Experimental Study on Mineral Processing and Purification of a Quartzite Ore in Gansu
-
摘要:
针对甘肃某石英岩矿进行选矿试验研究，在对原矿进行工艺矿物学研究的基础上，研究磁选、擦洗、浮选等工艺对石英岩矿含铁杂质的去除效果，并对比了“磁选—擦洗”与“磁选—浮选”工艺的提纯效果。以SiO2含量为99.42%、Al2O3含量为2 400 μg/g、Fe2O3含量为1 814 μg/g的石英岩矿为原料，采用“磨矿—磁选—浮选”选矿工艺提纯效果较好。结果表明，试样经铁球磨矿后，在磁感应强度1.4 T条件下进行三段磁选除铁，再以H2SO4为调整剂、松醇油为起泡剂、PSK-78石油磺酸钠为捕收剂进行反浮选试验，可获得SiO2含量为99.61%、Fe2O3含量为185 μg/g、回收率为51.34%的石英精矿。该工艺除铁效果显著、污染小，可大幅度提升产品的附加值，具有良好的应用前景。
Abstract:The beneficiation experiments of a quartzite ore in Gansu province were carried out. Based on the process mineralogy study of the raw ore, the different technological processes such as magnetic separation, scrubbing and flotation on the removal of iron impurities in quartzite ore were studied. The purification effect of "magnetic separation-scrubbing" and "magnetic separation-flotation" process was compared. The results showed that the process of "grinding-magnetic separation-flotation" was more conducive to purification for the quartzite ore with SiO2 of 99.42%, Al2O3 of 2 400 μg/g and Fe2O3 of 1 814 μg/g. After iron ball milling, the sample was subject to three-stage magnetic separation to remove iron under the magnetic induction intensity of 1.4 T. Then the reverse flotation test was carried out with H2SO4 as the regulator, pine oil as frother and PSK-78 sodium petroleum sulfonate as the collector. Finally, the quartz concentrate with SiO2 content of 99.61%, Fe2O3 content of 185 μg/g and recovery of 51.34% was obtained. The process has remarkable iron removal effect and little pollution, and it can greatly improve the added value of products and has a good application prospect.
-
Keywords:
- quartzite /
- magnetic separation /
- scrubbing /
- flotation
-
1. 前言
石英的主要成分为SiO2，是一种造岩矿物，也是一种非常典型的非金属矿物[1-2]。它具有耐高温、化学性质稳定等特点，广泛应用在玻璃制品、航空航天、信息科技等领域，是国民经济发展中重要的原材料[3-5]。通常石英岩矿矿床规模较大，地质产状稳定，开采条件好，矿石中SiO2含量大都在90%以上，适合大规模工业开发[1,6]。石英岩矿中常见的赤褐铁矿、绿帘石等脉石矿物均为弱磁性矿物，可以通过磁选工艺去除[7]。长石、云母作为石英矿中常见的伴生脉石矿物，因长石和石英均属于架状硅酸盐矿物，二者在晶体结构及化学性质方面相近，故分离比较困难，通过浮选分离石英和长石、云母等杂质矿物是目前最有效的途径[8-11]。浮选方法主要有氢氟酸法、无氟有酸法、无氟无酸法等[12]。氢氟酸法是目前最为成熟的方法，但会引起生产安全、环境污染、健康危害等问题[13]，目前采用无氟有酸法来浮选分离石英和长石较为普遍。另外，擦洗也可去除石英颗粒表面的污染铁及粘连性杂质矿物。
