（中國礦業大學，北京/王 娜，孫志明，王樹春，鄭水林）石英砂是一種重要的工業礦物原料。而且其儲量豐富，質地純凈，SiO2含量較高，低鋁，鉀、鈉，鈣、鎂等堿金屬含量甚微，氧化鐵含量也遠比普通硅石低。它是由大自然長期風化解離而成，自然粒度小，顆粒繼承了微晶石英近等軸和均勻的特性，呈多邊準球形，大小均勻，晶內無缺陷。石英砂一般僅需在采場直接進行手選和水洗，經粉碎加工后即可利用。粉石英具有優異的電絕緣性、化學惰性和良好的耐酸腐蝕性，廣泛應用于陶瓷、鑄造、化工、建筑、冶金以及耐火材料、電子機械工業，還可用于橡膠、塑料、復合材料等的填料以及油漆體質顏料等領域。在一定程度上，粉石英粒度越細，其使用性能越好，因而超細粉碎加工是粉石英市場應用及提高其附加值的重要技術手段之一。
1 實驗部分
1.1 原料特性
本實驗采用的粉石英原礦采自于云南省彝良縣，經巖礦鑒定，其屬于中細粒石英砂巖。
本實驗采用超細研磨礦樣品是經過擦洗，搖床，磁選之后的精礦產品。其主要化學成分為：ω(SiO2)=99.54%；ω(Al2O3)=0.12%；ω(TFe2O3)=0.062%；ω(FeO)=0.026%。
1.2 研磨介質及研磨條件
實驗所用研磨介質為氧化鋯微珠，其密度為4.6kg/cm3，粒徑為1~1.25mm。介質物料比為3:2，磨機轉速始恒為3000r/min。
1.3 主要實驗設備
MiniZeta型實驗室砂磨機（德國耐馳機械儀器有限公司）；馬爾文Mastersizer型激光粒度分布儀（英國Malvern儀器有限公司）。
2 結果與討論
通過對砂磨機的作用原理和原料工藝特性的分析，以及對前人經驗的總結，認為影響研磨效果的主要因素有：介質物料比、磨礦濃度、磨礦時間、磨礦介質和分散劑。本實驗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%四個水平，磨礦時間選用5 min、10 min、15 min、20 min、25 min、30 min六個水平，分別對以上各個因素進行單因素實驗得出最佳的磨礦實驗條件。
2.1 分散劑種類
準確稱取粉石英樣品100g，磨礦濃度為70%，研磨時間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，實驗結果見表1。
表1 不同分散劑對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 |
經比較，在相同實驗條件下，三乙醇胺相對水玻璃而言，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行磨礦實驗。
2.2 礦漿濃度
準確稱取粉石英樣品100g，磨礦濃度75%，研磨時間18min，無分散劑，不同礦漿濃度條件下進行磨礦實驗。D50、D97與磨礦濃度的關系見圖1。
圖1 磨礦濃度對研磨效果的影響
2.3 磨礦時間
準確稱取粉石英樣品100g，在無分散劑，磨礦濃度為70%，不用研磨時間的條件下進行磨礦實驗。D50、D97與研磨時間的關系見圖2。
由圖2可知，隨著磨礦時間的增加，D50、D97逐漸減小，當磨礦時間到25min以后，物料的粒度基本趨于穩定。此時，主要是由于隨著磨礦時間的增長，顆粒的比表面積和表面自由能增加，達到了粉碎和團聚的平衡狀態，此時再增加磨礦時間只能浪費能量，磨礦效果不再明顯。因此，適宜磨礦時間為25min。
圖2 磨礦時間對研磨效果的影響
間歇式超細粉碎過程的動力學微分方程為：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的質量百分數；y(x,t)為t時刻小于粒度x的質量百分數；s(x)為粉碎選擇函數（表示某一粒度的粉碎比速率）。代入，轉化得：ln{[(1-y(x,t)]/[1-y(x,0)]}= -s(x)t= -αxβt ，y(x,0)=5.12%。
根據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%，得出其不同研磨時間下樣品的-1µm粒徑產品的百分含量，見表2；按照上式計算并繪出磨礦動力學曲線，見圖3；利用用回歸分析法得出的磨礦動力學曲線的截距與斜率以及誤差，見表3：
表2 不同研磨時間下樣品中-1µm所占的百分含量
| 研磨時間(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力學曲線的截距與斜率以及誤差
| |
誤差 |
標準誤差 |
| 截距 |
0.01093 |
0.00631 |
| 斜率 |
-0.00588 |
3.23881E-4 |
圖3 粉石英的磨礦動力學曲線
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。設回歸方程為：Y=A+BX。其中X為研磨時間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研磨的動力學方程為：y(x,t)=1-[1-y(x,0)]e(0.01093-0.00588t)。
3 結論
(1) 粉石英濕法超細研磨的適宜工藝條件為：無分散劑，磨礦濃度為70%，磨礦時間為25min，此時，樣品的D50可達1.87µm，D97可達4.5µm。
(2) 通過數學回歸分析得出粉石英濕法超細研磨的動力學方程為：y(x,t)=1-[1-y(x,0)]e(0.01093-0.00588t)。
(廈門非金屬礦加工與應用技術交流會,發表于中國粉體技術雜志） |
