光電色選機在石英砂選礦中的工藝研究

馬崇振

（長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012）

高純石英砂是一種SiO2平均品位超過99.9%的優(yōu)質(zhì)石英砂，廣泛應(yīng)用于電子、光伏晶硅、光纖、高性能玻璃等高技術(shù)領(lǐng)域，其主要雜質(zhì)為鉀長石、鈉長石、云母等硅酸鹽類礦物，物理性質(zhì)相近。以往眾多研究發(fā)現(xiàn)，很難采用單一的分選工藝來獲得高純石英砂，往往需要采用物理和化學(xué)方法相結(jié)合的提純手段［1］。

當(dāng)前，非金屬礦山面臨貧雜化日益加重的現(xiàn)狀，厚大、易采礦體日趨減少，小薄、難采礦體日益增加，不僅采礦難度大，而且采礦貧化率高，增加了后續(xù)加工工序的能耗和材耗等，導(dǎo)致生產(chǎn)成本日增。如果在礦石進(jìn)入碎磨之前，能將混入其中的圍巖或脈石及早剔除，勢必大大降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。以前，采用人工手選的方式進(jìn)行剔除部分廢石，這給選礦分選帶來了大量的工作，增加了工人的勞動強度，在一定程度上增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。尤其是當(dāng)該礦石塊度較小時，人工手選工序繁雜，工作量大，勞動強度高。為此，國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員一直致力于礦石預(yù)選技術(shù)與設(shè)備的研究［2～4］。

石英砂和鉀長石、鈉長石、云母等硅酸鹽類礦物，在顏色和光澤上存在一定的差異，理論上可以利用這種差異將它們分離。光電分選機，是一種集光學(xué)、電氣、機械、控制于一體的預(yù)先拋廢設(shè)備，是利用光電原理將顏色有差異的雜質(zhì)礦物檢測鑒別出來，依靠合適外力改變雜質(zhì)礦物的運動軌跡，從而實現(xiàn)雜質(zhì)礦物的有效分離［5］。

1 原礦分析

原礦為江西某地石英石，外觀呈白色、肉色粉末狀，石英砂經(jīng)多段破磨后粒度均勻分布在75～150 μm范圍，采用物理手段預(yù)先處理，通過氫氟酸減量法測得樣品中SiO2含量為98.90%，樣品的雜質(zhì)元素分析結(jié)果見表1，XRD分析結(jié)果如圖1所示。

表1 樣品雜質(zhì)元素分析 μg／g

圖1 XRD分析圖譜

從表1可以看出，雜質(zhì)元素主要是Al、K、Ca和Na等元素，且總含量超過1%。通過XRD衍射圖可知，礦石以石英礦物為主，其結(jié)果與化學(xué)成分分析結(jié)果吻合。石英砂中雜質(zhì)以Al、K、Ca為主，通過物理化學(xué)手段去除這部分Al、K、Ca，理論上可以提高石英砂純度，該試驗以提高SiO2的含量作為主要指標(biāo)。

2 試驗方法

2.1 試驗工藝

目前，提純加工高純石英砂的方法很多，主要包括擦洗、磁選、浮選、光電選、酸浸、生物浸出等等。生產(chǎn)實踐證明，上述工藝的組合使用可以獲得更好的提純效果［6～9］。

根據(jù)前期“磁選—浮選”、“磁選—酸浸”和“磁選—色選”工藝試驗等多方案探索試驗，初步認(rèn)定先磁后光電選流程用于該石英砂的除雜綜合效果較好，且不會對環(huán)境造成二次污染，符合綠色礦山的生產(chǎn)理念。依據(jù)原料工藝礦物學(xué)的性質(zhì)與特點，借鑒國內(nèi)外石英砂除雜工藝生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，結(jié)合磁選、光電選設(shè)備的發(fā)展趨勢，初步確定原則工藝流程為：原礦—破碎—磨礦—磁選—光電選。

2.2 試驗設(shè)備

該試驗采用的是MogensenSort Typ礦石光電分選機，其結(jié)構(gòu)按照其功能劃分為給料系統(tǒng)、掃描和檢測系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、分離系統(tǒng)等四個部分。

1.給料系統(tǒng)：給料方式主要為帶式和槽式等，給料系統(tǒng)將物料通過系統(tǒng)設(shè)置的掃描檢測，以達(dá)到分離的目的。

2.掃描檢測系統(tǒng)：為光電分選機的核心部件，其主要是將礦石顏色、光澤度等特征信息進(jìn)行收集，用于礦石分選的系統(tǒng)的判別。檢測部分主要是礦石在光源、射線等外部條件作用下，利用X射線透視技術(shù)及紅外線等傳感器檢測其反饋信息。

3.信息處理系統(tǒng)：為光電分選機的控制部分，具有分析和決策等控制作用。主要是通過數(shù)學(xué)模型分析，利用檢測的信號來實現(xiàn)物料識別，將驅(qū)動分離信號傳輸給分離系統(tǒng)。

