次生硫化铜矿制粒试验

工程科学学报，第41卷，第9期：1127-1134,2019年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.9:1127-1134,September 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.003;http://journals.ustb.edu.cn 次生硫化铜矿制粒试验 尹升华12)，陈威2)四，刘家明2)，宋庆2) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000832)北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:ustbchenwei(@126.com 摘要为解决堆浸过程中由于大量矿粉存在而导致矿堆渗透性差、浸出率低等问题，以次生硫化铜矿为原料，开展了制粒 试验研究.考察了不同制粒黏结剂对矿粉的黏结效果，确定了最佳的制粒黏结剂、制粒工艺以及制粒方法.通过正交制粒试 验，明确了影响制粒试验的主要因素.试验结果表明：不同制粒黏结剂的黏结效果排序依次为：SS-2>SS-3>水泥>半水 石膏>SFS-1>SFS-0>硅酸钠>阳离子型聚丙烯酰胺.当选用黏结剂SFS-2,黏结剂占矿粉质量分数为8%、加酸量为25kg· t1以及制粒过程喷水质量分数为30%时，所制矿团效果最佳.其湿强度达到94.62%，抗压强度达到417.44N,矿团酸浸维持 完好时间超过25d,矿团形态基本维持不变，无明显破裂现象.正交制粒试验得到多因素对次生硫化铜矿制粒的影响由大到 小依次为：黏结剂占矿石质量分数、加酸量和制粒喷水量.对选定的黏结剂进行细菌接种试验显示，黏结剂对细菌群落无明显 影响.添加黏结剂试验组细菌数量为8.79×10？mL1,未添加黏结剂试验组细菌数量为8.86×10？mL.对制粒后矿团进行 浸矿试验结果显示，矿粉制粒后铜浸出率提高了12.74%，制粒通过增大矿物之间的孔隙，增加浸出液与矿石的接触，进而提 高铜浸出率. 关键词制粒黏结剂：湿强度：抗压强度：次生硫化铜矿：生物浸矿 分类号TD862 Agglomeration experiment of secondary copper sulfide ore YIN Sheng-hua'),CHEN Wei),LIU Jia-ming?,SONG Qing? 1)Key Laboratory of Ministry of Education for High-Efficient Mining and Safety of Metal,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083, China 2)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:ustbchenwei@126.com ABSTRACT The presence of a large amount of fine particles and muddy ore during the heap leaching process leads the occurrence of low leaching rate.Herein,agglomeration experiments using low-grade secondary copper sulfide ore were conducted to enhance the poor heap permeability and low leaching rate caused by the presence of a large amount of fine particles during the heap leaching process. The optimum binder,agglomeration technology,and agglomeration method were selected after investigating the bonding effects of differ- ent binders on mineral particles.The effect of single factor,including the binder mass fraction,acid quality,and bulk of water spra- ying on agglomeration experiments were conducted before the orthogonal experiment.The key factors that have a considerable effect on agglomeration were identified through the orthogonal experiment.According to the experimental results,the order of bonding effect of different granulation binders is as follows:SFS-2>SFS-3>cement hemihydrate gypsum>SFS-1>SFS-0>sodium silicate cation- ic polyacrylamide.The effect of agglomeration is the best when SFS-2 is selected as a binder,the acid quality is measured as 25 kg t,and the mass fraction of spraying water is 30%during the agglomeration process.The wet strength and compressive strength rea- 收稿日期：2019-04-15 基金项目：国家优秀青年科学基金资助项目(51722401)：国家自然科学基金重点资助项目(51734001)：中央高校基本科研业务费专项资金资 助项目(FRF-TP-18-003C1)

