超細(xì)粉磨活化河北某磷礦粉試驗(yàn)研究

單志偉，李鳳久,2，劉立偉，李國(guó)峰,2

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210，2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210）

磷礦資源是生產(chǎn)磷肥的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)增加糧食產(chǎn)量和障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展起著舉足輕重的作用[1]。我國(guó)磷礦資源總量豐富，僅次于摩洛哥，居世界第二位。但我國(guó)磷礦資源主要以中低品位磷礦石為主，可直接利用的富礦僅占總量的8%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)磷礦石中 P2O5平均品位不足17%，與摩洛哥、美國(guó)及俄羅斯等國(guó)家30%以上的磷品位相差甚遠(yuǎn)[2-3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外加大了對(duì)中低品位磷礦資源開(kāi)發(fā)利用的研究力度，并取得了一定的進(jìn)展。但我國(guó)已探明的磷礦資源中，85%為沉積巖型磷礦，礦石中磷主要以膠磷礦的形式存在。該類磷礦石具有礦物結(jié)晶粒度細(xì)和嵌布關(guān)系密切的特點(diǎn)，礦物解離困難和選別難度大。此外，原礦磷品位越低，獲得合格精礦時(shí)的選礦比越大，分選過(guò)程中磷的損失也越大，導(dǎo)致礦石中磷資源利用率降低的同時(shí)產(chǎn)生大量的尾礦，造成環(huán)境污染等問(wèn)題[4]。隨著機(jī)械化學(xué)的提出與發(fā)展，有學(xué)者將該理論直接應(yīng)用于中低品位磷礦粉處理中。普通磷礦粉經(jīng)超細(xì)粉磨，可降低磷礦粉的粒徑、增大其比表面積、破壞磷礦物的晶格結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高磷礦粉中有效成分的溶解與釋放能力，即增加磷礦粉枸溶率，進(jìn)而可直接作為磷肥使用[5]。

本研究對(duì)河北省某地磷礦粉進(jìn)行超細(xì)粉磨處理，探究較佳的磨礦工藝參數(shù)以及磷礦粉粒度對(duì)其枸溶率的影響。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)中所用原礦為河北某地磷礦粉，淺灰色，其化學(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 磷礦粉化學(xué)多元素分析結(jié)果/%Table 1 Results of chemical multi-element analysis of phosphate rock

可見(jiàn)主要成分為CaO和P，微量的Al2O3、MgO及Fe2O3。磷礦粉的SEM圖片見(jiàn)圖1。

圖1 磷礦粉的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photo of phosphate rock

從圖1中可以看出，磷礦粉顆粒形狀大小不一，且不規(guī)則，顆粒大多都有棱角，破碎較為簡(jiǎn)單，具有較好的超細(xì)粉磨活化性能。原礦粒度分布累積曲線見(jiàn)圖2。

從圖2中可以看出，原礦中位徑38.43 μm，原礦粒度呈正態(tài)分布，分布區(qū)間由0.305 μm到204.88 μm，主要集中在60～80 μm之間。

1.2 試驗(yàn)方法

將中位徑為38.43 μm的磷礦粉，放入行星式球磨機(jī)中，磨礦介質(zhì)為鋼球，在干式磨礦條件下進(jìn)行不同工藝參數(shù)（轉(zhuǎn)速、充填率、料球比、球配及時(shí)間）的單因素條件試驗(yàn)，并采用NKT6100-D激光粒度分析儀以及Origin軟件檢測(cè)分析粉磨產(chǎn)品的粒度，獲得較優(yōu)的工藝參數(shù)，從而制備超細(xì)磷礦粉。采用釩鉬黃比色法，對(duì)超細(xì)磷礦粉中有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的檢測(cè)，并計(jì)算出枸溶率[6]（枸溶率=有效磷/全磷 x 100%），分析粒度對(duì)枸溶率的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

