（中國礦業大學，北京/苑曉光，吳翠平，鄭水林，王云鶴，徐冰玉）粉石英是天然微結晶石英巖長期風化，呈現細分散狀產出的一種石英資源，粒度極細，結構疏松，呈土狀，又稱為“硅土”，其特點為自然粒度細，含雜質少，加工簡單，工業用途廣泛，是一種優質的工業礦物原料。
粉石英以不經過機械研磨即可獲得高純超細（-320目）的石英微粉而區別于普通硅質原料。粉石英主要由硅砂（﹥0.1mm）和硅粉（﹤0.1mm）兩部分組成，經過粉砂分離、脫泥除雜、精細提純、超細分級、脫水干燥和表面改性等深加工后，可用到陶瓷、耐火材料、玻璃、精密加工、保溫材料、橡膠塑料填料、電子電工填料、高分子材料填料等行業中。由于科學技術的不斷進步，高科技產業中對硅的需求量不斷增加，而同時天然水晶資源日趨枯竭，人們被迫把目光轉向高純石英砂。所以，積極推動硅砂選礦技術的進步，降低提純的成本，實現大批量工業化生產，對彌補天然水晶的不足，滿足高科技用硅需求具有重要的實際意義。
粉石英化學成分單一，幾乎都為α-晶質石英。粉石英中雜質主要是金屬氧化物，例如Fe203、Al203等。部分Fe203 以氧化膜的形式賦存在礦物顆粒的表面，Al203則以粘土礦物的形式混雜在礦物中。粉石英的選礦提純即為除去礦物中含鐵、含鋁的雜質。一般采用洗礦、重選、磁選、浮選、化學選礦和其他選礦方法進行分選。
本研究將粉石英進行擦洗分散、篩分、離心分離等試驗，研究離心時間、離心濃度、分離因數等因素對粉石英提純的影響，確定最佳工藝條件，并分析主要影響因素對粉石英的分選機理。
1．實驗部分
1.1原礦
實驗原礦來源為江西某礦業公司。原礦的粒度分布見表1，主要化學成分見表2。
表1 原礦的粒度分布
| 粒度/目 |
+100 |
-100~+200 |
-200~+325 |
-325 |
| 產率/% |
6.54 |
2.18 |
3.38 |
87.90 |
表2 原礦的化學成分
| 化學成分 |
含量/% |
| SiO2 |
97.65 |
| Al2O3 |
1.08 |
| Fe2O3 |
0.33 |
| TiO2 |
0.05 |
| CaO |
0.05 |
| MgO |
0.06 |
| K2O |
0.10 |
| Na2O |
0.01 |
| FeO |
0.04 |
| 燒失量 |
0.60 |
1.2實驗儀器
實驗所需儀器為：XFD12型擦洗機，長春探礦機械廠；325目國家標準檢驗篩，浙江上虞市龍耀精密儀器廠；TDL-5-A型離心機，上海安亭科學儀器廠；XMT-1502-S 數顯調節儀，寧波市鄞州邱隘佳諾自動化儀表廠。
1.3實驗方法和工藝
采用正交實驗和單因素實驗相結合的方法。
實驗過程：將粉石英礦料、Ph調整劑和分散劑加入擦洗機進行擦洗分散，擦洗濃度75%，擦洗時間20min。將擦洗產品過325目篩，將篩下產品加水調整離心濃度后采用離心機進行離心分選，離心的沉淀物為粉石英精礦，溢流物為雜質礦物。再將精礦烘干后進行檢測。
2．結果與討論
2.1正交試驗
正交設計中，確定PH調整劑用量、分散劑用量、離心時間、離心濃度、分離因數五個因素，每個因素四個水平，選用L16(45)正交表進行實驗。L16正交實驗的因素和水平見表3。
表3 正交實驗的因素、水平
| 因素 |
水平 |
| 1 |
2 |
3 |
4 |
| 離心時間/min |
1 |
2 |
3 |
4 |
| 離心濃度/% |
10 |
15 |
20 |
25 |
| 分離因數 |
10 |
20 |
30 |
40 |
| Ph調整劑用量/% |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
| 分散劑用量/% |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
實驗結果見表4，采用SiO2含量進行實驗效果評定，SiO2的含量越高越好，各水平均值均為SiO2含量的平均值。表4正交實驗結果
| 實驗名稱 |
離心時間 |
離心濃度 |
分離因數 |
Ph調整劑 |
分散劑 |
| 1水平均值/% |
99.03 |
98.99 |
99.13 |
99.1 |
98.98 |
| 2水平均值/% |
99.42 |
99.37 |
99.30 |
99.32 |
99.30 |
| 3水平均值/% |
99.25 |
99.30 |
99.29 |
99.28 |
99.35 |
| 4水平均值/% |
99.33 |