工程科学学报,第 41 卷,第 9 期:1127鄄鄄1134,2019 年 9 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 9: 1127鄄鄄1134, September 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 09. 003; http: / / journals. ustb. edu. cn 次生硫化铜矿制粒试验 尹升华1,2) , 陈 威1,2) 苣 , 刘家明2) , 宋 庆2) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 北京 100083 2)北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083 苣通信作者, E鄄mail:ustbchenwei@ 126. com 摘 要 为解决堆浸过程中由于大量矿粉存在而导致矿堆渗透性差、浸出率低等问题,以次生硫化铜矿为原料,开展了制粒 试验研究. 考察了不同制粒黏结剂对矿粉的黏结效果,确定了最佳的制粒黏结剂、制粒工艺以及制粒方法. 通过正交制粒试 验,明确了影响制粒试验的主要因素. 试验结果表明:不同制粒黏结剂的黏结效果排序依次为:SFS鄄鄄2 > SFS鄄鄄3 > 水泥 > 半水 石膏 > SFS鄄鄄1 > SFS鄄鄄0 > 硅酸钠 > 阳离子型聚丙烯酰胺. 当选用黏结剂 SFS鄄鄄2,黏结剂占矿粉质量分数为 8% 、加酸量为 25 kg· t - 1以及制粒过程喷水质量分数为 30% 时,所制矿团效果最佳. 其湿强度达到 94郾 62% ,抗压强度达到 417郾 44 N,矿团酸浸维持 完好时间超过 25 d,矿团形态基本维持不变,无明显破裂现象. 正交制粒试验得到多因素对次生硫化铜矿制粒的影响由大到 小依次为:黏结剂占矿石质量分数、加酸量和制粒喷水量. 对选定的黏结剂进行细菌接种试验显示,黏结剂对细菌群落无明显 影响. 添加黏结剂试验组细菌数量为 8郾 79 伊 10 7 mL - 1 ,未添加黏结剂试验组细菌数量为 8郾 86 伊 10 7 mL - 1 . 对制粒后矿团进行 浸矿试验结果显示,矿粉制粒后铜浸出率提高了 12郾 74% ,制粒通过增大矿物之间的孔隙,增加浸出液与矿石的接触,进而提 高铜浸出率. 关键词 制粒黏结剂; 湿强度; 抗压强度; 次生硫化铜矿; 生物浸矿 分类号 TD862 收稿日期: 2019鄄鄄04鄄鄄15 基金项目: 国家优秀青年科学基金资助项目(51722401);国家自然科学基金重点资助项目(51734001);中央高校基本科研业务费专项资金资 助项目(FRF鄄鄄TP鄄鄄18鄄鄄003C1) Agglomeration experiment of secondary copper sulfide ore YIN Sheng鄄hua 1,2) , CHEN Wei 1,2) 苣 , LIU Jia鄄ming 2) , SONG Qing 2) 1)Key Laboratory of Ministry of Education for High鄄Efficient Mining and Safety of Metal, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2)School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣Corresponding author, E鄄mail: ustbchenwei@ 126. com ABSTRACT The presence of a large amount of fine particles and muddy ore during the heap leaching process leads the occurrence of low leaching rate. Herein, agglomeration experiments using low鄄grade secondary copper sulfide ore were conducted to enhance the poor heap permeability and low leaching rate caused by the presence of a large amount of fine particles during the heap leaching process. The optimum binder, agglomeration technology, and agglomeration method were selected after investigating the bonding effects of differ鄄 ent binders on mineral particles. The effect of single factor, including the binder mass fraction, acid quality, and bulk of water spra鄄 ying on agglomeration experiments were conducted before the orthogonal experiment. The key factors that have a considerable effect on agglomeration were identified through the orthogonal experiment. According to the experimental results, the order of bonding effect of different granulation binders is as follows: SFS鄄鄄2 > SFS鄄鄄3 > cement > hemihydrate gypsum > SFS鄄鄄1 > SFS鄄鄄0 > sodium silicate > cation鄄 ic polyacrylamide. The effect of agglomeration is the best when SFS鄄鄄2 is selected as a binder, the acid quality is measured as 25 kg· t - 1 , and the mass fraction of spraying water is 30% during the agglomeration process. The wet strength and compressive strength rea鄄

