三水-一水软铝石型铝土矿原矿浆流变性研究.pdf

第3 3 卷第5 期矿 冶工程 V 0 1 ．3 3N 0 5 2 0 1 3 年l O 月M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G O c t o b e r2 0 1 3 -_一一 三水水软铝石型铝土矿原矿浆流变性研究① 齐利娟1 ，顾松青2 ，尹中林 1 ．中国铝业股份有限公司郑州研究院，郑州河南4 5 0 0 4 1 ；2 ．中国铝业公司科技部。北京1 0 0 0 8 2 摘要以难处理三水一一水软铝石型高硅铝土矿为研究对象，采用T h e r m o 公司生产的R S 6 0 0 型流变仪，研究了温度、固含、碱浓度 以及粒度等因素对此类铝土矿原矿浆流变性的影响结果表明原矿浆的流变性随温度、固含、苛性碱浓度的升高及矿石粒度的细 化而恶化；当固含低于10 5 0g ／L 时，原矿浆为宾汉姆流体，当固含高于10 5 0g ／L 时，转化为幂率流体，原矿浆屈服应力急剧升高；当 苛性碱浓度低于1 8 0g ／L 时，原矿浆为宾汉姆流体，苛性碱浓度高于1 8 0g ／L 时，逐渐转化为幂率流体；相同固含条件下，一1 8 0 斗m 原矿浆的屈服应力约是一8 5 0I x m 原矿浆的3 倍。从便于输送、降低能耗的角度考虑，原矿浆制备的温度不应太高，固含应低于l1 5 0 g ／L ，苛性碱浓度最好低于1 8 0g ／L 。 关键词三水一水软铝石；原矿浆；流变性；宾汉姆流体；幂率流体 中图分类号0 3 5 1文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 5 ．0 2 6 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 5 - 0 1 0 1 - 0 5 R e s e a r c ho nR h e o l o g yo fG i b b s i t e B o e h m i t eB a u x i t eS l u r r y Q IL i - j u a n1 ，G US o n g q i n 9 2 ，Y I NZ h o n g l i n 1 1 ．Z h e n g z h o uR e s e a r c hI n s t i t u t e ，C h i n aA l u m i n u mC o r p o r a t i o n ，Z h e n g z h o u4 5 0 0 4 1 ，H e n a n ，C h i n a ；2 ．D e p a r t m e n to f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，C h i n aA l u m i n u mC o r p o r a t i o n ，B e q i n g10 0 0 8 2 ，C h i n a A b s t r a c t I n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e ，s o l i dc o n t e n t ，a l k a l ic o n c e n t r a t i o na n dp a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o no nr h e o l o g yo f g i b b s i t e ．b o e h m i t eb a u x i t ew a si n v e s t i g a t e db yu s i n gR S 6 0 0r h e o m e t e ro fT h e r m oC o m p a n y ．R e s u l t ss h o wt h a tr h e o l o g yo f b a u x i t ed e t e r i o r a t e sw i t hi n c r e a s e dt e m p e r a t u r e ，s o l i dc o n t e n ta n da l k a l ic o n c e n t r a t i o n ，a sw e l la sd o w n s i z e dp a r t i c l e s ． B a u x i t es l u r r yi sB i n g h a mf l u i dw h e ns o l i dc o n t e n ti sl o w e rt h a n10 5 0g ／L ，a n db e c o m e sp o w e r l o wf l u i da ss o l i dc o n t e n t h i g h e rt h a n10 5 0g ／L ，w i t hy i e l ds t r e s si n c r e a s i n gd r a m a t i c a l l y ．