大型自吸氣和充氣式浮選機聯合配置技術在低品位銅礦回收中的研究與應用

劉春龍，陳 東，李志平，吳雙橋

1黑龍江多寶山銅業股份有限公司 黑龍江黑河 161416

2礦冶科技集團有限公司礦物加工科學與技術國家重點實驗室 北京 100160

3紫金礦業集團股份有限公司 福建上杭 364200

銅礦石是主要的大宗金屬礦產，世界上90%的銅礦石需要經過選礦過程，而這90%的銅礦中有 80% 采用浮選法進行銅回收[1]。經濟發展對銅需求的日益增加，銅礦山的處理規模也隨之增加。但目前，銅品位不斷下降，稟賦惡化，難于回收的粗、細粒級銅礦物占比增加等問題日益突出，銅礦的回收效果亟需新技術支撐[2]。

為改善銅礦物中粗、細粒級礦物的回收效果，許多學者開展了大量研究工作[3]，如采用對粗粒級捕收效果較好的捕收劑，加強礦物與氣泡的附著強度，減小脫落概率；針對細粒級礦物回收問題，采用多段磨礦，減少泥化，同時加強攪拌，強化礦物與氣泡的碰撞黏附概率等。可以說，提高粗、細粒級銅礦物的回收效果成為研究的熱點問題[4]。

浮選機是實現浮選過程的核心裝備。在低品位銅礦資源規模開發過程中，大型高效浮選設備一直起到關鍵作用。在某種意義上，浮選設備大型化的過程，就是伴隨著銅、鉬礦等低品位資源規模開發的過程[5]。因此，浮選設備技術的進步對于提高低品位銅礦資源的高效開發意義重大。目前大型浮選機有充氣式浮選機和自吸氣浮選機兩大類，在世界范圍內都實現了廣泛應用。充氣式浮選機和自吸氣浮選機的結構、原理不同，對礦物分選各有優勢。以往，銅浮選廠浮選作業一般采用單一類型的浮選機配置，即單一采用自吸氣浮選機的浮選作業或者單一采用充氣式浮選機的浮選作業。在設備技術研究方面，主要是希望通過單一類型設備的技術改進，同時改善兩種粒度的分選效果[6]。由于粗、細顆粒礦物所需流體動力學特征的差異性，上述探索往往難以達到理想效果。

近些年，FLSmidth 公司提出了 MixedRow 技術，開始探索充氣式浮選機和自吸氣浮選機在同一浮選作業中的聯合使用，以期實現更好的分選指標，為采用聯合配置技術改善銅礦物的分選效果給予了很好的啟示。近 20 年來，我國在充氣式和自吸氣浮選機技術研究和應用中取得了顯著成就，我國 95% 以上的銅礦山使用了我國自主開發的浮選機設備技術。就大型充氣式浮選機而言，全球最大的 680 m3充氣式浮選機已經在江西銅業的德興銅礦實現工程化[7]。在大型自吸氣浮選機方面，也開發了 130、200、320 m3等系列大型自吸氣浮選機[8-9]。上述研究成果，為我國開展聯合配置技術，改善銅礦粗、細粒級回收效果的研究和應用奠定了基礎。

紫金礦業多寶山銅礦是我國近年來改擴建的含銅、鉬的大型低品位斑巖型銅礦，同時綜合回收伴生的金、銀等多種有用元素。在開采過程中，銅礦品位降低，難選粗、細粒級，氧化礦等問題日益突出。因此，在多寶山銅礦擴建過程中，研究了大型自吸氣和充氣式浮選機聯合配置技術在改善銅礦分選方面的作用，并率先實現了目前容積最大的 320 m3自吸氣浮選機的工程應用，取得了良好的分選指標。

1 大型自吸氣和充氣式浮選機聯合配置技術

自吸氣浮選機和充氣式浮選機結構分別如圖 1、2 所示。自吸氣浮選機主要由葉輪、定子、豎筒、分散罩、導流筒、假底、槽體和驅動裝置等組成。葉輪和定子系統位于浮選設備的上部區域，葉輪的旋轉不僅具有攪拌礦漿的作用，還實現了自吸空氣。充氣式浮選機主要由葉輪、定子、槽體、驅動裝置等組成。充氣式浮選機需要外加氣源，通過浮選機的中空軸向槽體注入浮選所需要的空氣。不難看出，自吸氣浮選機和充氣式浮選機具有顯著的差異，這些差異性使其各具優勢。典型的自吸氣和充氣式浮選機聯合配置流程如圖 3 所示。自吸氣和充氣式浮選機在作業中的位置和數量根據銅礦物的特點而靈活配置。

