海域采選礦工藝關鍵技術的探討

戴財生，毛 浩

（1. 中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222；2. 東營港務集團有限公司，山東 東營 257200）

引 言

針對世界各國儲存的鐵礦石存在的特點，以及近年來鋼鐵等工業(yè)對鐵精礦提出的更高要求，一般對于低于 50 %品位的鐵礦石需要經(jīng)過選礦提高其品位才能冶煉利用。

陸域鐵礦的開采、磁選、儲存及運輸?shù)妊b卸工藝環(huán)節(jié)，已形成技術成熟、安全可靠的裝卸工藝模式，且均在陸域場地完成。陸域鐵礦的開采分為露天和地下開采兩種，大型鐵礦開采主要依靠大斗容挖掘機，其所用刀主要有銑削刀具、盤形滾刀、楔齒滾刀等，充分利用刀具的回轉力和軸向壓力對鐵礦巖面進行有效輾壓、破碎，然后進行開采挖掘。

斐濟勞托卡港鐵礦項目礦區(qū)位于斐濟維提雷弗壩河三角洲河口，本項目礦區(qū)長15 km、寬4 km，處于鐵礦砂粒粗細不等的水平覆蓋帶區(qū)域。到目前為止，海域鐵礦砂的開采、磁選關鍵工藝技術在國內(nèi)外尚無成熟的實施工程案例。本文結合斐濟勞托卡港鐵礦石工程項目實例，對海域鐵礦砂的開采、磁選關鍵工藝技術進行探討。

1 項目概述

本項目海域礦區(qū)位于斐濟維提島的主島西北方，陸域港口設施位于距海域礦區(qū)約23 n mile的勞托卡港口中，其地理位置見圖1。

斐濟維提雷弗壩河三角洲雨水沖積自然形成的天然含鐵礦物儲量非常豐富。本項目充分利用鐵礦砂用來生產(chǎn)釩鈦磁鐵精礦，經(jīng)開采、磁選、洗選等工藝技術，提煉的鐵精礦可作為許多鋼鐵廠和煤電廠作為燒結的一種含鐵原料，以降低生產(chǎn)成本。

經(jīng)磁選后的鐵精礦漿沿水運航道經(jīng)駁船運送至勞托卡港口，由港口設施完成鐵精礦漿的水力卸船、淡水清洗、除去海鹽，并經(jīng)在儲存?zhèn)}庫內(nèi)初步干燥后，經(jīng)輸送和裝船系統(tǒng)，最后完成鐵精礦的船舶外運。陸域港口設施工藝概念方案見圖2。

圖1 斐濟鐵礦項目地理位置示意

圖2 陸域港口設施工藝示意

2 海域鐵礦開采關鍵工藝技術

2.1 項目開采、磁選生產(chǎn)指標表

斐濟勞托卡港鐵礦項目礦區(qū)均位于海水覆蓋區(qū)域，其開采方式與陸域礦區(qū)截然不同，目前世界上還沒有可參照的成熟工藝技術模式。如何建設本項目海域鐵礦砂開采、磁選等作業(yè)目標的著力點，關鍵在于其關鍵工藝技術的高效性、環(huán)保性、新工藝和新模式。工藝技術不但要體現(xiàn)出具有高效、可靠、先進、性價比高等特點，而且也要注重設備投資、生產(chǎn)費用、電能消耗等技術指標。關鍵工藝技術所占生產(chǎn)成本的比例很大，因此也決定著今后運營的經(jīng)濟效益。

表1 斐濟項目開采、磁選生產(chǎn)指標

2.2 海域鐵礦砂開采工藝技術

斐濟勞托卡港鐵礦項目概念方案主要內(nèi)容：首先由采礦船在海域礦區(qū)對鐵礦砂原料的開采挖掘，經(jīng)管道輸送至海上移動式選礦平臺，然后由選礦平臺完成連續(xù)、高效的篩分、粗選、精選、采樣、管道輸送及裝運駁船等作業(yè)流程，尾礦直接返回至先前采空的礦區(qū)。海域鐵礦開采、磁選工藝概念方案見圖3。

圖3 海域鐵礦開采、磁選工藝示意

國內(nèi)外對于海域鐵礦砂開采還沒形成成熟的工藝模式，根據(jù)目前可用于開采鐵礦砂挖掘設備種類，主要有以下幾種開采工藝模式。

1）斗輪式挖砂船開采工藝

斗輪式挖砂船開采工藝主要組成及工作原理：在船體的首部中央開槽部位安裝由可升降式的橋架，橋架首部裝有斗輪裝置，斗輪轉動軸與支臂成一定的角度。斗輪在挖掘過程中，將斗輪下端放入水中一定的深度，使斗與礦砂層接觸，在斗輪上端的斗輪驅動下，使斗輪連續(xù)運轉進行開采挖掘，將鐵礦砂和海水進行混合攪動。再經(jīng)吸礦漿管將挖取的鐵礦砂和海水混合物料，借助強大的泵力進行輸送，其開采、輸送等作業(yè)環(huán)節(jié)可以一次性連續(xù)完成，是一種效率高、成本較低的開采工藝模式。