随着光纤、半导体等高新技术产业飞速发展，能作为优质原料直接利用的石英资源日趋枯竭[1,14]，合理地开发利用现有的石英资源、探索适宜的提纯工艺已成为当务之急[15]。甘肃某石英岩矿矿物共生关系复杂，为提升产品的附加值对该矿石进行了提纯试验研究，以确定合理的选矿工艺流程及最佳工艺参数。
2. 试样性质与试验方法
2.1 原矿性质
试验中使用的矿石样品采集自甘肃某地石英岩矿，主要为粒度>200 mm的石英矿块，肉眼观察呈灰白色。原矿化学分析结果见表1，XRD图谱见图1，偏光显微镜照片见图2。
表 1 原矿试样ICP测试分析结果（氧化物经换算）Table 1. ICP test and analysis results of raw ore samples (the oxides are converted)/（μg·g−1） 成分 Al2O3 Fe2O3 CaO TiO2 MgO Na2O MnO As2O3 P2O5 含量 2400 1814 750 267 194 93 61 56 43 成分 BaO K2O B2O3 SrO Li2O Cr2O3 ZnO CuO PbO 含量 40 31 25 24 15 9 6 5 4 成分 V2O5 CoO SnO2 Bi2O3 BeO Sb2O3 NiO CdO 含量 2 2 1 1 1 1 1 1 ![]()
图 2 原矿偏光显微镜照片（a）～（d）（Q石英、T电气石、H赤褐铁矿、R金红石、L绿帘石、S绢云母）Figure 2. Polarizing microscope photos of raw ore （a） ～ （d） （Q—Quartz，T—Tourmaline，H—Hematite，R—Rutile，E—Epidote，S—Sericite）由ICP、XRD和偏光显微镜观察综合分析，该石英岩矿主要矿物成分为石英，SiO2含量为99.42%，主要杂质矿物有赤（褐）铁矿、绿帘石、电气石、绢云母和金红石等，Al2O3和Fe2O3的含量分别为2 400 μg/g和1 814 μg/g。岩石为中细粒变晶结构，局部变余砂状结构，块状构造。大部分矿石为无色、粒状、颗粒大小比较均匀。石英颗粒多为直边接触或缝合线接触，颗粒间有尘线（微细粒赤（褐）铁矿）、微细鳞片的绢云母。石英颗粒部分表面干净，部分表面较脏。少量的石英颗粒内部含金红石矿物包裹体。原矿Fe元素含量较高，仅可用作低档玻璃原料，若要加工成优质浮法玻璃或光伏玻璃原料，提高其附加值，须通过选矿提纯工艺除去含铁杂质矿物。
2.2 试样制备
原矿经颚式破碎机粗碎、对辊破碎机细碎、筛分后得到粒径为+0.6 mm的石英矿样，对+0.6 mm粒级矿样进行闭路磨矿分级（磨矿介质为铁球），得到的−0.6+0.1 mm粒级石英砂（占原矿的61.19%）即为本试验待处理样品。
2.3 试验方法
本试验的目的主要是提高石英精矿中SiO2的含量，降低铁杂质的含量。原矿中Fe元素主要赋存于微量的赤（褐）铁矿、绢云母、电气石和绿帘石中。
去除磁性杂质及加工过程中混入的机械铁主要通过磁选法[16]，尤其强磁选工艺可最大限度地去除赤铁矿、褐铁矿、电气石和绿帘石等弱磁性矿物。
绢云母、白云母等非磁性矿物难以通过磁选分离。擦洗可使覆盖在石英颗粒表面的脉石矿物及磨矿中形成的含铁薄膜脱落分离，还可进一步擦碎未成单体的矿物集合体，为石英砂下一步的选矿提纯提供基础。
浮选是分离伴生在石英砂中的含铁矿物的重要手段之一[17]。它利用不同矿物之间表面性质的差异，应用浮选药剂分离出含铁矿物，降低石英中的铁含量。
3. 试验结果与讨论
3.1 磁选
3.1.1 磁选段数的影响
采用SLon-100型周期式脉动高梯度磁选机对试样进行磁选条件试验，在矿浆流速为1.0 cm/s、脉动频率为200 r/min、磁场磁感应强度为1.4 T、磁选介质为细钢棒的条件下，分别对试样进行一段、二段、三段、六段（磁选至没有尾矿）磁选试验，考察磁选段数对铁杂质含量的影响，试验结果见图3。
![]()
