使用旋转摩擦电选机分选迪亚磷矿的选矿研究

摘要：本文旨在分析采用旋转摩擦电选机（RTS）分选迪亚磷矿的可行性。RTS分离试验使用磷矿矿床样品，磷矿矿床样品和矿泥样品进行。矿床样品和矿泥样品在测试时不进行脱泥处理。使用样品进行两组试验：一组没有脱泥，另一组是脱泥的样品。第一组RTS分离试验的产物具有基本相同的含量。这表明磷矿表面吸附的粘土颗粒导致没有脱泥的磷矿分离效果差。用没有脱矿泥的磷矿样品能更好地观察摩擦电分离，这些测试中品位最高的产品含26%。与没有脱泥A3样品相比，脱泥的样品显示出来更好的分离效果。 事实上，脱泥的样品进行摩擦电选得到的精矿含 34%。结果表明，当除去矿泥的样品的的回收率为约65％，其品位为28％。的回收率为约45％时，其品位是30％。这些结果清楚地表明，脱泥在RTS进行磷矿选矿中的重要性。更好的分离效果可以通过优化操作条件和电路结构来实现。

关键字：选矿；摩擦电选分离；磷矿；迪亚；约旦

1引言

磷矿是一种重要的不可再生的的矿产资源，它无法被取代，也不可能在农业应用中回收利用。由于世界粮食产量需要持续增产，所以磷矿产量需要不断增加。最近在全球用玉米生产乙醇，用作重要的能源的热潮，大大提高了玉米价格，并因此刺激了磷矿的需求。统计数据表明，约旦是世界上最大的磷矿产地之一。如果约旦的磷矿资源被有效地利用，它将可以获得巨大的经济效益。

磷矿选矿需要除去石英、燧石、粘土、长石、云母、方解石和白云石等脉石矿物。而各种浮选过程如泡沫浮选极大地帮助约旦的磷矿产业。

干法分选被用于各种散装材料但没有在矿产行业得到广泛普及。大多数干燥空气重介质分离的分选方法，是基于有价值和脉石矿物之间的密度差异。然而静电分离是基于在各种矿物质开发和维护一个静电电荷的能力的差异。摩擦静电分离是三种静电分离技术中的一种。其工作原理是，当两个颗粒彼此摩、焙烧、酸浸、磁分离技术可用于磷矿选矿，但泡沫浮选是最广泛应用的方法。泡沫浮选是一个在水中发生的湿法过程。浮选需要使用的化学药剂，这可能会改变的矿物的特性。浮选还会排放废水，污染环境，烘干成本很高，并且有其他缺点。一种干法磷矿选矿工艺可以让具有更高功函数的颗粒变成带负电，而另一个带正电。摩擦电选机已测试了细粒煤和粉灰的分离效果，仅仅只有少数成功。

传统的摩擦电选过程的研究之前没有取得商业上的成功归因于几个缺点，包括低电荷密度、吞吐量低、过程效率或狭窄的粒径范围。无磷企业利用摩擦电选过程进行磷矿选矿。在本研究中使用的旋转摩擦电选机与现有的电选机完全不同。它提供了巨大的潜力，作为一个干燥的过程来代替湿法泡沫浮选。

2 迪亚磷矿的背景

2.1当地的地质

约旦磷矿都是晚白垩世—始新世特提斯磷矿带的一部分，在非洲北部和地中海东部从加勒比海延伸至伊朗。磷广泛存在于约旦的哈萨磷矿的形成层（AHP）。庞大的磷矿沉积在从北方到南方极端的约旦（图1），迪亚矿床是其中最大的一座。该哈萨磷矿层在迪亚东南，因为它靠近位于进一步南部努比亚砂岩相，所以和约旦中部的磷矿略有不同。碎屑石英主要在地层的基部并且向上含量减小。哈萨磷矿层的总厚度是10～15米。在哈萨磷矿层的截面（图2）由四种磷酸盐床（，，和）和包括磷酸盐燧石和硅化磷酸废物岩石间（IW1和IW2）组成。磷矿床由粘土磷酸盐，中硬磷酸石灰岩薄层，黑矽石和硅藻土组成。平均厚度约为2.15米。磷矿床由平均厚度约为1米的软灰磷酸盐组成。磷矿床由软砂质磷组成。这里的矿床的平均厚度大约是1.7米。

图1 研究区域的地图

图2 研究区的岩石地层段

2.2采矿和开采

迪亚地区利用露天采矿技术开采磷矿矿石。行走吊斗铲和轮斗挖掘机清除覆盖岩层并开采磷矿。开采出来的矿石被装入自动倾卸卡车运输到破碎和筛分工序。原矿中尺寸大于12.5毫米的磷矿石中利用破碎机和筛网除去。合格粒集（-12.5mm）的磷矿石被储存起来，然后运到选矿和干燥车间。