4.分離系統(tǒng)：分離系統(tǒng)主要是接受前端傳來的信號，根據(jù)驅(qū)動分離信號，利用執(zhí)行機構(gòu)將礦石與雜質(zhì)礦物進(jìn)行分離。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 磁選試驗

為了預(yù)先去除物料中的磁性礦物，降低鐵雜質(zhì)的含量，同時減少后續(xù)工藝的負(fù)荷，在進(jìn)行光電選別之前，首先利用強磁進(jìn)行除Fe降雜。為了探索磁感應(yīng)強度對礦石除雜效果的影響，進(jìn)行了不同磁感應(yīng)強度的條件試驗，磁選設(shè)備采用高梯度磁選機，礦漿濃度固定在30%，不同磁場強度對降低鐵含量的影響如圖2所示。

圖2 不同磁感應(yīng)強度對試驗結(jié)果的影響

從圖2中可知，在磁場強度不斷增加的情況下，F(xiàn)e含量和精礦產(chǎn)率都呈降低趨勢，綜合考慮精礦產(chǎn)率和雜質(zhì)含量，當(dāng)磁感應(yīng)強度為1.6 T時，可以獲得產(chǎn)率為90.5%，F(xiàn)e含量為102μg／g的粗精礦。對磁選精礦進(jìn)行主要成分化學(xué)分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 精礦雜質(zhì)元素含量 μg／g

3.2 光電分選試驗

3.2.1 流量對雜質(zhì)含量、臺時產(chǎn)量的影響

設(shè)定一、二號選閾值均為150，考察流量對石英雜質(zhì)含量和臺時產(chǎn)量的影響，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 流量對雜質(zhì)含量和處理量的影響

從圖3可以看出，當(dāng)流量小于5×10－3m3／s時，光電分選機的臺時產(chǎn)量＜5 t／h；當(dāng)流量大于6×10－3m3／s時，雜質(zhì)含量超過了1 000μg／g，都不符合生產(chǎn)需求。因而，初步確定流量（5～6）×10－3m3／s進(jìn)行其它條件優(yōu)化試驗。

3.2.2 一號閾值對雜質(zhì)含量、廢品率的影響

設(shè)定流量為5.5×10－3m3／s，二號閾值為150，考察一號色選閾值對雜質(zhì)含量、廢品率的影響，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 一號色選閾值對雜質(zhì)含量和精礦產(chǎn)率的影響

從圖4可以看出，隨著一號閾值的不斷增加，精礦產(chǎn)量不斷增加，但產(chǎn)品中雜質(zhì)含量卻呈上升趨勢；當(dāng)一號閾值為160時，雜質(zhì)含量920μg／g，精礦產(chǎn)率為94.5%，因此，初步確定一號閾值為160。

3.2.3 二號閾值對雜質(zhì)含量、廢品率的影響

設(shè)定流量為5.5×10－3m3／s，一號閾值為160，考察二號色選閾值對雜質(zhì)含量、廢品率的影響，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 二號色選閾值對雜質(zhì)含量和精礦產(chǎn)率的影響

從圖5可以看出，隨著二號閾值的不斷增加，精礦產(chǎn)量不斷增加，但產(chǎn)品中雜質(zhì)含量卻呈上升趨勢；當(dāng)二號閾值為140時，雜質(zhì)含量為860μg／g，精礦產(chǎn)率為93.6%，因此，初步確定二號閾值為140。

3.3 最佳工藝參數(shù)下石英砂除雜效果分析

根據(jù)前面大量的條件試驗，初步確定了最佳工藝參數(shù)，磁選場強為1.6 T，光電分選機的流量為5.5×10－3m3／s，一號閾值為160，二號色選閾值140。

為了保證試驗指標(biāo)的可重復(fù)性，在最佳條件下進(jìn)行驗證性試驗，重復(fù)三次取平均值。最終獲得的石英砂雜質(zhì)化學(xué)成分匯總?cè)缦拢篎e 100μg／g；Al 272 μg／g；K 124μg／g；Ca 153μg／g；Na 80μg／g；Mg 75 μg／g；Ti 50μg／g。石英砂雜質(zhì)含量由9 700μg／g降至854μg／g，SiO2純度由98.9%提高至99.9%以上。

4 結(jié) 論

1.通過利用“原礦—破碎—磨礦—磁選—光電選”工藝對原礦進(jìn)行加工處理，原礦中的雜質(zhì)降低效果明顯，當(dāng)原礦雜質(zhì)含量為9 700μg／g時，最終可得到精礦產(chǎn)率84.6%、SiO2含量99.9%以上、雜質(zhì)含量為854μg／g的高純石英砂。

2.磁選可以有效去除原礦中的Fe元素，光電選可以有效去除原礦中的Al元素及堿金屬元素的含量，但是Al元素和Ca元素的含量仍然偏高，初步認(rèn)為有部分Al和Ca存在于晶格中，有待于進(jìn)一步研究。

3.采用先強磁除鐵后光電選除雜的工藝，可以有效提高石英砂的純度，獲得滿足工業(yè)需要的高純石英砂。此工藝的試驗成功，為該礦石的利用提供了新的思路，同時為類似礦山的開發(fā)提供借鑒。