响应曲面法优化山西某煤下铝土矿浮选提质试验研究.pdf

第 卷第期 年月有色金属工程 ，犱 狅 犻：犼 犻 狊 狊 狀 收稿日期：基金项目：国家重点研发计划项目（）犉 狌 狀 犱：（）作者简介：杜五星（），男，硕士，工程师，主要从事浮选理论与工艺及资源综合利用方面的研究。引用格式：杜五星，张建强，马俊伟，等响应曲面法优化山西某煤下铝土矿浮选提质试验研究有色金属工程，（）：，（）：响应曲面法优化山西某煤下铝土矿浮选提质试验研究杜五星，张建强，马俊伟，魏兆斌，李莎莎，（中铝郑州有色金属研究院有限公司，郑州 ；国家铝冶炼工程技术研究中心，郑州 ）摘要：为开发利用山西某煤下高硫铝土矿，在矿石性质研究的基础上进行反浮选脱硫脱碳试验以达到除杂提质的目标。在磨矿细度为 含量为 、浮选 值为 的条件下，利用 软件的 优化得到反浮选的最佳药剂制度为硫酸铜用量为 、丁基黄药用量为 、松醇油为 ，在上述条件下实际试验所得产率为 、硫含量为 的铝精矿指标，与软件拟合所得方程的预测结果（产率为 ，硫含量为 ）基本吻合。原矿通过选取优化后条件进行“一粗一精三扫”的闭路浮选提质流程处理后，获得了产率为 、含量为 、含量为 的铝精矿以及产率为 、含量为 的硫精矿，实现了对煤下铝土矿的综合利用。关键词：煤下铝土矿；浮选；交互作用；正交设计；响应曲面中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）犈 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犪 犾 犛 狋 狌 犱 狔狅 狀犗 狆 狋 犻 犿 犻 狕 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犉 犾 狅 狋 犪 狋 犻 狅 狀犙 狌 犪 犾 犻 狋 狔犐 犿 狆 狉 狅 狏 犲 犿 犲 狀 狋 狅 犳犪犛 犺 犪 狀 狓 犻犅 犪 狌 狓 犻 狋 犲狌 狀 犱 犲 狉犆 狅 犪 犾 犫 狔犚 犲 狊 狆 狅 狀 狊 犲犛 狌 狉 犳 犪 犮 犲犕 犲 狋 犺 狅 犱 狅 犾 狅 犵 狔 ，（，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，（，），犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；有 色 金 属 工 程第 卷近年来，随着我国氧化铝工业的快速发展及铝土矿的大量开采，使得国内铝土矿供应出现紧缺局面，个别氧化铝企业因无“粮”可用，陷入长期低产能运行的局面，致使我国铝土矿进口量逐年递增。自 年以来我国铝土矿年进口量超过亿，自给率不足，一旦国际市场出现较大波动，铝土矿进口受阻或要价过高，势必会造成国内大量氧化铝产能停产，严重影响着我国氧化铝产行业的绿色可持续发展 。因此，合理开发利用国内复杂铝土矿资源对实现我国铝土矿资源的可持续供与氧化铝工业的发展意义重大。随着自然资源部“三深一土”战略以及煤系共伴生矿产理念的提出，经勘查，山西省煤下铝土矿远景区面积约 ；河南省煤下铝土矿已探明储量达亿，预计储量将达到 亿，综合开发利用意义重大 。