·1128· 工程科学学报，第41卷，第9期 ches up to 94.62%and 417.44 N,respectively,after drying.The acid leaching time of agglomerations is maintained for more than 25 d,during which the shape of agglomerations remains unchanged and is without obvious fracture.According to the orthogonal experi- ment,the factors affecting the agglomeration in the descending order are as follows:binder mass fraction,acid quality,and bulk of wa- ter spraying.The bacterial inoculation experiment in the presence of binder was conducted,but it shows no considerable effect of bind- er on the bacterial community.The bacterial number of experiment in the presence of binder reaches 8.79 x 107 mL-,while that in the absence of binder is 8.86 x10mL.The leaching experiments results show that the copper leaching rate increases by 12.74% after agglomeration because agglomeration increases the porosity between the minerals and improves the contact between leaching solu- tion and minerals. KEY WORDS binder;wet strength;compressive strength;secondary copper sulfide ore;bioleaching 生物浸矿提取铜、稀土等金属已运用于工业生 效、易得的黏结剂研究仍然存在空白 产，具有生产成本低、回收流程短、绿色环保等优点， 本文以次生硫化铜矿为研究对象，对开采和破 实现了矿产资源的高效开采[1-).生物浸矿原地回 碎时产生的粉矿进行制粒，研究了适合次生硫化铜 收金属时，矿堆中矿石粒径分布、溶浸液渗透性以及 矿酸浸制粒的黏结剂，同时考察了各个黏结剂对制 分布均匀性等均是重要的影响因素[4).实际生产 粒效果的影响，得出最佳的制粒条件.探讨了黏结 过程中，由于矿石采出、破碎、筑堆等步骤产生了大 剂对浸矿细菌生长活性的影响，并对制粒后矿团进 量粉矿，直接采用含有大量粉矿的矿石筑堆时会导 行浸矿试验，分析了制粒对改善浸出率的作用机理. 致诸多问题[6-$)].如颗粒偏析，即松散状物料中的粗 为合理解决堆浸过程中矿堆渗透性差、浸出率低等 细颗粒发生分离而各自聚集的现象，破坏了矿石的 问题提供新方法 混合均匀性9).同时大量粉矿筑堆也会导致堆浸过 1试验材料及方法 程中出现板结现象，堵塞溶浸液在矿堆中的流道，导 致矿石颗粒无法完全被润湿，进而降低了矿石浸出 1.1试验材料 率，造成大量资源的浪费[1.此外，对于高含泥量 本试验矿样取自福建省某铜矿，其主要成分以 的矿石而言，由于矿堆渗透性差，影响矿物的浸出， 及铜物相分析结果如表1和表2所示.矿石主要金 导致大量含泥矿石被废弃-] 属元素为Cu和Fe,其中铜的质量分数为0.70%，此 矿石制粒是一种有效的改善高含泥矿石堆浸和 外矿石中S质量分数较高达到1.10%.绝大多数铜 粉矿堆浸渗透性能的措施[).通过加入黏结剂及 以硫化物的形式赋存，次生硫化铜和原生硫化铜占 润湿剂，将物料连续滚动成球状，从而使细颗粒矿石 比分别为0.60%和0.05%.氧化率低，氧化铜占比 重新聚集，最终改变矿石的物理、化学性质).近 为0.04%. 年来，国内外专家开展了大量先制粒再入堆堆浸工 表1矿样主要元素质量分数 艺研究，目前制粒技术日渐完善和成熟[5)].黎湘虹 Table 1 Mass fraction of major elements in mineral samples 等对鑫泰含泥氧化铜矿进行制粒预处理，结果表明 名 制粒后的粒矿堆高3m,经硫酸喷淋浸出25d,铜浸 Cu Fe Cao Mgo Al2O3 SiO2 出率78.02%，25d浸出后矿堆仍具有良好的渗透 0.70 1.67 1.100.300.045.2991.00 性[6].梁建龙等针对某地高含泥质氧化铜矿石的 表2铜物相分析结果（质量分数） 低渗透性问题，通过试验成功找到一种价廉易得耐 Table 2 Cu phase analysis results of mineral samples 酸的LN3粘合剂，使用此种粘合剂造粒后，矿石渗 氧化铜原生硫化铜次生硫化铜结合铜 总Cu 透性大大提高，能满足堆浸要求.其浸出率大于 0.04 0.05 0.60 0.01 0.70 95%,浸出酸耗为93kgt1[].谭海明对低品位高 含泥氧化铜矿采用酸法制粒进行堆浸，结果表明效 本试验菌液取自福建某铜矿酸性矿坑水，主要 果良好，浸出率大于90%，矿石浸出后颗粒保持完 含有嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxi- 好，矿柱渗透性能良好1).吕萍针对低品位高含泥 dans).使用9K培养基对细菌进行实验室富集、纯 氧化铜矿进行了制粒堆浸研究，经济有效的实现了 化及驯化，9K培养基组成及含量为(NH,)2S04 对低品位矿石中有价金属的回收[.尽管大量效 3.00gL-1、Mgs04·7H200.50gL-1、KC0.10g· 果较好的黏结剂已经运用于制粒，但是更加经济、高 L-、K2HP040.50gL-、Ca(N03)20.01gL-1和

