸、介質密度和形狀等因素。 離散元模擬和相關試驗表明,較小尺寸的介質有利于細磨,增大介質尺寸會促進粗顆粒的粉碎[48]。 密度更高的鑄鐵介質與礦石之間的作用力比陶瓷介質更強,磨礦產品粒度更細[49]。 WANG等[50]利用不同形狀的介質研磨黃銅礦,發現與球介質相比,段介質磨礦產品粒度主要集中在中間粒級,而過粗粒級和過細粒級含量較少。

硫化礦磨礦產品的粒度及其分布還受各磨礦工藝參數及其交互作用的影響,確定合理的磨礦時間、介質填充率和礦漿濃度等參數是獲得良好磨礦指標的重要保證[51]。 研究發現,過高的填充率,球介質的研磨能力降低,產品中粗粒級含量增加,細粒級和合格粒級含量減少;延長磨礦時間,球介質與礦石之間的作用得到加強,細粒級含量增加,但增加速度逐漸減緩[52]。 磨礦濃度能夠顯著影響產品粒度,較高的磨礦濃度能夠增加介質與礦石的作用概率,有利于粉碎礦石;但濃度過高會導致礦漿黏度增加,降低介質的有效密度,削弱介質的粉碎作用,導致產品粒度偏粗[53]。

上述磨機粉碎作用機制、介質性質和工藝參數對硫化礦磨礦產品粒度及其分布的影響主要表現為物理作用。 實際上,還存在化學作用,比如添加助磨劑能夠調節礦漿流動性,提高磨礦效率,有利于礦物解離和縮窄產品粒度分布,實現選擇性磨礦[54]。 目前,助磨效果研究主要集中在鐵礦、鋁土礦領域,且相關作用機理尚缺乏全面研究[55-56]。

2.2 磨礦產品晶體結構

硫化礦磨礦過程中輸入的機械能,先發揮降低硫化礦粒度的作用,然后以礦物晶體結構改變的方式存儲為化學能[57]。 相同粒級的礦物,磨礦時間越長,晶格畸變程度越大;不同粒級的同種礦物畸變程度與磨礦時間呈正相關關系[58]。 研究表明,在相同磨礦條件下,閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦的晶格畸變率由大到小[59]。 CHEN 等[60]發現,隨著磨機轉速的增大,毒砂特征峰的強度降低,半峰寬增大,表明磨礦的機械力化學作用導致了礦物晶體結構減小和變形。 WANG等[50]根據黃銅礦段磨和球磨產品的X 射線衍射峰值強度計算各自的晶面暴露率,發現段磨產品的{112}晶面暴露率更高,球磨產品則暴露更多的{204}、{220}和{312}晶面。

2.3 磨礦產品表面性質

礦物表面性質包括表面形態、表面成分和表面電性等。 硫化礦在磨礦過程中受粉碎作用機制以及電化學、機械力化學作用的影響,表面性質會發生改變,這種變化對礦物回收率的影響可能大于粒度減小和解離提高所產生的影響[47]。

不同粉碎作用機制影響硫化礦物解離形式和磨礦產品顆粒的表面形態。 研究表明,擠壓和沖擊作用使硫化礦物均勻地碎裂產生新表面,研磨作用能產生具有新表面的中間顆粒和保留原表面的細顆粒[61]。一般而言,研磨作用不足以使粒度較大的礦石發生明顯碎裂,而是將其表面的尖角剝落,使其更圓[62],而擠壓作用會使礦物表面更加粗糙[63]。

磨礦介質、磨礦環境會顯著影響硫化礦磨礦電化學作用,進而影響磨礦產品表面元素和電性等性質。研究表明,相比于陶瓷、鉻鋼等電化學活性低的介質,采用鋼球、鑄鐵球等電化學活性高的介質研磨硫化礦時,磨礦電化學作用更強烈,磨礦產品表面腐蝕程度較高且更加粗糙,表面Fe、O 含量較高,并且有大量絮狀氫氧化物積累,等電點較高[49,64-65]。 與濕式磨礦產品相比,硫化礦干式研磨會產生粗糙度和圓形度更高的顆粒,但二者的表面元素和零電點沒有顯著差異[66-67]。

