钒钛磁铁矿磨矿动力学试验研究.pdf
钒钛磁铁矿磨矿动力学试验研究 ① 何 逵1, 库建刚2, 徐国印1, 伍 斌1, 郑 毅3, 魏 江1 (1.攀枝花学院 资源与环境工程学院,四川 攀枝花 617000; 2.福州大学 紫金矿业学院,福建 福州 350108; 3.干热河谷特色生物资源开发四川省高等 学校重点实验室,四川 攀枝花 617000) 摘 要 对攀枝花密地选厂钒钛磁铁矿进行了分批次磨矿试验,通过单一因素变量法确定了最佳磨矿条件给矿粒度-0.2 mm,矿 浆浓度 80%,磨矿时间 8 min,给矿量 500 g/ 次,钢球配比 D30∶D25∶D20=40∶58∶90,介质充填率 23.22%,磨矿产品-0.074 mm 粒级含 量达到 97.18%。 在此条件下进行了动力学试验研究,采用 Origin 曲线拟合方法建立了磨矿动力学方程。 结果表明粒度为 0.055~ 0.2 mm 矿石磨矿动力学方程式中参数 k 与粒径 d 为幂函数关系,参数 n 与粒径 d 为对数函数关系。 建立动力学方程有助于指导选 厂磨矿实践。 关键词 钒钛磁铁矿; 磨矿动力学; 粒度分布 中图分类号 TD951文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2016.06.009 文章编号 0253-6099(2016)06-0035-04 Grinding Kinetics of Vanadic Titanomagnetite from Panzhihua HE Kui1, KU Jian⁃gang2, XU Guo⁃yin1, WU Bin1, ZHENG Yi3, WEI Jiang1 (1.School of Resource and Environmental Engineering, Panzhihua University, Panzhihua 617000, Sichuan, China; 2.College of Zijin Mineral, Fuzhou University, Fuzhou 350108, Fujian, China; 3.Key Laboratory of Dry⁃hot Valley Characteristic Bio⁃Resources Development in Universities of Sichuan Province, Panzhihua 617000, Sichuan, China) Abstract Batch grinding tests with single factor method were performed for vanadic titanomagnetite ore from Panzhihua Midi Concentration Plant. The optimal grinding conditions were optimized as follows pulp concentration of 80%, grinding time of 8 min, sample load of 500 g per time, feeding size of -0.2 mm, ball charge of 23.22%, ball proportion with D30∶D25∶D20=40∶58∶90, and grinding fineness of -0.074 mm 97.18%. Kinetics study was conducted under these conditions and a kinetics equation was established by Origin curve fitting. The results show that, for particles of 0.055~ 0.2 mm in diameter, a power functional relationship exists between the parameter k and diameter d in the grinding kinetics equation, while a logarithmic function relationship between the parameter n and diameter d. The established kinetics equation can be useful for practice in the concentration plant. Key words vanadic titanomagnetite; grinding kinetics; size distribution 攀枝花作为中国重要钒钛磁铁矿资源聚集地,钒 钛磁铁矿保有储量约 73.37 亿吨。 