工程科学学报,第 41 卷,第 9 期 ches up to 94郾 62% and 417郾 44 N, respectively, after drying. The acid leaching time of agglomerations is maintained for more than 25 d, during which the shape of agglomerations remains unchanged and is without obvious fracture. According to the orthogonal experi鄄 ment, the factors affecting the agglomeration in the descending order are as follows: binder mass fraction, acid quality, and bulk of wa鄄 ter spraying. The bacterial inoculation experiment in the presence of binder was conducted, but it shows no considerable effect of bind鄄 er on the bacterial community. The bacterial number of experiment in the presence of binder reaches 8郾 79 伊 10 7 mL - 1 , while that in the absence of binder is 8郾 86 伊 10 7 mL - 1 . The leaching experiments results show that the copper leaching rate increases by 12郾 74% after agglomeration because agglomeration increases the porosity between the minerals and improves the contact between leaching solu鄄 tion and minerals. KEY WORDS binder; wet strength; compressive strength; secondary copper sulfide ore; bioleaching 生物浸矿提取铜、稀土等金属已运用于工业生 产,具有生产成本低、回收流程短、绿色环保等优点, 实现了矿产资源的高效开采[1鄄鄄3] . 生物浸矿原地回 收金属时,矿堆中矿石粒径分布、溶浸液渗透性以及 分布均匀性等均是重要的影响因素[4鄄鄄5] . 实际生产 过程中,由于矿石采出、破碎、筑堆等步骤产生了大 量粉矿,直接采用含有大量粉矿的矿石筑堆时会导 致诸多问题[6鄄鄄8] . 如颗粒偏析,即松散状物料中的粗 细颗粒发生分离而各自聚集的现象,破坏了矿石的 混合均匀性[9] . 同时大量粉矿筑堆也会导致堆浸过 程中出现板结现象,堵塞溶浸液在矿堆中的流道,导 致矿石颗粒无法完全被润湿,进而降低了矿石浸出 率,造成大量资源的浪费[10] . 此外,对于高含泥量 的矿石而言,由于矿堆渗透性差,影响矿物的浸出, 导致大量含泥矿石被废弃[11鄄鄄12] . 矿石制粒是一种有效的改善高含泥矿石堆浸和 粉矿堆浸渗透性能的措施[13] . 通过加入黏结剂及 润湿剂,将物料连续滚动成球状,从而使细颗粒矿石 重新聚集,最终改变矿石的物理、化学性质[14] . 近 年来,国内外专家开展了大量先制粒再入堆堆浸工 艺研究,目前制粒技术日渐完善和成熟[15] . 黎湘虹 等对鑫泰含泥氧化铜矿进行制粒预处理,结果表明 制粒后的粒矿堆高 3 m,经硫酸喷淋浸出 25 d,铜浸 出率 78郾 02% ,25 d 浸出后矿堆仍具有良好的渗透 性[16] . 梁建龙等针对某地高含泥质氧化铜矿石的 低渗透性问题,通过试验成功找到一种价廉易得耐 酸的 LN3 粘合剂,使用此种粘合剂造粒后,矿石渗 透性大大提高,能满足堆浸要求. 其浸出率大于 95% ,浸出酸耗为 93 kg·t - 1 [17] . 谭海明对低品位高 含泥氧化铜矿采用酸法制粒进行堆浸,结果表明效 果良好,浸出率大于 90% ,矿石浸出后颗粒保持完 好,矿柱渗透性能良好[18] . 吕萍针对低品位高含泥 氧化铜矿进行了制粒堆浸研究,经济有效的实现了 对低品位矿石中有价金属的回收[19] . 尽管大量效 果较好的黏结剂已经运用于制粒,但是更加经济、高 效、易得的黏结剂研究仍然存在空白. 本文以次生硫化铜矿为研究对象,对开采和破 碎时产生的粉矿进行制粒,研究了适合次生硫化铜 矿酸浸制粒的黏结剂,同时考察了各个黏结剂对制 粒效果的影响,得出最佳的制粒条件. 探讨了黏结 剂对浸矿细菌生长活性的影响,并对制粒后矿团进 行浸矿试验,分析了制粒对改善浸出率的作用机理. 为合理解决堆浸过程中矿堆渗透性差、浸出率低等 问题提供新方法. 1 试验材料及方法 1郾 1 试验材料 本试验矿样取自福建省某铜矿,其主要成分以 及铜物相分析结果如表 1 和表 2 所示. 矿石主要金 属元素为 Cu 和 Fe,其中铜的质量分数为 0郾 70% ,此 外矿石中 S 质量分数较高达到 1郾 10% . 绝大多数铜 以硫化物的形式赋存,次生硫化铜和原生硫化铜占 比分别为 0郾 60% 和 0郾 05% . 氧化率低,氧化铜占比 为 0郾 04% . 表 1 矿样主要元素质量分数 Table 1 Mass fraction of major elements in mineral samples % Cu Fe S CaO MgO Al2O3 SiO2 0郾 70 1郾 67 1郾 10 0郾 30 0郾 04 5郾 29 91郾 00 表 2 铜物相分析结果(质量分数) Table 2 Cu phase analysis results of mineral samples % 氧化铜 原生硫化铜 次生硫化铜 结合铜 总 Cu 0郾 04 0郾 05 0郾 60 0郾 01 0郾 70 本试验菌液取自福建某铜矿酸性矿坑水,主要 含有嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxi鄄 dans). 使用 9K 培养基对细菌进行实验室富集、纯 化及驯化,9K 培养基组成及含量为 ( NH4 )2 SO4 3郾 00 g·L - 1 、MgSO4·7H2O 0郾 50 g·L - 1 、KCl 0郾 10 g· L - 1 、K2HPO4 0郾 50 g·L - 1 、Ca(NO3 )2 0郾 01 g·L - 1 和 ·1128·

