旋流器和脫水篩在尾礦干排中的改進(jìn)與應(yīng)用

羅嘉靖，叢龍斐，孫玉偉，周長春

(1.威海尚品機(jī)械設(shè)備科技有限公司，山東 威海 264200；2.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

尾礦是選礦過程中產(chǎn)生的廢棄物，主要礦物成分是各種脈石礦物，如石英、長石、輝石和角閃石等，其主要化學(xué)成分為鐵、硅和鋁等元素的氧化物和硅酸鹽[1-2]。世界各國每年的金屬礦、非金屬礦、煤和黏土等產(chǎn)量巨大，由此產(chǎn)生的尾礦數(shù)量也是相當(dāng)巨大。根據(jù)《全國礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用報(bào)告(2018)》數(shù)據(jù)，截至2017年底，我國尾礦堆存量為195億t，82%為鐵礦、銅礦、金礦和磷礦采選產(chǎn)生的尾礦和廢石[2]。由于尾礦含有重金屬等污染物及殘留浮選藥劑，且尾礦粒徑通常較細(xì)，故常會(huì)造成大氣污染、水污染等環(huán)境問題，同時(shí)也易造成由尾礦堆存引起的安全隱患[1-3]。近年來，為了維持正常的生產(chǎn)運(yùn)營，礦山企業(yè)主要采取新建和擴(kuò)建地面尾礦庫的方式來解決尾礦的處置和排放問題。然而隨著國家綠色礦山建設(shè)的推進(jìn)，尾礦庫的新建或擴(kuò)建將成為過去式，尾礦干排則是礦山實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，建設(shè)綠色礦山的發(fā)展趨勢[4-7]。

大冶市付家山礦業(yè)有限公司(以下簡稱“付家山礦業(yè)”)為有效解決尾礦排放存在的生態(tài)和環(huán)保問題，采用旋流器+脫水篩+深錐濃密機(jī)+壓濾機(jī)尾礦干排工藝對尾礦進(jìn)行綜合處理[6-8]。付家山礦業(yè)主要從事銅鉬礦分選加工，礦物賦存狀態(tài)決定其分選后尾礦粒度較細(xì)。原工藝采用C-FX250/GT常規(guī)濃縮型旋流器和STS2145-XS輕型脫水篩對尾礦進(jìn)行濃縮干排，但是原物料粒度偏細(xì)造成干排物料水分較高和干排回收率較低，導(dǎo)致后續(xù)工藝增加了礦漿絮凝和壓濾成本。改進(jìn)后工藝采用Smax200/PU-B高效濃縮脫泥型旋流器和STS2445-GP細(xì)粒高頻直線脫水篩，有效地降低了脫水篩脫出物料的含水率，提高了干排回收率[9-10]。

1 付家山礦業(yè)尾礦干排工藝

付家山礦業(yè)尾礦干排系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)能45萬t/a，旋流器+脫水篩系統(tǒng)和壓濾系統(tǒng)產(chǎn)能為700 t/d。尾礦由磨選車間總尾礦泵池輸送至尾礦車間，經(jīng)過旋流器濃縮分級，濃縮后底流由高頻脫水篩脫水后形成粗砂干堆，篩下尾礦漿返回旋流器給料泵池進(jìn)行二次分級濃縮；旋流器溢流進(jìn)入濃密機(jī)濃縮，再經(jīng)過壓濾機(jī)脫水后干堆。工藝流程如圖1所示。

圖1 尾礦干排工藝Fig.1 Dry drainage process of tailings

2 干排系統(tǒng)現(xiàn)狀

付家山礦業(yè)尾礦車間現(xiàn)有兩套C-FX250/GT-4+STS2145-XS尾礦干排一體機(jī)處理粗顆粒尾砂(一備一用)，一套濃密壓濾系統(tǒng)處理細(xì)粒尾砂。由于尾礦整體粒度偏細(xì)造成干排一體機(jī)出料量較少、壓濾系統(tǒng)負(fù)荷較大等問題。尾礦粒度組成見表1。