图 3 不同磁选段数的磁选精矿Fe2O3含量Figure 3. Fe2O3 content of magnetic concentrate with different number of magnetic separation stages由图3可知，随着磁选段数的增加，石英精矿Fe2O3含量逐渐降低。三段磁选后精矿Fe2O3含量降至442 μg/g。六段磁选与三段磁选相比Fe2O3含量变化不明显，说明三段磁选使石英岩矿中解离的磁性杂质基本被去除，增加磁选段数意义不大，故后续试验采用三段磁选。
3.1.2 磁场磁感应强度的影响
磁场磁感应强度是影响磁选效果的重要因素，磁场磁感应强度低会使一部分弱磁性矿物难以分离，提高磁场磁感应强度则会增加生产成本。为了考察磁场磁感应强度对试样铁杂质含量的影响，分别在1.2 T、1.4 T、1.6 T三种磁场磁感应强度下对试样进行三段磁选。
由图4可知，随着磁场磁感应强度不断增加，石英内包裹的赤（褐）铁矿等含铁矿物包裹体被去除，同时弱磁性矿物也更易被去除，故Fe2O3含量也随之降低。当磁场磁感应强度增加至1.4 T时，增加磁场磁感应强度磁选精矿Fe2O3含量变化不大，且高磁场磁感应强度下用电成本更高，故磁场磁感应强度选1.4 T较为合适。
![]()
图 4 不同磁场磁感应强度的磁选精矿Fe2O3含量Figure 4. Fe2O3 content of magnetic separation concentrate with different magnetic field induction intensity3.2 磁选—擦洗
为进一步降低磁选精矿中Fe2O3含量，分别进行酸性（质量浓度10%的H2SO4）、中性、碱性（质量浓度10%的NaOH溶液）擦洗试验。擦洗后的浆料筛分，−0.1 mm粒级矿泥作为尾矿。试验流程见图5，试验结果见图6。
由图6可知，经过擦洗作业后，精矿Fe2O3含量均出现了不同程度的降低。酸性条件下效果最好，可将精矿Fe2O3含量降至305 μg/g，碱性擦洗与中性擦洗效果相比差距较小。出现这种现象的主要原因是酸性条件下擦洗是通过机械力作用以及酸液浸泡溶解一部分未解离的脉石矿物，从而使Fe2O3含量降低。而中性以及碱性擦洗只是单纯依靠机械力的磨剥作用。
虽然经过擦洗后的精矿Fe2O3含量有所下降，但含量仍然较高。
3.3 磁选—浮选
磁选—浮选原则工艺流程见图7。试验首先通过使用不同捕收剂种类、不同药剂制度以及不同浮选方式（正浮选、反浮选）来探究浮选对石英岩矿的铁杂质去除效果。
3.3.1 正浮选
以H2SO4作pH调整剂，捕收剂十二胺用量160 g/t，抑制剂玉米淀粉用量10 g/t，在pH=4.0～5.0、浮选矿浆质量浓度为30%的条件下对磁选精矿进行正浮选，比较不同抑制剂对浮选精矿产率与铁杂质含量的影响。试验结果见表2。
表 2 正浮选产物化学元素分析结果Table 2. Chemical element analysis results of positive flotation试验条件 产物 产率/% Fe2O3含量/(μg·g−1) 浮选回收率/% 浮选添加
抑制剂精矿 46.88 270 46.95 尾矿 53.12 531 53.05 总计 100.00 − 100.00 浮选未添加
抑制剂精矿 68.31 328 68.42 尾矿 31.69 741 31.58 总计 100.00 − 100.00 由表2可知，在浮选过程中添加抑制剂能有效地降低精矿Fe2O3含量，说明抑制剂对含铁杂质矿物起到了一定的抑制作用。但可能是抑制剂对颗粒表面较脏的石英也产生了抑制作用，导致石英精矿产率大幅下降。
3.3.2 反浮选试验研究
使用十二胺在弱酸条件下正浮选石英会由于夹带绢云母等脉石矿物导致精矿Fe2O3含量偏高，故进一步在酸性和碱性条件下利用阴离子捕收剂进行反浮选试验，比较不同捕收剂对浮选精矿产率与铁杂质含量的影响。
以NaOH与H2SO4作pH调整剂，起泡剂松醇油用量75 g/t，在pH=10.0～11.0时分别添加用量各160 g/t的油酸钠及石油磺酸钠（PSK-13） 进行反浮选。调整松醇油用量为150 g/t，在pH=2.0～3.0时分别添加用量各600 g/t的石油磺酸钠（PSK-13）及石油磺酸钠（PSK-78）进行反浮选。试验结果见表3。
表 3 反浮选产物化学元素分析结果Table 3. Chemical element analysis results of reverse flotation试验条件 浮选药剂 产物 产率/% Fe2O3含量/(μg·g−1) 浮选回收率/% 浮选碱性条件
