博茨瓦纳重介质分选作业中硅铁的腐蚀机理及电化学性能研究

《Scientific African》：Investigating Corrosion Mechanisms and The Electrochemical Performance of Ferrosilicon for Dense Medium Separation Operations in Botswana

　　

摘要：硅铁（FeSi）广泛用于矿物分选中的重介质分选（DMS）工艺，然而其腐蚀引起的退化带来了显著的运行挑战。尽管其具有重要的工业意义，但针对博茨瓦纳采矿作业特定条件下FeSi电化学行为的研究仍然有限。本研究采用开路电位（OCP）、动电位极化（PDP）、电化学阻抗谱（EIS）以及表面表征技术（SEM-EDS、XRD、拉曼光谱和粒度分布），研究了三种研磨FeSi等级（100D、150D和270D）的腐蚀机理和电化学性能。结果表明，270D表现出最佳的整体耐腐蚀性能，具有最高的电荷转移电阻（R_ct = 139,370 Ω·cm²），其次是100D（R_ct = 139,700 Ω·cm²），最后是150D（R_ct = 51,020 Ω·cm²），后者在所有测试技术中均持续表现出最差的耐腐蚀性能。150D表现出最高的腐蚀电流密度（I_corr = 1.57 × 10^?3 A/cm²，而100D为I_corr = 1.94 × 10^?4 A/cm²，270D为I_corr = 1.50 × 10^?4 A/cm²）和最负的腐蚀电位（E_corr），表明其耐腐蚀性能最差。OCP测量证实，150D表现出更频繁的电化学波动，表明其表面稳定性较低。所有腐蚀样品的粒度分布均从单峰转变为双峰，表明腐蚀诱导的颗粒破碎和团聚。这些发现有助于材料选择和工艺优化，从而实现博茨瓦纳DMS作业更具成本效益和可持续性的运行。

**论文解读：博茨瓦纳重介质分选用研磨硅铁等级的腐蚀机理与电化学性能研究**

**1. 研究背景与问题**

重介质分选（DMS）是矿物加工工业中广泛采用的一项重力分离技术，通过利用矿物间的密度差异实现高效分选，尤其适用于金刚石、煤炭、铬铁矿及贵金属/硫化物矿石的提纯。硅铁（FeSi）作为一种硅铁合金，因其能提供精确、清晰的任意密度分离，且对近密度颗粒含量高的给料仍能保持高分离效率，成为DMS工艺中最关键的介质材料。在博茨瓦纳的金刚石加工厂中，FeSi与水混合形成密度接近金刚石（3.52 g/cm3）的悬浮液，使金刚石下沉而脉石上浮，从而实现分选。

尽管FeSi在工业中至关重要，但其在DMS作业中的腐蚀退化问题带来了显著的运行挑战。介质损失是重介质选厂最大的单一运营成本组成部分，据估计每吨处理矿石的损失量为100克至2800克，可占许多DMS工厂总成本的10%–40%。FeSi的损失源于腐蚀、磨损、磁选效率低下及介质性能变化等多种因素，其中腐蚀导致的氧化和降解是FeSi损失的主要原因之一。然而，针对博茨瓦纳采矿业特定条件下FeSi电化学行为的研究十分有限。已有的研究如Mans和Timofeev等人的工作主要聚焦于雾化FeSi的宏观腐蚀行为和防腐处理，但尚未有研究系统性地比较博茨瓦纳DMS作业实际使用的研磨FeSi等级（100D、150D和270D）在代表性条件下的电化学腐蚀性能。因此，本研究旨在填补这一空白。

**2. 研究内容与结论概要**

研究人员对博茨瓦纳当地金刚石加工厂使用的三种研磨FeSi等级（100D、150D和270D）开展了全面的电化学和微观结构表征，使用碳糊电极（CPE）结合开路电位（OCP）、动电位极化（PDP）和电化学阻抗谱（EIS）技术，并辅以SEM-EDS、XRD、拉曼光谱和粒度分布分析，系统评估其在矿井原水中的腐蚀机理和电化学性能。研究结果表明，270D整体耐腐蚀性能最佳，100D次之，150D最差；腐蚀导致所有样品粒度分布由单峰转变为双峰，表明存在腐蚀诱导的颗粒破碎和团聚。该研究为博茨瓦纳DMS行业提供了首个研磨FeSi等级的电化学基线数据，对材料选择和工艺优化具有直接的实际意义。该论文发表在《Scientific African》。

**3. 关键技术与方法**

本研究采用多技术协同方法。电化学测试方面，使用Gamry恒电位仪进行OCP、PDP和EIS测试，采用三电极体系（FeSi CPE工作电极、Ag/AgCl参比电极、石墨对电极），腐蚀介质为直接取自当地金刚石加工作业的矿井原水（该原水为商业采矿作业的专有工艺水，其化学成分受保密协议限制，但根据博茨瓦纳旱季水文特征推测含有较高浓度的氯离子和硫酸根离子）；表面表征方面，使用SEM-EDS分析形貌和元素组成，XRD鉴定物相，拉曼光谱检测氧化产物，Malvern Mastersizer 3000分析粒度分布。所有电化学测试重复五次以保证结果可重复性。