尹升华等：次生硫化铜矿制粒试验 ·1129· FeS047H,044.20gL-1. 定装置平台上，向矿团缓慢施加压力直至矿团破裂， 1.2试验方法 矿团抗压强度值即为矿团破裂时显示的压力值. 本试验采用酸法制粒20.所用矿石主要为次 2结果与讨论 生硫化铜矿，含有少量氧化铜矿、氧化钙以及氧化 镁.制粒过程中添加适量稀硫酸，与矿石中的产气 2.1制粒黏结剂的选择 物质发生反应，同时在矿团内部生成沉淀，反应过程 本试验选择了SFS-0、SFS-1、SFS-2,SFS-3、水 如式(1)~(2)所示，以增强矿团内部强度，防止制 泥、硅酸钠、半水石膏以及阳离子型聚丙烯酰胺8种 粒后由于酸浸导致矿团中含有各种脉石矿物与酸反 制粒黏合剂.称取8份质量为200g的矿粉，分别向 应生成气体，致使矿团内部孔隙变大，降低矿团 矿粉加入8种占矿粉质量分数为5.0%的制粒黏结 强度 剂，设定塑料制粒圆盘倾角和转速分别为20°以及 Ca0+H,S0,→CaS0,↓+H20 (1) 600r·min'.控制制粒时间为10min,制粒过程的 Mg0+H2SO,→MgS04↓+H,0 (2) 喷水量占矿粉质量分数为30%. 在自制直径为300mm的塑料制粒圆盘中进行 试验结果显示，添加不同黏合剂制粒后矿团的 制粒.塑料制粒圆盘倾角和转速可调，设定初始制 平均粒径由大到小排序依次为：SFS-2(11.41mm)、 粒倾角和转速为20°和600r·min1.按比例将不同 SFS-3(10.93mm)、水泥(9.32mm)、SFS-1(8.61 粒径的可矿石与制粒黏结剂加入到塑料制粒圆盘中， mm)、SFS-0(8.29mm)、半水石膏(8.08mm)、硅酸 混酸喷水制备湿矿团. 钠(7.90mm)以及阳离子型聚丙烯酰胺(6.96mm). 1.3分析检测方法 1.3.1矿团湿强度测定 当添加的黏合剂为SFS-2时，相同的制粒条件下， 将干燥后的矿团，质量为M1,放置于烧杯中加 矿粉黏合效果最佳.当添加的黏合剂为阳离子型聚 水直至淹没，浸泡24h.然后将矿团从烧杯中取出， 丙烯酰胺时，矿粉黏合成团效果最差 对烧杯底部残余的矿粉经过干燥后称重得到质量为 由于本试验所用次生硫化铜矿工业生产中多采 M2,则得到湿强度S计算公式如下 用酸性条件下生物浸矿提取铜金属，所以本试验矿 团使用酸浸的方法测量矿团维持完整状态时间，将 S= M1-M2 M, ×100% (3) 固化48h后的矿团放入烧杯中，加入使用稀硫酸调 1.3.2矿团抗压强度测定 节pH值为2.0的酸性溶液至矿团全部浸没，观察 使用全自动压力试验机测定矿团抗压强度，设 和记录矿团形态以及破裂所需要的时间，结果如 定加载速率为0.20kN·s1.将矿团放置在压力测 表3所示 表3不同黏结剂矿团完全破裂所需时间 Table 3 Break time of aggregation with different binders d SFS-0 SFS-1 SFS-2 SFS-3 水泥 硅酸钠 半水石膏 阳离子型聚丙烯酰胺 <8 <10 >20 >20 <16 <3 <2 <3 由表3可知，添加SFS-0和SFS-1作为黏结剂 的黏结剂进行细菌接种试验，考察黏结剂对细菌生 所制矿团在酸性溶液中浸泡时间不超过10d全部 长活性的影响.接种试验采用9K培养基作为基底， 破裂，以硅酸钠、半水石膏和阳离子型聚丙烯酰胺为 装液量200mL,黏结剂浓度为5gL-1,pH值调节至 黏结剂所制矿团不超过3d完全破裂，以水泥为黏 2.0,细菌接种量为30mL,放置于恒温30℃、转速 结剂所制矿团不超过16d完全破裂，而利用SFS-2 l50rmin-摇床中.黏结剂对细菌生长活性的影响 和SS-3作为黏结剂所制矿团在酸性溶液中浸泡 结果如图1所示. 时间超过20d,在烧杯底部只残余少量从矿团上脱 由图1可知，不同培养基底下细菌培养试验中 落的矿粉，矿团基本维持浸泡前的形态 细菌数量峰值无显著区别.含有9K培养基以及含 2.2黏结剂对细菌群落影响 有9K和SFS-2培养基中细菌数量均呈现出细菌数 根据矿团酸浸完全破裂所需时间、黏合剂材料 量先降后升最终趋于稳定的趋势.由于细菌接种对 价格以及易得性经过初步比较，选定SFS-2作为本 环境具有适应期，所以接种试验前期细菌数量下降. 试验黏合剂.基于本试验采用细菌浸矿，对所选用 在以9K和SFS-2为培养基底的试验组中，由于添

尹升华等: 次生硫化铜矿制粒试验 FeSO4·7H2O 44郾 20 g·L - 1 . 1郾 2 试验方法 本试验采用酸法制粒[20] . 所用矿石主要为次 生硫化铜矿,含有少量氧化铜矿、氧化钙以及氧化 镁. 制粒过程中添加适量稀硫酸,与矿石中的产气 物质发生反应,同时在矿团内部生成沉淀,反应过程 如式(1) ~ (2)所示,以增强矿团内部强度,防止制 粒后由于酸浸导致矿团中含有各种脉石矿物与酸反 应生成气体,致使矿团内部孔隙变大,降低矿团 强度. CaO + H2 SO4寅CaSO4引 + H2O (1) MgO + H2 SO4寅MgSO4引 + H2O (2) 在自制直径为 300 mm 的塑料制粒圆盘中进行 制粒. 塑料制粒圆盘倾角和转速可调,设定初始制 粒倾角和转速为 20毅和 600 r·min - 1 . 按比例将不同 粒径的矿石与制粒黏结剂加入到塑料制粒圆盘中, 混酸喷水制备湿矿团. 1郾 3 分析检测方法 1郾 3郾 1 矿团湿强度测定 将干燥后的矿团,质量为 M1 ,放置于烧杯中加 水直至淹没,浸泡 24 h. 然后将矿团从烧杯中取出, 对烧杯底部残余的矿粉经过干燥后称重得到质量为 M2 ,则得到湿强度 Sm计算公式如下. Sm = M1 - M2 M1 伊 100% (3) 1郾 3郾 2 矿团抗压强度测定 使用全自动压力试验机测定矿团抗压强度,设 定加载速率为 0郾 20 kN·s - 1 . 将矿团放置在压力测 定装置平台上,向矿团缓慢施加压力直至矿团破裂, 矿团抗压强度值即为矿团破裂时显示的压力值. 2 结果与讨论 2郾 1 制粒黏结剂的选择 本试验选择了 SFS鄄鄄0、SFS鄄鄄1、SFS鄄鄄2、SFS鄄鄄3、水 泥、硅酸钠、半水石膏以及阳离子型聚丙烯酰胺 8 种 制粒黏合剂. 称取 8 份质量为 200 g 的矿粉,分别向 矿粉加入 8 种占矿粉质量分数为 5郾 0% 的制粒黏结 剂,设定塑料制粒圆盘倾角和转速分别为 20毅以及 600 r·min - 1 . 控制制粒时间为 10 min,制粒过程的 喷水量占矿粉质量分数为 30% . 试验结果显示,添加不同黏合剂制粒后矿团的 平均粒径由大到小排序依次为:SFS鄄鄄2(11郾 41 mm)、 SFS鄄鄄3(10郾 93 mm)、水泥(9郾 32 mm)、SFS鄄鄄 1 (8郾 61 mm)、SFS鄄鄄0(8郾 29 mm)、半水石膏(8郾 08 mm)、硅酸 钠(7郾 90 mm)以及阳离子型聚丙烯酰胺(6郾 96 mm). 当添加的黏合剂为 SFS鄄鄄 2 时,相同的制粒条件下, 矿粉黏合效果最佳. 当添加的黏合剂为阳离子型聚 丙烯酰胺时,矿粉黏合成团效果最差. 由于本试验所用次生硫化铜矿工业生产中多采 用酸性条件下生物浸矿提取铜金属,所以本试验矿 团使用酸浸的方法测量矿团维持完整状态时间,将 固化 48 h 后的矿团放入烧杯中,加入使用稀硫酸调 节 pH 值为 2郾 0 的酸性溶液至矿团全部浸没,观察 和记录矿团形态以及破裂所需要的时间,结果如 表 3 所示. 