与常规铝土矿相比，煤下铝土矿中不仅硫含量偏高，而且煤下铝土矿中还含有碳元素，煤下铝土矿中的碳、硫会对氧化铝生产系统造成如下影响 ：）降低铝土矿中 的溶出率与氧化铝产量；）腐蚀氧化铝生产设备并影响氧化铝产品质量；）降低溶出、蒸发等工序加热设备的传热系数；）增加溶出工艺的能耗、碱消以及蒸发器蒸水的汽耗；）增加拜耳法赤泥的沉降难度和赤泥的外排量；）增加氧化铝溶出设备的结疤速度。为降低煤下铝土矿中有害杂质碳与硫的不良影响，国内外科研工作者对铝土矿脱硫脱碳工艺进行了大量研究，并成功开发出了浮选法、重选法、重浮联合法、微生物法、化学法以及焙烧法等多种工艺，其中浮选法因除杂效果好、简单可靠、经济效益好等特点，在山西、贵州、河南等氧化铝企业已投入产业化应用，降低了国内氧化铝企业对海外矿的依存度 。本文对山西某地煤下铝土矿进行浮选提质技术研究，为煤下铝土矿的经济高效开发利用提供参考。矿石性质研究 原矿组成分析原矿是由山西某地多个具有代表性的煤下铝土矿样品混合成的综合矿样，对原矿进行多元素分析、物相分析以及碳种类分析以了解原矿性质、有害杂质的种类与含量，进而为后续矿石的浮选除杂提质提供矿物学数据参考，分析结果分别见表、表以及图。表原矿多元素分析结果犜 犪 犫 犾 犲犕 狌 犾 狋 犻 犲 犾 犲 犿 犲 狀 狋 犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊 狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳 狋 犺 犲 狉 犪 狑狅 狉 犲 表原矿物相分析结果犜 犪 犫 犾 犲犘 犺 犪 狊 犲犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊 狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳 狋 犺 犲狉 犪 狑狅 狉 犲 图原矿犡 犚 犇图谱犉 犻 犵 犡 犚 犇狆 犪 狋 狋 犲 狉 狀狅 犳 狋 犺 犲狉 犪 狑狅 狉 犲由 表、表以 及 图分 析 结 果 可 知，原 矿 含量为 、含量为 ，为 ，主要有害杂质、的含量分别为 与 ，属于典型的一水硬铝石型煤下高硫铝土矿。矿石中主要有用矿物为一水硬铝石，主要脉石矿物为高岭石、绿泥石、伊利石、方解石、锐钛矿以及金红石等。主要有害杂质主要以黄铁矿的形式在矿石中赋存，黄铁矿含量为 ，有害杂质主要以有机碳的形式存在，且有机含量为 ，占总碳含量的 。原矿粒度组成分析为了解原矿粒度特性和原矿中、第期杜五星等：响应曲面法优化山西某煤下铝土矿浮选提质试验研究、的 分 布情 况 以 及 为 后 续 磨 矿 过 程 中磨矿细度的控制提供依据，利用标准泰勒套筛对原矿进 行 粒 度 筛 分 分 析，粒 度 筛 分 分 析 结 果 见表。由表结果可知，原矿 粒级产率为 ，杂质含量为 ，粒级产率为 ，硫含量为 ，从整体粒级分布上看，杂质、在粗粒级中的分布率大于在细粒级中的分布率，同时粗粒级的也大于细粒级，氧化铝在细粒级中的含量较低。表原矿粒度筛分试验结果犜 犪 犫 犾 犲犚 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳 狊 犮 狉 犲 犲 狀 犻 狀 犵犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊 犳 狅 狉 狋 犺 犲狉 犪 狑狅 狉 犲 原矿犙 犈犕 犛 犆 犃 犖分析为了解原矿中有用矿物一水硬铝石与高岭石、伊利石等脉石矿物的嵌布关系以及为后续原矿除杂提质工艺的选择提供参考，对原矿进行 工艺矿 物 学 研 究，分 析 结 果 见 图（扫 描 标 尺 为 ），原矿中主要矿物的平均粒度见表。