表1 尾礦粒度組成Table 1 Size composition of tailings

對2#干排一體機(jī)旋流器和脫水篩進(jìn)行改造，與1#干排一體機(jī)進(jìn)行效果對比試驗(yàn)。對1#干排一體機(jī)進(jìn)行連續(xù)3 d的取樣考察，結(jié)果見表2。

表2 1#干排一體機(jī)生產(chǎn)指標(biāo)Table 2 Production index of No.1 all-in-one dry discharge machine 單位：%

由表1可知，尾礦中-0.074 mm粒級含量占68.10%，其中-0.037 mm極細(xì)粒含量為21.43%，由此可知該尾礦屬于極難干排類型尾礦。由表2可知，采用C-FX250/GT常規(guī)濃縮型旋流器和STS2145-XS輕型脫水篩進(jìn)行濃縮干排，旋流器底流產(chǎn)率為61.79%，脫水篩篩上物料濃度為76.94%，篩上產(chǎn)率為87.88%，干排一體機(jī)綜合干排產(chǎn)率為54.30%，這表明：1#干排一體機(jī)干排產(chǎn)率<60%，偏低；干排料含水率>20%，偏高。

實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)1#干排一體機(jī)存在的問題是C-FX250/GT常規(guī)濃縮型旋流器受結(jié)構(gòu)限制不能高效回收原料中較粗的顆粒，導(dǎo)致底流產(chǎn)率較低，且在應(yīng)對極細(xì)粒尾礦時(shí)濃縮度不夠；STS2145-XS輕型脫水篩振動(dòng)頻率(960 r/min)偏低，且篩機(jī)采用0°傾角，不能滿足極細(xì)粒和高含水量物料的脫水要求。針對以上問題，設(shè)計(jì)了2#高效干排一體機(jī)改善干排效果。

3 改造后2#高效干排一體機(jī)特點(diǎn)及試驗(yàn)結(jié)果分析

在干排一體機(jī)中，旋流器對礦漿的分級和濃縮效果決定了干排機(jī)的綜合回收率，脫水篩的振動(dòng)頻率和篩孔配置決定了干排機(jī)最終產(chǎn)物的含水率。針對現(xiàn)有問題，從旋流器(規(guī)格型號、進(jìn)料方式、錐體角度等)和脫水篩(振動(dòng)頻率、傾角、篩孔等)兩個(gè)方向進(jìn)行改造。

3.1 改造后旋流器特點(diǎn)分析

基于原有旋流器的缺點(diǎn)，研發(fā)設(shè)計(jì)Smax200/PU-B高效濃縮脫泥型旋流器，如圖2所示。該型號旋流器相比于C-FX250/GT常規(guī)濃縮型旋流器，在進(jìn)料體結(jié)構(gòu)、直徑、溢流管插入深度以及錐體角度方面進(jìn)行了優(yōu)化。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是Smax200/PU-B型旋流器采用渦型-導(dǎo)向螺旋線進(jìn)料結(jié)構(gòu)(圖3(a))，而C-FX250/GT常規(guī)濃縮型旋流器采用漸開線式進(jìn)料結(jié)構(gòu)(圖3(b))。 由圖3可知，渦型-導(dǎo)向螺旋線進(jìn)料體相比于漸開線進(jìn)料體增大了進(jìn)料體包角，延長了進(jìn)料預(yù)分級時(shí)間；螺旋下旋線包圍旋流器的圓柱筒體，引導(dǎo)礦漿螺旋運(yùn)動(dòng)，減小了入料阻力，縮短了顆粒所需分級時(shí)間；此外，入料沿程阻力，進(jìn)料口紊流程度降低。以上改進(jìn)均會(huì)使分級效率得到明顯提高，有助于旋流器脫除來料中極細(xì)粒級顆粒，減緩篩板堵孔現(xiàn)象。 旋流器直徑縮小(250 mm→200 mm)和多錐角錐體結(jié)構(gòu)(10°→10°-8°-6°)的設(shè)計(jì)，在理論上可使旋流切分點(diǎn)降低5%，且旋流器的濃縮度提高10%，這種設(shè)計(jì)會(huì)使旋流器在提升底流產(chǎn)率的同時(shí)提高底流濃度。