固定磨機(jī)充填率為50%、料球比為0.5、球配為3：2（大球直徑為1.0 cm、小球直徑為0.6 cm）、磨礦時(shí)間為60 min，考察磨機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)磨礦效果的影響，轉(zhuǎn)速的數(shù)值分別為300、350、400、500和600 r/min。一般而言，超細(xì)粉磨后礦物粒度可減小至10 μm以下[7]。因此，在考察粉磨產(chǎn)品累積粒度特性的同時(shí)分析了0～10 μm粒級(jí)范圍內(nèi)的磨礦效率，其結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，從整體來(lái)看轉(zhuǎn)速由300 r/min增加到500 r/min，粉磨產(chǎn)品的粒度顯著減小，中位徑從31.04 μm減小到3.38 μm；繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速到600 r/min，產(chǎn)品粒度無(wú)明顯變化。0～5 μm的粒度范圍之間，500 r/min和600 r/min的粒度累積曲線幾乎重合；粒度為5～10 μm，500 r/min的含量略高于600 r/min，因此500 r/min磨礦效率較高，所以選取轉(zhuǎn)速為500 r/min。

2.2 充填率試驗(yàn)

固定轉(zhuǎn)速為500 r/min，料球比為0.5、球配為3：2、時(shí)間為60 min，研究不同料球充填率條件下對(duì)磨礦效果的影響，充填率分別為40%、45%、50%、55%和60%新生成粒級(jí)量見(jiàn)圖4。

圖4 不同充填率的新生成粒級(jí)量Fig.4 Newly generated fractional levels for different filling rates

由圖4可知，充填率由40%增加到50%時(shí)，粉磨產(chǎn)品的新生成粒級(jí)量明顯增多，以粒徑10 μm為例，從6.76 g/(m3·h)增加到8.47 g/(m3·h)，繼續(xù)增加至60%，磨礦產(chǎn)品的新生成粒級(jí)量無(wú)明顯變化。因此在0～10 μm范圍內(nèi)分析，在2～7 μm范圍內(nèi)，充填率50%的新生成粒級(jí)量較高，磨礦效果較佳，7～10 μm范圍內(nèi)，充填率50%、55%和60%的新生成粒級(jí)量沒(méi)有明顯差別，綜合考慮，充填率為50%的磨礦效果較佳。

2.3 料球比試驗(yàn)

在確定轉(zhuǎn)速為500 r/min、充填率為50%的條件下，固定球配為3：2、磨礦時(shí)間為60 min，研究料球比對(duì)磨礦效率的影響，料球比分別為1、0.875、0.75、0.625、0.5和0.375，不同料球比的新生成粒級(jí)量見(jiàn)圖5。

圖5 不同料球比的新生成粒級(jí)量Fig.5 Newly generated particle size for different ball ratios

通過(guò)圖5可以看出，料球比由0.375增大到0.875，粉磨產(chǎn)品的新生成粒級(jí)量有顯著的增長(zhǎng)，在粒徑為10μm處，從7.76 g/（m3·h）增加到15.53 g/（m3·h），料球比繼續(xù)增加至1，粉磨產(chǎn)品新生成粒級(jí)量增長(zhǎng)較小。在0～10 μm的粒徑范圍內(nèi)，料球比0.875與料球比1的新生成粒級(jí)量變化較小，在粒徑＜5 μm的范圍內(nèi)，料球比0.875的新生成粒級(jí)量略高于其他條件，在微細(xì)粒級(jí)磨礦效率更高一些，綜合考慮，料球比選擇為0.875。

2.4 球配試驗(yàn)

在確定轉(zhuǎn)速為500 r/min、充填率為50%、料球比為0.875的條件下，固定磨礦時(shí)間為60 min，研究球配對(duì)磨礦效率的影響，球配的數(shù)值分別為4：1、3：1、3：2、2：3 和 1：3，粒度累積曲線見(jiàn)圖 6。

圖6 球配與磷礦粉粒度關(guān)系Fig .6 Relationship between ball distribution and particle size of phosphate rock

