文章编号:1007-967X(2004)01-0011-03助磨剂的作用及作用机理研究韩跃新,田兰,王泽红,印万忠(东北大学,辽宁沈阳110004)摘 要:在磨矿过程中,添加一定的助磨剂,可以提高磨矿效率,提高磨矿生产能力,减少磨矿能耗。
助磨剂的作用和作用机理尚处于研究之中,有待于进一步的完善。
介绍了助磨剂的种类、作用和国内外助磨剂的研究现状,并浅析了助磨剂的作用机理。
关键词:助磨剂;磨矿;能耗中图分类号:TD921.4 文献标识码:A1 前 言为了提高磨矿效率,可以在磨矿过程中添加化学药剂,通过药剂改变磨矿环境或物料表面的物理化学等方面的特性。
在磨机内添加的化学药剂称之为助磨剂。
助磨剂(也称粉碎助剂)是微粉碎和超微粉碎作业的一种辅助材料,由于多是一些有机或无机的化学药品,故亦可称化学粉碎助剂。
它的添加量甚微,但收益颇大,或者提高粉碎产品细度;或者在一定的动力消耗下提高磨机生产能力;或者能够改善粉体物料的性能,如流动性、填充性、分散性、贮存稳定性等;或者防止物料凝聚和粘壁等等。
2 助磨剂的种类助磨剂种类繁多,助磨效果差异很大,应用较多的就有百余种。
按其在常温下的存在状态一般可分为液体、气体和固体三种。
液体助磨剂有胺类、醇类、某些无机盐类及水;气体助磨剂有水蒸气、丙酮气体和惰性气体等;固体助磨剂有胶体炭黑、硬脂酸钙、无机盐氰亚铁酸钾、硬脂酸等。
3 助磨剂研究现状关于助磨剂的研究,最初始于20世纪30年代。
1931年,列宾捷尔[1]在测定物料硬度时,发现固体表面覆有薄膜后,其硬度小于表面光滑的固体。
于是系统地考察了周围介质对物料破坏过程中力学性能的影响。
对水、无机盐、表面活性剂的试验研究结果表明:方解石硬度降低程度与加入物浓度的关系曲线,具有吸附等温线特征。
他还着重研究了表面活性剂的吸附能力对降低固体强度的效应。
列宾捷尔的这一研究成果奠定了一门新兴边缘学科 物理化学的力学基础。
在此之后,很多研究者先后开展了各种化学药剂对固体力学性能影响的探讨。
并对其作用机理及应用条件等方面进行了研究。
最为突出的是1965年韦斯特伍德及其同事[2]研究了水、甲苯、庚烷直至十六烷的同系物和卤化铝水溶液对合金扁钻头穿透新劈开MgO和Ca F2速率的影响,认为硬度的变化是由于吸附引起表面电子状态的变化。
这种变化导致晶格中位错和缺陷点之间特殊的相互作用。
1972年有报道[3]说:原西德和前南斯拉夫成功地在生产过程中使用助磨剂,使磨机生产能力显著提高。
1975年第十一届国际选矿会议发表了前苏联和保加利亚共同对保加利亚乌尔梯若夫矿床铁矿石进行的研究[4],用低分子脂肪酸作助磨剂,促进了中矿颗粒的解离,有利于选择性磨矿,使精矿铁含量增加1%~1.5%;回收率增加2%~3%;同时还提高了磨矿机的处理能力。
1977年在十二届国际选矿会议上公布了克里派尔使用助磨剂XF-4272的研究结果[5~7]。
克里派尔全面地考察了助磨剂与矿浆浓度、矿浆粘度和磨矿速率之间的关系。
XF-4272为一种聚合物,具有分散作用。
该药剂已在美国、智第20卷第1期2004年2月 有 色 矿 冶NON-FERRO US MINING AND MET ALLURG YVol.20. 1February2004收稿日期:2003-12-01作者简介:韩跃新(1962 ),男,教授,博士研究生导师。
基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)资助研究课题,编号:G1999064901。
利和加拿大一些铜矿和铁矿完成工业试验。
试验结果证明是一种效果好、适应性强、对浮选、脱水、直至精矿烧结、团矿均无不利影响的助磨剂。
助磨剂XF -4272的工业磨矿试验结果见表1所示:表1 XF-4272工业试验结果试验矿山XF-4272用量(g/t)效果美国亚利桑那铜矿136提高磨矿机处理能力10%或提高磨矿细度7.5%加拿大白马铜矿提高磨矿机处理能力5%美国明尼苏达铁燧石182提高磨矿机处理能力11.4%1984年,伊尔-歇尔撰写的有机药剂助磨剂的作用机理一文中[8],详细探讨了十二烷基卤化胺对石英磨细时的作用机理。
研究结果表明:在pH= 10.5时,石英磨碎容易,磨矿速度大,矿浆流动性获得较大改善,但易絮凝。
我国对助磨剂的应用研究始于20世纪60年代。
杨家杖子钼矿选厂于1967年开始,将水玻璃加到与原矿磨矿机组成闭路的分级机返砂中,提高了磨矿分级效率,改善了浮选指标。
4 助磨剂的作用助磨剂的作用主要有以下几种:4.1 塑性变形[8]被粉碎物料颗粒吸附一层单分子膜的助磨剂后,吸附分子与矿物颗粒表面缺陷组织之间的电子转移,使有些离子晶型的物料的显微硬度降低,加快塑性变形,促进粉碎过程。
