高淑玲,魏德洲,刘文刚,马龙秋

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

铝土矿是生产氧化铝的重要原料，也是其最主要的应用领域。我国的铝土矿资源以一水硬铝石型为主，其主要特征是高铝、高硅、低铝硅比、矿物组成复杂,并且含铝矿物和含硅矿物间的嵌布关系密切。这导致氧化铝的生产成本高、产品质量差。为了适应氧化铝拜耳法对其原料的要求，进行铝土矿选矿脱硅的研究和实践近年来得到了广泛重视[1-5]。

作为分选的一种有效作用力，应用离心力来强化微细颗粒的分选，越来越被认为是一种重要的发展途径。旋流器是利用离心力与重力复合力场的典型设备，因其具有结构简单、占地面积小、运行费用低、处理工艺简单等优势，而被广泛用于矿业、化学、石油、生物、医学等领域的固-固、固-液、液-液、固-气等多种单元分离过程[6-11]。为了探讨一水硬铝石型铝土矿中的铝硅矿物能否在旋流力场中实现有效分离，本文通过改变锥角、底流口直径、给矿压强三个主要参数，来考察铝硅矿物颗粒的旋流分选特性，并根据分选产物的矿浆体积产率和固体质量产率的变化趋势进行机理分析。

1 试验原料与方法

1.1 试验原料

试验所用矿样为来自河南长城铝业公司的低铝硅比铝土矿，其化学成分分析、化学物相分析及矿物组成，分别如表1、表2和表3所示。

表1 矿石的化学成分分析结果

由表1可看出，该矿石中Al2O3的含量为59.80%，SiO2的含量为13.62%，铝硅比(A/S)为4.39。矿石中杂质元素Fe、TiO2的含量分别为5.37%、3.12%，含量较高。

表2 矿石中Al2O3的化学物相分析结果(%)

表2 表明，一水硬铝石为该铝土矿中主要含铝的成分，其占有率为84.21%，其他含铝的矿物的占有率之和为15.79%。

表3 矿石的矿物组成及含量

表3中的结果表明，矿石中的含铝矿物主要由一水硬铝石、少量一水软铝石及微量的三水铝石和铝凝胶组成；含硅脉石矿物主要由高岭石、绿泥石、伊利石和石英组成；硫化矿物主要是黄铁矿；铁矿物主要包括针铁矿、水针铁矿和赤铁矿；钛矿物主要由锐钛矿、金红石、板钛矿和榍石组成；此外，还含有方解石等其他脉石矿物。

1.2 试验研究方法

首先称取一定量的矿样，用球磨机磨至试验所需要的粒度，然后对其进行旋流分选试验，旋流分选试验设备联系图，如图1所示。

进行旋流分选试验时，首先将矿浆调至合适的浓度，然后打开渣浆泵，把矿浆送入旋流器中进行分选。给矿压强通过阀门进行调节，并利用压力表同步检测。待系统运行平稳后，取原矿、溢流及底流产品样，分别量取矿浆体积后，烘干、称重，并进行化学成分分析，然后分别计算产品的产率、铝硅比及回收率等指标。

图1 旋流分选试验设备联系图1.φ75mm旋流器；2.搅拌桶；3.渣浆泵；4.压力表；5.放料阀；6.进料阀；7.出料阀；8.给矿取样阀；9.溢流取样阀

2 试验结果

2.1 采用不同锥角时底流口直径对铝硅矿物旋流分选效果的影响

在旋流器溢流口直径为17mm、给矿压强为0.4MPa、给矿浓度为10%、给矿粒度为-0.074mm粒级含量占61.91%的试验条件下，分别采用7°、11°、15°、19°的锥角，逐一考察底流口直径对铝土矿旋流分选效果的影响，试验结果如图2、图3所示。

由图2可以看出，对于同一锥角而言，随着底流口直径的增大，铝硅比基本呈下降趋势。采用不同锥角时，底流口直径对底流A/S的影响程度也是不同的，对锥角11°、15°、19°而言，随着底流口直径的逐渐增大，这些指标的变化趋势很显著；而采用7°锥角时，呈现的变化趋势则要平缓得多，且在一些点处出现了与整体变化趋势相反的情况，例如，当底流口直径由6mm变为8mm时，底流的铝硅比有一定幅度的上升，而不是下降。这表明，锥角较小时，适当增加底流口直径有利于分选过程的进行。

图2中的结果还表明，采用11°锥角时，在大部分底流口直径条件下，均能获得比采用其他锥角更高的铝硅比。当其底流口直径为6mm时，底流产品的铝硅比为6.87，比其他试验条件的都高一些。

根据图3可知，对于同一锥角而言，随底流口直径的增大，溢流的铝硅比呈下降趋势；对于不同锥角而言，曲线的变化趋势大体相同，但变化幅度不同，尤其是采用19°锥角时，溢流的铝硅比曲线，与其他3条曲线相比要平缓一些，而且在各个底流口直径条件下获得的溢流的铝硅比均比采用其他锥角时的高；锥角为7°时，溢流的铝硅比基本上为最低。溢流的铝硅比基本上随着锥角的减小而降低。

从图3可以看出，在各个锥角条件下，随着底流口直径的增大，底流中Al2O3的回收率均呈逐渐升高的趋势，即当底流口直径为16mm时，底流中Al2O3的回收率达到最大值。图3的试验结果还表明，采用19°锥角时，在各个底流口直径条件下，底流中Al2O3的回收率基本上为最低；采用7°锥角时，底流中Al2O3的回收率则基本为最高，当其底流口直径为16mm时，底流中Al2O3的回收率高达90.10%。