A l s o ，b a u x i t es l u r r yi sr e g a r d e da sB i n g h a m f l u i da ta n a l k a l ic o n c e n t r a t i o nl o w e rt h a n18 0g ／L ，t h e ng r a d u a l l yc h a n g e si n t op o w e r l o wf l u i dw i t ha l k a l ic o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d t oo v e r18 0g ／L ．B e s i d e s ，y i e l ds t r e s so fb a u x i t es l u r r yw i t hp a r t i c l es i z e 一18 0I x mi st h r e et i m e st h a t o fb a u x i t es l u r r y w i t hp a r t i c l es i z e 一8 5 0I ．z ma tt h es a m es o l i dc o n t e n t ．I ti Sc o n c l u d e dt h a tb a u x i t es l u r r ys h o u l db ep r e p a r e da tam o d e r a t e t e m p e r a t u r e ，w i t hs o l i dc o n t e n tl e s st h a n1 15 0g ／La n dc a u s t i ca l k a l i c o n c e n t r a t i o nl o w e rt h a n18 0g ／Lf o rc o n v e n i e n t t r a n s p o r t a t i o na n de n e r g ys a v i n g ． K e yw o r d s g i b b s i t e b o e h m i t eb a u x i t e ；b a u x i t es l u r r y ；r h e o l o g y ；B i n g h a mf l u i d ；p o w e r - l o wf l u i d 矿浆的流变性与磨矿速率、矿浆的输送以及浆体 的沉降等息息相关卜7 。，在很大程度上决定了磨矿效 率、浆体的输送及沉降性能，因此对于氧化铝生产流程 中不同环节浆体的流变性进行研究，对于氧化铝生产 过程的节能降耗、降本增效有着重要的意义。但该方 面相关研究，国内还很少见报道。 本文以难处理的三水一水软铝石型高硅铝土矿 为研究对象，采用T h e r m o 公司生产的R S 6 0 0 型流变 仪，研究了温度、固含、碱浓度以及粒度等因素对此类 铝土矿原矿浆流变性的影响，深人分析了各种因素对 原矿浆流变性影响的规律，提出了磨矿及矿浆输送过 程中比较适宜的矿浆温度、固含、铝酸钠溶液苛性碱浓 度以及磨矿粒度等，为高效低耗的氧化铝生产工艺提 供了强有力的理论支持。 l 试验 试验用原矿浆是采用实验室合成的铝酸钠溶液， 在室温下加入已磨成特定粒度的目标铝土矿均匀搅拌 而成。 采用T h e r m o 公司生产的附加有D C - 5 0 型油浴控 温器的H a a k eR S 6 0 0 型流变仪测定原矿浆的流变性， 测量过程中压缩空气的压力控制在2 ．5b a r 左右，采用 的是F L - 4 0 型V a n e 式转子。固体颗粒的粒度分布采 用M a l v e r n公司生产的M a s t e r s i z e r2 0 0 0 型激光粒度测 ①收稿日期2 0 1 3 0 4 一叭 作者简介齐利娟 1 9 7 6 - ，女，河南济源人，高级工程师，博士 ，主要从事铝土矿及非铝土矿含铝资源生产氧化铝新工艺新技术的研究开发工作。 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 定仪测量。固体颗粒形貌采用日本电子生产的J S M 一 6 3 6 0 L V 扫描电镜分析。铝酸钠溶液结构采用 R e n i s h a w 公司的I n v i a 型显微激光拉曼光谱仪测定。 2 试验结果与讨论 2 ．