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选矿技术
四川某石英砂岩精制石英砂提纯研究
2017-10-14571

石英砂在我国储量十分丰富,但总体上富矿少,矿石含杂质矿物种类多和杂质赋存状态复杂,兼之石英砂提纯对生产设备、环境和操作因素等环节要求严格,稍不注意,就可能造成二次污染,客观上导致了石英砂提纯上的困难。水晶资源的枯蝎和市场需求量日益增多,及相应地对其产品质量要求也更加严格,都要求对石英砂深加工技术作进一步的试验研究,研制出高质量的石英砂制品以满足高科技用硅的需求。 四川沐川县黄丹镇加禾村新碉楼化肥用砂岩矿矿产资源丰富,据相关部门初步勘查估算,该地区石英砂岩矿石储量为95万吨,矿石SiO2的品位一般在93%以上,目前仅作为化肥用石英砂开采。为进一步提高该石英砂矿的利用价值,使之具有更好的经济开发利用价值,在工艺矿物学研究的基础上,进行石英精选探索试验,以期提高SiO2含量,减少杂质A1203、Fe203和Ti等含量,确定该矿可以选得的精制石英砂品位指标,为提升该矿的利用价值提供技术支持。

一、矿石工艺矿物学特征

(一)矿石化学成分 原矿的多元素化学成分分析结果见表1。 表1 矿石的化学成分/%

组分 SiO2 K2O Na2O CaO MgO TFe2O3 Al2O3
含量 93.42 0.97 0.14 0.42 0.17 0.99 2.57

矿石以SiO2为主,其余成分含量甚低。Al2O3、K2O和铁含量较高,此外,含有一定量的CaO 、MgO和 Na2O,因此提纯试验的主要目的是去除Al2O3 、K2O和铁。

(二)矿物的组成及含量 矿石磨光面在肉眼下无色,矿石构造主要为块状。经镜下鉴定,其主要矿物为石英,杂质矿物主要为粘土、钾长石等高铝矿物及铁矿物,铁矿物以赤铁矿为主含少量磁铁矿(表2)。 表2 矿石中主要矿物的含量/%

矿 物 赤铁矿 白云母 石英 粘土 水云母 长石 电气石
含量 <1 1 75~80 10~15 2 <5 <1

(三)主要矿物的产出形式 石英:SiO2主要载体矿物,也是试验研究的主要目的矿物,其形态及嵌布形式较为简单,在矿石中的产出形式主要为以下几种: (1)砂状:次圆-次角状碎屑,分选好,颗粒支撑,孔隙式-接触式胶结,多呈0.1~0.5mm的细-中粒砂状。 (2)硅质团块状:粘土质重结晶产物。 (3)加大边状:为石英碎屑间硅质物重结晶产物,呈次生加大边状围绕石英碎屑分布。 粘土、钾长石:为K2O和Al2O3主要赋存矿物,钾长石呈次圆-次角状碎屑,多为0.1~0.5mm的细-中粒砂状;粘以无定形隐晶质为主,部分结晶成显微鳞片状水云母。 赤铁矿:为矿石中的铁矿物,以0.002mm±的微粒分布于碎屑间孔隙中。

(四)石英砂的嵌布粒度 为给制订合理的选矿工艺流程、确定适当的磨矿细度提供依据,对矿石中石英的嵌布粒度进行了统计,结果表明,样品中石英粒度较集中均匀分布于细粒(0.417~0.104mm)嵌布的范畴。

综上所述,矿石属细—中粒硅质石英砂岩,矿石中SiO2含量仅为93%左右,作为精制石英砂原料,需经提纯后利用。矿石中呈粒间孔隙填隙物形式产出的粘土矿物、钾长石、微粒铁矿物(赤铁矿、磁铁矿),导致有害杂质Al2O3、K2O和Fe的含量较高。矿石中石英砂嵌布粒度0.1~0.5mm,磨矿细度达到﹣0.1m(140目)能保证矿样中有60%左右的石英解离。该矿样虽属可选的石英砂岩矿石,但因钾长石物理性质如比重等与石英相似,较难与石英分离。