pH=10.0～11.0油酸钠 精矿 45.69 370 45.76 尾矿 54.31 392 54.24 总计 100.00 − 100.00 石油磺酸钠 （PSK-13） 精矿 82.81 363 82.93 尾矿 17.19 495 17.07 总计 100.00 − 100.00 浮选酸性条件
pH=2.0～3.0石油磺酸钠（PSK-13） 精矿 96.03 283 96.17 尾矿 3.97 582 3.85 总计 100.00 − 100.00 石油磺酸钠（PSK-78） 精矿 83.76 185 83.91 尾矿 16.24 696 16.09 总计 100.00 − 100.00 由表3可知，在碱性环境下，使用油酸钠和PSK-13浮选精矿Fe2O3含量均有所降低，但降幅很小。在酸性条件下，使用PSK-13和PSK-78浮选精矿Fe2O3含量分别为283 μg/g和185 μg/g，相比磁选精矿Fe2O3含量有明显降低，说明在酸性环境下两种石油磺酸钠都能够有效地分离石英与含铁脉石矿物，且PSK-78提纯效果最好。这可能是由于不同石油磺酸钠的活性物含量、原料油分子量、原料油芳烃含量等的差异导致捕收性能有所差异。
对原矿采用破碎—预先筛分—磨矿—筛分—磁选—反浮选工艺流程，以确定的最佳参数为条件进行试验，最终得到SiO2含量为99.61%、Fe2O3含量为185 μg/g回收率为51.34%的石英精矿，满足平板玻璃、器皿玻璃、晶质玻璃、日用陶瓷用石英砂原料要求。
4. 结论
（1）甘肃某地石英矿为石英岩矿，主要成分为石英，杂质矿物为绢云母（白云母）、金红石、赤褐铁矿、电气石和绿帘石等，矿物组成复杂，含铁矿物较多。
（2）“磁选—擦洗”或“磁选—浮选”工艺均能使石英砂中的铁杂质含量大幅降低。反浮选pH值为2.0～3.0、起泡剂松醇油用量150 g/t、捕收剂PSK-78用量600 g/t时除铁效果显著。而擦洗作业的效果明显比浮选差，且硫酸用量较大，会对环境造成污染。
（3）试验最终采用“破碎—预先筛分—磨矿—筛分—磁选—反浮选”选矿工艺，将石英砂SiO2含量由99.42%提高到99.61%，Fe2O3的含量由1 814 μg/g降至185 μg/g，除铁效果明显，满足平板玻璃、器皿玻璃、晶质玻璃、日用陶瓷用石英砂原料要求。
（4）试验结果可为该类石英岩矿的开发利用提供技术依据。
-
![]()
图 2 原矿偏光显微镜照片（a）～（d）（Q石英、T电气石、H赤褐铁矿、R金红石、L绿帘石、S绢云母）
Figure 2. Polarizing microscope photos of raw ore （a） ～ （d） （Q—Quartz，T—Tourmaline，H—Hematite，R—Rutile，E—Epidote，S—Sericite）
![]()
图 3 不同磁选段数的磁选精矿Fe2O3含量
Figure 3. Fe2O3 content of magnetic concentrate with different number of magnetic separation stages
![]()
图 4 不同磁场磁感应强度的磁选精矿Fe2O3含量
Figure 4. Fe2O3 content of magnetic separation concentrate with different magnetic field induction intensity
表 1 原矿试样ICP测试分析结果（氧化物经换算）
Table 1 ICP test and analysis results of raw ore samples (the oxides are converted)
/（μg·g−1） 成分 Al2O3 Fe2O3 CaO TiO2 MgO Na2O MnO As2O3 P2O5 含量 2400 1814 750 267 194 93 61 56 43 成分 BaO K2O B2O3 SrO Li2O Cr2O3 ZnO CuO PbO 含量 40 31 25 24 15 9 6 5 4 成分 V2O5 CoO SnO2 Bi2O3 BeO Sb2O3 NiO CdO 含量 2 2 1 1 1 1 1 1 
下载: 导出CSV
表 2 正浮选产物化学元素分析结果
Table 2 Chemical element analysis results of positive flotation
试验条件 产物 产率/% Fe2O3含量/(μg·g−1) 浮选回收率/% 浮选添加
抑制剂精矿 46.88 270 46.95 尾矿 53.12 531 53.05 总计 100.00 − 100.00 浮选未添加
