（中国矿业大学，北京/苑晓光，吴翠平，郑水林，王云鹤，徐冰玉）粉石英是天然微结晶石英岩长期风化，呈现细分散状产出的一种石英资源，粒度极细，结构疏松，呈土状，又称为“硅土”，其特点为自然粒度细，含杂质少，加工简单，工业用途广泛，是一种优质的工业矿物原料。
粉石英以不经过机械研磨即可获得高纯超细（-320目）的石英微粉而区别于普通硅质原料。粉石英主要由硅砂（﹥0.1mm）和硅粉（﹤0.1mm）两部分组成，经过粉砂分离、脱泥除杂、精细提纯、超细分级、脱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、保温材料、橡胶塑料填料、电子电工填料、高分子材料填料等行业中。由于科学技术的不断进步，高科技产业中对硅的需求量不断增加，而同时天然水晶资源日趋枯竭，人们被迫把目光转向高纯石英砂。所以，积极推动硅砂选矿技术的进步，降低提纯的成本，实现大批量工业化生产，对弥补天然水晶的不足，满足高科技用硅需求具有重要的实际意义。
粉石英化学成分单一，几乎都为α-晶质石英。粉石英中杂质主要是金属氧化物，例如Fe203、Al203等。部分Fe203 以氧化膜的形式赋存在矿物颗粒的表面，Al203则以粘土矿物的形式混杂在矿物中。粉石英的选矿提纯即为除去矿物中含铁、含铝的杂质。一般采用洗矿、重选、磁选、浮选、化学选矿和其他选矿方法进行分选。
本研究将粉石英进行擦洗分散、筛分、离心分离等试验，研究离心时间、离心浓度、分离因数等因素对粉石英提纯的影响，确定最佳工艺条件，并分析主要影响因素对粉石英的分选机理。
1．实验部分
1.1原矿
实验原矿来源为江西某矿业公司。原矿的粒度分布见表1，主要化学成分见表2。
表1 原矿的粒度分布
| 粒度/目 |
+100 |
-100~+200 |
-200~+325 |
-325 |
| 产率/% |
6.54 |
2.18 |
3.38 |
87.90 |
表2 原矿的化学成分
| 化学成分 |
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 |
| 烧失量 |
0.60 |
1.2实验仪器
实验所需仪器为：XFD12型擦洗机，长春探矿机械厂；325目国家标准检验筛，浙江上虞市龙耀精密仪器厂；TDL-5-A型离心机，上海安亭科学仪器厂；XMT-1502-S 数显调节仪，宁波市鄞州邱隘佳诺自动化仪表厂。
1.3实验方法和工艺
采用正交实验和单因素实验相结合的方法。
实验过程：将粉石英矿料、Ph调整剂和分散剂加入擦洗机进行擦洗分散，擦洗浓度75%，擦洗时间20min。将擦洗产品过325目筛，将筛下产品加水调整离心浓度后采用离心机进行离心分选，离心的沉淀物为粉石英精矿，溢流物为杂质矿物。再将精矿烘干后进行检测。
2．结果与讨论
2.1正交试验
正交设计中，确定PH调整剂用量、分散剂用量、离心时间、离心浓度、分离因数五个因素，每个因素四个水平，选用L16(45)正交表进行实验。L16正交实验的因素和水平见表3。
表3 正交实验的因素、水平
| 因素 |
水平 |
| 1 |
2 |
3 |
4 |
| 离心时间/min |
1 |
2 |
3 |
4 |
| 离心浓度/% |
10 |
15 |
20 |
25 |
| 分离因数 |
10 |
20 |
30 |
40 |
| Ph调整剂用量/% |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
| 分散剂用量/% |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
实验结果见表4，采用SiO2含量进行实验效果评定，SiO2的含量越高越好，各水平均值均为SiO2含量的平均值。表4正交实验结果
| 实验名称 |
离心时间 |
离心浓度 |
分离因数 |
Ph调整剂 |
分散剂 |
| 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 |
| 级差r |
0.39 |
0.38 |
0.18 |
0.22 |
0.43 |