**4. 结果与讨论**

**4.1 化学与形貌分析（SEM-EDS）**

静态浸泡试验后的SEM图像显示，所有研磨FeSi样品均具有不规则的片状、纤维状和球状团簇形貌特征，腐蚀后表面出现新鲜样品未见的形貌变化。EDS分析表明，新鲜样品中铁含量约占86 wt%，硅含量约11–12 wt%。腐蚀后，150D样品的铁含量下降最为显著，表明其铁浸出或表面氧化程度最高；100D次之；270D变化最小，显示出更好的成分稳定性。

**4.2 X射线衍射（XRD）**

XRD分析显示所有新鲜和腐蚀样品的衍射峰位置和强度相似，均表现出高结晶度。物相鉴定确定了晶体硅以及多种硅化铁相，包括Fe?Si、α?-FeSi、Fe?Si、Fe?Si?和ε-FeSi。腐蚀后未检测到新相形成，表明尽管存在表面氧化降解，但主要晶体结构保持完整。

**4.3 拉曼光谱**

新鲜FeSi样品的拉曼光谱在250 cm?1处显示尖锐的主峰（A对称模式），表明高结晶度和无氧化产物。腐蚀后样品在100–300 cm?1区域的峰变宽且不清晰，表明结构无序化或Fe–Si振动模式退化。100D和270D样品在600–800 cm?1范围出现与SiO?一致的峰，表明腐蚀过程中硅发生了氧化；而150D样品未见明显的SiO?峰，这与其较弱的钝化行为相吻合。

**4.4 粒度分布（PSD）**

新鲜FeSi样品的粒度分布呈单峰形态，范围在2.75–163 μm之间。腐蚀后所有等级均转变为双峰分布，范围扩展至2.75–976 μm，表明形成了细颗粒团聚体或团簇。其中，150D的初级峰从6.7 vol%显著降至4.9 vol%，表明其腐蚀诱导破碎程度最高；在次级峰中，150D显示最高峰值（3.1 vol%，对应586–666 μm），进一步证实其耐久性最差。

**4.5 开路电位（OCP）**

OCP测量结果显示，100D在约6500秒后达到约1.2 V的准稳态电位，表明形成了稳定的钝化膜。150D的OCP波动更持续且明显，最终稳定在约0.4 V，明显低于100D，且伴有频繁的电位尖峰，表明其钝化膜保护性较弱、表面稳定性差。270D在初始阶段出现高达4.0 V的显著电位尖峰后，稳定在约2.0 V，整个测试后期波动较少，表现出最佳的长期稳定性。

**4.6 动电位极化（PDP）**

Tafel曲线分析表明，100D具有最正的腐蚀电位（E_corr），表明其热力学上最不易腐蚀；270D次之；150D的E_corr最负，耐腐蚀性最差。腐蚀电流密度（I_corr）方面，100D最低（1.94 × 10?? A/cm2），270D略高（1.50 × 10?? A/cm2），150D最高（1.57 × 10?3 A/cm2），比前两者高约一个数量级。100D在较高电位下表现出更长的钝化平台，表明其钝化层更稳定。

**4.7 电化学阻抗谱（EIS）**

Nyquist图显示所有样品均呈半圆形容抗弧。270D在低和高频下均表现出最大的阻抗模量，其电荷转移电阻（R_ct = 139,370 Ω·cm2）最高，表明形成了更稳定的钝化层；100D的R_ct为139,700 Ω·cm2，与270D相当；150D的R_ct仅为51,020 Ω·cm2，不到前两者37%，电荷转移屏障明显较弱。Bode图分析进一步支持了270D的最佳耐腐蚀性能。

**5. 讨论与结论**

电化学测试结果与微观表征数据相互印证。OCP和EIS主要反映稳态钝化膜稳定性，而PDP反映施加电位下的动态腐蚀行为，这解释了对100D和270D排名存在轻微分歧的原因，两种方法互为补充。150D在所有技术中均表现出最差的耐腐蚀性能，这与其腐蚀后未见明显的SiO?钝化层拉曼峰、铁含量下降最大以及粒度分布变化最显著等微观证据相吻合，本文中将其归因于其制造分级导致的物相分布差异，但具体原因尚需进一步专门研究。腐蚀过程中FeSi通过金属-电解质界面的电荷转移过程发生腐蚀，氧化产物（如SiO?）的生成有助于形成保护性钝化层。所有腐蚀样品由单峰向双峰粒度分布的转变被归因于腐蚀诱导的颗粒破碎和静电阻碍下的细颗粒团聚，这可能影响DMS作业中的介质密度和分离效率。

本研究建立了博茨瓦纳DMS行业首个研磨FeSi等级的比较电化学基线，具有重要的科学和工程意义。成果表明，270D等级在耐腐蚀性能方面表现最优，适合作为当地金刚石加工厂的首选介质材料；100D表现接近，可作为备选；150D的耐腐蚀性能最差，需谨慎使用或改进。这些发现对材料选择、介质管理和腐蚀缓解策略具有直接的实际参考价值，有助于降低FeSi消耗成本，提高博茨瓦纳矿物加工产业的经济效益和可持续性。未来研究可考虑添加少量铬和锰等合金元素提升FeSi的耐蚀性，定期监测介质化学成分，采用防护涂层，以及通过XPS等表面分析技术进一步深化腐蚀机理研究。