图原矿犙 犈犕 犛 犆 犃 犖扫描图犉 犻 犵 犙 犈犕 犛 犆 犃 犖狊 犮 犪 狀 狀 犻 狀 犵犿 犪 狆狅 犳 狋 犺 犲 狉 犪 狑狅 狉 犲有 色 金 属 工 程第 卷表原矿中矿物平均粒径犜 犪 犫 犾 犲犃 狏 犲 狉 犪 犵 犲狆 犪 狉 狋 犻 犮 犾 犲 狊 犻 狕 犲狅 犳犿 犻 狀 犲 狉 犪 犾 狊 犻 狀狋 犺 犲狉 犪 狑狅 狉 犲犿 由图与表可知，原矿中一水硬铝石主要以板状和粒状自形和半自形晶形式，呈星点状分布在粘土矿物之中，其大小一般为 。一水硬铝石颗粒与粘土矿物接触关系较为复杂，与伊利石、绿泥石等粘土矿物呈韵律环带形式产出且常伴有黄铁矿呈浸染韵律环带现象出现（见图（）。杂质矿物黄铁矿是原矿中最主要的含硫矿物，大部分以粒状、不规则粒状或薄片状形式存在，伴有硅化、偶有绿泥石化，呈现星点状癳布于原矿中，偶现富集合体呈致密块状嵌布在一水硬铝石中，颗粒大小一般为 （见图（）、（）。高岭石常与伊利石、绿泥石等矿物共生，颗粒细小，为粒状集合体呈星点状分布在一水硬铝石中；绿泥石一般呈球状、不规则粒状以及片状结合体存在，三者与一水硬铝石的嵌布关系较为复杂，粒度一般小于，在伊利石、高岭石和绿泥石的矿物集合体中常交生有一水硬铝石、黄铁矿、金红石、锐钛矿等矿物，而方解石主要呈片状集合体分布在矿石中，粒度较细一般为 （见图（）、（）。原矿中有用矿物与脉石矿物以及杂质矿物的嵌布粒度较细，连生体较多，原矿必须经过磨矿处理后才能使、杂质矿物与有用矿物实现解离，进而获得较好的除杂提质效果。结果与讨论根据原矿性质研究和浮选工艺中“抑多浮少”的原理，原矿中的含硫矿物黄铁矿可以采用反浮选工艺进行脱除。浮选脱硫过程中起泡剂松醇油的添加不仅能够保证吸附了含硫矿物的（）（捕收剂丁基黄药在 为 和活化剂硫酸铜作用下的主要水解产物）在泡沫层中富集达到浮选脱硫的目的，还能够将有机碳富集到泡沫中进而达到脱碳的目的。因此为了合理高效开发利用该煤下铝土矿资源，采用反浮选工艺对其进行浮选提质。试验设计浮选工艺是一个复杂的物理化学过程，受磨矿细度、浮选矿浆 值、药剂种类、药剂用量、矿浆浓度等很多因素影响，且各因素之间存在着一定的交互作用，特别是活化剂、捕收剂以及起泡剂之间的交互作用对浮选影响最大 。在前期试验的基础上按 图所 示 流 程 及 药 剂 制 度，采 用 中的 设计试验方案来研究煤下矿浮选脱硫提质过程中活化剂硫酸铜、捕收剂丁基黄药以及起泡剂松醇油之间的相互作用，并对试验结果进行优化以确定最佳药剂制度，试验主要对粗选药剂制度进行优化，精选药剂用量按粗选药剂的计算。以煤下铝土矿浮选提质铝精矿中硫含量（犢）、铝精矿产率（犢）为响应值，以浮选药剂活化剂硫酸铜（犡）、捕收剂丁基黄药（犡）、起泡剂松醇油（犡）为自变量，试验设计中因素与水平见表，设计参数和试验结果见表。