二、选矿提纯探索试验

石英砂原矿工艺矿物学研究表明,该石英砂岩中的矿物间主要靠胶结物二次连生,杂质矿物主要存在于颗粒表面和石英颗粒裂隙之间。石英表面不洁净,分布有大量尘点粘土及杂质矿物,多为次生加大胶结、局部有粘土胶结,极少量石英晶体中含有气液包裹体、其他矿物包裹体,但总体上石英晶体内基本较纯净。矿石的杂质主要来自于粘土矿物、铁矿物、钾长石,同时有少量来自于次生石英胶结物与原生石英颗粒间隙中呈次显微状分布的粘土等。据此,选定以分级――擦洗脱泥――酸处理为主的工艺,对该石英砂进行单因素选矿提纯试验研究,并探索了磁选除铁和浮选去钾铝的可行性。

(一)磨矿粒度 为了确定合适的磨矿细度,使石英被解离而回收,而又不被过粉碎,进行了两组组磨矿细度试验,分别为初碎-2mm筛析粒度分析和磨矿细度试验。 -2mm筛析粒度分析的结果表明,在不同的粒度条件下,磨矿产品中SiO2品位在89.23~95.06%,并在-0.208~+0.104mm粒级达到最大(95.06%),表明样品在很细及较粗的粒度条件下,并不能大幅度提高石英品位(表3)。考察-0.208~+0.104mm粒级可知,该粒级SiO2提高到95.06%、Fe、Al、Ti总含量在该粒级亦最小,提示石英及杂质矿物在该品位粒级得到较大分离,考虑磨矿工艺的经济性及磨矿分级效果,选择-0.208~+0.104mm作为合适的磨矿粒度。 样品采用初碎――球磨处理的简单磨矿工艺,可获得-0.208~+0.104mm粒级53.42%的产率(表4)。 表3 样品-2mm筛析粒度化学分析结果/%

磨矿细度(mm) 重量(g) SiO2 TFe2O3 Al2O3 TiO2 备注
+0.417 145 89.23 2.44 3.46 0.51 样品经过粗碎颚式破碎机和对辊机初碎。
-0.417~+0.208 490 92.24 2.27 2.94 0.45
-0.208~+0.104 230 95.06 1.26 2.22 0.14
-0.104~+0.074 70 92.71 1.42 3.32 0.25
-0.074 55 91.36 0.41 4.75 0.2
原样 1025 93.42 0.99 2.57  

(二)擦冼脱泥试验

因矿石中杂质多附着于石英表面,对-0.208~+0.104mm粒级产物,采用水玻璃作为擦冼剂进行擦洗脱泥试验,试验结果表明,原样经擦冼脱泥后,SiO2品位有较大提升,且杂质Fe、Al也得到一定脱除。但样品采用该流程得到的精矿品位(98.01%),仍达不到较好的可利用价值品位,而且有害杂质去除率也不高,故单纯选用此流程作为该矿的选矿工艺流程,不能完全达到提纯目的。 表5 磨矿—强磁选—脱泥—酸处理流程试验结果/%

样品名称 SiO2 TFe2O3 Al2O3 备注
原样 95.06 1.26 2.22  
精矿 98.01 0.076 0.93 -0.208~+0.104mm样品100g,水100g,水玻璃20g混合擦洗,水洗抽滤,烘干磨至-0.074mm化学分析。

(三)酸处理试验 由于酸性介质对Fe、Al、K等有较好的浸取力,而对Si则基本不影响,为此对样品探索了强酸环境下的除杂的可能性。取-0.208~+0.104mm粒级擦洗脱泥后样品,经化学分析后按20g一组分为四组,分别配入不同比例的单酸和混合酸进行强酸处理,在室温(17~20℃)、PH值调至1.8~2.0、处理时间30分钟和60分钟条件下进行搅拌浸出,处理后的样品过滤洗涤至PH值7.0左右取样分析,试验结果见表6。 表6 酸处理试验结果/%

