文章编号：1004-0609(2009)06-1124-06

钛辉石对钛铁矿浮选行为的影响

张国范，王  丽，冯其明，卢毅屏，欧乐明

(中南大学 资源加工与生物工程学院，长沙410083)

摘 要：采用浮选实验和DLVO理论计算，研究钛辉石和钛铁矿各自的可浮性以及各粒级钛辉石对钛铁矿可浮性的影响规律及机理。浮选实验结果表明：钛铁矿具有很好的可浮性，钛辉石可浮性较差；粒径小于10 ?m的钛辉石对钛铁矿回收率影响很大。DLVO理论计算结果表明：当pH=5.9时，两种矿物颗粒间的总相互作用能为负值，表现为相互吸引，微细粒级的钛辉石会在钛铁矿表面上粘附，使钛铁矿的回收率显著降低；当pH=8.5时，由于静电排斥能大，总相互作用能仍表现为较强的排斥力，微细粒钛辉石不能粘附在钛铁矿表面。

关键词：钛铁矿；钛辉石；浮选；DLVO理论

中图分类号：TD 952       文献标识码： A

Effect of titanaugite on flotation behavior of ilmenite

ZHANG Guo-fan, WANG Li, FENG Qi-ming, LU Yi-ping, OU Le-ming

 (School of Resources Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The flotabilty of titanaugite and ilmenite and the effects of different size fractions of titanaugite on the flotability of ilmenite were studied by flotation tests and DLVO theoretical calculations. The flotation results show that ilmenite has good flotability, however, titanaugite has poor flotabitity, and titanaugite with the grain size bellow 10 ?m has serious effect on the recovery of ilmenite.The results of DLVO theoretical calculations indicate that the total acting energy between the titanaugite and ilmenite particles at pH 5.9 is negative, showing as attraction, which causes the superfine titanaugite particles attach on the surface of ilmenite. At pH 8.5, because of large electrostatic repulsion energy, the total acting energy shows as strong repulsion, thus the superfine titanaugite particles can not attach on the surface of ilmenite.

Key words: ilmenite; titanaugite; flotation; DLVO

攀枝花—西昌地区钛铁矿储量(按TiO₂计)约1.5亿t，占全国原生钛铁矿储量的97%，列国内第一位^[1]，是我国重要的钛资源基地。攀钢矿业公司选钛厂的入选原料为选铁厂所排出的磁选尾矿^[2]，由于矿石性质的变化，以及选铁厂采用细磨措施提高铁精矿品位，致使选钛厂浮选入选原料中粒径小于74 ?m的矿物含量超过60%^[3]。微细粒级含量增大，会造成两个方面的影响：一是会造成浮选过程中泡沫过分稳定、发粘，使矿粒不易脱附，细粒脉石矿物夹带现象严重，从而严重影响浮选精矿品位^[4]；二是原料中粒径小于19 ?m的矿物被分级脱泥作业作为尾矿抛弃。而据检测，磁尾中粒径小于19 ?m的钛铁矿含量占35%左右，TiO₂含量达9.24% ^[5]。可见，大量含钛矿物白白流失。目前现场钛铁矿选别工艺为强磁?浮选联合流程^[6]，主要是强化19~74 ?m粒级钛铁矿的回收。关于微细粒级钛铁矿回收方法的研究主要集中在浮钛药剂方面，近年来针对攀枝花细粒钛铁矿研发的浮钛药剂主要有攀枝花钢铁研究院矿山分院开发的R?2^[7]、朱建光等^[8]研制的MOS、谢泽君等^[9]研制的XT、ROB^[10]和TAO系列捕收剂^[11]、沈阳有色金属研究院研制的H717^[12]、朱建光等^[13]最新研制的MOH等，这些药剂的浮选效果各有优劣，目前只有MOS在现场使用，但并不能有效解决微细粒钛铁矿的回收问题。

考虑到原料中脉石矿物绝大部分为含钛普通辉石，含量(质量分数)约为46%^[14]，而目前关于钛辉石对钛铁矿浮选影响的研究工作较少，因此，本文作者从这一角度出发，探讨其影响机理，以期为有效回收微细粒钛铁矿提供指导。

1  实验

1.1  试样

试验样品中，钛铁矿取自攀枝花选钛厂电选精矿，经摇床、磁选制得钛铁矿纯矿物；钛辉石取自攀枝花选钛厂电选尾矿，采用摇床、磁选、电选制得钛辉石纯矿物。两种纯矿物经瓷球磨、筛分、水析分别制得74~100 ?m、38~74 ?m、10~38 ?m 3个粒级试样，以及粒径小于74 ?m的颗粒含量为93%(0~100 ?m)的钛铁矿和钛辉石全粒级试样。粒径小于10 ?m的两种纯矿物试样则由周期式搅拌球磨机制得。对两种单矿物进行化学成分分析，结果见表1。