图浮选试验流程图犉 犻 犵 犉 犾 狅 狋 犪 狋 犻 狅 狀狋 犲 狊 狋 犳 犾 狅 狑犮 犺 犪 狉 狋表试验影响因素及水平犜 犪 犫 犾 犲 犐 狀 犳 犾 狌 犲 狀 犮 犻 狀 犵 犳 犪 犮 狋 狅 狉 狊犪 狀 犱犱 狅 狊 犪 犵 犲 犾 犲 狏 犲 犾 狊狅 犳 狋 犺 犲 狋 犲 狊 狋（犵狋）犡 犡 犡 第期杜五星等：响应曲面法优化山西某煤下铝土矿浮选提质试验研究表因素与水平编码及其对应的试验值犜 犪 犫 犾 犲犉 犪 犮 狋 狅 狉犪 狀 犱犺 狅 狉 犻 狕 狅 狀 狋 犪 犾 犮 狅 犱 犻 狀 犵犪 狀 犱狋 犺 犲 犻 狉犮 狅 狉 狉 犲 狊 狆 狅 狀 犱 犻 狀 犵 狋 犲 狊 狋 狏 犪 犾 狌 犲 狊 犡犡犡 回归分析基于表煤下铝土矿浮选提质试验结果进行回归分析，获得以铝精矿指标硫含量（犢）和产率（犢）的因子编码的回归方程如下：犢 犡 犡 犡 犡犡 犡犡 犡犡 犡 犡 犡犢 犡 犡 犡 犡犡 犡犡 犡犡 犡 犡 犡利用犘值判断模型的显著性和数据的可靠性，当犘 时即可以表明模型是显著的，犘值越小对模型影响越大即对试验指标响越大 。根据表方差分析结果可知，该回归分析中铝精矿硫含量与铝精矿产率模型的犘值均小于 ，说明该模型是显著的。铝精矿硫含量的模型调整决定系数为 ，而铝精矿产率模型的调整决定系数为 ，表明铝精矿硫含量模型与铝精矿产率模型分别可以解释 与 的响应值变化。同时为了考察模型的可靠性，根据模型对煤下铝土矿浮选试验进行预测，并对试验预测值与实际值进行分析，煤下铝土矿浮选铝精矿硫含量与铝精矿产率实际值和预测值分布见图。图中的斜线代表试验值与预测值完全吻合的情况，试验真图铝精矿指标实际值和预测值分布图犉 犻 犵 犇 犻 狊 狋 狉 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀狅 犳犪 犾 狌 犿 犻 狀 狌 犿犮 狅 狀 犮 犲 狀 狋 狉 犪 狋 犲 犻 狀 犱 犻 犮 犪 狋 狅 狉 狊，犪 犮 狋 狌 犪 犾 犪 狀 犱狆 狉 犲 犱 犻 犮 狋 犲 犱狏 犪 犾 狌 犲有 色 金 属 工 程第 卷表回归模型方差分析表犜 犪 犫 犾 犲犞 犪 狉 犻 犪 狀 犮 犲犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊狅 犳 狋 犺 犲 狉 犲 犵 狉 犲 狊 狊 犻 狅 狀犲 狇 狌 犪 狋 犻 狅 狀 犉 犘 犡 犡 犡 犡犡 犡犡 犡犡 犡 犡 犡 犚 犡 犡 犡 犡 犡 犡 犚 实值与试验预测值越接近，表明预测模型与试验拟合度越好。图中大部分点落在直线上或靠近直线，离散性较小，说明试验值和模型预测值吻合度较高，模型的可靠性较好，可以用于对煤下铝土矿浮选提质铝精矿产率与铝精矿硫含量的预测和分析。预测优化经回归分析验证模型的可靠性后，以煤下高硫铝土矿浮选提质铝精矿硫含量选择 与铝精矿产率选择最大值对试验模型进行优化预测，得到如图所示铝精矿硫含量和铝精矿产率 模型响应面。根据优化后的模型，对试验进行预测，当磨矿细度为 占 ，活化剂硫酸铜用量为 ，捕收剂丁基黄药用量为 时，起泡剂松醇油为 时，浮选脱硫提质效果达到最好，此时能够获得产率为 ，硫含量为 的铝精矿，经过试验验证可以得到硫含量为 ，产率为 的铝精矿，与响应曲面优化结果基本吻合，表明响应曲面优化的药剂制度可靠性与可行性较高。