圖1 自吸氣浮選機Fig.1 Self-induced flotation cell

圖2 充氣式浮選機Fig.2 Pneumatic flotation cell

圖3 聯合配置技術Fig.3 Joint configuration technology

1.1 運輸區結構特征聯合配置

運輸區是浮選機主要的動力學分區。在浮選機大型化過程中，由于槽體高度的增加，運輸區延長，礦物顆粒黏附后上浮的距離明顯增長，導致礦物顆粒的脫落概率增加。粗、重顆粒的回收率相對降低是大型浮選機分選銅礦物的難題之一。大型浮選機動力學分區特性對于改善粗、細顆粒的分選效果具有重要意義。研究表明，對于大型浮選機而言，提高動力學分區中運輸區的高度可以改善粗粒礦物的回收效果。運輸區結構特征的差異性使得聯合配置技術有助于促進粗顆粒礦物的高效回收。自吸氣浮選機葉輪處于浮選機的上部區域，典型的充氣式浮選機處于槽體的下部區域，其運輸區結構特征分別如圖 4、5 所示。聯合配置技術利用自吸氣浮選機運輸區高、距離短的特征提升系統粗粒礦物的回收效果，充氣式浮選機則重點回收常規粒級礦物。

圖4 自吸氣浮選機運輸區Fig.4 Transport zone of self-induced flotation cell

1.2 氣泡特征參數聯合配置

圖5 大型充氣式浮選機運輸區Fig.5 Transport zone of pneumatic flotation cell

氣泡大小及其分布特征對于礦物顆粒的回收效率有著重要影響。不同尺寸的顆粒需要適宜的氣泡直徑來實現高效回收。圖 6 給出了自吸氣和充氣式浮選機氣泡直徑分布特點。自吸氣浮選機由于攪拌強度高，氣泡直徑分布較集中，整體氣泡直徑較小；而充氣式浮選機生成氣泡范圍廣，氣泡平均直徑稍大。聯合配置技術利用 2 種浮選機氣泡直徑分布的差異性，拓寬了氣泡直徑分布，有助于提升全粒級礦物的回收效率。

圖6 2 種浮選機氣泡直徑特征Fig.6 Diameter characteristics of bubble in two types of flotation cell

1.3 攪拌強度聯合配置

葉輪和定子系統可以說是浮選機的核心，礦漿泵吸、顆粒懸浮、氣泡生成乃至碰撞黏附等等都依賴于葉輪和定子系統。礦物的粒度一般呈正態分布特征，不同粒徑顆粒所需的流體動力學特征如湍流強度是有差異性的，甚至是矛盾的。粗粒礦物分選希望槽內湍流強度低，減少顆粒動能以便黏附，同時保證黏附后脫落概率小；而細粒礦物則要求浮選機內攪拌強度大，湍動能和湍流耗散率大，細粒礦物通過獲得較大的動能，突破黏附過程中的能壘。自吸氣浮選機單機裝機功率高，運行中攪拌強度大，加之攪拌系統位于槽體上部區域，攪拌區相對集中，所以有助于細粒礦物回收；而充氣式浮選機攪拌強度適中，對于常規粒級礦物回收效果好。聯合配置技術利用自吸氣浮選機和充氣式浮選機攪拌強度的不同以及攪拌區特征的差異化配置，改善浮選系統細粒級礦物的回收。

