大型自吸氣和充氣式浮選機(jī)聯(lián)合配置技術(shù)在低品位銅礦回收中的研究與應(yīng)用

劉春龍，陳 東，李志平，吳雙橋

1黑龍江多寶山銅業(yè)股份有限公司 黑龍江黑河 161416

2礦冶科技集團(tuán)有限公司礦物加工科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室 北京 100160

3紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司 福建上杭 364200

銅礦石是主要的大宗金屬礦產(chǎn)，世界上90%的銅礦石需要經(jīng)過選礦過程，而這90%的銅礦中有 80% 采用浮選法進(jìn)行銅回收[1]。經(jīng)濟(jì)發(fā)展對銅需求的日益增加，銅礦山的處理規(guī)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(xì)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(shù)支撐[2]。

為改善銅礦物中粗、細(xì)粒級礦物的回收效果，許多學(xué)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(qiáng)礦物與氣泡的附著強(qiáng)度，減小脫落概率；針對細(xì)粒級礦物回收問題，采用多段磨礦，減少泥化，同時加強(qiáng)攪拌，強(qiáng)化礦物與氣泡的碰撞黏附概率等。可以說，提高粗、細(xì)粒級銅礦物的回收效果成為研究的熱點(diǎn)問題[4]。

浮選機(jī)是實現(xiàn)浮選過程的核心裝備。在低品位銅礦資源規(guī)模開發(fā)過程中，大型高效浮選設(shè)備一直起到關(guān)鍵作用。在某種意義上，浮選設(shè)備大型化的過程，就是伴隨著銅、鉬礦等低品位資源規(guī)模開發(fā)的過程[5]。因此，浮選設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步對于提高低品位銅礦資源的高效開發(fā)意義重大。目前大型浮選機(jī)有充氣式浮選機(jī)和自吸氣浮選機(jī)兩大類，在世界范圍內(nèi)都實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。充氣式浮選機(jī)和自吸氣浮選機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理不同，對礦物分選各有優(yōu)勢。以往，銅浮選廠浮選作業(yè)一般采用單一類型的浮選機(jī)配置，即單一采用自吸氣浮選機(jī)的浮選作業(yè)或者單一采用充氣式浮選機(jī)的浮選作業(yè)。在設(shè)備技術(shù)研究方面，主要是希望通過單一類型設(shè)備的技術(shù)改進(jìn)，同時改善兩種粒度的分選效果[6]。由于粗、細(xì)顆粒礦物所需流體動力學(xué)特征的差異性，上述探索往往難以達(dá)到理想效果。

近些年，F(xiàn)LSmidth 公司提出了 MixedRow 技術(shù)，開始探索充氣式浮選機(jī)和自吸氣浮選機(jī)在同一浮選作業(yè)中的聯(lián)合使用，以期實現(xiàn)更好的分選指標(biāo)，為采用聯(lián)合配置技術(shù)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(jī)技術(shù)研究和應(yīng)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(fā)的浮選機(jī)設(shè)備技術(shù)。就大型充氣式浮選機(jī)而言，全球最大的 680 m3充氣式浮選機(jī)已經(jīng)在江西銅業(yè)的德興銅礦實現(xiàn)工程化[7]。在大型自吸氣浮選機(jī)方面，也開發(fā)了 130、200、320 m3等系列大型自吸氣浮選機(jī)[8-9]。上述研究成果，為我國開展聯(lián)合配置技術(shù)，改善銅礦粗、細(xì)粒級回收效果的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

紫金礦業(yè)多寶山銅礦是我國近年來改擴(kuò)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(xì)粒級，氧化礦等問題日益突出。因此，在多寶山銅礦擴(kuò)建過程中，研究了大型自吸氣和充氣式浮選機(jī)聯(lián)合配置技術(shù)在改善銅礦分選方面的作用，并率先實現(xiàn)了目前容積最大的 320 m3自吸氣浮選機(jī)的工程應(yīng)用，取得了良好的分選指標(biāo)。

1 大型自吸氣和充氣式浮選機(jī)聯(lián)合配置技術(shù)