第期杜五星等：响应曲面法优化山西某煤下铝土矿浮选提质试验研究图铝精矿犛含量与铝精矿产率三维响应曲面图犉 犻 犵 犜 犺 狉 犲 犲 犱 犻 犿 犲 狀 狊 犻 狅 狀 犪 犾 狉 犲 狊 狆 狅 狀 狊 犲 狊 狌 狉 犳 犪 犮 犲犵 狉 犪 狆 犺狅 犳犪 犾 狌 犿 犻 狀 狌 犿犮 狅 狀 犮 犲 狀 狋 狉 犪 狋 犲犛犮 狅 狀 狋 犲 狀 狋 犪 狀 犱犪 犾 狌 犿 犻 狀 狌 犿犮 狅 狀 犮 犲 狀 狋 狉 犪 狋 犲狔 犻 犲 犾 犱 闭路试验在前期探索试验以及 对试验条件进行优化试验的基础上，采用模型推荐的最优试验条件按图所示流程对山西某地煤下铝土矿进行闭路浮选提质试验，闭路浮选提质试验结果见表。根据表试验结果可知，原矿经“一粗一精三扫”的浮选闭路提质流程处理后可以得到产率为 、含量为 、含量为 的铝精矿以及产率为 、含量为 的硫精矿，该铝精矿可以作为生产氧化铝原料，而硫精矿满足硫精矿行标 三级品要求，可以作为产品销售，实现了综合利用。有 色 金 属 工 程第 卷图原矿浮选闭路试验流程图犉 犻 犵 犉 犾 狅 狑犮 犺 犪 狉 狋 狅 犳 狋 犺 犲 犾 狅 犮 犽 犲 犱 犮 狔 犮 犾 犲 犳 犾 狅 狋 犪 狋 犻 狅 狀狋 犲 狊 狋 犳 狅 狉 狋 犺 犲狉 犪 狑狅 狉 犲表原矿浮选闭路试验结果犜 犪 犫 犾 犲犚 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳 狋 犺 犲 犾 狅 犮 犽 犲 犱 犮 狔 犮 犾 犲 犳 犾 狅 狋 犪 狋 犻 狅 狀狋 犲 狊 狋 结论）矿 石 性 质 研 究 发 现，原 矿 含 量 为 ，含 量 为 ，的 含 量 为 ，为 ，主要有用矿物为一水硬铝石、脉石矿物主有高岭石、绿泥石、锐钛矿以及伊利石等，有害杂质为碳、硫主要以有机碳和黄铁矿的形式赋存，属于典型的一水硬铝石型煤下高硫铝土矿，原矿需要经过磨矿浮选提质后才能进入氧化铝生产系统。）响 应 曲 面 优 化 所 得 活 化 剂 硫 酸 铜 用 量 为 ，捕收剂丁基黄药用量为 时，起泡剂松醇油为 时，浮选脱硫提质效果达到最好，此时能够获得产率为 ，硫含量为 的铝精矿，与验证试验所得产率为 、硫含量为 铝精矿指标基本吻合，表明响应曲面优化的药剂制度可靠性与可行性较高。）原矿在响应曲面优化所得最佳条件的基础上经过“一粗一精三扫”的闭路浮选提质流程处理后，得到产率为 ，含量为 ，含量为 的 铝 精 矿 以 及 产 率 为 ，含 量 为 ，含量为 的硫精矿，实现了矿石的综合利用，为该类型资源的高效开发利用提供了一种切实可行的技术方案。第期杜五星等：响应曲面法优化山西某煤下铝土矿浮选提质试验研究参考文献：刘玉林，程宏伟我国铝土矿资源特征及综合利用技术研究进展矿产保护与利用，（）：，（）：黄琨中国进口铝土矿运输市场发展及前景中国远洋海运，（）：，（）：，田维刚，黄丹煤系地层覆盖下铝土矿开采覆岩移动规律数值模拟研究轻金属，（）：，（）：胡盛，李科花，杨持恒，等河南省“煤下铝”矿床成因及找矿 方 法 研 究 中 国 煤 炭 地 质，（）：，（）：张亚宁，刘汉斌山西煤下铝勘查开发主要问题及对策矿产综合利用，（）：，（）：，：，：，（）：张歆，吴泽港，刘风琴，等高硫铝土矿脱硫技术研究现状与发展趋势有色金属（冶炼部 分），（）：，（），（）：，（）：，（）：，（）：，：张泽志，韩春亮，李成未响应面法在试验设计与优化中的应用河南教育学院学报（自然科学版），（）：，（），（）：