4.2 降低物料的强度当矿物颗粒表面吸附了助磨剂分子后,表面能大大下降,相应的物料抗张强度也降低。
4.3 防止凝聚和粘壁物料的新生表面由于受范德华力和静电力的作用,很容易凝聚和包球。
但是,新生表面一旦吸附助磨剂,其活性顿时下降,从而减小凝聚性、粘壁性、提高了流动性,有利于粉碎,更有利于分级,这种有效的分散、解聚作用是助磨剂的重要的功能。
4.4 缓蚀作用在湿磨过程中氧的存在,将显著加速球的腐蚀和磨损,磨机中球和衬板局部的电化学腐蚀也是很严重的。
研究表明[9],在铅锌硫化矿磨矿时,通过控制pH值,添加助磨剂,球的磨损明显降低,主要原因是助磨剂的添加一定程度上排除和抑制了氧的作用,消除了电化学腐蚀反应。
4.5 选择性磨碎作用在磨矿过程中,原料通常都不是单一的矿物。
不同的矿物,在后续的作业中粒度要求不尽相同。
有些药剂对不同的矿物具有选择性磨碎作用。
试验表明[10],磁铁矿和石英混合,添加200g/t CaO,矿浆浓度 75%时,磁铁矿的选择性磨碎效果显著。
4.6 改善产品应用性能为了提高产品在应用中的分散性和流动性,有些物料粉碎时也要加入助磨剂进行改性。
例如:在粉碎氧化铁系颜料时加入0.5%~1%硬脂酸助剂,不仅增产26%,而且所粉碎的铁红颜料制造油漆的分散时间也缩短了50%。
对于一种助磨剂加入到被粉碎物料之中,可能发生上述某一种作用,也可能是几种作用的联合。
5 助磨剂的作用机理分析助磨剂强化促进粉磨,其作用机理相当复杂,尽管国内外对此进行了大量的研究,但是还不够深入。
关于助磨剂的作用机理,主要有两种观点:一是 吸附降低硬度 学说,认为助磨剂分子在颗粒上的吸附降低了颗粒的表面能或者引起表面层晶格的位置迁移,产生点或线的缺陷,从而降低颗粒的强度和硬度;同时,阻止新生裂纹的闭合,促进裂纹的扩展;二是 矿浆流变学调节 学说,助磨剂通过调节矿浆的流变学性质和矿粒的可流动性等,降低矿浆的粘度,促进颗粒的分散,从而提高矿浆的可流动性阻止矿粒在研磨介质及磨机衬板上的粘附及颗粒之间的团聚。
5.1 助磨剂对矿石硬度的影响化学添加剂能降低岩矿的硬度,可根据物质结构及吸附学说进行解释,因为处于固体内部的质点受到四周质点的相互作用,能量处于平衡状态,而位于表层的质点向内方向受到强的作用力,但向外方向,受空气分子的作用力极弱,由于这样,矿物表层的质点便表现出有剩余的键能存在(即表面自由能)。
从热力学观点看,矿物表面由于存在不饱和键能,必然要吸附周围物质使之得到补偿以降低表面能,由于能量降低是一个自发过程,故矿物表面发生化学药剂的吸附亦是自发进行的过程。
粉磨时,磨机内被磨物料受到不同应力的作用,导致形成裂纹并扩展,然后被粉碎。
从颗粒断裂的过程来看,根据裂纹扩展条件,助磨剂分子在新生表面的吸附可以减少裂纹扩展所需的外应力,阻止新生裂纹的重新闭合,促进裂纹的扩展。
12有 色 矿 冶 第20卷5.2 助磨剂对矿浆流态性质的影响近年来的研究表明,水蒸气及某些化学添加剂对细粒间有一种穿透力,它可降低细粒物料的粘附性,使细粒物料团聚得到疏松、分裂以至分散,从而阻止细粒的团聚,亦可使物料不易粘附在研磨体和衬板的表面上,这样能有效地减弱或消除糊球现象,破坏物料的垫层作用,提高粉磨效率。
关于粉磨过程中物料的积聚现象和助磨剂的作用,Beke [11]作过深入研究。
他提出,粉磨过程中,物料聚集的形成和发展有两个阶段,开始是小颗粒由于表面张力而具有较强的积聚力,粘附在大颗粒上或相互间粘附,这样形成的松散的积聚体,有人叫做 结团 ,表面活性剂能把它们解散;在这种松散积聚体的基础上,进一步受机械应力作用,可发生类似于金属焊接那样的过程,使结构发生变化,晶格歪扭和变形,这种坚固的积聚体靠表面活性剂是不能解开的,只能等它们生长到一定尺寸后,再度被粉磨。
物料的粉磨进入到这后一阶段后,机械能将使物料发生积聚与粉碎,它本身交替地转换成表面能与结合能。
掺加助磨剂以后,在第一阶段就起作用,将结团解开,使第二阶段不出现或少出现。
6 结 语(1)采用助磨剂可以提高磨矿效率,降低磨矿过程的能耗和钢耗,从而大大降低磨矿成本。
(2)助磨剂可加快物料的塑性变形,降低物料的强度,防止凝聚和粘壁现象的发生,同时还可以改善产品的应用性能。
(3)关于助磨剂的作用机理,主要有两种观点,一种认为助磨剂降低物料硬度,另一种则认为助磨剂的引入改变了矿浆的流变学特性和矿粒的可流动性。
究竟哪种作用为主体,视具体情况而定。
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