自吸氣浮選機(jī)和充氣式浮選機(jī)結(jié)構(gòu)分別如圖 1、2 所示。自吸氣浮選機(jī)主要由葉輪、定子、豎筒、分散罩、導(dǎo)流筒、假底、槽體和驅(qū)動裝置等組成。葉輪和定子系統(tǒng)位于浮選設(shè)備的上部區(qū)域，葉輪的旋轉(zhuǎn)不僅具有攪拌礦漿的作用，還實現(xiàn)了自吸空氣。充氣式浮選機(jī)主要由葉輪、定子、槽體、驅(qū)動裝置等組成。充氣式浮選機(jī)需要外加氣源，通過浮選機(jī)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(jī)和充氣式浮選機(jī)具有顯著的差異，這些差異性使其各具優(yōu)勢。典型的自吸氣和充氣式浮選機(jī)聯(lián)合配置流程如圖 3 所示。自吸氣和充氣式浮選機(jī)在作業(yè)中的位置和數(shù)量根據(jù)銅礦物的特點(diǎn)而靈活配置。

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

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

圖3 聯(lián)合配置技術(shù)Fig.3 Joint configuration technology

1.1 運(yùn)輸區(qū)結(jié)構(gòu)特征聯(lián)合配置

運(yùn)輸區(qū)是浮選機(jī)主要的動力學(xué)分區(qū)。在浮選機(jī)大型化過程中，由于槽體高度的增加，運(yùn)輸區(qū)延長，礦物顆粒黏附后上浮的距離明顯增長，導(dǎo)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(jī)分選銅礦物的難題之一。大型浮選機(jī)動力學(xué)分區(qū)特性對于改善粗、細(xì)顆粒的分選效果具有重要意義。研究表明，對于大型浮選機(jī)而言，提高動力學(xué)分區(qū)中運(yùn)輸區(qū)的高度可以改善粗粒礦物的回收效果。運(yùn)輸區(qū)結(jié)構(gòu)特征的差異性使得聯(lián)合配置技術(shù)有助于促進(jìn)粗顆粒礦物的高效回收。自吸氣浮選機(jī)葉輪處于浮選機(jī)的上部區(qū)域，典型的充氣式浮選機(jī)處于槽體的下部區(qū)域，其運(yùn)輸區(qū)結(jié)構(gòu)特征分別如圖 4、5 所示。聯(lián)合配置技術(shù)利用自吸氣浮選機(jī)運(yùn)輸區(qū)高、距離短的特征提升系統(tǒng)粗粒礦物的回收效果，充氣式浮選機(jī)則重點(diǎn)回收常規(guī)粒級礦物。

圖4 自吸氣浮選機(jī)運(yùn)輸區(qū)Fig.4 Transport zone of self-induced flotation cell

1.2 氣泡特征參數(shù)聯(lián)合配置

圖5 大型充氣式浮選機(jī)運(yùn)輸區(qū)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(xiàn)高效回收。圖 6 給出了自吸氣和充氣式浮選機(jī)氣泡直徑分布特點(diǎn)。自吸氣浮選機(jī)由于攪拌強(qiáng)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(jī)生成氣泡范圍廣，氣泡平均直徑稍大。聯(lián)合配置技術(shù)利用 2 種浮選機(jī)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(jī)氣泡直徑特征Fig.6 Diameter characteristics of bubble in two types of flotation cell

1.3 攪拌強(qiáng)度聯(lián)合配置

葉輪和定子系統(tǒng)可以說是浮選機(jī)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(tǒng)。礦物的粒度一般呈正態(tài)分布特征，不同粒徑顆粒所需的流體動力學(xué)特征如湍流強(qiáng)度是有差異性的，甚至是矛盾的。粗粒礦物分選希望槽內(nèi)湍流強(qiáng)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(xì)粒礦物則要求浮選機(jī)內(nèi)攪拌強(qiáng)度大，湍動能和湍流耗散率大，細(xì)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(jī)單機(jī)裝機(jī)功率高，運(yùn)行中攪拌強(qiáng)度大，加之?dāng)嚢柘到y(tǒng)位于槽體上部區(qū)域，攪拌區(qū)相對集中，所以有助于細(xì)粒礦物回收；而充氣式浮選機(jī)攪拌強(qiáng)度適中，對于常規(guī)粒級礦物回收效果好。聯(lián)合配置技術(shù)利用自吸氣浮選機(jī)和充氣式浮選機(jī)攪拌強(qiáng)度的不同以及攪拌區(qū)特征的差異化配置，改善浮選系統(tǒng)細(xì)粒級礦物的回收。