99.37 |
99.31 |
99.33 |
99.40 |
| 級差r |
0.39 |
0.38 |
0.18 |
0.22 |
0.43 |
根據表4的實驗結果，以SiO2平均含量的級差r作為因素評定標準，可知對粉石英提純影響較大的因素依次為分散劑用量>離心時間>離心濃度>Ph調整劑用量>分離因數。其中離心時間取2水平、離心濃度取2或4水平、分離因數取4水平、Ph調整劑用量取4水平、分散劑用量取4水平提純效果較好。
2.2單因素實驗
對分離因數、離心時間、離心濃度三個因素進行單因素試驗。分離因數試驗的五個水平為10、20、30、40、50；離心時間試驗的五個水平為1min、2min、3min、4min、5min；離心濃度試驗的五個水平為10%、15%、20%、25%、30%。為方便結果分析，自定義兩個指標：SiO2的含量系數v和SiO2的白度系數u，它們分別表示實驗所得的精礦中SiO2的含量減去99%再擴大一萬倍所得的數值和白度減去70再擴大十倍所得的數值。為了避免誤差對結果分析的影響，采用SiO2含量系數v、白度系數u兩個度量標準，v越高越好，u越高越好。實驗結果見圖1～圖3。
圖1 分離因數的影響
由圖1可以看出：當分離因數取20時，SiO2含量系數v、白度系數u的綜合測試值取得峰值。分離因數小于20或大于20，綜合測試值均減小。這是因為分離因數過小會使粉石英精礦不能充分沉降，分離因數過大，會使雜質礦物過分沉降。
圖2 離心時間的影響
由圖2可以看出：離心時間取2min時，SiO2含量系數v、白度系數u的綜合測試值取得峰值。分離時間大于2min或小于2min時綜合測試值均減小。這是因為離心時間過短粉石英精礦不能充分沉降，離心時間過長會使雜質礦物過多沉降。
圖3 離心濃度的影響
由圖3可以看出：離心濃度取25%時SiO2含量系數v、白度系數u的綜合測試值取得峰值。離心濃度過小或離心濃度過大綜合測試值均減小。這是因為，濃度增大會出現沉降阻滯現象，沉降顆粒的沉降速度減小，使粉石英精礦不能充分沉降；離心濃度過小會使雜質礦物過分沉降。
綜合SiO2含量系數v、白度系數u兩個度量標準，可以看出，分離因數取20、離心時間取2min、離心濃度取25%條件下，粉石英提純效果最好。
2.3離心分選機理討論
本試驗研究的特點是通過離心分離對粉石英進行分選。由于在離心力場中，離心加速度要比重力加速度大很多。所以，相同的顆粒在離心力場中的沉降速度快，因而相同距離上的沉降時間很大程度上縮短了。
礦粒在離心力場中的離心加速度為：
式中 r—礦粒旋轉半徑
w—礦粒旋轉角速度
vt—礦粒切向速度
設密度為  的礦粒在離心力場中所受的離心力為  ：
式中 d—礦粒的直徑
 —介質的密度
礦粒離心沉降時所受的介質阻力 為：
式中  —阻力系數
 —礦粒的徑向速度
對于微細礦粒，可以采用斯托克斯阻力公式：
式中  —介質粘度
由  得微細礦粒在離心力場中的沉降速度為：
當離心礦漿的離心濃度增大到一定值后，會出現沉降阻滯現象。礦粒的沉降速度會比自由沉降時的速度小。因而要在實際的計算中引進礦漿濃度修正系數，取(1-λ)5.5作為修正系數（  為礦漿中固相顆粒的容積濃度）。
修正后的沉降速度公式為：
該沉降速度公式中，(1-  )5.5和 rw2分別體現了離心濃度和分離因數對分選的影響。離心濃度增大，即  增大、(1-  )5.5減小，會使粉石英精礦和雜質礦物的沉降速度均減小。分離因數增大，即 rw2增大，會使粉石英精礦和雜質礦物的沉降速度均增大。在離心時間一定的情況下，只有使粉石英精礦充分沉降，而雜質礦物盡量少沉降才能使原礦充分提純。也就是說，離心濃度中存在一個峰值濃度，若濃度比峰值濃度小，則會使雜質過分沉淀，若濃度比峰值濃度大，則粉石英精礦不能充分沉淀；分離因數中存在一個峰值分離因數，離心因數比峰值分離因數小則粉石英精礦不能充分沉淀，離心因數比峰值分離因數大則會使雜質過分沉淀。這與單因素實驗中離心濃度出現峰值25%，分離因數出現峰值20是相符的。
3．結論
1）用擦洗分散、離心分離的方法提純粉石英效果顯著，SiO2的含量可從97.65%提升至99.56%。
2）分離因數取20、離心時間取2min、離心濃度取25%條件下，粉石英提純效果最好。
(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）
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