表 3 不同黏结剂矿团完全破裂所需时间 Table 3 Break time of aggregation with different binders d SFS鄄鄄0 SFS鄄鄄1 SFS鄄鄄2 SFS鄄鄄3 水泥 硅酸钠 半水石膏 阳离子型聚丙烯酰胺 < 8 < 10 > 20 > 20 < 16 < 3 < 2 < 3 由表 3 可知,添加 SFS鄄鄄0 和 SFS鄄鄄1 作为黏结剂 所制矿团在酸性溶液中浸泡时间不超过 10 d 全部 破裂,以硅酸钠、半水石膏和阳离子型聚丙烯酰胺为 黏结剂所制矿团不超过 3 d 完全破裂,以水泥为黏 结剂所制矿团不超过 16 d 完全破裂,而利用 SFS鄄鄄2 和 SFS鄄鄄3 作为黏结剂所制矿团在酸性溶液中浸泡 时间超过 20 d,在烧杯底部只残余少量从矿团上脱 落的矿粉,矿团基本维持浸泡前的形态. 2郾 2 黏结剂对细菌群落影响 根据矿团酸浸完全破裂所需时间、黏合剂材料 价格以及易得性经过初步比较,选定 SFS鄄鄄2 作为本 试验黏合剂. 基于本试验采用细菌浸矿,对所选用 的黏结剂进行细菌接种试验,考察黏结剂对细菌生 长活性的影响. 接种试验采用 9K 培养基作为基底, 装液量 200 mL,黏结剂浓度为 5 g·L - 1 ,pH 值调节至 2郾 0,细菌接种量为 30 mL,放置于恒温 30 益 、转速 150 r·min - 1摇床中. 黏结剂对细菌生长活性的影响 结果如图 1 所示. 由图 1 可知,不同培养基底下细菌培养试验中 细菌数量峰值无显著区别. 含有 9K 培养基以及含 有 9K 和 SFS鄄鄄2 培养基中细菌数量均呈现出细菌数 量先降后升最终趋于稳定的趋势. 由于细菌接种对 环境具有适应期,所以接种试验前期细菌数量下降. 在以 9K 和 SFS鄄鄄2 为培养基底的试验组中,由于添 ·1129·

·1130 工程科学学报，第41卷，第9期 10 2.3.2制粒过程喷水量的影响 试验条件为200g矿粉，添加SS-2黏结剂质 量分数为8%，塑料制粒圆盘倾角和转速分别为20° 以及600rmin-1,喷水量分别设置为矿粉质量的 6 5 15%、20%、25%、30%、35%和40%，制粒时间10 min,固化48h,加酸量30kgt- ★-9K 当喷水量为35%和40%时，制粒矿团由于表面 ◆-9K+SFS-2 过湿黏结在一起，无法形成完整形态的矿粒.同时 部分矿团和矿粉附着在塑料制粒圆盘盘壁上，致使 2345678910111213141516 矿粉成团困难.而当喷水量为15%、20%、25%和 时间d 30%时，矿团的抗压强度分别为97.68、136.25、 图1不同培养基底细菌数量变化 214.39和419.87N,矿团的湿强度分别为59.23%、 Fig.1 Variation of bacterial concentration in different culture bases 68.47%、78.15%和92.36%.喷水量为30%时矿 加了SS-2,细菌接种后的环境适应时间大于9K培 团的抗压强度和湿强度均高于喷水量为15%、20% 养基试验组环境适应期.两个接种试验组中细菌数 和25%时的结果.由单因素条件制粒试验可确定最 量峰值分别达到了8.86×10'mL-1和8.79×10' 佳喷水量为30%，并确定后续试验喷水量为30%. mL1,认为添加剂对细菌影响可以忽略不计. 2.3.3加酸量的影响 2.3单因素条件制粒试验 试验条件为200g矿粉，添加SS-2黏结剂占 2.3.1黏结剂添加量的影响 矿粉质量分数为8%，塑料制粒圆盘倾角和转速分 试验条件为200g矿粉，分别加入占矿粉质量 别为20以及600rmin-1,喷水量为30%，制粒时间 分数1%、2%、4%、6%、8%、10%和12%的SFS-2 10min,固化48h,加酸量分别为15、20、25、30、35和 黏结剂，塑料制粒圆盘倾角和转速分别为20°以及 40kgt.矿团抗压强度以及湿强度随加酸量的变 600rmin-1,喷水量为30%，制粒时间10mim,固化 化曲线如图3所示. 48h,加酸量为30kgt,矿团的抗压强度、湿强度 95.1 450 随黏结剂添加量的变化曲线如图2所示. 94.9 400 93 450 94.7 350 91 425 300乙 400 94.5 色 89 375 87 94.1 300凿 150 83 275 93.9 100 250 93.7L 50 225 20 2530 3540 79 200 加酸量kg 0123456789101235 7 图3不同加酸量矿团湿强度与抗压强度变化 黏结剂质量分数% Fig.3 Variation of wet strength and compressive strength under dif- 图2不同黏结剂含量矿团湿强度与抗压强度变化 ferent acid qualities Fig.2 Variation of wet strength and compressive strength under dif- ferent binders'mass fractions 由图3可知，矿团的湿强度首先随着加酸量 (15~25kgt1)的增加而下降，由于矿石中耗酸脉 由图2可知，制粒后矿团的抗压强度均随着 石会与硫酸反应生成气体，随着加酸量的增加，气体 SFS-2黏结剂含量的增加而增加.矿团的湿强度首 的生成量增多，对矿团形成过程中的损坏作用增大， 先随着SFS-2黏结剂含量的增加而增加，当黏结剂 造成矿团湿强度降低.而后随着加酸量(25~40kg· SFS-2质量分数超过8%，矿团的湿强度变化不明 t~1)的增加而维持相对稳定，这是由于添加的硫酸 显，因此确定后续试验S℉S-2黏结剂的添加质量分 与矿石中耗酸脉石充分反应后，不再生成气体，进而 数为8%. 减弱了气体对矿团形成过程中的损坏作用.矿团的

