攪拌調漿對硫化銅鎳礦物浮選的影響

馬桂起，盧毅屏，馮其明，石晴，趙冠飛

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攪拌調漿對硫化銅鎳礦物浮選的影響

馬桂起，盧毅屏，馮其明，石晴，趙冠飛

(中南大學資源加工與生物工程學院，湖南長沙，410083)

采用四葉直槳和四葉斜槳及其組合的攪拌裝置，對高品位硫化銅鎳礦和蛇紋石的人工混合礦進行攪拌調漿處理后浮選，采用非線性擬合得到浮選最大回收率和浮選速率系數，運用CFD數值計算方法得到攪拌槽流場參數，進行關聯關系分析，研究攪拌調漿對硫化銅鎳礦浮選的影響。研究結果表明：攪拌調漿有利于減弱蛇紋石與硫化銅鎳礦的異相凝聚，流體的剪切應力和軸向流速度均影響硫化銅鎳礦浮選回收率，攪拌調漿應該采用直槳和斜槳配合以優化流體剪切應力和軸向流速度。

攪拌調漿；浮選；硫化銅鎳礦；異相凝聚；CFD

攪拌調漿是礦石浮選中一個不可缺少的環節，浮選前的攪拌調漿通常是為了使礦漿懸浮并且使礦漿與藥劑充分作用。近幾年研究表明：通過攪拌調漿可以改善浮選效果，BULATOVIC等[1]提出對細粒銅鋅礦等在浮選前進行攪拌調漿能夠顯著提高銅鋅的浮選回收率及品位；VALDERRAMA等[2]研究發現在細粒金的浮選中，對礦漿進行攪拌預處理后，浮選回收率、精礦品位以及浮選速率均有所增加。國內外在硫化銅鎳礦的浮選研究中發現，通過浮選前的攪拌調漿，可以明顯改善硫化銅鎳礦浮選指標[3?5]，并提出了一些改善攪拌調漿的方式，如提高攪拌轉速、使用不同槳型等[6?7]，但現在對攪拌調漿的研究大多停留在實驗室單槳條件試驗，對于如何合理設置攪拌調漿參數條件仍不明確。CFD計算流體力學方法作為一種低成本高效率的流場特征研究手段，在選礦研究中的應用也越來越廣泛[8?11]。MRF(multiple reference frame)法常應用于旋轉機械如泵和攪拌槽的仿真計算中，ZADGHAFFARI等[12]使用該方法進行了雙Rushton槳攪拌槽的軸向流和徑向流的模擬計算并與實驗結果進行了擬合，二者吻合程度達到0.99；SOSSA-ECHEVERRIA等[13]對MRF法計算的速度場與PIV測量結果進行了對比，二者基本一致。在硫化銅鎳礦石的浮選中，由于含鎂硅酸鹽脈石礦物通過異相凝聚作用附著在硫化礦物表面形成礦泥覆蓋層，嚴重影響了硫化銅鎳礦物的回收[14?18]。攪拌調漿能夠提高硫化銅鎳礦浮選效果，但不同槳型、不同操作條件下的攪拌調漿對浮選結果影響各異，難以確定某個因素的具體作用效果。為此，本文作者通過CFD計算得出不同條件下攪拌調漿的流場特征參數，并進行相應的實驗室浮選試驗，找出攪拌調漿對浮選的影響因素，這對于改良工業浮選調漿方法、提高資源利用率有著重要的指導意義。

1 試驗

1.1 CFD方法

使用GAMBIT根據實驗室攪拌槽尺寸以及操作條件建立模型并劃分網格，使用Fluent6.3的3D模塊運用MRF以及RNG?湍流模型進行計算，得到不同條件下攪拌槽內流體的速度和剪切應力結果。

1.2 試樣及藥劑

蛇紋石是含OH?的鎂質層狀硅酸鹽礦物，化學式為Mg6[Si4O10](OH)8，通常為呈細粒葉片狀或纖維狀的晶質集合體。試驗中使用的蛇紋石為東海蛇紋石，礦樣經XRD測得的礦物組成(質量分數)為：蛇紋石90%，綠泥石5%，伊利石和閃石共5%。試樣粒度小于0.038 mm。

硫化銅鎳礦為采自新疆哈密的高品位硫化銅鎳礦，化學組成見表1，主要硫化礦物有鎳黃鐵礦、磁黃鐵礦、黃銅礦等。礦塊經手選、錘碎、瓷球磨干磨，干篩后得到小于0.074 mm粒級試樣。將蛇紋石和硫化銅鎳礦樣按質量比1:1混合均勻，制成人工混合 礦樣。

