《Powder Technology》：Investigation of the relationship between particle shape and flotation kinetic constants of magnetite ore ground in a ball mill at different grinding times
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低品位磁铁矿通过调整球磨时间优化颗粒圆度和长宽比，可显著提升浮选速率常数和回收率，动态与静态图像分析验证了形状参数与浮选动力学模型的关联性。
O. Guven|G. Bayar|O. Sivrikaya|U. Ulusoy
阿达纳阿尔帕尔斯兰·图尔凯什科学技术大学，工程学院，采矿工程系，萨拉伊詹，阿达纳，土耳其
摘要
近年来，由于有价值矿物的解离粒度越来越细，人们对调整研磨条件的兴趣日益增加。在此背景下，许多参数（如研磨类型（湿法或干法）、介质、时间等）被广泛考虑，以确定最佳的研磨条件，这不仅适用于目标粒度，也适用于颗粒的其他物理性质（如形状）。尽管文献中已经报道了不同研磨介质（如球磨机、棒磨机或自磨机）对不同类型矿物的影响，但关于研磨时间对低品位磁铁矿样品的形状及其相关浮选动力学常数的影响的研究却很少。本研究使用在恒定条件下运行的实验室规模球磨机来探讨研磨时间、颗粒形状与低品位磁铁矿浮选动力学之间的关系。颗粒形状通过动态和经典图像分析方法进行测量，并选择了一个狭窄的粒度区间以减少尺寸效应。采用一级动力学模型评估浮选动力学，并通过统计分析测量浮选速率常数与颗粒形状描述符之间的相关性。
总体而言，研究结果表明，通过调整研磨时间可以改善低品位磁铁矿颗粒的浮选性能。
引言
磁铁矿（化学表达式为Fe3O4）是一种天然存在的氧化铁矿物，在钢铁工业中至关重要，尤其是在初级铁矿石处理过程中。由于其磁性、高铁浓度和相对较低的杂质含量，它是一种理想的炼铁原料。核心工艺包括粒度减小、磁选和浮选，这些工艺协同作用以生产高质量的精矿[1]。
磁选和浮选常用于磁铁矿的浓缩，而浮选方法对于去除弱磁性或非磁性的硅酸盐和碳酸盐脉石矿物至关重要[2]。化学和物理因素（如表面化学、粒度分布、形状以及浮选槽内的流体力学）的复杂相互作用决定了磁铁矿的浮选性能[3]。
考虑到解离粒度，样品必须被精细研磨以确保充分解离[4]。因此，研磨是磁铁矿选矿的关键步骤，因为它决定了颗粒粒度分布、解离程度和表面性质，这些因素直接影响其浮选性能[5]。
历史上，粒度在这些变量中受到了最多的关注，因为它直接影响气泡-颗粒相互作用过程中的碰撞和附着概率[6]。然而，研磨的持续时间和强度会影响颗粒的断裂机制、表面活化程度和解离程度。除了颗粒解离和更细的粒度外，更长的研磨时间还可以使颗粒变得更圆[7]。换句话说，延长的研磨条件不仅会改变颗粒粒度，还会改变颗粒形状和粗糙度[8],[9],[10]。因此，颗粒的流体力学行为受其形态特征的影响，这些特征会改变它们的停留时间[11]、脱落概率和气泡-颗粒接触效率[12]。即使是对形状的微小修改也会对细粒和超细粒浮选系统的浮选动力学和回收率产生显著影响[10]。因此，控制研磨时间可以成为调整颗粒形状以优化浮选行为的有效方法[12]。
特别是对于磁铁矿的浮选条件，大多数研究主要集中在优化药剂方案、捕收剂类型或磁选参数上[13],[14]，而关于磁铁矿颗粒随研磨时间变化的形状及其对浮选动力学的定量影响的研究则较少。其中一项研究表明，更长且更不圆的颗粒具有更快的浮选动力学[15]。然而，研磨时间增加与形态变化（如表面粗糙度、长宽比）以及浮选动力学常数（如一级模型中的速率常数）之间的直接关系尚未得到探索[10]。为了改进磁铁矿浮选的工艺建模和效率，本研究通过分析在不同时间间隔研磨的磁铁矿颗粒，测量其形态变化，并建立它们与浮选动力学常数之间的定量关系，填补了这一空白。
尽管已知气泡-颗粒附着和脱落动力学受颗粒形状和表面纹理的影响，但某些形态参数（如长宽比和圆度）与动力学常数（如浮选速率常数（k）和最终回收率（R∞）之间的定量关系仍不清楚。许多浮选模型假设颗粒是球形或均匀形状的，忽略了研磨会同时改变颗粒的形态和粒度，而这些因素都会对气泡-颗粒附着和脱落的速率产生显著影响。此外，为了捕捉形态对浮选行为的影响，大多数先前的研究依赖于平均回收数据或定性评估，而不是全面的动力学建模。由于缺乏这种系统性的关联，我们对如何利用研磨控制来提高磁铁矿选矿的浮选性能和整体工艺效率的认识有限。据我们所知，只有少数系统研究报道了颗粒形状随浮选时间的变化及其对浮选过程动力学的影响。鉴于这种知识的缺乏，本研究旨在通过经典和动态图像分析描述研磨和浮选产物的形态特征，并将这些参数与从一级动力学模型得出的浮选动力学常数联系起来，从而全面阐明颗粒形状变化如何控制低品位磁铁矿的浮选行为。因此，本研究的方法论将为理解研磨对产品的影响以及特定样品的动力学常数提供不同的视角。据此，预计研究结果将为如何优化磁铁矿加工设施中的研磨和浮选集成以获得更好的分离性能提供新的见解。
部分摘录
材料
在实验研究中，铁矿石（磁铁矿）来自土耳其马拉蒂亚的一家矿业公司。为了确定样品的矿物学和化学结构，进行了XRD（X射线衍射）和XRF（X射线荧光）分析。样品的X射线衍射分析使用Rigaku-Mini flex XRD设备进行，以揭示样品的矿物学结构。所使用的辐射为来自40 kV长而聚焦良好的Cu管的CuKα射线
DIA结果
如图B1、图B2、图B3、图B4、图B5（见附录A）所示，整个样品的重复性测试显示出良好的再现性。每个样品的平均C值和BRAR值是通过3次重复实验的算术平均值计算得出的，详见表A1、表A2、表A3、表A4、表A5、表A6、表A7、表A8、表A9、表A10（见附录B）。
研磨时间对低品位磁铁矿形状因子的影响
如方法部分所述，在进行研磨测试后，根据研磨时间选择了代表性样品
结论
本研究表明，在受控的粒度和试剂条件下，研磨引起的颗粒形状变化对低品位磁铁矿的浮选具有统计学上显著且动力学上有意义的影响。结果表明，颗粒的圆度和长宽比不仅作为研磨的次要后果影响浮选性能，而且通过将观察到的形状描述符直接与浮选动力学联系起来，也成为影响浮选速率的可测量标准
CRediT作者贡献声明
O. Guven：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，方法论，研究，形式分析，概念化。G. Bayar：研究。O. Sivrikaya：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，研究，形式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