I 温度对原矿浆流变性的影响 温度对浆体固相的影响表现在温度不同孔隙率不 同。随着温度升高，固相孔隙率降低，或堆积效率增 大，因而使浆体粘度降低。由于以上两种作用，通常浆 体粘度随着温度的升高明显降低⋯。图1 ～3 为溶液 苛性碱浓度为1 4 0g ／L 、固含8 5 0g ／L 时，温度对原矿 浆流变曲线、粘度及屈服应力的影响。从图中可以看 出，在0 ～2 0s 。1 的剪切范围内，上述原矿浆为宾汉姆流 体；原矿浆的粘度和屈服应力都随温度的升高而升高， 这一点与一般浆体有很大不同。 翦切速率／s 1 图1温度对原矿浆流变曲线的影响 温度／℃ 图2 温度对原矿浆粘度的影响 温度／℃ 图3 温度对原矿浆屈服应力的影响 造成这一结果的主要原因可能是温度升高加速了 矿石中高岭石的反应，生成了细小的无定形钠硅渣 如 图4 所示 ，并且无定形钠硅渣的生成量随温度的升高 而增加，从而造成原矿浆粘度及屈服应力随温度升高而 升高。此外，温度升高可能促进碱溶液对大颗粒的浸 润，加速了大颗粒的解离，造成固体颗粒表观粒径的减 小，这也可能是造成上述现象的另一原因。从温度升高 对矿浆流变性不利的角度看，磨矿及原矿浆输送过程 中，温度越低越有利于磨机及原矿浆泵的节电。 图4 生成的无定形钠硅渣 2 ．2 固含对原矿浆流变性的影响 浆体的固体浓度会影响浆体的粘度，固体浓度增 大时，分散相在浆体流动时就会消耗多余的能量，使体 系的剪切力增加，粘性阻力增大。4 j 。图5 为固含对原 矿浆流变曲线的影响。从图5 可以看出，原矿浆的粘 度随着固含的增加而增加，这一点符合一般悬浮液的 粘度规律。 图5固含对原矿浆粘度的影响 图6 为不同固含条件下原矿浆的流变曲线，表1 为不同固含条件下得到的原矿浆的流变本构方程。从 图6 及表l 可以看出，随着固含增加，原矿浆的流变特 性发生明显的变化，从低于10 0 0g ／L 时的宾汉姆流体 逐渐转化为高于10 0 0g ／L 时的幂率流体，这一点恰 好可以解释说明原矿浆屈服应力在固含10 0 0g ／L 以 万方数据 第5 期 齐利娟等三水水软铝石型铝土矿原矿浆流变性研究1 0 3 上时显著增加，极有可能是因为流体特性从宾汉姆流 体转化为幂率流体造成的。因此，从节电的角度考虑， 应尽量选择固含量低于10 0 0g ／L 进行输送。 f } _ 『蛳塑j 红，～1 图6 不同固含条件下原矿浆流变曲线 固含量 a 10 0 0g ／L ； b 10 5 0g ／L ； c 11 0 0g ／L 表1 原矿浆流变本构方程与固含的关系 固含／ g L 。1 本构方程 9 0 0 r 2 ．3 9 0 ．3 1 9 2 - ／ 9 5 0 , ／- 3 ．5 0 0 ．3 6 2 8 - ／ 10 0 0 T 9 ．4 1 0 ．5 6 4 4 y 10 5 0 r 1 9 ．6 9 铲1 3 2 2 11 0 0 T 4 8 ．7 8 护1 6 9 1 11 5 0 T 1 2 1 ．9 3 , 0 ．1 8 6 9 12 0 0 r 1 7 6 ．5 v n 2 2 5 6 图7 为固含对原矿浆屈服应力的影响。由图7 可 见，原矿浆固含应低于11 5 0g ／L ，即固体体积分数不 高于4 8 ％，此时屈服应力低于1 0 0P a ，以确保原矿浆 的流动性，减少泵的功率以及流动过程中的管路损失， 这个结果对于目标混合矿采用双流法处理时，预热矿 浆固含的确定提供了{ 巨 要的理论依据。 固含／％ 图7固含对原矿浆屈服应力的影响 2 ．3 碱浓度对原矿浆流变性的影响 碱浓度一方面可改变矿浆颗粒的表面电性，从而 改变颗粒的凝聚与分散状态，另一方面也可改变溶液 的粘度，造成矿浆颗粒表面张力的改变而影响矿浆的 粘度。图8 为碱浓度对原矿浆流变性的影响，表2 为 不同苛性碱浓度条件下原矿浆流变本构方程。可以看 出，在固含8 5 0g ／L 、温度8 0 ℃条件下，原矿浆的粘度 随着苛性碱浓度的升高而升高，原矿浆流变特性随着 苛性碱浓度的升高逐渐由苛性碱浓度低于1 8 0g ／L 时 的宾汉姆流体转化为苛性碱浓度高于1 8 0g ／L 时的幂 率流体，这可能与铝酸钠溶液结构在苛性碱浓度1 8 0 g ／L 左右时发生明显改变有关。 矗 厶 ＼ - R 恻 寒 器 剪切速率／s 1 图8 苛性碱浓度对原矿浆流变性的影响 蛐踮鲫强加岱∞舔蜘牾柏强∞ ￡＼R趟器密 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 表2 原矿浆流变本构方程随苛性碱浓度的改变而改变 苛性碱浓度／ g L 。1 本构方程 1 2 0 1 4 0 1 6 0 f O ．9 1 5 9 0 ．4 6 6 1 y T O ．9 6 4 7 0 ．6 1 2 6 y t 1 ．5 8 5 4 0 ．