圖2 旋流器結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of hydrocyelone

圖3 進(jìn)料體結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of feed

3.2 改造后高頻脫水篩特點(diǎn)分析

在脫水篩方面進(jìn)行了以下改進(jìn)：振動(dòng)頻率由原來的960 次/min調(diào)整到1 450 次/min；篩面傾角由原來的0°改為-5°；入料段濾水板孔徑由原有0.25 mm改為5 mm；篩板布置將原有全0.25 mm孔布置改為入料端4排0.35 mm孔，后面11排0.25 mm孔；篩機(jī)寬度由原來的2 100 mm改為2 400 mm。以上改進(jìn)設(shè)計(jì)有助于礦漿在入料段形成三角區(qū)域快速形成沉降層，減小極細(xì)顆粒的不利影響，使物料表層低固含量礦漿優(yōu)先預(yù)排出，同時(shí)延長物料脫水時(shí)間，從而增強(qiáng)篩機(jī)對細(xì)粒級物料的脫水能力(圖4)。

圖4 脫水篩結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of dehydration sieve

3.3 改造后2#高效干排一體機(jī)試驗(yàn)指標(biāo)分析

試驗(yàn)過程中磨選車間投料量、磨礦細(xì)度、浮選濃度等工況參數(shù)基本一致，在此條件下對2#高效干排一體機(jī)進(jìn)行條件試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5可知，隨著改進(jìn)型旋流器底流口直徑的增大，旋流器底流濃度從65.25%降低至50.96%，之后出現(xiàn)濃度急劇降低且運(yùn)行壓力不穩(wěn)的現(xiàn)象；底流產(chǎn)率從70.34%增大至82.36%，之后趨于平緩。由圖6可知，隨著改進(jìn)型旋流器底流口直徑的增大，脫水篩篩上物含水率逐漸增大，當(dāng)D=45 mm時(shí)達(dá)到18%，然后急劇增大至25.33%，篩上物產(chǎn)率逐漸降低，在D=50 mm時(shí)達(dá)到51.23%。

圖5 旋流器底流指標(biāo)隨底流口直徑的變化Fig.5 Underflow index changes with underflow caliber

圖6 篩上物指標(biāo)隨底流口直徑的變化Fig.6 The change of material index on the sieve with underflow caliber

圖7為干排指標(biāo)隨底流口直徑的變化情況。由圖7可知，底流口直徑D=35 mm時(shí)，干排綜合產(chǎn)率最高，為67.35%，篩上水分為16.15%，此時(shí)干排效果最佳。

圖7 干排指標(biāo)隨底流口直徑的變化Fig.7 The change of the dry drainage index with underflow caliber

在旋流器底流口D=35 mm條件下，進(jìn)行旋流器運(yùn)行壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8可知，隨著改進(jìn)型旋流器運(yùn)行壓力的增大，溢流中+0.074 mm顆粒含量逐漸降低，當(dāng)P=0.16 MPa時(shí)達(dá)到0.65%，之后略有增加；底流產(chǎn)率呈緩慢上升趨勢，當(dāng)P=0.16 MPa時(shí)達(dá)到75.12%，之后略有下降。由圖9可知，隨著改進(jìn)型旋流器運(yùn)行壓力的增大，篩上物含水率逐漸降低，當(dāng)P=0.18 MPa時(shí)達(dá)到16.12%，但是總體分析運(yùn)行壓力的變化對篩上物水分的影響不大；篩上物產(chǎn)率隨著運(yùn)行壓力的增大，先提高后降低，在P=0.16 MPa時(shí)達(dá)到最大，為91.35%。