攀钢密地选矿厂年 处理钒钛磁铁矿 1 350 万吨,矿石中含铁和含钛的矿 物分别是钛磁铁矿和钛铁矿。 目前攀矿选矿厂为了提 高铁精矿的铁品位而不断将矿石细磨,研究表明当磨 矿细度为-0.074 mm 粒级占 32.7%时钛铁矿的单体解 离度就已高达 85%[1],而且过磨会恶化后续浮选作 业[2]。 从工艺矿物学分析得出,攀枝花钒钛磁铁矿中 的主要矿石和脉石硬度为 5~6 左右,不利于选择性磨 矿[3]。 磨矿作业占整个选厂能耗的 60% ~70%,而且 是一个复杂的高能耗、低效率作业,因此有必要从动力 学角度研究钒钛磁铁矿的磨矿过程,建立磨矿动力学 方程式,从而找到最佳的磨矿条件以提高磨矿效率。 磨矿动力学用以研究磨矿过程动态特性。 目前主 要有两类矿石磨碎动力学模型,一类是粒度分布与时 间及其相关量的动力学模型;另一类是总体平衡动力 学模型[4-5]。 磨矿动力学方程式中的参数 k、n 直接反 映着磨碎过程中的速率,因此,研究磨矿动力学参数值 ①收稿日期 2016-06-20 基金项目 国家自然科学基金(51104048);四川省高校重点实验室项目(GR-2015-C-03) 作者简介 何 逵(1988-),男,湖南衡阳人,硕士,助教,主要研究方向为钒钛磁铁矿综合利用。 通讯作者 库建刚(1979-),男,河南南阳人,博士,副教授,主要研究方向为复杂矿综合利用和磁选理论。 第 36 卷第 6 期 2016 年 12 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.36 №6 December 2016 万方数据 的形式与规律是十分重要的。 段希祥教授早年就提出 了粗磨与细磨操作中 k、n 值的变化规律[6]。 侯英[7] 采用解析几何和偏导数的方法分析了磨矿动力学参数 对磨矿速度的影响。 影响磨矿破碎速率的因素包括磨 矿介质[8-10]、给料粒度以及磨矿体系环境[11-13]、磨矿 方式以及磨机规格[14-16]等。 通过研究磨矿过程中物 料破碎速度及其影响因素,建立磨矿动力学方程式,可 以反映矿石被粉碎的快慢,在一定程度上为现场生产 和选择性磨矿提供理论依据[17-23]。 本文选用粒度分 布与时间及其相关量的动力学模型来分析攀枝花钒钛 磁铁矿的磨矿动力学行为,此模型是研究磨碎速率与 时间的关系。 1 矿石性质 原矿取自密地选矿厂破碎车间,主要矿物为钛磁 铁矿、钛铁矿,另外含有少量的磁铁矿、褐铁矿、针铁矿 以及次生磁铁矿、硫化物(以磁黄铁矿、黄铁矿为主)、 脉石(以钛普通辉石、斜长石为主),主要矿石及脉石 矿物莫氏硬度如表 1[3]所示,矿石破碎至-0.45 mm 粒 级的主要矿物单体解离度如表 2 所示。 表 1 主要矿石及脉石矿物莫氏硬度 钛磁铁矿钛铁矿赤铁矿橄榄石绿泥石 钛普通辉石 斜长石 65~65.5~66~766~76 表 2 原矿中主要矿物单体解离度 矿物名称 单体解离度/ % 钛磁铁矿钛铁矿 单体76.0081.95 钛磁铁矿8.67 钛赤铁矿0.700.27 钛铁矿5.94 磁黄铁矿0.990.26 辉石2.960.89 长石1.821.38 绿泥石5.852.92 其他脉石5.743.66 合计100.00100.00 2 试验方法 分批试验采用 ZQM-Φ250100 智能球磨机,磨机 容积 6.1 L,磨机转速 96 r/ min,通过等表面积法算出钢 球配比 D30∶D25∶D20= 40 ∶58 ∶90,介质充填率 23.22%。 磨矿给料采用锤式粉碎机破碎至-0.2 mm,通过单因 素条件试验确定最佳磨矿条件,并在最佳条件下进行 磨矿动力学试验,磨矿产品烘干,采用堆锥四分法缩分 制样,分别取 150 g 原矿和磨矿产品进行干筛,记录各 粒级筛上产品质量。 采用 Origin 软件对试验结果和曲 线进行分析和拟合。 3 磨矿动力学原理 磨矿动力学是指被磨物料的磨碎速率与磨矿时间 之间的关系。 