磨礦過程中,強烈的機械力作用會導致不同硫化礦物之間的表面成分發生均化,研究礦物表面金屬離子遷移有助于理解硫化礦物磨礦時的相互作用,為研究多種硫化礦混合磨礦過程建立表面化學基礎[68]。研究發現,方鉛礦與閃鋅礦混合研磨時,方鉛礦的鉛離子容易吸附到閃鋅礦表面[69]。 黃銅礦與閃鋅礦混合研磨也會產生類似現象[70]。

綜上,硫化礦磨礦體系對磨礦產品顆粒性質的影響主要包括物理粉碎作用對礦石粒度及其分布、礦物解離形式的影響,以及電化學作用、機械力化學作用對礦物晶體結構和表面性質的影響。 不同的粉碎作用機制、介質性質、磨礦工藝參數等因素會通過改變物理和化學作用強度來影響磨礦產品性質。

3 磨礦體系物理和化學作用對礦漿化學性質的影響

硫化礦與磨礦介質之間的電化學作用會導致發生氧化還原反應,進而導致礦漿pH、溶解氧、礦漿電位和離子濃度等礦漿化學性質發生變化。

3.1 礦漿pH

礦漿pH 是磨礦體系化學環境的重要特征參數,主要受磨礦電化學作用的影響。 如前所述,當磨礦介質與硫化礦發生電化學作用時,磨礦介質作陽極失去電子,硫化礦作陰極,溶解氧在陰極得到電子被還原,并生成OH-。 因此,采用電化學活性高的磨礦介質得到的礦漿pH 值高于采用電化學活性低的磨礦介質[71-72]。

硫化礦磨礦的氣體環境也會影響電化學作用強度,進而造成礦漿pH 的差異。 XU 等[73]對黃鐵礦在不同磨礦條件下(70%鍛鋼介質/30%鉻鋼介質+空氣/氮氣)進行礦漿pH 實時監測。 研究發現,在空氣中采用鍛鋼或鉻鋼進行磨礦,對礦漿pH 的影響并不大,雖然2 種介質與黃鐵礦之間的電化學作用強度不一樣,但整個礦漿體系中由電化學作用產生的H+和OH-較少,不足以引起礦漿pH 的顯著變化;但黃鐵礦在磨礦前期的充氮調漿期間發生了氧化,產生了酸性礦漿,并生成了大量的鐵離子,加速了后續電化學反應,生成了大量的OH-,導致礦漿pH 顯著增大,所以鍛鋼介質對應的礦漿pH 值遠大于鉻鋼介質。

3.2 礦漿溶解氧

礦漿溶解氧決定硫化礦磨礦體系的氧化還原環境和礦漿電化學特征,是磨礦體系化學環境的重要指示器[72]。 礦漿溶解氧的消耗主要通過磨礦電化學作用實現,磨礦介質對此影響最大。 CORIN 等[72]使用4 種不同的磨礦介質研磨某銅鎳硫化礦,結果表明,礦漿溶解氧濃度由大到小對應的介質依次為鉻鋼球、不銹鋼棒、鍛鋼球、低碳鋼棒,這是因為低碳鋼、鍛鋼等介質電化學活性高,與硫化礦物之間的電化學作用強烈,陰極消耗的氧氣也多。 同理,陶瓷介質作為惰性磨礦介質,與硫化礦物的電化學作用較弱,礦漿中的溶解氧消耗較少[15]。

3.3 礦漿電位

礦漿電位是礦漿化學性質最有代表性的特征參數,可以調節系統的氧化還原性質,還能用于確定硫化礦物表面的氧化物種類,預測最佳浮選條件[74]。礦漿電位是各類氧化還原反應混合電位之和,主要與磨礦電化學作用有關,磨礦介質和藥劑添加都會改變礦漿電位。

硫化礦磨礦過程中,隨著氧氣在陰極被還原消耗,礦漿混合電位值向陰極方向移動,礦漿電位降低。研究表明,磨礦采用鍛鋼、鑄鐵等電化學活性高的介質,礦漿電位值更低[72-73,75]。 CHEN 等[11]發現,相比于棒磨機,攪拌磨機在相同磨礦細度條件下可以更快產生細顆粒并迅速消耗氧氣,得到更低的礦漿電位。在生產實踐中,會根據礦物性質和選別工藝需要而將捕收劑或抑制劑添加到磨機中,這也會對礦漿電位有所影響[76-78]。