斗輪式挖砂船開采工藝主要具有如下的工作特點：

①用途廣泛，可以在江、河、湖、海中作業(yè)條件適宜的區(qū)域作業(yè)。

②工作效率高，產(chǎn)量大，泵距遠，可實現(xiàn)長時間連續(xù)開采作業(yè)。

③設備操作簡單，易于控制。

④開采礦漿濃度較為穩(wěn)定，為選礦平臺系統(tǒng)提供礦漿便于調(diào)節(jié)其濃度。

⑤在橫移絞車的配合下，可使船繞尾部定位樁左右橫移，增加工作面。

⑥物料的挖掘和輸送可以實現(xiàn)一次性完成，且不需要其它舶船配合作業(yè)，運營成本較低。

⑦可在斗輪式挖砂船后方通過管道與水上選礦平臺實現(xiàn)串聯(lián)作業(yè)模式，從而使采礦、選礦、礦漿輸送、尾礦排放等工藝環(huán)節(jié)一次性完成，從而可以大幅度地提高采選礦的效率、降低工程投入，從而產(chǎn)生極高的經(jīng)濟效益。

2）絞吸式挖砂船開采工藝

絞吸式挖砂船開采工藝主要組成及工作原理，除了采用的挖掘設備不同，其余與斗輪式挖砂船大同小異。絞吸式挖砂船是利用轉動著的絞刀絞松河底或海底的礦砂，與海水混合成礦漿，經(jīng)過吸礦漿管吸入泵體，借助強大的泵力進行輸送。適用于風浪小、流速低的內(nèi)河湖區(qū)和沿海港口的疏浚，以開挖砂、砂壤土、淤泥等土質比較適宜。挖黏土時可采用有齒的絞刀，但其工效將大大降低。

3）鏈斗式挖砂船開采工藝

鏈斗式挖砂船開采工藝主要組成及工作原理：在船體的中央開槽部位安裝由可升降式的斗橋，作業(yè)時將斗橋的下端放入水下一定的深度，使之與物料相接觸。然后在上導輪驅動下使斗鏈連續(xù)運轉，帶動斗鏈上的料斗，挖采后料斗裝入物料，再隨斗鏈的轉動提升出水面，并傳送至塔頂部。經(jīng)過上導輪改變方向后，斗內(nèi)的礦砂在自身的重力作用下，倒入斗塔中的礦井。鏈斗式挖砂船可挖掘各種淤泥、軟粘土、砂和砂質黏土，但不能滿足將開采上來的物料通過管道進行后方輸送。

4）海域鐵礦砂各種開采工藝綜合比較

斗輪式、絞吸式及鏈斗式海域鐵礦砂挖砂船開采工藝綜合比較見表2。

表2 海域鐵礦砂開采工藝模式比較

5）斐濟鐵礦砂的海域鐵礦開采工藝

斐濟勞托卡港鐵礦砂項目選用具有采礦工作效率高、開采礦漿濃度穩(wěn)定性好、能與選礦平臺系統(tǒng)連接順暢和開采礦床形狀優(yōu)等優(yōu)點的斗輪式挖砂船開采工藝。

斗輪式挖砂船主要技術參數(shù)簡述如下：

①開采鐵礦砂系統(tǒng)

斗輪橋架安裝在船首部開槽之間，橋架總長18.5 m。主甲板設有150 kN橋架液壓絞車，繩速為0～20 m/min。通過滑輪組上下升降橋架，實現(xiàn)不同深度的采礦作用，橋架下放45°時，最大挖深14 m。

橋架首部裝有斗輪裝置，斗輪直徑為 3.2 m，額定功率170 kW，額定轉速0～18 r/min，鐵礦砂礦漿最大可通過量為4 300 m3/h，其能力在國內(nèi)外達到先進水平。

橋架絞車兩側設兩臺150 kN型橫移液壓絞車，繩速為0～20 m/min。橫移絞車的鋼絲繩從設于橋架前部的可轉動橫移滑輪上繞出伸至挖砂船兩側，在兩臺橫移絞車的配合下，可使挖砂船繞尾部定位樁左右橫移。

②臺車定位樁系統(tǒng)

斗輪式挖砂船設置主輔兩根定位樁，直徑為700 mm，長度為18.5 m，定位樁設在船體尾部。主樁臺車設在尾部開槽內(nèi)，臺車帶有波浪補償功能，臺車行程 4.0 m。定位樁升降采用油缸升降，選用缸徑180 mm，行程2 200 mm。

3 海域鐵礦砂磁選關鍵工藝技術

3.1 磁選的基本工作原理

磁選的基本工作原理：原料礦石經(jīng)輸送至磁選設備的選分空間后，在磁選設備的磁場中受到磁力和機械力（注：機械力主要包括水流動力、離心力、重力等）的合力作用，然后進行磁選及分離。

