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摘要:
对广东某伴生有石英的高岭土矿进行选矿试验研究，以期获得符合要求的石英砂产品。高岭土原矿捣浆、分级分离出−0.045 mm粒级高岭土产品后得到尾砂，尾砂中占比99.13%的+0.1 mm粒级物料可用作玻璃用石英原料。对可用作玻璃原料的+0.6 mm粒级进行了“拣选—磨矿—磁选”与“磨矿—磁选” 两种工艺对比试验，结果表明，拣选对最终选别指标影响较小，采用磨矿—磁选即可； +0.6 mm粒级经磁选后均可获得Fe2O3含量小于120 μg/g的石英精矿，−0.60 +0.10 mm粒级产品经磨矿—磁选可获得SiO2含量为99.04%、Fe2O3含量为104.46 μg/g的石英精矿，可达到光伏玻璃用石英砂的标准。该研究有助于高岭石伴生石英砂的综合利用，可提升伴生石英砂的价值。
Abstract:The experimental study on mineral processing of kaolinite accompanied by quartz in Guangdong was carried out in order to obtain quartz sand products meeting the requirements. The tailings were obtained after the kaolin raw ore was mashed and graded to separate the −0.045 mm particle size kaolin product. The +0.1 mm grain size material accounting for 99.13% of the tailings can be used as quartz raw material for glass. Two kinds of process comparison tests of "color sorting−grinding−magnetic separation" and "grinding−magnetic separation" were conducted on the +0.6 mm particle size. Results indicated that, color sorting had a relatively small impact on the final separation index, so grinding−magnetic separation was sufficient; Quartz concentrate with Fe2O3 content less than 120 μg/g and quartz concentrate with SiO2 content of 99.04%, Fe2O3 content of 104.46 μg/g were obtained by magnetic separation from + 0.6 mm particle size and grinding−magnetic separation from −0.60 +0.10 mm particle size, respectively, which can meet the standard of quartz sand for photovoltaic glass. This study is helpful to the comprehensive utilization of kaolinite associated quartz sand, and can enhance the value of associated quartz sand.
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Key words:
- Kaolin /
- purification of quartz sands /
- photovoltaic glass /
- magnetic separation
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引 言
高岭土是一种由长石风化而来的黏土类矿物原料，主要矿物成分为高岭石和多水高岭石，还存在其他伴生矿物，如石英、长石、云母和伊利石等[1] 。作为一种重要的非金属矿物原料，高岭土具有良好的可塑性、较高的耐火性、可烧结性以及白度高、易于加工等特点，广泛应用于陶瓷、造纸、橡胶、塑料、涂料、化工、石油和建材等领域[2-4]。我国是高岭土消费大国，且高岭土资源丰富[5]，但高岭土加工过程中产生的大量尾矿回收利用较少，大多被露天堆弃，不仅侵占土地、破环生态环境[6-7]，而且造成不可再生资源的浪费。在高岭土尾矿中含有大量的石英资源, 随着优质石英砂资源紧缺[8-9]，寻求更多样的石英资源具有重大的意义。
胡廷海等[10]对广西某高岭土尾矿进行擦洗、磨矿、分级、强磁选和浮选获得Fe2O3含量为74 μg/g、SiO2品位为99. 89%、SiO2回收率为94. 61%的石英砂。谢恩俊等[11]采用“磨矿—水力分级—磁选—浮选”选矿工艺流程对福建高岭土尾矿进行选矿提纯试验研究，获得0.6～0.125 mm 粒级含量大于95%、SiO2含量99.62%、Al2O3含量0.065%、Fe2O3含量92 μg/g的石英精砂，满足光伏玻璃用低铁石英砂的质量要求。尚德兴等[12]采用“磨矿—分级—重选—磁选—擦洗—浮选”工艺对福建某高岭土尾矿中的石英进行选矿提纯，获得的石英精矿SiO2含量为99.29%、Al2O3含量为0.27%、Fe2O3含量为0.0029%，满足太阳能光伏、光热超白玻璃用低铁石英砂质量要求。