样品名称 SiO2 TFe2O3 Al2O3 备注
原样SY-1 98.23 0.055 1.30  
SY-1 99.11 0.039 0.81 取样品20g +水+1:1硫酸调至PH值1.8,17℃搅拌0.5小时
SY-2 99.33 0.027 0.50 取样品20g +水+1:1硫酸调至PH值1.8,17℃搅拌1小时
SY-3 98.92 0.032 0.65 取样品20g +水+1:1硫酸+氢氟酸(1:1)调至PH值2.0,17℃搅拌0.5小时
SY-4 99.60 0.020 0.26 取样品20g +水+1:1硫酸+氢氟酸(1:1)调至PH值2.0,17℃搅拌1小时

从表6的结果可知,样品采用单酸(硫酸)处理,可以得到SiO2品位99%以上、有害杂质Al2O3和TFe2O3含量大大降低的精制石英砂,且随处理时间的增加,杂质去除率显著增加;虽然氢氟酸(HF)对SiO2有一定的浸蚀,经试验证明,在相同条件下,加入HF的混合酸处理效果优于单酸,在提升SiO2和降低Al2O3、 TFe2O3间可取得合理的平衡。

(四)除铁去钾可行性探索 考虑到在进行酸处理前经磁选去除部分铁矿物,可以减少酸消耗,对原矿-0.208~+0.104mm样品,采用武汉洛克粉磨设备制造公司RK/YC-Φ300永磁磁选机,在磁场强度3000高斯条件下进行了强磁选作业。磁选精矿经化学分析证实,铁的去除率极低,主要是由于铁矿物呈微粒(0.002mm±)包裹于其他矿物中,在该粒级不能有效解离,因此在该粒级下,采用强磁选作业不能达到有效去铁的目的。 矿石中杂质K、Al主要来源于少量的钾长石和粘土,经擦洗脱泥后可去除部分粘土中所载K、Al,为进一步去除该类杂质,对脱泥处理后粒度在-0.208~+0.104mm样品,进行浮选工艺探索试验,以期采用浮选分离长石与石英。 浮选试验在常温(18~20℃)酸性环境条件下加入捕收剂进行,仪器为吉林省探矿机械厂0.5L-XFDⅢ单槽浮选机。浮选药剂制度、试验流程见图5。 试验结果表明,采用浮选工艺时,石英和钾长石虽可得到一定的分离,但分选效果不理想。据前人研究资料,含F浮选对钾长石与石英的分离具有较好效果,但考虑F排放的问题,本文未对含F浮选工艺进行探索;且由于浮选将增加该矿的处理成本,因此未对浮选工艺参数作更深入的试验。

三、结论与建议

(一)石英砂选矿提纯方法和工艺流程一般从原矿中杂质矿物的赋存状态、提纯工艺的选矿成本以及精砂制品的工业用途等三个方面加以考虑,在满足工业用途的前提下,应尽可能选择工艺简单、成本较低并易于工业实现的工艺流程。

(二)矿石属可选石英砂岩矿石,通过合理简单的工艺流程,矿石中SiO2可提纯至99%以上。加入HF的混合酸处理效果明显优于单酸(硫酸),但需要考虑浸取液中F排放的问题。

(三)矿石作为微硅粉原料,选择“磨矿分级-擦洗脱泥”工艺即可满足要求;作为一般工业用途的精制石英砂(SiO2≥99.0~99.5%、Fe2O3≤0.02~0.015%),推荐选用“磨矿分级-擦洗脱泥-单酸处理”工艺,可满足精砂的质量要求;作为高纯石英砂(SiO2≥99.5~99.9%、Fe2O3≤0.005%)或熔融石英砂(SiO2>99.9~99.95%、Fe2O3<5~25×10-6、Al2O3<20~30×10-6)等高科技用砂的原料,则需要进一步研究浮选和酸浸的工艺条件对石英砂进行再次提纯。经初步试验,在放弃浮选工艺的前提下,该矿细调 “磨矿分级-擦洗脱泥—强磁选—强酸处理”流程工艺参数可使SiO2品位至99.9%及以上,但是否有经济效益需要通过技术经济评价确定。

(四)单因素探索提纯试验结果虽已满足精制石英砂要求,但作为开发应用的前提,应就工艺中各参数的最佳条件进行试验,以寻求合理的技术经济平衡的工艺条件。

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