假定磨矿速度(粗级别物料质量减少的 速度)与该瞬间磨机中未磨耗的粗粒级物料质量成正 比[24],则磨矿动力学的 n 阶方程式为 R = R0exp( - ktn)(1) 式中 R 为磨矿 t 时刻磨矿产品中粗粒级产率;R0为原 矿中该粗粒级比率;t 为磨矿时间;k 和 n 均为动力学 参数,当 n=0 时为零阶磨矿动力学,当 n=1 时为 1 阶 磨矿动力学。 在很多情况下 n 阶磨矿动力学更符合实 际情况。 对式(1)进行变换,得 lg[lg(R0/ R)] = lg(klge) + nlgt(2) 陈丙辰[25]教授提出 k 和 n 是粒度 d 的函数,形式 如下 k(d) = C0 + C 1d x1 (3) n(d) = A0 + A 1d x2 (4) 式中 C0、C1、A0、A1、x1和 x2均为待定参数。 参数 k 主 要取决于磨矿细度,参数 n 主要取决于物料的均匀性 和强度以及球荷粒度特性。 4 结果与讨论 4.1 磨矿条件试验 给矿粒度-0.2 mm,给矿量 500 g/ 次,钢球配比 D30∶D25∶D20= 40 ∶58 ∶90,介质充填率为 23.22%,磨机 转速 96 r/ min,分别对矿浆浓度和磨矿时间进行了分 批次磨矿试验,结果如表 3 所示。 表 3 磨矿条件试验结果 浓度 / % -0.074 mm 粒级含量/ % 5 min6 min7 min8 min10 min 6584.8490.4894.0298.1298.36 7581.8990.1292.5298.4798.26 8089.1993.2693.9897.1899.13 从表 3 可以看出,在相同矿浆浓度下,磨矿细度随 着磨矿时间增加而提高,磨矿时间为 5~6 min 时磨矿 细度快速提高,7 min 以后细度变化逐渐变缓,此时 -0.074 mm 粒级含量已高达 93%左右,矿石均匀性和 强度都大大提高,可磨性变差,这符合磨矿一般规律。 相同磨矿时间下,65%浓度下磨矿产品细度较 75%浓 度高,80%浓度下产品细度含量最高,随着磨矿时间进 63矿 冶 工 程第 36 卷 万方数据 一步增加,磨矿细度增加不明显,且会造成过磨,不利 于后续的选矿。 综上所述,得出最佳磨矿条件为磨矿 浓度80%,磨矿时间8 min,磨矿量500 g/ 次,钢球配比 D30∶D25∶D20= 40 ∶58 ∶90,介质充填率 23.22%,此时 -0.074 mm 粒级含量达到 97.18%。 4.2 磨矿动力学试验 在最佳磨矿条件下,依次对物料进行不同时间的 分批次磨矿试验,对原矿和磨矿产品烘干并制样筛分, 记录各粒级筛上产品质量,结果见表 4。 从表 4 可以 看出,随着磨矿时间增加,磨矿细度呈现先快速提高后 逐渐缓慢的趋势,当磨矿时间超过 10 min 后,磨矿细 度随时间增加变化不明显,继续磨矿对钒钛磁铁矿的 磨碎效率开始下降。 表 4 不同磨矿时间下磨矿产品粒级分布 粒级/ mm 不同磨矿时间(min)下产品累计产率/ % 023456781012 +0.2 10.470.470.20.130.000.000.000.000.000.00 -0.2+0.1525.123.811.47 0.670.070.070.000.000.000.00 -0.15+0.125 38.42 14.827.693.201.530.600.670.270.07 0.07 -0.125+0.097 51.59 31.11 23.40 14.957.814.202.941.870.400.20 -0.097+0.088 56.99 34.58 27.21 18.36 10.816.746.022.880.870.60 -0.088+0.074 59.76 40.99 32.55 22.23 13.74 10.076.964.621.941.20 -0.074+0.055 74.95 73.23 69.85 65.95 60.57 57.30 50.50 47.76 42.44 41.29 -0.055100.00100.00100.00100.00100.00100.00100.00100.00100.00100.00 根据表 4 中的数据对 n 阶动力学方程式进行曲线 拟合,结果如图 1 所示。 