(中國礦業大學,北京/苑曉光,吳翠平,鄭水林,王云鶴,徐冰玉)粉石英是天然微結晶石英巖長期風化,呈現細分散狀產出的一種石英資源,粒度極細,結構疏松,呈土狀,又稱為“硅土”,其特點為自然粒度細,含雜質少,加工簡單,工業用途廣泛,是一種優質的工業礦物原料。
粉石英以不經過機械研磨即可獲得高純超細(-320目)的石英微粉而區別于普通硅質原料。粉石英主要由硅砂(﹥0.1mm)和硅粉(﹤0.1mm)兩部分組成,經過粉砂分離、脫泥除雜、精細提純、超細分級、脫水干燥和表面改性等深加工后,可用到陶瓷、耐火材料、玻璃、精密加工、保溫材料、橡膠塑料填料、電子電工填料、高分子材料填料等行業中。由于科學技術的不斷進步,高科技產業中對硅的需求量不斷增加,而同時天然水晶資源日趨枯竭,人們被迫把目光轉向高純石英砂。所以,積極推動硅砂選礦技術的進步,降低提純的成本,實現大批量工業化生產,對彌補天然水晶的不足,滿足高科技用硅需求具有重要的實際意義。
粉石英化學成分單一,幾乎都為α-晶質石英。粉石英中雜質主要是金屬氧化物,例如Fe203、Al203等。部分Fe203 以氧化膜的形式賦存在礦物顆粒的表面,Al203則以粘土礦物的形式混雜在礦物中。粉石英的選礦提純即為除去礦物中含鐵、含鋁的雜質。一般采用洗礦、重選、磁選、浮選、化學選礦和其他選礦方法進行分選。
本研究將粉石英進行擦洗分散、篩分、離心分離等試驗,研究離心時間、離心濃度、分離因數等因素對粉石英提純的影響,確定最佳工藝條件,并分析主要影響因素對粉石英的分選機理。
1.實驗部分
1.1原礦
實驗原礦來源為江西某礦業公司。原礦的粒度分布見表1,主要化學成分見表2。
表1 原礦的粒度分布
粒度/目 |
+100 |
-100~+200 |
-200~+325 |
-325 |
產率/% |
6.54 |
2.18 |
3.38 |
87.90 |
表2 原礦的化學成分
化學成分 |
含量/% |
SiO2 |
97.65 |
Al2O3 |
1.08 |
Fe2O3 |
0.33 |
TiO2 |
0.05 |
CaO |
0.05 |
MgO |
0.06 |
K2O |
0.10 |
Na2O |
0.01 |
FeO |
0.04 |
燒失量 |
0.60 |
1.2實驗儀器
實驗所需儀器為:XFD12型擦洗機,長春探礦機械廠;325目國家標準檢驗篩,浙江上虞市龍耀精密儀器廠;TDL-5-A型離心機,上海安亭科學儀器廠;XMT-1502-S 數顯調節儀,寧波市鄞州邱隘佳諾自動化儀表廠。
1.3實驗方法和工藝
采用正交實驗和單因素實驗相結合的方法。
實驗過程:將粉石英礦料、Ph調整劑和分散劑加入擦洗機進行擦洗分散,擦洗濃度75%,擦洗時間20min。將擦洗產品過325目篩,將篩下產品加水調整離心濃度后采用離心機進行離心分選,離心的沉淀物為粉石英精礦,溢流物為雜質礦物。再將精礦烘干后進行檢測。
2.結果與討論
2.1正交試驗
正交設計中,確定PH調整劑用量、分散劑用量、離心時間、離心濃度、分離因數五個因素,每個因素四個水平,選用L16(45)正交表進行實驗。L16正交實驗的因素和水平見表3。
表3 正交實驗的因素、水平
因素 |
水平 |
1 |
2 |
3 |
4 |
離心時間/min |
1 |
2 |
3 |
4 |
離心濃度/% |
10 |
15 |
20 |
25 |
分離因數 |
10 |
20 |
30 |
40 |
Ph調整劑用量/% |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
分散劑用量/% |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
實驗結果見表4,采用SiO2含量進行實驗效果評定,SiO2的含量越高越好,各水平均值均為SiO2含量的平均值。表4正交實驗結果
實驗名稱 |
離心時間 |
離心濃度 |
分離因數 |
Ph調整劑 |
分散劑 |
1水平均值/% |
99.03 |
98.99 |
99.13 |
99.1 |
98.98 |
2水平均值/% |
99.42 |
99.37 |
99.30 |
99.32 |
99.30 |
3水平均值/% |
99.25 |
99.30 |
99.29 |
99.28 |
99.35 |
4水平均值/% |
99.33 |