工程科学学报,第 41 卷,第 9 期 图 1 不同培养基底细菌数量变化 Fig. 1 Variation of bacterial concentration in different culture bases 加了 SFS鄄鄄2,细菌接种后的环境适应时间大于 9K 培 养基试验组环境适应期. 两个接种试验组中细菌数 量峰值分别达到了 8郾 86 伊 10 7 mL - 1 和 8郾 79 伊 10 7 mL - 1 ,认为添加剂对细菌影响可以忽略不计. 2郾 3 单因素条件制粒试验 2郾 3郾 1 黏结剂添加量的影响 试验条件为 200 g 矿粉,分别加入占矿粉质量 分数 1% 、2% 、4% 、6% 、8% 、10% 和 12% 的 SFS鄄鄄 2 黏结剂,塑料制粒圆盘倾角和转速分别为 20毅以及 600 r·min - 1 ,喷水量为 30% ,制粒时间 10 min,固化 48 h,加酸量为 30 kg·t - 1 ,矿团的抗压强度、湿强度 随黏结剂添加量的变化曲线如图 2 所示. 图 2 不同黏结剂含量矿团湿强度与抗压强度变化 Fig. 2 Variation of wet strength and compressive strength under dif鄄 ferent binders爷 mass fractions 由图 2 可知,制粒后矿团的抗压强度均随着 SFS鄄鄄2 黏结剂含量的增加而增加. 矿团的湿强度首 先随着 SFS鄄鄄2 黏结剂含量的增加而增加,当黏结剂 SFS鄄鄄2 质量分数超过 8% ,矿团的湿强度变化不明 显,因此确定后续试验 SFS鄄鄄2 黏结剂的添加质量分 数为 8% . 2郾 3郾 2 制粒过程喷水量的影响 试验条件为 200 g 矿粉,添加 SFS鄄鄄2 黏结剂质 量分数为 8% ,塑料制粒圆盘倾角和转速分别为 20毅 以及 600 r·min - 1 ,喷水量分别设置为矿粉质量的 15% 、20% 、25% 、30% 、35% 和 40% ,制粒时间 10 min,固化 48 h,加酸量 30 kg·t - 1 . 当喷水量为 35% 和 40% 时,制粒矿团由于表面 过湿黏结在一起,无法形成完整形态的矿粒. 同时 部分矿团和矿粉附着在塑料制粒圆盘盘壁上,致使 矿粉成团困难. 而当喷水量为 15% 、20% 、25% 和 30% 时, 矿团的抗压 强 度 分 别 为 97郾 68、 136郾 25、 214郾 39 和 419郾 87 N,矿团的湿强度分别为 59郾 23% 、 68郾 47% 、78郾 15% 和 92郾 36% . 喷水量为 30% 时矿 团的抗压强度和湿强度均高于喷水量为 15% 、20% 和 25% 时的结果. 由单因素条件制粒试验可确定最 佳喷水量为 30% ,并确定后续试验喷水量为 30% . 2郾 3郾 3 加酸量的影响 试验条件为 200 g 矿粉,添加 SFS鄄鄄2 黏结剂占 矿粉质量分数为 8% ,塑料制粒圆盘倾角和转速分 别为 20毅以及 600 r·min - 1 ,喷水量为 30% ,制粒时间 10 min,固化 48 h,加酸量分别为 15、20、25、30、35 和 40 kg·t - 1 . 矿团抗压强度以及湿强度随加酸量的变 化曲线如图 3 所示. 图 3 不同加酸量矿团湿强度与抗压强度变化 Fig. 3 Variation of wet strength and compressive strength under dif鄄 ferent acid qualities 由图 3 可知,矿团的湿强度首先随着加酸量 (15 ~ 25 kg·t - 1 )的增加而下降,由于矿石中耗酸脉 石会与硫酸反应生成气体,随着加酸量的增加,气体 的生成量增多,对矿团形成过程中的损坏作用增大, 造成矿团湿强度降低. 而后随着加酸量(25 ~ 40 kg· t - 1 )的增加而维持相对稳定,这是由于添加的硫酸 与矿石中耗酸脉石充分反应后,不再生成气体,进而 减弱了气体对矿团形成过程中的损坏作用. 矿团的 ·1130·

尹升华等：次生硫化铜矿制粒试验 ·1131· 抗压强度首先随着加酸量(15~25kgt-1)的增加而 表5正交制粒试验方案与结果 增加，由于加酸能够与耗酸脉石发生反应，在矿团内 Table 5 Orthogonal experiment schemes and results 部生成沉淀，进而增强了刊矿团内部强度，反应过程如 黏结剂 酸浸维持 加酸量/喷水 湿强抗压 式(1)~(2)所示.而后随着加酸量(25~40kg· 组别质量分 完整形态 (kgt)量/% 度/%强度N 数/% 时间/d t)的增加而维持相对稳定，可能的原因是添加的 1 2(1) 20(1) 20(1) 90.41 102.53 <11 硫酸与矿石中耗酸脉石充分反应，不再生成更多的 2 2(1) 25(2) 25(2) 91.08 105.96 <13 沉淀. 2(1) 30(3) 30(3) 90.24 98.92 <12 2.4正交制粒试验 2(1) 35(4) 35(4) 89.96 100.81 <8 正交试验即预先假定各个影响因素相互独立， 5 4(2) 20(1) 25(2) 91.02 121.07 <9 然后探讨多个单因素对试验的影响，普遍适用于研 6 4(2) 25(2) 20(1) 90.83123.81 <14 究多因素的作用.本正交试验着重考察黏结剂添加 4(2) 3031 354 92.78114.77 <12 量、加酸量、制粒喷水量3个因素对矿粉制粒的影响， 4(2) 354 303) 90.44111.84 <10 各个因素安排4个水平，总共需要进行16次试验.根 6(3) 20(1 30(3) 92.78 182.87 <16 据正交试验设计原理，3因素4水平的正交试验可选 10 6(3) 25(2) 35(4) 90.99 195.37 用L6(4)表，制定正交制粒试验方案如表4所示. <18 11 6(3) 30(3) 20(1)91.92188.48 <14 表43因素4水平制粒正交试验 12 6(3) 35(4) 25(2)93.29201.29 <13 Table 4 Three factors of four horizontal orthogonal test 13 8(4) 20(1) 35(4) 92.33382.61 <18 因素 水平 14 8(4) 25(2) 30(3)94.62417.44 >25 黏结剂质量分数/% 加酸量/(kgt1)喷水量/% 15 8(4) 30(3) 25(2)91.09402.69 <23 2 20 20 16 35(4)20(1)90.98392.83<14 4 夕 8(4) 25 注：括号中数字代表水平 6 30 30 4 8 35 35 表6矿团酸浸时间极差分析 Table 6 Analysis of the acid leaching time 2.4.1正交制粒试验结果 黏结剂质量分数/%加酸量/(kgt) 喷水量/% 试验主要考察矿粉制粒后酸浸保持完好状态 j=1 j=2 j=3 时间、矿团湿强度以及抗压强度的变化，所以本正 44 6 53 交制粒试验对不同黏结剂质量分数、加酸量和制 K2j 45 70 58 粒喷水量进行对比，探讨不同制粒条件组合下各 Ky 61 61 63 个待考察因素变化情况.制粒正交试验结果如表 K 90 45 雪 5所示. y 11.00 16.00 13.25 由表5可知，当添加黏结剂SFS-2占矿粉质量 11.25 17.50 14.50 分数为8%、加酸量为25kg·t-1以及制粒喷水量 15.25 15.25 15.75 30%时，矿团湿强度、抗压强度以及酸浸维持完整形 22.50 11.25 16.50 态时间分别为94.62%、417.44N以及25d.