2.2 采用不同锥角时给矿压强对铝土矿分选效果的影响

在旋流器溢流口直径为17mm、给矿浓度为10%、给矿粒度为-0.074mm粒级含量占 61.90%的条件下，分别采用7°、11°、15°、19°的锥角(相应的锥比为8/17、6/17、6/17、6/17)，分析了给矿压强对铝土矿旋流分选效果的影响，试验结果如图4、图5所示。

图2 底流口直径对底流A/S的影响

图3 底流口直径对底流中Al2O3回收率的影响

图4 给矿压强对底流A/S的影响

由图4中的试验结果可以看出，采用11°锥角时，随着给矿压强的逐渐增大，底流的铝硅比呈现先升高、后略微下降的趋势，当给矿压强为0.3MPa时，底流的铝硅比达最高值(7.37)；采用19°锥角时，随着给矿压强的增大，底流的铝硅比逐渐减小；采用15°和7°锥角时，底流铝硅比的变化趋势则不是很明显。可见，采用不同锥角时，给矿压强对底流铝硅比的影响规律有所不同，这从某种程度上说明，锥角与给矿压强对铝硅矿物的旋流分选过程存在着一定的交互影响。

由图5可以看出，采用4种不同的锥角时，底流中Al2O3的回收率随着给矿压强的增大而增大，当给矿压强为0.4MPa时, 底流中Al2O3的回收率最高；采用7°锥角时的试验数据与采用其他3个锥角时的试验数据差异明显，底流中Al2O3的回收率明显较高，当其给矿压强为0.4MPa时，底流中Al2O3的回收率达最高值(87.01%)；当采用11°、15°和19°锥角时，底流中Al2O3的回收率则相对较低，并且数值较为接近；在给矿压强相同时，底流中Al2O3的回收率基本上随着锥角的增大而降低。

3 机理分析与讨论

为了分析各参数对液相及矿物颗粒运动行为的影响，考察了溢流体积产率及固体产率随之变化的情况，分别见图6、图7。

由图6可以看出，对于同一锥角而言，随着底流口直径的增大，溢流体积产率和溢流固体产率均呈下降趋势。这是因为，矿浆在旋流器内的运动存在一个轴向零速包络面(LZVV)，它在空间的位置决定了分级粒度的大小，而底流口直径的增大会使轴向零速包络面向旋流器的中轴线收缩，从而使内旋流的流量相对减少；对于不同锥角而言，曲线的变化趋势相同，溢流体积产率基本上随着锥角的减小而降低，但降低幅度不大；溢流固体产率也基本上随着锥角的减小而降低，尤其是当底流口直径较小时，采用7°锥角时的溢流固体产率明显比采用其他3个锥角时的小。可见，当采用的锥角减小到一定程度后，分级粒度的减小趋势将更加明显，导致进入溢流的颗粒数量也明显减少。

以上分析表明，底流口直径增大后，Al2O3品位较低的微细粒级从溢流排出的量相应减少，而进入底流的量相应增加。这一方面使溢流产物的铝硅比不断降低，底流产物中Al2O3的回收率有所提高；另一方面使得底流中Al2O3的品位及铝硅比降低，分选精确度及效果明显变差。

图5 给矿压强对底流中Al2O3回收率的影响

图6 底流口直径对溢流体积产率的影响

图7 给矿压强对溢流体积产率的影响

由图7可见，给矿压强增大后，溢流体积产率变化不大，而溢流固体产率的下降趋势则较为明显。产率的变化趋势说明，给矿压强的改变基本不影响轴向零速包络面的空间位置，液流在底流和溢流的分配率基本保持恒定；增大锥角可使轴向零速包络面向外扩展，液流进入溢流的量增加；增大给矿压强，颗粒的惯性离心力增大，跟随液相进入溢流的几率减小，所以溢流的固体产率会相应降低。

根据上述结果可知，给矿压强增大时，矿浆在底流和溢流中的分配比例基本保持恒定，但颗粒的惯性离心力增大，因此其跟随液相进入溢流的几率减小，使得溢流的固体产率降低，铝硅比也不断降低。在锥角一定时，增大给矿压强可对旋流分选产生有利影响，使分选效果得以改善。

4 结 论

1) 增大底流口直径，溢流体积产率降低，溢流固体产率随之相应减少。底流口直径的增大还使底流中Al2O3的品位及铝硅比下降，SiO2的品位上升；使溢流中Al2O3的品位及铝硅比下降，SiO2的品位上升；尽管底流中Al2O3的回收率有所提高，但是分选的精确度下降。

2) 增大给矿压强，液流在底流和溢流中的分配率基本保持恒定，但颗粒所受到的离心惯性力增大，跟随液相进入溢流的几率减小，所以溢流的固体产率降低，其铝硅比也不断降低；底流中Al2O3的回收率则随着给矿压强的增大而增大，而底流产物的铝硅比则因给矿压强和锥角的交互影响而呈现不同的变化趋势。

3) 增大锥角可使矿浆进入溢流的量增加，溢流的固体产率相应增加；与采用其他锥角时的情况比较，采用7°锥角更适于铝土矿脱泥作业的进行。

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