99.37 |
99.31 |
99.33 |
99.40 |
級差r |
0.39 |
0.38 |
0.18 |
0.22 |
0.43 |
根據表4的實驗結果,以SiO2平均含量的級差r作為因素評定標準,可知對粉石英提純影響較大的因素依次為分散劑用量>離心時間>離心濃度>Ph調整劑用量>分離因數。其中離心時間取2水平、離心濃度取2或4水平、分離因數取4水平、Ph調整劑用量取4水平、分散劑用量取4水平提純效果較好。
2.2單因素實驗
對分離因數、離心時間、離心濃度三個因素進行單因素試驗。分離因數試驗的五個水平為10、20、30、40、50;離心時間試驗的五個水平為1min、2min、3min、4min、5min;離心濃度試驗的五個水平為10%、15%、20%、25%、30%。為方便結果分析,自定義兩個指標:SiO2的含量系數v和SiO2的白度系數u,它們分別表示實驗所得的精礦中SiO2的含量減去99%再擴大一萬倍所得的數值和白度減去70再擴大十倍所得的數值。為了避免誤差對結果分析的影響,采用SiO2含量系數v、白度系數u兩個度量標準,v越高越好,u越高越好。實驗結果見圖1~圖3。
圖1 分離因數的影響
由圖1可以看出:當分離因數取20時,SiO2含量系數v、白度系數u的綜合測試值取得峰值。分離因數小于20或大于20,綜合測試值均減小。這是因為分離因數過小會使粉石英精礦不能充分沉降,分離因數過大,會使雜質礦物過分沉降。
圖2 離心時間的影響
由圖2可以看出:離心時間取2min時,SiO2含量系數v、白度系數u的綜合測試值取得峰值。分離時間大于2min或小于2min時綜合測試值均減小。這是因為離心時間過短粉石英精礦不能充分沉降,離心時間過長會使雜質礦物過多沉降。
圖3 離心濃度的影響
由圖3可以看出:離心濃度取25%時SiO2含量系數v、白度系數u的綜合測試值取得峰值。離心濃度過小或離心濃度過大綜合測試值均減小。這是因為,濃度增大會出現沉降阻滯現象,沉降顆粒的沉降速度減小,使粉石英精礦不能充分沉降;離心濃度過小會使雜質礦物過分沉降。
綜合SiO2含量系數v、白度系數u兩個度量標準,可以看出,分離因數取20、離心時間取2min、離心濃度取25%條件下,粉石英提純效果最好。
2.3離心分選機理討論
本試驗研究的特點是通過離心分離對粉石英進行分選。由于在離心力場中,離心加速度要比重力加速度大很多。所以,相同的顆粒在離心力場中的沉降速度快,因而相同距離上的沉降時間很大程度上縮短了。
礦粒在離心力場中的離心加速度為:
式中 r—礦粒旋轉半徑
w—礦粒旋轉角速度
vt—礦粒切向速度
設密度為 的礦粒在離心力場中所受的離心力為 :
式中 d—礦粒的直徑
—介質的密度
礦粒離心沉降時所受的介質阻力為:
式中 —阻力系數
—礦粒的徑向速度
對于微細礦粒,可以采用斯托克斯阻力公式:
式中 —介質粘度
由 得微細礦粒在離心力場中的沉降速度為:
當離心礦漿的離心濃度增大到一定值后,會出現沉降阻滯現象。礦粒的沉降速度會比自由沉降時的速度小。因而要在實際的計算中引進礦漿濃度修正系數,取(1-λ)5.5作為修正系數( 為礦漿中固相顆粒的容積濃度)。
修正后的沉降速度公式為:
該沉降速度公式中,(1- )5.5和 rw2分別體現了離心濃度和分離因數對分選的影響。離心濃度增大,即 增大、(1- )5.5減小,會使粉石英精礦和雜質礦物的沉降速度均減小。分離因數增大,即 rw2增大,會使粉石英精礦和雜質礦物的沉降速度均增大。在離心時間一定的情況下,只有使粉石英精礦充分沉降,而雜質礦物盡量少沉降才能使原礦充分提純。也就是說,離心濃度中存在一個峰值濃度,若濃度比峰值濃度小,則會使雜質過分沉淀,若濃度比峰值濃度大,則粉石英精礦不能充分沉淀;分離因數中存在一個峰值分離因數,離心因數比峰值分離因數小則粉石英精礦不能充分沉淀,離心因數比峰值分離因數大則會使雜質過分沉淀。這與單因素實驗中離心濃度出現峰值25%,分離因數出現峰值20是相符的。
3.結論
1)用擦洗分散、離心分離的方法提純粉石英效果顯著,SiO2的含量可從97.65%提升至99.56%。
2)分離因數取20、離心時間取2min、離心濃度取25%條件下,粉石英提純效果最好。
(廈門非金屬礦加工與應用技術交流會,發表于中國粉體技術雜志)
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