表1 礦石主要化學成分(質量分數)

試驗所用捕收劑和起泡劑分別為戊黃藥和2號油，均為工業品，試驗用水為自來水。

1.3 試驗裝置

攪拌調漿裝置為EUROSTAR power control-visc 型攪拌器，攪拌槳和攪拌桶為自行設計定制，攪拌槳為45°傾角折葉槳和以及直槳，葉片數為4，葉片直徑為40 mm，葉片高度為13 mm，不銹鋼材料；攪拌桶直徑為80 mm，四片擋板，擋板長為80 mm，寬為6 mm，有機玻璃材料。浮選采用XFG型500 mL掛槽式浮選機。實驗室用攪拌槽與攪拌槳安裝位置見圖1，攪拌槽的尺寸見表2，攪拌槳見圖2。

1.4 試驗方法

1) 將50 g人工混合礦樣放入攪拌磨中，加入100 mL水后采用200 r/min的轉速處理礦樣5 min，使礦樣與水充分混合。

2) 將混合后的礦漿倒入調漿攪拌槽，定容至礦漿量為500 mL，進行攪拌調漿20 min，攪拌調漿條件見表3。

3) 將攪拌調漿處理后的礦漿加入500 g/t戊黃藥和30 g/t 2號油后進行浮選時間試驗，分時分別接取得到浮選時間為1，3，5，9和15 min的浮選精礦。

表2 攪拌槽主要尺寸

表3 攪拌調漿條件

圖1 攪拌槽結構示意圖

(a) 四葉直漿；(b) 四葉斜漿

2 試驗結果與討論

2.1 CFD模擬結果

一般認為，攪拌可以使流體混合和分散。在混合過程中起主要作用的是流體的軸向流，在分散的過程中起主要作用的是攪拌產生的剪切應力。因此，可以通過攪拌槽平均軸向流速度和平均剪切應力分析攪拌調漿影響浮選的因素。

采用模擬攪拌旋轉流通用的MRF算法以及RNG?湍流模型進行計算，得到了不同條件下攪拌槽內流體的平均剪切應力和平均軸向速度，結果見圖3。經分析可知：1) 當單槳相同時，轉速越快，攪拌槽內流體的剪切應力越大，軸向速度越大；在相同轉速下，四葉直槳攪拌槽流體的平均剪切應力比四葉斜槳的大，而四葉斜槳攪拌產生的平均軸向流速度比四葉直槳的大，這與前人的研究一致。2) 當雙斜槳組合時，雙斜槳平均剪切應力比同轉速單四葉斜槳的大，平均軸向流比同轉速單四葉斜槳的?。划旊p斜槳轉速由 1 000 r/min增加至1 400 r/min時，平均軸向流速度反而從0.49 m/s降至0.47 m/s；3) 在上槳為四葉直槳、下槳為四葉斜槳的情況下，平均剪切應力比同轉速單槳的大，平均軸向流速度比同轉速單四葉直槳的大，而比同轉速單四葉斜槳的小。

圖3 不同攪拌調漿條件下攪拌槽內的剪切應力和軸向流速度

2.2 浮選速率結果及浮選動力學研究

對浮選試驗結果使用一級矩形分布浮選速率方程進行擬合，考察不同攪拌調漿條件下Ni的浮選最大回收率和浮選速率。一級矩形分布方程如下：

式中：為時間時的浮選回收率；∞為浮選最大回收率；為浮選速率系數；為累計浮選時間。通過非線性擬合得到了浮選最大回收率和浮選速率系數，擬合度2均達到0.995以上。擬合曲線見圖4，圖4中曲線為擬合曲線，點為試驗結果點。得到的相關參數見表4。

2.3 攪拌對浮選影響的分析

2.3.1 流體剪切應力對浮選的影響

將四葉直槳1 000 r/min、四葉直槳1 400 r/min、上槳直槳下槳斜槳1 400 r/min 3個攪拌調漿條件下的浮選試驗結果與相應的流體特征參數進行關聯性分析。由圖5和圖6可知：四葉直槳轉速從1 000 r/min增加到1 400 r/min后，攪拌槽內流體的平均剪切應力從10.98 Pa增加到21.29 Pa，軸向流速度從0.20 m/s增加至0.28 m/s，理論最大浮選回收率提高，浮選速率系數增大；而上直槳下斜槳在1 400 r/min轉速條件下，攪拌槽內流體剪切應力相比同轉速四葉直槳增加了4.93 Pa，軸向流速度幾乎不變。浮選理論最大回收率提高了5.05%，浮選速率系數也增大，由此可知，增加攪拌調漿的剪切應力可以提高浮選回收率，加大浮選速率。