表1  单矿物样品化学成分分析结果

Table 1  Chemical compositions of samples

1.2  浮选实验

实验所用药剂均为分析纯或化学纯试剂，捕收剂为常规药剂油酸钠，pH调整剂为硫酸和氢氧化钠。实验用水是一次蒸馏水。

浮选实验是在槽容积为40 mL的XFG型挂槽式浮选机进行，浮选温度为25 ℃。每次实验称取矿样  2 g(混合矿样为5 g)置于槽中，加入适量蒸馏水，搅拌  1 min后加pH调整剂搅拌3 min，再加捕收剂搅拌    5 min，经PHS?3C型精密pH计测定pH值后，浮选5 min，浮选过程采取手工刮泡，浮选完成后将刮出的泡沫(精矿)烘干、称量，计算回收率。

1.3  动电位测试

将矿物磨至粒径小于0.002 mm，每次称样30 mg置于烧杯中，加入50 mL的蒸馏水，按照与浮选实验相同的调浆条件加药剂，用磁力搅拌器搅拌5 min后在Zetaplus Zeta分析仪上测量矿物表面ζ电位。

2  结果与讨论

2.1  钛铁矿和钛辉石可浮性

图1所示为各粒级钛铁矿回收率与pH的关系图。从图1可以看出，总体来说，钛铁矿各个粒级的可浮性都很好，且可浮区间宽，在pH值为4~10区间内均具有较好的可浮性。相对来说，粒径小于10 ?m粒级的钛铁矿可浮性较差，10~38 ?m粒级的钛铁矿可浮性最好。当pH值大于10以后，74~100 ?m粒级和38~74 ?m粒级的钛铁矿回收率随pH值增加而显著下降。

图1  不同粒级钛铁矿可浮性与pH值的关系

Fig.1  Relationship between floatability of different sized ilmenite and pH value

图2所示为各粒级钛辉石回收率与pH值的关系。由图2可看出，钛辉石的可浮性相对较差，可浮区间也很窄，仅在pH值为4.5~7.5区间内可浮性相对较好。就各粒级可浮性来看，粒径小于10 ?m粒级的钛辉石可浮性最差，38~74 ?m粒级的钛辉石可浮性最好，当pH=6.28时，钛辉石回收率可达74.93%。

图2  不同粒级钛辉石可浮性与pH值的关系

Fig.2  Relationship between floatability of different sized titanaugite and pH value

图3所示为捕收剂油酸钠用量对全粒级钛铁矿和钛辉石回收率的影响。从图3可看出，钛铁矿的回收率先随油酸钠用量的增大而升高，后趋于平缓。当油酸钠用量为1×10^?4mol/L时，钛铁矿回收率可高达90%以上，具有非常好的可浮性；油酸钠用量大于    1×10^?4mol/L后，其对钛铁矿回收率影响不大。由图3可知，在实验药剂用量范围内，油酸钠用量对钛辉石的回收率影响不大，回收率一直维持在25%~30%之间，可浮性较差。

图3  油酸钠用量对全粒级钛铁矿和钛辉石(0~100 ?m)回收率的影响

Fig.3  Effect of dosage of sodium oleate on recoveries of ilmenite and titanaugite(grain size 0?100 ?m)

2.2  钛铁矿和钛辉石混合体系浮选

从钛铁矿和钛辉石可浮性实验结果可知，钛铁矿可浮性很好，钛辉石可浮性较差，为了研究在实际浮选体系中，钛辉石对钛铁矿浮选回收率影响的原因，分别进行了钛辉石各个粒级同全粒级钛铁矿不同比例人工混合矿浮选实验，实验结果如图4所示。由图4可以看出，对于10~38 ?m、38~74 ?m和74~100 ?m 3个粒级的钛辉石来说，其含量的增加对钛铁矿回收率的影响并不大；而对于粒径小于10 ?m的钛辉石来说，其含量低于40%时，对钛铁矿回收率影响不大，但其含量超过40%时，对钛铁矿回收率影响非常显著。随着该粒级钛辉石含量增加，钛铁矿回收率急剧降低，当该粒级钛辉石含量为50%时，钛铁矿的回收率由该粒级钛辉石含量为0时的89%降到63%；该粒级钛辉石含量增大到80%时，钛铁矿的回收率仅为33.6%。

图4  钛辉石含量对钛铁矿回收率的影响

Fig.4  Effect of content of titanaugite on recovery rate of ilmenite

图5所示为全粒级钛铁矿和粒径小于10 ?m的钛辉石占60%的人工混合矿油酸钠用量试验结果。随油酸钠用量在一定范围内的增大，钛铁矿回收率虽然有明显提高，但与钛铁矿纯矿物浮选实验结果相比，在相同的油酸钠用量和pH值下，钛铁矿纯矿物的回收率远大于此混合矿中钛铁矿的回收率。造成这种现象的主要原因可能是微细粒钛辉石在钛铁矿表面发生了罩盖作用，降低了钛铁矿的可浮性。下面将从DLVO理论方面详细讨论微细粒钛辉钛辉石与钛铁矿间的相互作用。