3.4 礦漿離子濃度

硫化礦磨礦礦漿中的離子來源主要包括選礦用水的引入、硫化礦物的氧化溶解和磨礦介質磨損[79]。磨礦介質的磨損會產生Fe2+/Fe3+,這既包括純粹的物理消耗,也包括電化學作用造成的腐蝕。 ZHANG等[49,71]研究發現使用陶瓷介質研磨黃鐵礦、黃銅礦時,磨礦礦漿Fe3+濃度顯著低于鑄鐵介質。 這一方面是由于鑄鐵介質密度高,作用力強,容易造成介質損耗;另一方面是因為鑄鐵介質能增強磨礦電化學作用,促進介質腐蝕。

磨礦氣體環境不僅會影響礦漿離子的濃度,還會決定離子的存在形式。 黃鐵礦在不同磨礦氣體環境下產生鐵離子的途徑并不相同[73],當采用鍛鋼或鉻鋼介質在空氣中磨礦時,礦漿中鐵的存在形式隨著礦漿電位和pH 值的變化在Fe(OH)3和Fe2+之間轉變。區別在于,磨礦結束時鍛鋼介質傾向于形成可溶性的Fe2+,鉻鋼則傾向于形成Fe(OH)3沉淀。 但是在氮氣中磨礦時,不論采用何種介質,礦漿中的鐵始終以Fe2+形式存在。

磨礦時間也會通過影響電化學作用強度來影響礦漿離子濃度。 聶夢宇等[80]檢測了閃鋅礦磨礦后礦漿中的金屬離子含量,發現隨著磨礦時間的延長,礦漿中的Fe3+、Zn2+含量不斷減少,這是因為這些金屬離子與礦漿中的OH-形成不溶性氫氧化物吸附在礦物表面。

硫化礦磨礦礦漿的化學性質主要受電化學作用的影響,磨礦介質電化學活性、磨礦氣體環境等均會影響電化學作用強度。 其中,磨礦介質和硫化礦物的靜電位差異是影響磨礦電化學作用的主要因素。 電化學活性低的介質,與礦物的電化學作用弱。 陽極上,介質磨損程度輕,水解產生吸附在礦物表面的親水性氫氧化物更少;陰極上,氧氣消耗少,表現為更低的礦漿pH、更高的溶解氧濃度和礦漿電位。

4 磨礦體系物理和化學作用對硫化礦物浮選的影響

浮選是硫化礦選別的常用方法,磨礦通常是硫化礦入選前的最后一道準備作業。 硫化礦在磨礦體系內受到復雜的物理和化學作用,導致磨礦產品的顆粒性質和礦漿化學性質發生變化,這勢必會影響到硫化礦浮選性能和分離效率。

硫化礦在磨礦過程中受到的機械力作用和化學作用,使磨礦產品的粒度分布、顆粒形狀、表面性質和晶體結構發生改變,進而影響到硫化礦物的疏水性、捕收劑在硫化礦物表面的吸附以及硫化礦物顆粒與氣泡的附著過程, 從而影響礦物浮選[10,61,81]。ZHANG 等[82]研究發現,隨著黃鐵礦磨礦產品粒度從-74 μm 占70%提高到-74 μm 占95%,黃鐵礦浮選回收率先增加后減小,且黃鐵礦的浮選速率與中間粒級(10～120 μm)含量成正相關,這是由于產品粒度較粗時,增加了礦物與氣泡脫附的概率;當產品粒度較細時,礦物不容易吸附在氣泡上[83]。 UYSAL 等[84]研究了閃鋅礦的形態特征對浮選的影響,發現表面相對粗糙、圓形度較高的顆粒與氣泡的結合更加牢固,浮選回收率也更高。 XU 等[85]發現,使用電化學活性較低的研磨介質(如鉻鋼)或減少磨機中的溶解氧含量(如氮氣吹掃),可以顯著降低黃鐵礦磨礦過程中暴露的新鮮表面的氧化速率,從而增加礦物疏水性。汪聰等[86]研究了段磨和球磨對黃銅礦和黃鐵礦浮選分離的影響,發現段磨能使黃銅礦暴露更多(112)面,使黃鐵礦暴露較多(200)面,而黃銅礦(112)面與捕收劑間的作用能更高,因而使用段磨暴露更多黃銅礦(112)面,可以強化銅硫浮選分離。