7 1 1 2 , ／ 这一点可以从铝酸钠溶液的拉曼光谱得到证明。 图9 和图1 0 分别为苛性碱浓度1 6 0 和1 8 0d E ，O ／。为 2 ．5 3 时的铝酸钠溶液的拉曼光谱。 波数／c m ’ 图9 苛性碱浓度16 0g ／L 时的铝酸钠溶液的拉曼光谱图 波数／c m ’1 图1 0 苛性碱浓度1 8 0g ／L 时铝酸钠溶液的拉曼光谱图 从图9 和1 0 可看出，高浓度铝酸钠溶液与低浓度铝 酸钠溶液相比，除了具有波数为5 3 0c m 。1 的A I ，0 O H 6 一 和6 2 0c m 。1 的A I O H 4 - ，还具有频率为3 2 0e m ‘1 以及 6 9 0c m 。1 的其他可能的铝酸根聚合离子。 从上述结果和分析可以看出，氧化铝生产流程中 的原矿浆与一般浆体有很大区别，一般浆体的流变性 与固体颗粒的物理性能 粒度分布、大小、形貌 有很 大关系，但是由于氧化铝生产流程中的大部分浆体的 分散剂为高浓度铝酸钠溶液，其本身粘度较高，因此， 溶液的性质对于浆体的粘度同样也会有很大作用。 因此，从浆体输送的难易程度考虑，结合拜耳法生 产过程中的产出率指标及对氧化铝磨损指数的要求， 低品位混合目标矿溶出原矿浆的苛性碱浓度以低于 1 8 0g ／L 为宜。 2 ．4 粒度对原矿浆流变性的影响 固体颗粒的颗粒形貌、粒度分布等物理性能对浆 体的流变性有很大影响∞。12 I 。颗粒形状和大小对浆体 粘度的影响，不仅表现在颗粒在运动中的取向及颗粒 对分散剂的吸附，而且颗粒越不规则，粒度越细，颗粒 间的相互作用能就越高，越易凝聚，浆体的相对粘度就 越大。 然而当浆体浓度较高时，颗粒间及颗粒与分散剂间 的界面作用使浆体相对粘度受颗粒形状和颗粒大小的 影响程度增大。不同浓度浆体的相对粘度均随颗粒比 表面积增大而增大，但增大的幅度不同。浓度越高浆体 粘度随比表面积增大得越快。这是由于颗粒表面对分 散剂吸附形成滞流层，从而增大了浆体的有效体积。 图1 1 和1 2 分别为在固含8 5 0g ／L 、温度8 0 ℃、苛 性碱浓度1 4 0g ／L 条件下，一1 8 0 斗m 和- 8 5 0 斗m 原矿 浆的流变曲线及属服应力随温度的变化。 剪切速率／s 1 图l l粒度对原矿浆流变曲线的影响 温度／℃ 图1 2 粒度对原矿浆屈服应力的影响 由图1 1 和1 2 可以看出，粒度为一1 8 0 恤m 与一8 5 0 斗m 的原矿浆相比，屈服应力与粘度都明显升高，并且 随着温度的升高，屈服应力的差距越拉越大。 一1 8 0 m 原矿浆的粘度高于- 8 5 0I x m 原矿浆，其 屈服应力约是后者的3 倍，这可能与一1 8 0 斗m 矿浆较 窄的粒度分布及更加不规则的颗粒形貌有关。图1 3 为两种矿浆固体颗粒的扫描电镜照片。 万方数据 第5 期齐Ⅲf i 等．水一水软铝，i 型铝土矿原矿浆流变性研究 1 0 5 图1 3原矿浆固体颗粒的扫描电镜照片 a 一8 5 0 斗m ； b 一1 8 0 炉 - 8 5 0 斗m 原矿的粒度分布较宽，而较宽粒度分布 的颗粒具有较高的堆积效率，或浆体能达到的最大浓 度C 。。，值较高。因此相同固体浓度条件下，较宽粒度 分布的浆体比窄粒级浆体具有更好的流动性哺1 。当 将矿石继续磨细后，大颗粒的原矿颗粒被解离成不规 则的小颗粒矿样，固体颗粒的不对称性增大，这也是造 成矿浆流动性变差的一个原因。因此，磨矿导致固体 颗粒粒度变细，及形状的不规则程度增大是较细原矿 浆粘度增高的两个主要原因。 从以上分析可以看出为了保证磨机的产出率以 及节省磨机的电耗，在保证原矿浆能够高效溶出的前 提下，应该尽量提高矿石的目标粒径。 3 结论 1 原矿浆的流变性随温度、固含、苛性碱浓度的 升高及矿石粒度的细化而降低。 2 当固含低于10 5 0g ／L 时，原矿浆为宾汉姆流 体，高于10 5 0g ／L 时，转化为幂率流体，并且原矿浆的 屈服应力急剧升高。 3 当苛性碱浓度低于1 8 0g ／L 时，原矿浆为宾汉 姆流体，高于1 8 0g ／L 时，逐渐转化为幂率流体。 4 相同固含条件下，- 1 8 0I x m 原矿浆的屈服应力 约是- 8 5 0 仙m 原矿浆的3 倍。 5 从便于输送、降低能耗的角度考虑，原矿浆制 备的温度不应太高，固含应低于11 5 0g ／L ，苛性碱浓 度最好低于1 8 0g ／L 。 6 磨矿粒度对于原矿浆流变性的影响比较明显， 磨机产率与原矿浆流变性间又有很大的依存关系，而 铝土矿溶出效果又与粒度问存在一定的关系，因此，应 通过试验得出最佳的磨矿粒度范围。对此需要进一步 进行深人研究。 参考文献 [ 1 ] 杨小生．选矿流变学及其应用[ D ] ．长沙中南工业大学矿物工程 系，1 9 9 4 ． [ 2 ] 李利荣，周春生．