lg [t / min] 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 0.30.50.70.91.1 0.2 mm 0.15 mm 0.125 mm 0.097 mm 0.088 mm 0.074 mm 0.055 mm 96/ lg [ lgR0 / R ] 图 1 Ig[Ig(R0/ R)]⁃Igt 关系曲线 参数 k、n 能反映磨矿过程特性,对其进行拟合可 以建立动力学方程式,应用 Origin 中的线性曲线拟合 功能,对图 1 中的曲线进行拟合,可以得出最佳的拟合 函数,从而求出 k、n 值,结果见表 5。 由表 5 可以得 出,磨矿细度大于 0.125 mm 时,k 值随着粒径减小而 快速减小;磨矿细度小于 0.125 mm 时, k 值减小趋势 渐缓;磨矿细度小于 0.074 mm 时,k 值减小的趋势变 大。 n 值则相反。 这是因为 k 值取决于颗粒细度,随 着细度减小 k 值相应减小,而细度减小说明矿粒表面 裂缝越小,矿石越难磨,因此 k 值在磨矿细度小于 0.125 mm 时减小趋势变缓,与磨矿一般规律一致。 n 值反映的是矿石的均匀性与强度,颗粒变细,矿石均匀 性和强度均增加,表现为矿石可磨性逐渐降低,导致磨 矿速率也大大降低,在一段时间内粗级别物料减小的 平均速度差也随之变大。 表 5 不同粒级的动力学方程式参数 k 和 n 粒级/ mmknR2 +0.2 2.23150.49530.9605 -0.2+0.150.8517 1.11410.9519 -0.15+0.1250.5059 1.08910.9684 -0.125+0.0970.1868 1.39640.9927 -0.097+0.0880.1936 1.30080.9903 -0.088+0.0740.1499 1.35490.9922 -0.074+0.0550.0089 1.83960.9551 对表 5 中的参数 k、n 进行曲线拟合,结果分别见 图 2~3。 d / mm 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.050.100.150.20 k 图 2 k⁃d 关系曲线 d / mm 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.050.100.150.20 n 图 3 n⁃d 关系曲线 从图2~3 可以看出,k⁃d 呈幂函数关系,R2=0.9977; n⁃d 呈对数函数关系,R2= 08574。 求得其表达式分 别为 k =- 0.18 + 0.079exp(d/0.059)(5) n =- 0.75 - 0.87lnd(6) 73第 6 期何 逵等 钒钛磁铁矿磨矿动力学试验研究 万方数据 将式(5) ~(6)代入式(2)可得矿石粒度在 0.2 mm 及 其以下的 n 阶磨矿动力学方程式为 R = R0exp{- [- 0.18 + 0.079exp(d/0.059)]t-0.75-0.87lnd} (7) 5 结 论 1) 采用单因素法对攀枝花密地选矿厂的钒钛磁铁 矿粗碎产品进行了分批磨矿试验,得出了最佳磨矿条件 为给矿量 500 g/ 次,矿浆浓度 80%,磨矿时间 8 min,钢 球配比 D30∶D25∶D20= 40 ∶58 ∶90,介质充填率 23.22%, 磨矿细度-0.074 mm 粒级含量为 97.18%。 2) 在最佳磨矿条件下进行了磨矿动力学试验研 究,并采用 Origin 软件对试验结果进行了分析与曲线 拟合,得出了动力学方程式参数 k、n 值,最终确定了 0.2 mm 及以下粒度的钒钛磁铁矿磨矿动力学方程式。 3) 磨矿细度大于0.125 mm 时,k 值随粒度减小而 减小的趋势较大;磨矿细度小于 0.125 mm 时,k 值减 小的趋势渐缓;磨矿细度小于 0.074 mm 时,k 值减小 的趋势变大。 这与矿粒越细颗粒裂缝越小矿石越难磨 的规律是一致的。 n 值随着磨矿细度增加而增加,当 细度大于 0.125 mm 时增加趋势较大;细度小于 0.125 mm 时,n 值增大的趋势减缓;细度小于 0.074 mm 时,n 值增加趋势变大。 参考文献 [1] 陈 碧. 钒钛磁铁矿选择性磨矿磨选试验[J]. 现代矿业, 2016 (1)78-81. 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