图5  油酸钠用量对混合矿中钛铁矿回收率的影响

Fig.5  Effect of dosage of sodium oleate on recovery of ilmenite in mixed ore

2.3  DLVO理论计算

DLVO理论以胶体粒子间的相互吸引和相互排斥为基础，当粒子相互接近时，这两种相反的作用力就决定了胶体分散体系的稳定性。矿粒间的总作用能可用DLVO理论的通式表示为^[15]

2.3.1  异类矿物颗粒间的范德华相互作用

由于微细粒的钛辉石对钛铁矿浮选影响较大，所以本实验室研究5 ?m钛辉石和38 ?m钛铁矿矿物粒子间的相互作用情况。

球形颗粒间范德华作用能的表达式为^[16]

各种矿物在真空中的Hamake常数为：钛辉石A₁₁=8.6×10^?20J；钛铁矿A₂₂=13.1×10^?20J；水A₃₃=4×10^?20J。钛辉石和钛铁矿在水中相互作用的Hamaker常数由下式给出^[17?19]：

微细粒钛辉石和钛铁矿在水中的范德华相互作用能为

由计算结果可知，微细粒钛辉石与钛铁矿之间相互作用的范德华势能为负值，表现为相互吸引。如图6中E_W曲线所示，当颗粒间距小于3 nm时，相互间的引力急剧增加，当颗粒间距大于6 nm时，相互间引力较小，且变化缓慢。

图6  钛辉石与钛铁矿相互作用势能曲线

Fig.6  Interaction potential energy curves of titanaugite and ilmenite

2.3.2  异类矿物颗粒间的静电相互作用

半径分别为R₁和R₂的不同粒子间的静电相互作用能如下式所示^[20?21]：

由实验测得钛铁矿和钛辉石在pH=5.9时的ζ分别为?7和?5.8 mV，在pH=8.5时的ζ分别为?35.5和?37 mV。用ζ值近似代替式(5)中的ψ₀值。由式(5)可得钛铁矿和微细粒钛辉石在不同pH下的静电相互作用能分别如下：

钛铁矿和微细粒钛辉石之间的静电相互作用能情况如图6中E_E曲线所示，两种pH下均为斥力，随颗粒间距的增大，斥力减小，且从图6可以发现，两种颗粒在碱性条件下的静电相互作用能大于弱酸性条件下的静电相互作用能。

2.3.3  异相矿物颗粒间的DLVO相互作用

根据前面计算的两种矿物颗粒间的范德华作用能和静电作用能结果，由式(1)可得它们之间在不同pH下的总相互作用能分别如下：

钛铁矿和微细粒钛辉石颗粒间的总相互作用能情况如图6中曲线所示。在pH=5.9时，两种颗粒的总相互作用能为吸引力，说明微细粒钛辉石在钛铁矿表面会发生罩盖作用。当颗粒间距小于10 nm时，吸引力急剧增大，更有可能发生罩盖。当颗粒间距大于20 nm时，吸引力缓慢减小，随着间距的继续增大，吸引力趋近于0。在pH=8.5时，两种颗粒的总相互作用能随颗粒间距的增大由排斥变为吸引，当颗粒间距小于52.5 nm时，其作用能表现为排斥，当颗粒间距大于52.5 nm时，其作用能表现为吸引，但吸引力很小。由此可见，在pH=8.5时，由于颗粒间存在斥力，微细粒的钛辉石在钛铁矿表面罩盖的可能性较小。

根据浮选实验结果，钛铁矿在pH为4~10区间均具有很好的可浮性，而钛辉石仅在pH为4.5~7.5区间具有一定的可浮性；并且，根据DLVO理论计算结果，在pH=8.5时，发生细粒罩盖可能性较小，有利于消除钛辉石的影响。因此，基于这两个方面的原因，可考虑选择pH为7.5~10的碱性区间来浮选钛铁矿。

3  结论

1) 钛铁矿在pH值为4~10区间内各个粒级都具有很好的可浮性，钛辉石仅38~74 ?m粒级在pH值为4.5~7.5区间内具有较好的可浮性。油酸钠用量对钛铁矿回收率影响较大，当油酸钠用量为1×10^?4mol/L时，钛铁矿回收率高达90%以上；油酸钠用量对钛辉石的回收率影响不大。

2) 粒径小于10 ?m粒级的钛辉石在其含量超过40%时，会导致钛铁矿回收率急剧降低，其它较粗粒级的钛辉石对钛铁矿回收率影响较小。

3) 根据DLVO理论计算结果，在pH=5.9时，两种矿物颗粒间的总相互作用能为负值，表现为相互吸引，微细粒极的钛辉石会在钛铁矿表面上粘附，使钛铁矿的回收率显著降低；在pH=8.5时，由于静电排斥能大，使总相互作用能仍为强的斥力，微细粒钛辉石不能在钛铁矿上发生粘附，因此，可以考虑在碱性区间浮选钛铁矿。

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基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2007CB613602)

收稿日期：2008-11-13；修订日期：2008-02-28

通讯作者：张国范，副教授，博士；电话：0731-8830913；E-mail: zhangguofan2002@163.com

(编辑 何学锋)