1.4 泡沫回收技術聯合配置

泡沫快速回收是實現礦物高效分選的基礎。如前所述，自吸氣浮選機和充氣式浮選機在結構上是有顯著差異的。充氣式浮選機的上部結構簡單，結構所占據的浮選機泡沫區域較小；而自吸氣浮選機上部結構相對復雜，特別是為實現空氣卷吸過程的豎筒結構，占據了較多的泡沫面積。因此，大型自吸氣和充氣式浮選機的泡沫快速回收技術是有差異的。大型充氣式浮選機以環形泡沫槽為主體 (見圖 7，圖中L為泡沫長度，v為泡沫速度)，根據泡沫負載率輔以徑向泡沫槽，利用結構特征增加內推泡錐，強化泡沫的快速遷移。大型自吸氣浮選機以徑向泡沫槽為主體 (見圖8)，徑向泡沫槽長短配置，均勻分布；不同長度的徑向泡沫槽使得每個徑向泡沫槽覆蓋的泡沫區相當；徑向泡沫槽和周向泡沫槽沿半徑方向從中心向外，溢流堰高度逐漸降低，適應泡沫表層的高差。聯合配置技術結合自吸氣和充氣式浮選機各自泡沫快速回收技術的特點，在浮選系統中差異化地采用不同的泡沫快速回收技術，以實現泡沫回收效率的最大化。

圖7 大型充氣式浮選機的泡沫槽復合配置技術Fig.7 Bubble launder composite configuration technology of large-scale pneumatic flotation cell

圖8 大型充氣式浮選機的泡沫槽多梯度復合配置技術Fig.8 Bubble launder multi-gradient composite configuration technology of large-scale pneumatic flotation cell

2 聯合配置技術工業試驗研究

2.1 流程簡介

多寶山銅鉬礦是我國大型低品位、斑巖型銅礦。二期項目處理礦石約 5.5 萬 t/d，分為兩個系列。每個系列采用粗掃選、9 臺套 320 m3大型浮選機組成的工藝聯合配置技術，其中粗選Ⅰ為大型自吸氣浮選機，精選則采用 8 臺套 50 m3浮選機。浮選工藝流程如圖9 所示，聯合配置技術的現場應用如圖 10 所示。

圖9 浮選工藝流程Fig.9 Flotation process

圖10 聯合配置技術的現場應用Fig.10 Field application of joint configuration technology

2.2 分選指標

多寶山銅礦二期項目自試生產以來，很快達到了設計指標，在原礦品位 0.4% 左右情況下，銅回收率達到 88%，自吸氣浮選機作為粗選Ⅰ作業，其回收率超過 25%，各指標如表 1 所列。

粗選Ⅰ精礦和粗精礦 (粗選Ⅰ+粗選Ⅱ精礦) 篩析結果如表 2 所列。在粗選Ⅰ精礦與粗精礦的各粒級組成中，均為隨著粒級變細，銅品位升高，說明粗粒級銅礦物解離度較低，而細粒級銅礦物則解離度相對較高。粗選Ⅰ精礦中粗粒級 +0.074 mm 的產率45.00%，高于粗精礦中的產率 40.50%；粗選Ⅰ精礦的 -0.038 mm 粒級金屬占有率 54.42%，高于粗精礦中 50.66%。這說明在銅回收過程中充分發揮了自吸氣浮選機與充氣式浮選機的優勢，實現了優勢互補，強化了對整體粒級銅礦物的回收。

表1 粗選Ⅰ作業回收率Tab.1 Recovery ratio of primary flotationⅠ %

表2 粗選精礦篩析結果Tab.2 Sieving analysis results of concentrate from primary flotation

3 結論

我國多寶山銅鉬礦二期項目首次實現了大型充氣式和自吸氣浮選機浮選流程的聯合配置，同時實現了容積 320 m3自吸氣浮選機的首次工程應用。聯合配置技術利用不同機型浮選動力學分區的差異性，改善分選效果。自吸氣浮選機礦化氣泡上升距離短，在改善粗粒回收的同時，攪拌強度高，可改善細粒回收；充氣式浮選機重點回收常規粒級。聯合配置技術拓寬了氣泡直徑分布，自吸氣浮選機氣泡直徑分布較集中，整體氣泡直徑較小；充氣式浮選機生成氣泡范圍廣，氣泡平均直徑稍大，從而實現礦物的全粒級回收強化。實踐證明，大型自吸氣和充氣式浮選機聯合配置技術作為新興的浮選流程配置的技術，可針對不同粒級礦物進行高效回收，實現 2 種類型浮選機的優勢互補。