（中國礦業(yè)大學(xué)，北京/王 娜，孫志明，王樹春，鄭水林）石英砂是一種重要的工業(yè)礦物原料。而且其儲(chǔ)量豐富，質(zhì)地純凈，SiO2含量較高，低鋁，鉀、鈉，鈣、鎂等堿金屬含量甚微，氧化鐵含量也遠(yuǎn)比普通硅石低。它是由大自然長(zhǎng)期風(fēng)化解離而成，自然粒度小，顆粒繼承了微晶石英近等軸和均勻的特性，呈多邊準(zhǔn)球形，大小均勻，晶內(nèi)無缺陷。石英砂一般僅需在采場(chǎng)直接進(jìn)行手選和水洗，經(jīng)粉碎加工后即可利用。粉石英具有優(yōu)異的電絕緣性、化學(xué)惰性和良好的耐酸腐蝕性，廣泛應(yīng)用于陶瓷、鑄造、化工、建筑、冶金以及耐火材料、電子機(jī)械工業(yè)，還可用于橡膠、塑料、復(fù)合材料等的填料以及油漆體質(zhì)顏料等領(lǐng)域。在一定程度上，粉石英粒度越細(xì)，其使用性能越好，因而超細(xì)粉碎加工是粉石英市場(chǎng)應(yīng)用及提高其附加值的重要技術(shù)手段之一。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 原料特性
本實(shí)驗(yàn)采用的粉石英原礦采自于云南省彝良縣，經(jīng)巖礦鑒定，其屬于中細(xì)粒石英砂巖。
本實(shí)驗(yàn)采用超細(xì)研磨礦樣品是經(jīng)過擦洗，搖床，磁選之后的精礦產(chǎn)品。其主要化學(xué)成分為：ω(SiO2)=99.54%；ω(Al2O3)=0.12%；ω(TFe2O3)=0.062%；ω(FeO)=0.026%。
1.2 研磨介質(zhì)及研磨條件
實(shí)驗(yàn)所用研磨介質(zhì)為氧化鋯微珠，其密度為4.6kg/cm3，粒徑為1~1.25mm。介質(zhì)物料比為3:2，磨機(jī)轉(zhuǎn)速始恒為3000r/min。
1.3 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備
MiniZeta型實(shí)驗(yàn)室砂磨機(jī)（德國耐馳機(jī)械儀器有限公司）；馬爾文Mastersizer型激光粒度分布儀（英國Malvern儀器有限公司）。
2 結(jié)果與討論
通過對(duì)砂磨機(jī)的作用原理和原料工藝特性的分析，以及對(duì)前人經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，認(rèn)為影響研磨效果的主要因素有：介質(zhì)物料比、磨礦濃度、磨礦時(shí)間、磨礦介質(zhì)和分散劑。本實(shí)驗(yàn)選用水玻璃和三乙醇胺作為分散劑，磨礦濃度選用60%、65%、70%、75%四個(gè)水平，磨礦時(shí)間選用5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min六個(gè)水平，分別對(duì)以上各個(gè)因素進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)得出最佳的磨礦實(shí)驗(yàn)條件。
2.1 分散劑種類
準(zhǔn)確稱取粉石英樣品100g，磨礦濃度為70%，研磨時(shí)間15min,分散劑用量為粉石英的3‰，分散劑種類選定水玻璃與三乙醇胺做比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。
表1 不同分散劑對(duì)粉石英研磨效果的影響
| |
D50（µm） |
D97（µm） |
| 無分散劑 |
0.75 |
11.73 |
| 水玻璃 |
1.86 |
52.5 |
| 三乙醇胺 |
0.73 |
10.66 |
經(jīng)比較，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，三乙醇胺相對(duì)水玻璃而言，采用三乙醇胺為分散劑，其研磨粒徑更小，因此對(duì)粉石英的助磨效果要好。但是，與無分散劑的情況相比較，雖然在相同條件下，加三乙醇胺的磨礦粒度有一定下降，但效果并不明顯。不添加分散劑的條件下，即可取得較好的磨礦效果，故選擇不添加分散劑進(jìn)行磨礦實(shí)驗(yàn)。
2.2 礦漿濃度