根据表4的实验结果，以SiO2平均含量的级差r作为因素评定标准，可知对粉石英提纯影响较大的因素依次为分散剂用量>离心时间>离心浓度>Ph调整剂用量>分离因数。其中离心时间取2水平、离心浓度取2或4水平、分离因数取4水平、Ph调整剂用量取4水平、分散剂用量取4水平提纯效果较好。
2.2单因素实验
对分离因数、离心时间、离心浓度三个因素进行单因素试验。分离因数试验的五个水平为10、20、30、40、50；离心时间试验的五个水平为1min、2min、3min、4min、5min；离心浓度试验的五个水平为10%、15%、20%、25%、30%。为方便结果分析，自定义两个指标：SiO2的含量系数v和SiO2的白度系数u，它们分别表示实验所得的精矿中SiO2的含量减去99%再扩大一万倍所得的数值和白度减去70再扩大十倍所得的数值。为了避免误差对结果分析的影响，采用SiO2含量系数v、白度系数u两个度量标准，v越高越好，u越高越好。实验结果见图1～图3。
图1 分离因数的影响
由图1可以看出：当分离因数取20时，SiO2含量系数v、白度系数u的综合测试值取得峰值。分离因数小于20或大于20，综合测试值均减小。这是因为分离因数过小会使粉石英精矿不能充分沉降，分离因数过大，会使杂质矿物过分沉降。
图2 离心时间的影响
由图2可以看出：离心时间取2min时，SiO2含量系数v、白度系数u的综合测试值取得峰值。分离时间大于2min或小于2min时综合测试值均减小。这是因为离心时间过短粉石英精矿不能充分沉降，离心时间过长会使杂质矿物过多沉降。
图3 离心浓度的影响
由图3可以看出：离心浓度取25%时SiO2含量系数v、白度系数u的综合测试值取得峰值。离心浓度过小或离心浓度过大综合测试值均减小。这是因为，浓度增大会出现沉降阻滞现象，沉降颗粒的沉降速度减小，使粉石英精矿不能充分沉降；离心浓度过小会使杂质矿物过分沉降。
综合SiO2含量系数v、白度系数u两个度量标准，可以看出，分离因数取20、离心时间取2min、离心浓度取25%条件下，粉石英提纯效果最好。
2.3离心分选机理讨论
本试验研究的特点是通过离心分离对粉石英进行分选。由于在离心力场中，离心加速度要比重力加速度大很多。所以，相同的颗粒在离心力场中的沉降速度快，因而相同距离上的沉降时间很大程度上缩短了。
矿粒在离心力场中的离心加速度为：
式中 r—矿粒旋转半径
w—矿粒旋转角速度
vt—矿粒切向速度
设密度为  的矿粒在离心力场中所受的离心力为  ：
式中 d—矿粒的直径
 —介质的密度
矿粒离心沉降时所受的介质阻力 为：
式中  —阻力系数
 —矿粒的径向速度
对于微细矿粒，可以采用斯托克斯阻力公式：
式中  —介质粘度
由  得微细矿粒在离心力场中的沉降速度为：
当离心矿浆的离心浓度增大到一定值后，会出现沉降阻滞现象。矿粒的沉降速度会比自由沉降时的速度小。因而要在实际的计算中引进矿浆浓度修正系数，取(1-λ)5.5作为修正系数（  为矿浆中固相颗粒的容积浓度）。
修正后的沉降速度公式为：
该沉降速度公式中，(1-  )5.5和 rw2分别体现了离心浓度和分离因数对分选的影响。离心浓度增大，即  增大、(1-  )5.5减小，会使粉石英精矿和杂质矿物的沉降速度均减小。分离因数增大，即 rw2增大，会使粉石英精矿和杂质矿物的沉降速度均增大。在离心时间一定的情况下，只有使粉石英精矿充分沉降，而杂质矿物尽量少沉降才能使原矿充分提纯。也就是说，离心浓度中存在一个峰值浓度，若浓度比峰值浓度小，则会使杂质过分沉淀，若浓度比峰值浓度大，则粉石英精矿不能充分沉淀；分离因数中存在一个峰值分离因数，离心因数比峰值分离因数小则粉石英精矿不能充分沉淀，离心因数比峰值分离因数大则会使杂质过分沉淀。这与单因素实验中离心浓度出现峰值25%，分离因数出现峰值20是相符的。
3．结论
1）用擦洗分散、离心分离的方法提纯粉石英效果显著，SiO2的含量可从97.65%提升至99.56%。
2）分离因数取20、离心时间取2min、离心浓度取25%条件下，粉石英提纯效果最好。
(厦门非金属矿加工与应用技术交流会,发表于中国粉体技术杂志）
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