在確定轉(zhuǎn)速為500 r/min、充填率為50%、料球比為0.875的條件下，固定磨礦時(shí)間為60 min，研究球配對(duì)磨礦效率的影響，球配的數(shù)值分別為4：1、3：1、3：2、2：3和1：3，粒度累積曲線見(jiàn)圖5所示。

由圖6可知，隨著球配由1：3變?yōu)?：1，粉磨產(chǎn)品的中位徑有明顯的減小，由4.0 μm減小到3.34 μm，繼續(xù)變?yōu)?：1時(shí)，中位徑明顯增大。球配為3：1的條件下，累積含量高于其他條件，球配為3：1的中位徑明顯低于其他條件，中位徑為3.34 μm，在0～10 μm范圍內(nèi)，含量也略高于其他條件，因此球配選為3：1，此時(shí)磨礦效果較佳。

2.5 磨礦時(shí)間試驗(yàn)

確定轉(zhuǎn)速為500 r/min、充填率為50%、料球比為0.875、球配為3：1的條件下，磨礦時(shí)間分別為60、90、120、150、180、210以及240 min時(shí)，粒度累積曲線見(jiàn)圖7。

圖7 磨礦時(shí)間與磷礦粉粒度關(guān)系Fig .7 Relationship between grinding time and particle size of phosphate rock

由圖7可知，隨著磨礦時(shí)間由30 min延長(zhǎng)至150 min，粉磨產(chǎn)品的中位徑由6.14 μm減小到2.64 μm，繼續(xù)延長(zhǎng)至240 min，粉磨產(chǎn)品的中位徑?jīng)]有明顯變化，四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的中位徑相差在0.1 μm范圍之內(nèi)，中位徑約2.71 μm左右，與原礦的中位徑相比下降了35 μm左右。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，粒度隨之變小，磨礦效率也隨之在減小。當(dāng)磨礦時(shí)間超過(guò)150 min，磷礦粉粒度沒(méi)有明顯變細(xì)。

采用釩鉬黃比色法，對(duì)不同磨礦時(shí)間條件下的磨礦產(chǎn)品進(jìn)行化驗(yàn)，所得磨礦時(shí)間與枸溶率關(guān)系見(jiàn)圖8。

圖8 磨礦時(shí)間與枸溶率關(guān)系Fig .8 Relationship between grinding time and enthalpy dissolution rate

隨著磨礦時(shí)間的增加，粒度隨之減小，枸溶率隨之增高。當(dāng)粒度變化趨近于平緩時(shí)，枸溶率的增長(zhǎng)速率也隨之變緩。原礦中枸溶率為9.14%，經(jīng)過(guò)超細(xì)粉磨后的磷礦粉的枸溶率約在40%-63%左右，最高達(dá)到63.45%，相對(duì)于原礦提高了54個(gè)百分點(diǎn)。

3 結(jié) 論

（1）未活化磷礦粉顆粒形狀大小不一，且不規(guī)則，顆粒大多都有棱角，破碎較為簡(jiǎn)單，具有較好的機(jī)械活化性能。

（2）在磨機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r/min，充填率為50%，料球比為0.875，球配為3：1和不同磨礦時(shí)間條件下，可使磨礦產(chǎn)品的中位徑降低35個(gè)百分點(diǎn)左右，最終獲得中位徑在3μm左右的超細(xì)磷礦粉。

（3）通過(guò)超細(xì)粉磨活化后，磷礦粉中枸溶率有明顯的增高，隨著粒度的減小，枸溶率隨之增高，枸溶率最高可達(dá)到63.45%，相對(duì)于原礦提高了54個(gè)百分點(diǎn)。

（4）磷礦粉經(jīng)過(guò)超細(xì)粉磨處理后，磷礦粉中有效磷的釋放量有明顯的增加，取得了良好的指標(biāo)效果。超細(xì)粉磨活化磷礦粉技術(shù)有效的提高了磷礦粉中有效磷的含量，而且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，值得更深一步的探索與研究。