此条件 R 11.50 6.25 3.25 下矿团湿强度值最大，抗压强度值最高，黏结剂对矿 粉的黏结效果最佳. 第j个因素对试验影响就越大，通过极差计算以及 2.4.2制粒试验影响因素的重要性分析 分析，可得在制粒试验过程中黏结剂质量分数是影 对表5中数据进行极差分析，研究不同因素对 响矿团酸浸维持完整时间的主导因素，其次是加酸 制粒试验的影响程度，如表6所示，其中K指第j 量以及制粒喷水量. (G=1,2,3)因素对应的i(i=1,2,3,4)水平制粒试 2.5制粒浸矿试验 验之后矿团酸浸维持完整形态时间之和，K=K,/ 对制粒干燥后的矿团进行浸矿试验，试验条件 4,R,=max(K)-min(K,).对正交制粒试验中矿 为初始pH值为2.0，接种150mL细菌溶液，采用0K 团湿强度与抗压强度进行分析，结果如图4所示. 培养液进行浸矿试验，0K培养液组成及含量为 基于正交试验原理，极差R越大，表明研究的 (NH4)2S043.00gL-1、Mgs04·7H200.50gL1

尹升华等: 次生硫化铜矿制粒试验 抗压强度首先随着加酸量(15 ~ 25 kg·t - 1 )的增加而 增加,由于加酸能够与耗酸脉石发生反应,在矿团内 部生成沉淀,进而增强了矿团内部强度,反应过程如 式(1) ~ (2) 所示. 而后随着加酸量(25 ~ 40 kg· t - 1 )的增加而维持相对稳定,可能的原因是添加的 硫酸与矿石中耗酸脉石充分反应,不再生成更多的 沉淀. 2郾 4 正交制粒试验 正交试验即预先假定各个影响因素相互独立, 然后探讨多个单因素对试验的影响,普遍适用于研 究多因素的作用. 本正交试验着重考察黏结剂添加 量、加酸量、制粒喷水量 3 个因素对矿粉制粒的影响, 各个因素安排4 个水平,总共需要进行16 次试验. 根 据正交试验设计原理,3 因素 4 水平的正交试验可选 用 L16 (4 3 )表,制定正交制粒试验方案如表 4 所示. 表 4 3 因素 4 水平制粒正交试验 Table 4 Three factors of four horizontal orthogonal test 水平 因素 黏结剂质量分数/ % 加酸量/ (kg·t - 1 ) 喷水量/ % 1 2 20 20 2 4 25 25 3 6 30 30 4 8 35 35 2郾 4郾 1 正交制粒试验结果 试验主要考察矿粉制粒后酸浸保持完好状态 时间、矿团湿强度以及抗压强度的变化,所以本正 交制粒试验对不同黏结剂质量分数、加酸量和制 粒喷水量进行对比,探讨不同制粒条件组合下各 个待考察因素变化情况. 制粒正交试验结果如表 5 所示. 由表 5 可知,当添加黏结剂 SFS鄄鄄2 占矿粉质量 分数为 8% 、加酸量为 25 kg·t - 1 以及制粒喷水量 30% 时,矿团湿强度、抗压强度以及酸浸维持完整形 态时间分别为 94郾 62% 、417郾 44 N 以及 25 d. 此条件 下矿团湿强度值最大,抗压强度值最高,黏结剂对矿 粉的黏结效果最佳. 2郾 4郾 2 制粒试验影响因素的重要性分析 对表 5 中数据进行极差分析,研究不同因素对 制粒试验的影响程度,如表 6 所示,其中 Kij 指第 j (j = 1,2,3)因素对应的 i( i = 1,2,3,4)水平制粒试 验之后矿团酸浸维持完整形态时间之和,Kij = Kij / 4,Rj = max(Kij) - min(Kij). 对正交制粒试验中矿 团湿强度与抗压强度进行分析,结果如图 4 所示. 基于正交试验原理,极差 Rj越大,表明研究的 表 5 正交制粒试验方案与结果 Table 5 Orthogonal experiment schemes and results 组别 黏结剂 质量分 数/ % 加酸量/ (kg·t - 1 ) 喷水 量/ % 湿强 度/ % 抗压 强度/ N 酸浸维持 完整形态 时间/ d 1 2(1) 20(1) 20(1) 90郾 41 102郾 53 < 11 2 2(1) 25(2) 25(2) 91郾 08 105郾 96 < 13 3 2(1) 30(3) 30(3) 90郾 24 98郾 92 < 12 4 2(1) 35(4) 35(4) 89郾 96 100郾 81 < 8 5 4(2) 20(1) 25(2) 91郾 02 121郾 07 < 9 6 4(2) 25(2) 20(1) 90郾 83 123郾 81 < 14 7 4(2) 30(3) 35(4) 92郾 78 114郾 77 < 12 8 4(2) 35(4) 30(3) 90郾 44 111郾 84 < 10 9 6(3) 20(1) 30(3) 92郾 78 182郾 87 < 16 10 6(3) 25(2) 35(4) 90郾 99 195郾 37 < 18 11 6(3) 30(3) 20(1) 91郾 92 188郾 48 < 14 12 6(3) 35(4) 25(2) 93郾 29 201郾 29 < 13 13 8(4) 20(1) 35(4) 92郾 33 382郾 61 < 18 14 8(4) 25(2) 30(3) 94郾 62 417郾 44 > 25 15 8(4) 30(3) 25(2) 91郾 09 402郾 69 < 23 16 8(4) 35(4) 20(1) 90郾 98 392郾 83 < 14 注:括号中数字代表水平. 表 6 矿团酸浸时间极差分析 Table 6 Analysis of the acid leaching time Kij 黏结剂质量分数/ % 加酸量/ (kg·t - 1 ) 喷水量/ % j = 1 j = 2 j = 3 K1j 44 64 53 K2j 45 70 58 K3j 61 61 63 K4j 90 45 66 K1j 11郾 00 16郾 00 13郾 25 K2j 11郾 25 17郾 50 14郾 50 K3j 15郾 25 15郾 25 15郾 75 K4j 22郾 50 11郾 25 16郾 50 Rj 11郾 50 6郾 25 3郾 25 第 j 个因素对试验影响就越大,通过极差计算以及 分析,可得在制粒试验过程中黏结剂质量分数是影 响矿团酸浸维持完整时间的主导因素,其次是加酸 量以及制粒喷水量. 2郾 5 制粒浸矿试验 对制粒干燥后的矿团进行浸矿试验,试验条件 为初始 pH 值为2郾 0,接种150 mL 细菌溶液,采用0K 培养液进行浸矿试验,0K 培养液组成及含量为 (NH4 )2 SO4 3郾 00 g·L - 1 、MgSO4·7H2O 0郾 50 g·L - 1 、 ·1131·