抑制剂精矿 68.31 328 68.42 尾矿 31.69 741 31.58 总计 100.00 − 100.00
下载: 导出CSV
表 3 反浮选产物化学元素分析结果
Table 3 Chemical element analysis results of reverse flotation
试验条件 浮选药剂 产物 产率/% Fe2O3含量/(μg·g−1) 浮选回收率/% 浮选碱性条件
pH=10.0～11.0油酸钠 精矿 45.69 370 45.76 尾矿 54.31 392 54.24 总计 100.00 − 100.00 石油磺酸钠 （PSK-13） 精矿 82.81 363 82.93 尾矿 17.19 495 17.07 总计 100.00 − 100.00 浮选酸性条件
pH=2.0～3.0石油磺酸钠（PSK-13） 精矿 96.03 283 96.17 尾矿 3.97 582 3.85 总计 100.00 − 100.00 石油磺酸钠（PSK-78） 精矿 83.76 185 83.91 尾矿 16.24 696 16.09 总计 100.00 − 100.00
下载: 导出CSV
-
[1] 汪灵. 石英的矿床工业类型与应用特点[J]. 矿产保护与利用, 2019, 39(6): 39−47. WANG L. Industrial types and application characteristics of quartz deposit[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2019, 39(6): 39−47.
[2] 周鹏, 高惠民, 任子杰. 湖北某石英矿提纯试验研究[J]. 金属矿山, 2018(12): 104−108. ZHOU P, GAO H M, REN Z J. Experimental study on purification of a quartz ore in Hubei Province[J]. Metal Mine, 2018(12): 104−108.
[3] 徐凯. 硅砂质量对玻璃生产的影响[J]. 江苏建材, 2001(4): 13−15. DOI: 10.3969/j.issn.1004-5538.2001.04.006 XU K. Influence of silica sand quality on glass production[J]. Jiangsu Building Materials, 2001(4): 13−15. DOI: 10.3969/j.issn.1004-5538.2001.04.006
[4] 杨涛, 蒋述兴. 高纯超细电子级石英粉的制备技术综述[J]. 化工矿产地质, 2006(3): 185−188. DOI: 10.3969/j.issn.1006-5296.2006.03.010 YANG T, JIANG S X. Review on preparation technology of high purity and ultrafine electronic grade quartz powder[J]. Chemical and Mineral Geology, 2006(3): 185−188. DOI: 10.3969/j.issn.1006-5296.2006.03.010
[5] 高惠民, 张凌燕, 管俊芳, 等. 石墨、石英、萤石选矿提纯技术进展[J]. 金属矿山, 2020(10): 58−69. DOI: 10.19614/j.cnki.jsks.202010006 GAO H M, ZHANG L Y, GUAN J F, et al. Progress of beneficiation purification technology of graphite, quartz and fluorite[J]. Metal Mine, 2020(10): 58−69. DOI: 10.19614/j.cnki.jsks.202010006
[6] 刘治. 河源断裂带石英岩矿成矿地质特征[J]. 能源与环保, 2021, 43(7): 137−139. LIU Z. Metallogenic geological characteristics of quartzite deposit in Heyuan fault zone[J]. Energy and Environmental Protection, 2021, 43(7): 137−139.