2.3选矿

从矿床（品位21%）开采的原矿首先经历干法筛分。然后在选矿厂将矿石浆料进行洗涤，筛选和搅拌，随后在自然脱水的开放区域过滤并储存在回转窑干燥，以获得品味在31％-32％的磷精矿。另一方面，从其中矿床开采的磷矿原矿（品位31% ）装入自卸卡车运至筛分破碎设备，生产品位在33%-34%的磷精矿。磷矿的原矿（品位12％）从矿开采出来，在破碎和筛分工厂通过清洗和分级得到细粒和粗粒。然后细粒和粗粒的部分进行单独的调节和浮选过程来以除去砂。这种浓缩液储存在一个开放的区域,自然脱水后干燥，产生品位在33％-34％的精矿。

3实验

3.1旋转摩擦电选机

旋转摩擦电选机是由肯塔基大学的研究者最近开发的一种创新的摩擦电选技术。旋转摩擦电选机在矿物加工，材料提纯和电子废弃物回收的测试中取得了巨大成功。如图3所示，分离器由四个主要部分组成：

图3 电选机的工作示意图

图4 电气化旋转充电器的详细信息

1）一种传送设备，将固体颗粒引入充电装置。人们已经发现必须输送用一个小的空气流，以确保粒子撞击充电器。否则细颗粒可能被旋转充电器周围流动的空气带走而无法到达充电器表面。

2）充电室由圆筒和一个同心的转子或充电器组成，在它们之间有一个环形空间。细节如图4所示。外部电源将作为快速旋转的充电器的备用电源，这大大提高了充电器和颗粒之间的电荷转移速度。颗粒因其快速碰撞而获得电荷，并与之摩擦，由此产生了带电的充电器，用于调节控制室中颗粒的停留时间。充电是静电分离过程中最重要的一步，提高了充电效率和分离性能。

3）一个分离室，其中一个阳极和一个阴极形成一个电场，导致带正电和带负电的粒子在分离器的不同侧面朝相反的方向移动。

4）真空源和球阀用来调节粒子的轨迹。这有助于通过可调分流器准确分离不同的粒子成不同的产品流。

这种创新的旋转摩擦电选机可以使颗粒高效分离，而且具有区别现有的电选机的几个独特的功能：

1）旋转粒子充电器的使用。不同于现有的摩擦电技术，其中颗粒通过空气的高速传输或者颗粒之间的摩擦得到电荷，创新式电选机采用旋转式充电器，可以比现有充电器创造能量更高的粒子碰撞和摩擦的。现有充电器（油管，旋流器，蜂窝状，在线混合器）需要消耗大量能量生产加压空气以创造高速粒子所需的摩擦充电条件，相比之下旋转充电器更加节能：它比生产大容量的高压空气消耗更少的能量。由充电器旋转所产生的粒子混合物的动态搅拌增加了两个粒子的粒子和颗粒转子接触，从而提高接触和摩擦充电的数量。换句话说，由于所述颗粒的快速旋转和搅动，在混合物中的颗粒将与充电器和其它颗粒具有多个接触区域。其结果是高电荷密度颗粒的表面上产生同时进入分离室的弱电荷的或中性粒子的数量大大减少。

2）通过施加电压电势到充电器充电集约化。由于充电器和颗粒表面之间的电荷转移增强，充电器的电气化大大增加了局部的电荷密度。这可以描述为方程（1）:

其中是电荷密度；e是电子电荷；和分别表示每单位面积的表面态的充电器和粒子的数量；分别表示充电器和粒子的表面功函数（或化学势）；表示充电停止时，充电器和粒子之间的间隔距离；表示真空的介电常数；E表示外加电场强度。方程（1）表明，E的变化不仅影响的大小，也可以改变粒子的电荷极性。因此对于不同的物质，其电荷密度差可以通过控制外加电势实现最大化，这样可以实现最佳的分离性能。这种特性已经在我们的测试中得到了证实.