防水用膨润土流变性研究[ J ] ．内蒙古水利， 2 0 1 2 6 1 5 1 6 ． [ 3 ] 姜自旺，林文松，王婕丽，等．碳化硅陶瓷水基浆料的流变性研究 [ J ] ．陶瓷学报，2 0 1 2 ，3 3 3 2 8 9 2 9 4 [ 4 ] 段鸿杰，孙恒虎．高浓度浆体流变参数测定的新方法[ J ] ．中国矿 业大学学报，2 0 0 1 ，3 0 4 3 7 1 - 3 7 4 ． [ 5 ]王燕民，李新衡．湿法超细研磨中无机材料浆体的流变性研究 [ J ] ．硅酸盐学报，2 0 0 6 ，3 4 5 5 8 5 5 9 2 ． [ 6 ]张永娟．粉煤灰掺量及颗粒群分布与水泥浆体流变性的关系研究 [ J ] ．水泥，2 0 0 3 7 1 4 ． [ 7 ] 邱俊，张言贵，吕宪俊．膨润土浆体流变性的变化规律研究[ J ] ． 有色矿冶，2 0 0 6 S 1 1 5 8 1 6 0 ． [ 8 ] M i s r aM ．E f f e c t so fP a r t i c l ep r o p e r t i e so nt h eR h e o l o g yo fc o n c e n t r a t e d n o n e o l l o i d a ls u s p e n s i o n s [ J ] ．J o u r n a lo fR h e o l o g y ，1 9 9 2 ，3 6 1 2 9 1 1 3 0 5 ． [ 9 ] E L - S h a l lH ，S o m a s u n d a r a nP ．P h y s i c o - C h e m i c a lA s p e c mo fG r i n d i n g aR e v i e wo fU s eo fA d d i t i v e [ J ] ．P o w d e rT e c h n o l o g y ，1 9 8 4 ，3 8 3 2 7 5 2 9 3 ． [ 1 0 ] F u e m t e n a uDW ，V e n k a t a r a m a nKS ，V e l a m a k a n n iBV ．E f f e c to f C h e m i c a lA d d i t i v e so nt h eD y n a m i c so fG r i n d i n gM e d i ai nW e tB a l l M i l lG r i n d i n g [ J ] ．I n t e m a t i o n MJ o u r n a lo fM i n e r a lP r o c e s s i n g ， 1 9 8 5 ，1 5 2 5 1 2 5 3 ． [ 1 1 ] K l i m p e lRR ．C h e m i c a lA d d i t i v e sf o rW e tG r i n d i n go fM i n e r a l s l J ] ． P o w d e rT e c h n o l o g y ，1 9 8 2 ，3 1 2 3 9 2 4 1 ． [ 1 2 ] R a i c h u rAM ，C o h e nM S ．F r a g i l en e t w o r k sa n dR h e o l o g yo fC o n e e n - t r a t e dS u s p e n s i o n s [ J ] ．R h e o l o g i c aA c t a ，1 9 9 2 ，3 1 3 3 3 3 4 4 ． 上接第1 0 0 页 [ 4 ]朱军，郭继科，马晶，等．从含钒石煤酸浸液中溶剂萃取钒的 试验研究[ J ] ．湿法冶金，2 0 1 l ，3 0 4 2 9 3 2 9 7 ． [ 5 ] 古国榜，程飞，杨新荣，等．1 P 2 0 4 一P S O 协同萃取钒 V 的机理 [ J ] ．华南理工大学学报 自然科学版 ，1 9 9 7 ，2 5 2 8 5 9 1 ． [ 6 ]魏昶，邓志敢，樊刚，等．贵州铜仁含钒石煤氧压酸浸萃取提 钒研究[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 9 ，2 9 4 5 4 5 8 ． [ 7 ]李尚勇，谢 刚，俞小花．从含钒浸出液中萃取钒的研究现状 [ J ] ．有色金属，2 0 1 1 ，6 3 1 1 0 0 1 0 4 ． [ 8 ] 万洪强，宁顺明．离子交换树脂吸附钒的动力学研究[ J ] ．矿冶工 程，2 0 1 0 ，3 0 4 7 3 - 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