在礦漿化學性質方面,磨礦電化學作用導致礦漿pH、溶解氧、電位和離子濃度發生改變,進而對硫化礦物浮選造成顯著影響[74]。 MU 等[87-88]研究了不同磨礦介質(鍛鋼、15%鉻鋼和30%鉻鋼)下礦漿pH 對黃鐵礦浮選的影響。 在pH=5.0 時,黃鐵礦的浮選主要受表面鐵氧化物含量和黃藥濃度控制,30%鉻鋼介質對應的礦物表面產生的鐵氧化物含量低,且具有較高的礦漿電位,能夠促進黃藥的氧化,進而獲得最高的浮選回收率。 在pH=7.0 時,黃鐵礦浮選主要受黃藥濃度控制,介質類型對其無明顯影響,黃藥濃度高時,更容易氧化形成雙黃藥,促進礦物浮選。 在pH=8.5 時,黃鐵礦浮選主要受礦漿電位控制,盡管鍛鋼介質在礦物表面產生較多的鐵氧化物,但具有的最低礦漿電位有利于黃藥氧化和黃鐵礦浮選。 CAN 等[89]比較了硫化銅礦以低碳鋼球和不銹鋼球為介質,在干磨和濕磨條件下的礦漿電位,發現干磨條件下消除了礦物與介質之間的電化學作用,無論采用何種介質,其礦漿電位均顯著高于濕磨礦漿電位,能夠提高浮選回收率。 關于磨礦礦漿離子對浮選的影響,ZHANG等[90]發現,與陶瓷介質相比,鑄鐵介質與黃銅礦的電化學作用強烈,會產生更多的Fe2+,在一定pH 范圍內氧化并水解生成親水性的FeOOH,罩蓋在礦物表面,阻礙捕收劑與礦物的吸附,惡化黃銅礦的浮選;但是楊綿延等[91]認為適量的陽離子能在黃銅礦表面形成新的活性位點,增強礦物與捕收劑的鍵合作用,提高回收率。 李達等[92]考察了磨礦介質對黃銅礦和閃鋅礦浮選分離的影響,認為陶瓷介質磨礦礦漿中Cu2+和Zn2+濃度、溶解氧含量較高,pH 值和Fe3+濃度較低,有利于黃銅礦和閃鋅礦的浮選分離。

由此可見,在磨礦物理和化學作用下,硫化礦磨礦產品顆粒性質和礦漿化學性質的變化對后續礦物浮選有顯著影響。 換言之,硫化礦物浮選需從調整和優化磨礦體系開始。 同時,在揭示磨礦體系對硫化礦浮選影響的機理時,應當綜合考慮介質與硫化礦物相互作用、介質類型、礦物性質、礦漿性質、磨礦氣體和溶液環境等關鍵因素及彼此的交互作用[93]。

5 總結與展望

(1)硫化礦磨礦體系包含復雜的物理和化學作用,這些物理和化學作用對硫化礦浮選的影響顯著。在磨礦物理和化學作用下,硫化礦磨礦產品顆粒性質和礦漿化學性質的變化是影響硫化礦物后續浮選分離效果的主要因素,因此,從磨礦階段就有目的地為后續浮選創造良好的顆粒表面物理化學性質和礦漿化學環境是實現硫化礦物高效分選的關鍵,也是硫化礦磨礦-浮選體系一體化研究的發展趨勢。

(2)開發適用于硫化礦磨礦的數值模擬技術。目前,相關數值模擬技術均依賴磨礦過程中運動狀態、受力形式、礦漿性質等假設,導致數值模擬結果與實際磨礦體系有較大差別。 同時,現有軟件能夠模擬的顆粒數目有限、仿真時間過長。 因此需要加強對硫化礦磨礦數值模擬技術開發,優化算法,簡化模型,提高硫化礦磨礦數值模擬的精準度和計算效率。

(3)開展硫化礦磨礦介質組合使用的基礎理論研究。 通過開展頑石、瓷球和鋼球配比研究,開發出既能滿足硫化礦石粉碎強度要求,又能削弱鋼球磨損生成的難免離子對硫化礦浮選產生不利影響的介質組合,并以此為基礎,揭示其理論依據。