[7] NOURI S, HOSEINIAN F S, REZAI B, et al. New pretreatment method for high-tension electrical separation of zircon from quartz[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2019, 29(8): 1737−1743. DOI: 10.1016/S1003-6326(19)65081-8
[8] XIE R, ZHU Y, LIU J, et al. A self-assembly mixed collector system and the mechanism for the flotation separation of spodumene from feldspar and quartz[J]. Minerals Engineering, 2021, 171: 107082. DOI: 10.1016/j.mineng.2021.107082
[9] SEKULIć, CANIć N, BARTULOVIć Z, et al. Application of different collectors in the flotation concentration of feldspar, mica and quartz sand[J]. Minerals Engineering, 2004, 17(1): 77−80. DOI: 10.1016/j.mineng.2003.10.004
[10] WEI Q, FENG L, DONG L, et al. Selective co-adsorption mechanism of a new mixed collector on the flotation separation of lepidolite from quartz[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2021, 612: 125973. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2020.125973
[11] 范培强, 谢贤, 宋强, 等. 国内高纯石英砂选矿与深加工研究现状[J]. 矿冶, 2018, 27(3): 18−22. DOI: 10.3969/j.issn.1005-7854.2018.03.004 FAN P Q, XIE X, SONG Q, et al. Research status of mineral processing and deep processing of high purity quartz sand in China[J]. Mining and Metallurgy, 2018, 27(3): 18−22. DOI: 10.3969/j.issn.1005-7854.2018.03.004
[12] 李爱民. 我国石英与长石浮选分离的研究进展[J]. 矿产保护与利用, 2021, 41(6): 27−34. LI A M. Research progress of flotation separation of quartz and feldspar in China[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2021, 41(6): 27−34.
[13] 于福顺, 邵怀志, 蒋曼, 等. 长石石英浮选分离试验及混合捕收剂作用机理研究[J]. 矿业研究与开发, 2020, 40(12): 122−127. YU F S, SHAO H Z, JIANG M, et al. Flotation separation test of feldspar quartz and study on action mechanism of mixed collector[J]. Mining Research and Development, 2020, 40(12): 122−127.
[14] 颜玲亚, 刘艳飞, 于海军, 等. 中国高纯石英资源开发利用现状及供需形势[J]. 国土资源情报, 2020(10): 98−103. YAN L Y, LIU Y F, YU H J, et al. Development and utilization of high-purity quartz resources in China and its supply-demand situation[J]. Land and Resources Information, 2020(10): 98−103.
[15] 詹建华, 王依, 陈正国, 等. 我国脉石英资源现状分析[J]. 中国非金属矿工业导刊, 2020(5): 1−4. DOI: 10.3969/j.issn.1007-9386.2020.05.002 ZHAN J H, WANG Y, CHEN Z G, et al. Analysis of pulsar resources in China[J]. China Non-Metallic Mineral Industry Guide, 2020(5): 1−4. DOI: 10.3969/j.issn.1007-9386.2020.05.002
[16] 岳丽琴. 高纯石英制备技术评述[J]. 矿产综合利用, 2014(1): 16−19. DOI: 10.3969/j.issn.1000-6532.2014.01.004 YUE L Q. Review on preparation technology of high purity quartz[J]. Comprehensive Utilization of Mineral Resources, 2014(1): 16−19. DOI: 10.3969/j.issn.1000-6532.2014.01.004
[17] 文贵强, 靳小涛, 李勇, 等. 汉中地区某石英岩矿提纯工艺研究[J]. 建材世界, 2016, 37(5): 30−34. DOI: 10.3963/j.issn.1674-6066.2016.05.009 WEN G Q, JIN X T, LI Y, et al. Study on purification technology of quartzite ore in Hanzhong area[J]. Building Materials World, 2016, 37(5): 30−34. DOI: 10.3963/j.issn.1674-6066.2016.05.009
-
期刊类型引用(3)
1. 朱一民. 2023年浮选药剂研究进展. 有色金属(选矿部分). 2024(03): 1-22 . 
百度学术
2. 陈健，雷晓龙，刘志良，刘胜，邓诗义，谢美芳，卢瑞桢. SGTF粉末干式永磁磁选机的研制及应用. 现代矿业. 2024(03): 177-180+188 . 百度学术
3. 温润涛. 江西某地石英岩选矿提纯试验研究. 中国非金属矿工业导刊. 2024(06): 52-56+64 . 百度学术
其他类型引用(2)
计量
- 文章访问数: 98
- HTML全文浏览量: 25
- PDF下载量: 23
- 被引次数: 5