圖4 鐵礦原料在磁選機中分離的示意

在磁力和機械力的合力作用下，不同磁性的礦粒將沿著不同的路徑向前流動。依據(jù)礦粒流動的路徑不同，可以分別設置不同的接收管道，進而可以得到不同磁性和非磁性的產(chǎn)品。磁性礦粒所受的磁力和機械力合力的比值決定著磁性礦粒的流動路徑，非磁性礦粒的流動路徑由機械合力來決定。磁選是利用磁力和機械合力對不同磁性礦粒的不同作用而實現(xiàn)的。為了保證有效地分離磁性強和磁性弱的礦粒，不同磁性礦粒的分離必須滿足以下條件：

式中：F1磁為磁性強礦粒所受的磁力；F機合為所有機械力的合力（與磁力方向相反）；F2磁為磁性弱礦粒所受的磁力。

3.2 斐濟鐵礦砂的磁選工藝技術

斐濟鐵礦砂項目采礦區(qū)域據(jù)探測儲量約2.2億t，其最大粒徑200 μm，品位范圍7.5 %～15 %，平均品位為 10.9 %。系統(tǒng)處理能力：干砂平均能力為1 800 t/h，峰值能力 2 400 t/h，最大可通過量為4 300 m3/h，其能力在國內(nèi)外達到先進水平。

圖5 鐵礦砂選礦平臺示意

1）選礦平臺工藝流程簡述

選礦平臺工藝流程簡述如下：利用斗輪式挖砂船開采，通過管道泵輸送礦漿進入選礦平臺系統(tǒng)，在選礦平臺系統(tǒng)首先進入兩臺隔渣篩，篩下物料進入緩沖斗，篩上隔除貝殼、樹枝等較大物料。緩沖斗起到調(diào)節(jié)來料波動的作用，緩沖斗內(nèi)物料均勻給入粗磁選機。粗磁選機選出的磁性礦物自流進入粗精礦泵池，經(jīng)泵給入到精磁選機，精磁選機用于進一步提高精礦的品位。精磁選機選出的磁性礦物自流給入高頻振動細篩，篩下物料即是最終鐵精礦產(chǎn)品，自流入精礦泵池，通過精礦輸送系統(tǒng)裝載于精礦運輸駁船上。隔渣篩篩上物料、粗磁選機尾礦、精磁選機尾礦、高頻振動細篩篩上等物料均進入尾礦泵池，通過尾礦泵和管道輸送返回采空的礦區(qū)。

2）磁選工藝設備選型

磁選機種類很多，按作業(yè)條件可分為濕式和干式磁選機；按磁源又可分為電磁式和永磁式；按設備結構分為盤式、輥式、平環(huán)式、立環(huán)式、感應輥式等等。

結合斐濟項目作業(yè)條件及物料特點，磁選機均選用濕式永磁筒式磁選機，其主要由圓筒、磁系、槽體、傳動部門等組成。電機驅動減速機，從而帶動圓筒作回轉運動。磁系安裝在圓筒內(nèi)，磁塊采用不銹鋼螺栓裝在磁軛底板上，磁軛的軸伸出筒外，軸端固定有拐臂。扳動拐臂可以調(diào)整磁系偏角，調(diào)整合適后可以用拉桿固定。槽體的工作區(qū)域用不銹鋼板制造，機架和槽體的其他部門用普通鋼材焊接。

根據(jù)選礦平臺系統(tǒng)作業(yè)能力及整體布置，粗選工藝共設2組粗磁選機工作路徑，每組設4臺粗磁選機并聯(lián)作業(yè)模式。精選工藝共設2組精磁選機工作路徑，每組設3臺精磁選機串聯(lián)作業(yè)模式。這種采用粗、精選磁選機設備組合作業(yè)模式可以得到較高的精礦質量和回收率，有效提高選礦系統(tǒng)的精礦品位。

根據(jù)對采礦區(qū)鐵礦砂的相關實驗結果，粗磁選機采用磁場強度為1 200 GS、逆流槽體結構的濕式永磁磁選機，其礦漿運動方向與磁場力方向基本相同，因而礦粒可以達到磁場力很高的圓筒表面上。另外，尾礦是從底板上的尾礦孔排出，這樣溢流面的高度可以保持槽體中的礦漿水平。精磁選機采用磁場強度為700 GS、順流槽體結構的濕式永磁磁選機，其礦漿運動方向與圓筒旋轉方向基本一致，礦漿由給礦箱直接進到圓筒的磁系下方，非磁性礦粒和磁性很弱的礦粒由圓筒下方的尾礦孔排出。磁性礦粒吸在圓筒表面上，隨著圓筒一起旋轉到磁系邊緣的磁場弱處，由卸礦水管將其卸到精礦槽中，然后自流給入高頻振動細篩，篩下物料即是最終鐵精礦產(chǎn)品。

4 結 語

到目前為止，海域鐵礦砂的開采、磁選關鍵工藝技術在國內(nèi)外尚無成熟工程案例，在國內(nèi)外類似工程中為創(chuàng)新型工藝技術。本文結合斐濟項目鐵礦砂工程案例，對海域鐵礦砂的開采、磁選等關鍵工藝技術進行了詳細的分析和探討，為今后海域鐵礦砂類似工程工藝技術的創(chuàng)新提供新的思路。