準(zhǔn)確稱取粉石英樣品100g，磨礦濃度75%，研磨時(shí)間18min，無分散劑，不同礦漿濃度條件下進(jìn)行磨礦實(shí)驗(yàn)。D50、D97與磨礦濃度的關(guān)系見圖1。
圖1 磨礦濃度對(duì)研磨效果的影響
2.3 磨礦時(shí)間
準(zhǔn)確稱取粉石英樣品100g，在無分散劑，磨礦濃度為70%，不用研磨時(shí)間的條件下進(jìn)行磨礦實(shí)驗(yàn)。D50、D97與研磨時(shí)間的關(guān)系見圖2。
由圖2可知，隨著磨礦時(shí)間的增加，D50、D97逐漸減小，當(dāng)磨礦時(shí)間到25min以后，物料的粒度基本趨于穩(wěn)定。此時(shí)，主要是由于隨著磨礦時(shí)間的增長(zhǎng)，顆粒的比表面積和表面自由能增加，達(dá)到了粉碎和團(tuán)聚的平衡狀態(tài)，此時(shí)再增加磨礦時(shí)間只能浪費(fèi)能量，磨礦效果不再明顯。因此，適宜磨礦時(shí)間為25min。
圖2 磨礦時(shí)間對(duì)研磨效果的影響
間歇式超細(xì)粉碎過程的動(dòng)力學(xué)微分方程為：y(x,t)=1-[1-y(x,0)]e-s(x)t，0≤x≤xmax，s(x)=αxβ。式中：x為粒度；y(x,0)為原料中小于粒度x的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；y(x,t)為t時(shí)刻小于粒度x的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；s(x)為粉碎選擇函數(shù)（表示某一粒度的粉碎比速率）。代入，轉(zhuǎn)化得：ln{[(1-y(x,t)]/[1-y(x,0)]}= -s(x)t= -αxβt ，y(x,0)=5.12%。
根據(jù)前面得出的最佳磨礦工藝條件：研磨樣品100g，無分散劑，磨礦濃度為70%，得出其不同研磨時(shí)間下樣品的-1µm粒徑產(chǎn)品的百分含量，見表2；按照上式計(jì)算并繪出磨礦動(dòng)力學(xué)曲線，見圖3；利用用回歸分析法得出的磨礦動(dòng)力學(xué)曲線的截距與斜率以及誤差，見表3：
表2 不同研磨時(shí)間下樣品中-1µm所占的百分含量
| 研磨時(shí)間(min) |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
| -1µm的含量(%) |
7.17 |
9.84 |
11.68 |
14.5 |
16.62 |
20.29 |
| ln{[(1-y(x,t)]/[1-y(x,0)]} |
-0.0218 |
-0.0510 |
-0.0716 |
-0.104 |
-0.1292 |
-0.1742 |
表3 用回歸分析法得出的磨礦動(dòng)力學(xué)曲線的截距與斜率以及誤差
| |
誤差 |
標(biāo)準(zhǔn)誤差 |
| 截距 |
0.01093 |
0.00631 |
| 斜率 |
-0.00588 |
3.23881E-4 |
圖3 粉石英的磨礦動(dòng)力學(xué)曲線
通過回歸分析得粉石英的粉碎比速率（曲線的斜率）s(x)為-0.00588。設(shè)回歸方程為：Y=A+BX。其中X為研磨時(shí)間t；Y為ln{[(1-y(x,t)]/[1-y(x,0)]}；A為截距，值為0.01093；B為斜率，值為-0.00588。所以曲線方程為：ln{[(1-y(x,t)]/[1-y(x,0)]}=A+BX=0.01093-0.00588t通過換算，可以得出粉石英濕式超細(xì)研磨的動(dòng)力學(xué)方程為：y(x,t)=1-[1-y(x,0)]e(0.01093-0.00588t)。
3 結(jié)論
(1) 粉石英濕法超細(xì)研磨的適宜工藝條件為：無分散劑，磨礦濃度為70%，磨礦時(shí)間為25min，此時(shí)，樣品的D50可達(dá)1.87µm，D97可達(dá)4.5µm。
(2) 通過數(shù)學(xué)回歸分析得出粉石英濕法超細(xì)研磨的動(dòng)力學(xué)方程為：y(x,t)=1-[1-y(x,0)]e(0.01093-0.00588t)。
(廈門非金屬礦加工與應(yīng)用技術(shù)交流會(huì),發(fā)表于中國粉體技術(shù)雜志） |