3）粒子充电的几率相等，因为所有的粒子被搅拌后都有同样的机会接触充电器。这需要消除多种影响分离的因素。相比于由管式布置的被动充电，由充电器提供的主动充电允许高得多的吞吐量，而且不会降低分离效率。

4）单独的充电和分离的室。为获得最佳的分离性能，充电和分离过程需要不同的流动条件。例如，尽管轻微的湍流在充电区可能是有益的，但是分离区的理想条件却是层流。有一种带式充电器型分离器的分离效率比较低，部分原因是充电和分离在同一地点进行。这里提出的技术要求使用单独的充电和分离室，以便让流动条件可以分别为每个室进行优化。

5）气流矫直的引入：为了尽量减少空气扩散和湍流使用共流或准直是必须的，以免影响细颗粒在分离室的轨迹。这是通过在从分离室的顶部进入适当的速率的共流实现，否则空气涡流可能形成几何学的突变。其目的是理顺气流流线。当颗粒的水平运动方向仅由它的电荷极性和幅度来确定时可以实现最佳分离效果。引入共流加速粒子运动速度并减少颗粒在分离区的滞留时间，从而增加固体吞吐量。颗粒在分离室中的保留时间是约0.3秒，而不是两到三分钟的典型浮选过程。

多种矿物质包括粉煤灰、煤粉，重质碳酸钙（GCC）、磷酸盐或赤铁矿使用旋转摩擦电选机分离都取得了非常好的效果。使用旋转摩擦电选机分选来自佛罗里达州的磷矿浮选入料，得到的磷精矿品位28%，回收率80％。

3.2采样与实验

从磷矿矿床和采集了40份低品位矿样准备用作选矿研究。这些矿样是从81个井眼中选定的。这些样品需要洗涤和浮选作业，浮选之后的样品在空气中干燥和均化，之后放置到干净的塑料袋运输到转运站分离试验和化学分析实验室。

使用旋转摩擦电选机分别对，和矿泥等样品进行分离实验。首先用12目筛（-1.53毫米）对样品进行筛选。 将筛上 12目的物料粉碎至-12目（-1.53毫米），然后和原来-12目原料混合作为分离实验的原料。两批分离实验都用样品，其中一批用没有被筛选的-12目样品进行实验，另一批样品进行了脱泥处理，除去了约占样品总量7%的325目（43um）以下的粉尘。不过使用样品和矿泥做原料的实验都没有进行脱泥处理。

图5显示了用于测试计划的测试流程图。分离的第一阶段产生的三个产品被认定为P、C和N。这些产品在分离室分别朝向正电极移动，留在中心或者向负电极移动。然后将这三种产品进行第二阶段分离，产生九个产品分别编号为PP，PC，PN，CP，CC，CN，NP，NC和NN。第二阶段分离的目的是要产生足够的数据用于构建分离性能曲线。如果性能曲线被绘制为的回收率对比不溶性，或者相似的量，那么沿着上X轴和右Y轴的线表示理想的分离。从左上角到右下角的对角线则表示完全没有分离。

原料

C

P

N

PP

PC

PN

图5 初步的测试流程图

CP

CC

CN

NC

NN

NP

约旦磷矿公司的研究部门使用X射线荧光光谱分析技术分析了60个由磷矿矿床，和矿泥组成的复合样品的主要元素成分。把试样制成熔融颗粒来用于分析。取大约0.8克的试样粉末和7.2克混合，使用金/铂坩埚在1200℃条件下加热混合物3-4分钟。将熔融的物体倒在盘子上，然后冷却到形成玻璃盘。使用熔融颗粒的优点是有一个好的模型或质地。因为玻璃光盘更加均匀，所以分析效果也比较好。而且元素分析的准确度和精度使用了80个国际地球化学标准进行校准。

4结果与讨论

表1显示的是磷矿样品、和矿泥的化学分析数据。磷是最常见的化学元素之一。表2显示的是磷矿样品和和矿泥的9个主要成分的范围，平均值，中位数和标准差。复合磷矿矿床样品的平均主要浓度X21=20plusmn;3(重量%)， 相比于复合磷矿矿床样品的平均浓度X19=24plusmn;6低了一点，也比矿泥的平均浓度X20=23plusmn;1低.来自迪亚磷矿的复合磷矿矿样中的浓度的范围是13到45（重量%），平均浓度是16plusmn;7%。这个平均值相比从磷矿矿床所得的平均浓度范围3%至57%低了一点。但是高于从矿泥中得到的从15%到22%的范围。矿样中的重量含量范围是23%到45%，平均约为36%。 A3矿样中的重量含量范围是18%到49%，平均约为37%。矿泥中的重量含量范围是38%到42%，平均约为40%。这表明矿泥样品会比和样品更加难提纯。通过比较，样品中含有的比样品中的多（平均含量1.61%比0.30%），而且在矿泥中也发现了很多（1.48%），这表明样品会比样品更加难提纯。

表1 两个硅酸盐层和矿泥主要元素的化学分析（%）

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