本文以广东某高岭土伴生石英砂为对象进行选矿试验研究，以期获得符合光伏玻璃要求的低铁（Fe2O3<120 μg/g）石英原料，以实现伴生资源综合回收。
1. 试样性质
1.1 试样粒度特征
采用筛析法测定了试样粒度组成。试样中+0.6 mm粒级产率最高，为68.9%，−0.6+0.1 mm粒级产率次之，为30.23%；−0.10 mm粒级产率为0.87%；该伴生石英砂中可用作玻璃原料的粒级（+0.6 mm及−0.6+0.10 mm）产率为99.13%，其中符合玻璃砂粒级（−0.6+0.10 mm）的石英砂占30.23%。
1.2 试样化学成分
样品来自广东某伴生有石英的高岭土尾砂，试样的化学成分如表1所示。
表 1. 试样化学成分分析结果Table 1. Analysis of chemical constituents of sample/% 成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O CaO P2O5 SO2 MgO 含量 94.96 3.36 0.19 0.17 0.21 0.15 0.04 0.07 0.07 | Show Table
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由表1化学成分分析可知，试样中主要杂质成分为Al2O3、Fe2O3、K2O。
1.3 试样各粒级矿物组成
将该高岭土伴生石英砂+0.01 mm以上粒级产品进行XRD测试，结果如图1和图2。
图 2. −0.6+0.10 mm粒级伴生石英XRD图谱Figure 2. XRD patterns of −0.6+0.10 mm associated quartz sand结合各粒级XRD图谱及体视显微镜照片可知，高岭土伴生石英砂的主要矿物为石英，含有少量白云母。对于+0.6 mm粒级石英砂，主要矿物组成为石英，部分石英表面含有长石，应进行磨矿使其单体解离[13]。对于−0.60+0.10 mm粒级，主要矿物组成为石英和云母，主要以集合体形式存在，部分石英包含黄色和黑色杂质矿物，可见明显的暗色矿物，观察推测为褐铁矿或磁铁矿。
2. 选矿试验
2.1 +0.6 mm粒级石英砂筛分试验
+0.6 mm粒级石英砂较粗，对此粒级石英砂进行筛分分级。考察+2.36 mm、−2.36+1.70 mm、−1.70+0.6 mm三个粒级产率，结果见表2。
表 2. +0.6 mm粒级石英砂筛分结果Table 2. Screening results of +0.6 mm particle class quartz sand粒级/mm +2.36 −2.36+1.70 −1.70+0.60 产率/% 23.97 9.43 35.49 | Show TableDownLoad:
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由表2可知，+1.70 mm粒级产率为33.40%，−1.70+0.60 mm粒级产率为35.49%，两个粒级产率相当，因而对+1.70 mm粒级及−1.70+0.60 mm粒级石英砂进行磨矿—磁选流程试验，探究其磁选精矿Fe2O3含量是否能达到光伏玻璃用石英砂标准。筛分后可见+1.70 mm粒级和−1.70+0.60 mm粒级石英砂均有较多的红褐色和黑色杂质矿物，为探究其对其磁选的影响，对其拣选出来的产品和未拣选原矿试样分别进行磨矿—磁选的对比试验。
表 3. 各试样磨矿、磁选产率及磁选精矿Fe2O3含量Table 3. The grinding, magnetic separation yield of each sample and the content of Fe2O3 in magnetic separation concentrate试样 磨矿产品各粒级产率/% 石英精矿产率/% 石英精矿Fe2O3含量/（μg·g−1） +0.60 mm −0.60+010 mm −0.10 mm 拣选试样+1.70 mm 9.82 56.24 33.94 99.37 74.97 未拣选原矿试样+1.70 mm 9.83 59.44 30.73 99.79 117.34 拣选试样−1.70+0.60mm 3.07 80.10 16.83 99.80 109.79 未拣选原矿试样−1.7 0+0.60 mm 11.76 74.92 13.32 99.85 119. 39 | Show TableDownLoad:
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2.2 +0.6 mm粒级拣选样与原矿试样磨矿—磁选对比试验
对+1.70 mm粒级石英砂样品采用型号为XMB−7三辊四筒球磨机进行磨矿试验。磨矿条件为矿浆质量浓度60%、磨矿时间3 min、转速150 r/min。−1.70+0.60 mm粒级石英砂颗粒较细，硬度较低，用高铝球磨矿效果较好，磨矿条件同+1.70 mm粒级，磨矿—磁选流程如图3所示，所得选矿产品的产率和石英精矿Fe2O3含量见表3。
图 3. 拣选试样和原矿试样磨矿—磁选流程Figure 3. Schematic diagram of grinding-magnetic separation process of picking sample and raw ore sample试样中的主要磁性矿物为赤铁矿和钛铁矿，这部分含铁矿物可经高梯度磁选去除[14-15]。将手拣选样和原矿试样的+1.70 mm和−1.70+0.60 mm粒级石英砂分别进行磁选，磁选流程为一次粗选两次精选，每一段磁选的磁场磁感应强度均为1.4 T，矿浆流速1.0 cm/s，脉动频率200 r/min。各试样磁选石英精矿Fe2O3含量结果见表3。