2.3.2 軸向流速度對浮選的影響

將四葉斜槳1 000 r/min、四葉斜槳1 400 r/min、雙斜槳1 400 r/min 3個攪拌調漿條件下的浮選試驗結果與相應的流體特征參數進行關聯性分析。由圖7可知：當四葉斜槳轉速從1 000 r/min增加到1 400 r/min時，礦漿剪切應力和軸向流速度增加，而在雙斜槳轉速為1 400 r/min時，相比同轉速單四葉斜槳，礦漿剪切應力增加了10.50 Pa，而軸向流速度下降了0.16 m/s。

(a) 單四葉直槳；(b) 單四葉斜槳；(c) 雙四葉斜槳；(d) 上直槳下斜槳

表4 非線性擬合參數結果

圖5 剪切流型攪拌槳組的剪切應力和軸向流速度

圖6 剪切流型攪拌槳組的浮選最大回收率和浮選速率系數

從圖8所示浮選結果可見：當四葉斜槳轉速從 1 000 r/min增加到1 400 r/min，剪切應力與軸向流速度均增加，浮選理論最大回收率提高了6.9%，浮選速率系數增大到1.29；而雙斜槳1 400 r/min與單斜槳 1 400 r/min相比，剪切應力增加但軸向流速度降低，浮選理論最大回收率由83.71%降低到83.12%，由此可知軸向流速度能夠影響浮選理論最大回收率。

軸向流是影響攪拌槽內混合效果的主要因素，軸向流速度較低時礦漿在攪拌槽內容易形成攪拌滯留區。推測知攪拌滯留區內的礦漿循環差，難以受到高剪切應力作用，異相凝聚較嚴重，進而影響整體浮選回收率。

圖7 軸向流型攪拌槳組的剪切應力和軸向流速度

圖8 軸向流型攪拌槳組的浮選最大回收率和浮選速率系數

3 結論

1) 當雙槳配合使用時，流體剪切應力比單槳時的大，雙斜槳在一定轉速范圍內，增加轉速可以增強剪切力，但是同時會導致軸向流的降低；上直槳下斜槳的組合軸向流速度比單四葉直槳的大，比單四葉斜槳的小。

2) 攪拌槽內流體剪切應力和軸向流均能影響硫化鎳礦的浮選回收率和浮選速率，當二者同時增強時，Ni浮選回收率和浮選速率提高。

3) 在攪拌調漿時采用上直槳下斜槳的槳型搭配能夠使流體剪切應力和軸向流速度得到優化，從而改善硫化銅鎳礦的浮選效果。

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(編輯 楊幼平)

Influence of mixing conditioning on flotation of copper-nickel sulfide ore

MA Guiqi, LU Yiping, FENG Qiming, SHI Qing, ZHAO Guanfei

(School of Resources Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Flotation test of copper-nickel sulfide and serpentine mixed ore after different kinds of mixing conditioning by agitator with four straight blades and agitator with four tilting blades were carried out, and the maximum recovery of flotation and flotation rate coefficient were obtained by nonlinear curve fitting and the mixing tank flow field parameters were gotten by CFD method. The influence of conditioning in the flotation of copper-nickel sulfide ore was studied by correlation analyzing. The results show that slurry shear stress produced by conditioning can reduce the heterogeneous coacervation between serpentine and copper-nickel sulfide ore. The shear stress and axial velocity of fluid can both affect copper nickel sulfide ore flotation recovery rate, and the conditioning equipment should adopt both straight blades and tilting blades type agitators to optimize the shear stress and axial velocity.

mixing conditioning; floatation; copper-nickel sulfide ore; heterogeneous coacervation; CFD

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.10.001

TD952

A

1672?7207(2017)10?2559?06

2016?10?11；

修回日期：2016?12?25

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2014CB643402)；湖南省戰略金屬礦產資源清潔高效利用協同創新中心支持項目(2014)(Project (2014CB643402) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project (2014) supported by Metal Mineral Resources Clean and Efficient Utilization Innovation Center of Hunan Province)

盧毅屏，博士，教授，從事礦物加工理論與工藝研究；E-mail：feng_309@csu.edu.cn