1.4 泡沫回收技術(shù)聯(lián)合配置

泡沫快速回收是實現(xiàn)礦物高效分選的基礎(chǔ)。如前所述，自吸氣浮選機(jī)和充氣式浮選機(jī)在結(jié)構(gòu)上是有顯著差異的。充氣式浮選機(jī)的上部結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)所占據(jù)的浮選機(jī)泡沫區(qū)域較小；而自吸氣浮選機(jī)上部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，特別是為實現(xiàn)空氣卷吸過程的豎筒結(jié)構(gòu)，占據(jù)了較多的泡沫面積。因此，大型自吸氣和充氣式浮選機(jī)的泡沫快速回收技術(shù)是有差異的。大型充氣式浮選機(jī)以環(huán)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(jù)泡沫負(fù)載率輔以徑向泡沫槽，利用結(jié)構(gòu)特征增加內(nèi)推泡錐，強(qiáng)化泡沫的快速遷移。大型自吸氣浮選機(jī)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(qū)相當(dāng)；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(yīng)泡沫表層的高差。聯(lián)合配置技術(shù)結(jié)合自吸氣和充氣式浮選機(jī)各自泡沫快速回收技術(shù)的特點(diǎn)，在浮選系統(tǒng)中差異化地采用不同的泡沫快速回收技術(shù)，以實現(xiàn)泡沫回收效率的最大化。

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

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

2 聯(lián)合配置技術(shù)工業(yè)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(jī)組成的工藝聯(lián)合配置技術(shù)，其中粗選Ⅰ為大型自吸氣浮選機(jī)，精選則采用 8 臺套 50 m3浮選機(jī)。浮選工藝流程如圖9 所示，聯(lián)合配置技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用如圖 10 所示。

圖9 浮選工藝流程Fig.9 Flotation process

圖10 聯(lián)合配置技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用Fig.10 Field application of joint configuration technology

2.2 分選指標(biāo)

多寶山銅礦二期項目自試生產(chǎn)以來，很快達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，在原礦品位 0.4% 左右情況下，銅回收率達(dá)到 88%，自吸氣浮選機(jī)作為粗選Ⅰ作業(yè)，其回收率超過 25%，各指標(biāo)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(jié)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(xì)，銅品位升高，說明粗粒級銅礦物解離度較低，而細(xì)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(chǎn)率45.00%，高于粗精礦中的產(chǎn)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(fā)揮了自吸氣浮選機(jī)與充氣式浮選機(jī)的優(yōu)勢，實現(xiàn)了優(yōu)勢互補(bǔ)，強(qiáng)化了對整體粒級銅礦物的回收。

表1 粗選Ⅰ作業(yè)回收率Tab.1 Recovery ratio of primary flotationⅠ %

表2 粗選精礦篩析結(jié)果Tab.2 Sieving analysis results of concentrate from primary flotation

3 結(jié)論

我國多寶山銅鉬礦二期項目首次實現(xiàn)了大型充氣式和自吸氣浮選機(jī)浮選流程的聯(lián)合配置，同時實現(xiàn)了容積 320 m3自吸氣浮選機(jī)的首次工程應(yīng)用。聯(lián)合配置技術(shù)利用不同機(jī)型浮選動力學(xué)分區(qū)的差異性，改善分選效果。自吸氣浮選機(jī)礦化氣泡上升距離短，在改善粗粒回收的同時，攪拌強(qiáng)度高，可改善細(xì)?；厥?；充氣式浮選機(jī)重點(diǎn)回收常規(guī)粒級。聯(lián)合配置技術(shù)拓寬了氣泡直徑分布，自吸氣浮選機(jī)氣泡直徑分布較集中，整體氣泡直徑較??；充氣式浮選機(jī)生成氣泡范圍廣，氣泡平均直徑稍大，從而實現(xiàn)礦物的全粒級回收強(qiáng)化。實踐證明，大型自吸氣和充氣式浮選機(jī)聯(lián)合配置技術(shù)作為新興的浮選流程配置的技術(shù)，可針對不同粒級礦物進(jìn)行高效回收，實現(xiàn) 2 種類型浮選機(jī)的優(yōu)勢互補(bǔ)。