圖8 旋流器底流指標(biāo)隨運(yùn)行壓力的變化Fig.8 Underflow index changes with operating pressure

圖9 篩上物指標(biāo)隨運(yùn)行壓力的變化Fig.9 The change of material index on the sieve with operating pressure

圖10為干排指標(biāo)隨運(yùn)行壓力的變化情況。由圖10可知，底流口直徑D=35 mm和運(yùn)行壓力P=0.16 MPa時(shí)，干排綜合產(chǎn)率最高，為67.35%，篩上水分為16.15%，此時(shí)干排效果最佳。

圖10 干排指標(biāo)隨運(yùn)行壓力的變化Fig.10 The change of the dry drainage index with operating pressure

根據(jù)條件試驗(yàn)結(jié)果，改造后的2#高效干排一體機(jī)綜合最佳指標(biāo)為：旋流器溢流固含量為12.06%，底流產(chǎn)率為73.82%；脫水篩篩上物料濃度為83.85%，設(shè)備綜合回收率為67.35%。

表3 2#干排一體機(jī)生產(chǎn)指標(biāo)Table 3 Production index of No.2 all-in-one drydischarge machine 單位：%

4 主要技術(shù)指標(biāo)對比

干排一體機(jī)改造前后，尾礦車間生產(chǎn)指標(biāo)對比見表4。改造后旋流器溢流濃度比改造前降低了5.14%，篩上物料含水率降低了6.91%，干排一體機(jī)綜合回收率提升了13.05%，每日可多干排尾礦約129 t，大幅度降低了壓濾機(jī)工作負(fù)荷。且更換Smax200PU-B高效濃縮脫泥型旋流器后，旋流器溢流中+0.074 mm顆粒含量由原來的2.03%降低為0.56%，粗顆粒的高效回收有利于減輕濾布的磨損，延長濾布使用壽命，為選礦廠降本增效提供了可行性方案。

表4 1#干排一體機(jī)和2#干排一體機(jī)生產(chǎn)指標(biāo)對比Table 4 Comparison of production indexes between No.1 and No.2 machines

5 結(jié) 論

1) 對旋流器(規(guī)格型號、進(jìn)料方式、錐體角度等)進(jìn)行優(yōu)化后，提高了旋流器的分級精度和濃縮度。在給料濃度約為30%時(shí)，底流產(chǎn)率比原設(shè)備提高了12.03%，溢流中+0.074 mm顆粒含量減少了1.47%。溢流中粗顆粒的減少有助于降低壓濾機(jī)濾布磨損率，延長濾布使用壽命。

2) 對脫水篩(振動(dòng)頻率、傾角、篩孔等)進(jìn)行改造后，礦漿在入料段形成三角區(qū)域快速形成沉降層，減小極細(xì)顆粒的不利影響，使物料表層低固含量礦漿的優(yōu)先預(yù)排出，同時(shí)延長物料脫水時(shí)間，從而增強(qiáng)了篩機(jī)對細(xì)粒級物料的脫水能力。

3) 改進(jìn)后Smax200/PU-B高效濃縮脫泥型旋流器+STS2445-GP細(xì)粒高頻直線脫水篩高效干排一體機(jī)對尾礦的回收率提升了13.05%，干排物料的含水率下降了6.91%。 每日可多干排尾礦約129 t，降低了后續(xù)壓濾系統(tǒng)工作負(fù)荷。

4) Smax200/PU-B高效濃縮脫泥型旋流器和STS2445-GP細(xì)粒高頻直線脫水篩高效干排一體機(jī)針對偏細(xì)粒級銅鉬尾礦脫水取得了較好的實(shí)踐效果，解決了偏細(xì)粒級尾礦干排回收率較低，出料產(chǎn)品含水率較高的問題，有效降低了后續(xù)壓濾機(jī)的工作負(fù)荷，以及選礦廠的運(yùn)行成本。