由表3可知，无论是否经过拣选+1.70 mm粒级和−1.70+0.60 mm粒级经磨矿后对应的各粒级磨矿作业产率接近，磁选石英精矿作业产率接近； +1.70 mm粒级和−1.70+0.60 mm粒级经磁选都可达到光伏玻璃用石英砂的标准（Fe2O3<120 μg/g），+1.70 mm粒级和−1.70+0.60 mm粒级石英砂中红褐色、黑色杂质矿物虽对产品质量有影响，但均可达到相应要求。因此对类似伴生石英砂中+0.60 mm粒级进行选矿提纯时无需进行拣选。
2.3 −0.6+0.1 mm粒级细砂磁选试验
磨矿能够使得物料在细化的过程中尽量实现有用矿物与脉石矿物的单体解离[16]，为后续的选别作业提供合适的入选物料。对于试样分级出来的−0.60+0.10 mm粒级细砂，其磁选所得石英精矿产率为98.83%，Fe2O3含量为242.59 μg/g，不能满足光伏玻璃用石英砂Fe2O3含量的要求。因而对原试样中−0.60+0.10 mm粒级进行磨矿—磁选试验，控制过磨量(−0.60+0.10 mm粒级进行磨矿后产生的−0.10 mm粒级产率小于20%)，探究在不同磨矿细度下，磁选精矿Fe2O3含量是否能达到光伏玻璃用石英砂标准，磨矿—磁选流程见图4，磨矿时间对磁选精矿Fe2O3含量的影响见图5。
图 4. 原试样−0.60+0.10 mm粒级磨矿—磁选流程Figure 4. Schematic diagram of grinding-magnetic separation process in the original sample −0.60+0.10 mm class
图 5. 不同磨矿时间对磁选石英精矿Fe2O3含量的影响Figure 5. Effect of grinding time on Fe2O3 content of magnetic quartz separation concentrate由图5可知，随着磨矿时间的增加，磁选石英精矿Fe2O3含量不断降低，过磨量随之增加。当磨矿时间为5 min时，过磨量为18.87%，磁选精矿SiO2含量提高到99.04%，Fe2O3含量从242.59 μg/g降低至104.46 μg/g，满足光伏玻璃用石英砂要求。
3. 结论
(1) 广东某伴生有石英的高岭土矿主要矿物为石英、含少量云母，有较多的红褐色、黑色杂质矿物（赤铁矿、褐铁矿等）。
(2) 由选矿试验结果可知，该伴生有石英的高岭土矿+0.60 mm粒级经过磨矿至合格粒级（−0.60+0.10 mm）后无论是否经过拣选，磁选后获得的石英精矿Fe2O3含量均小于120 μg/g，SiO2含量可提高到99.45%，可达到光伏玻璃用石英砂标准，因此利用+0.6 mm粒级石英砂加工光伏玻璃用石英砂无需进行拣选。
(3) 由选矿试验结果可知，该伴生有石英的高岭土矿−0.60+0.10 mm粒级磨矿—磁选获得的石英精矿Fe2O3含量随着磨矿时间增加而降低，当磨矿时间为5 min时，Fe2O3含量降低为104.46 μg/g，SiO2含量提高到99.04%，满足光伏玻璃用石英砂的标准。
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表 1 试样化学成分分析结果
Table 1. Analysis of chemical constituents of sample
/% 成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O CaO P2O5 SO2 MgO 含量 94.96 3.36 0.19 0.17 0.21 0.15 0.04 0.07 0.07
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表 2 +0.6 mm粒级石英砂筛分结果
Table 2. Screening results of +0.6 mm particle class quartz sand
粒级/mm +2.36 −2.36+1.70 −1.70+0.60 产率/% 23.97 9.43 35.49
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表 3 各试样磨矿、磁选产率及磁选精矿Fe2O3含量
Table 3. The grinding, magnetic separation yield of each sample and the content of Fe2O3 in magnetic separation concentrate
试样 磨矿产品各粒级产率/% 石英精矿产率/% 石英精矿Fe2O3含量/（μg·g−1） +0.60 mm −0.60+010 mm −0.10 mm 拣选试样+1.70 mm 9.82 56.24 33.94 99.37 74.97 未拣选原矿试样+1.70 mm 9.83 59.44 30.73 99.79 117.34 拣选试样−1.70+0.60mm 3.07 80.10 16.83 99.80 109.79 未拣选原矿试样−1.7 0+0.60 mm 11.76 74.92 13.32 99.85 119. 39
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