高剪切攪拌調漿對細粒級黃鐵礦的浮選強化研究

吳書明，徐乾德，李恒欠，阮華東，曾學飛，董澤林

（1.江西銅業股份有限公司，江西 南昌 330096；2.北京科技大學土木與資源工程學院，金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；3.北礦機電科技有限責任公司，北京市高效節能礦冶技術裝備工程技術研究中心，北京 100160；4.江西銅業股份有限公司武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

近年來，隨著礦產資源的不斷開發，高品位、易處理礦物被大量消耗，導致可開采利用的礦產資源呈現“貧、細、雜”的特點。如何經濟、高效地利用微細粒、組成復雜、低品位礦石，已成為當前礦業領域亟待解決的問題。目前，提高難處理礦石回收率的前提是進一步降低磨礦細度，使其充分單體解離，但隨著選別礦物粒度的減小，礦石浮選難度明顯提高，常規浮選工藝和設備難以有效回收此類微細粒礦物［1］。據統計，世界上約33%的磷酸鹽礦物、20%的含鎢礦物、16%的含銅礦物及數以百萬噸計的其他有用礦物是以微細粒形態損失的，此類礦物的流失不僅造成礦產資源的浪費，而且污染礦區周邊環境［2］。針對微細粒礦石粒度小、比重小、比表面積大、表觀性質相近的特點，可從以下三個方向開展微細粒礦石的回收工作：一是增大微細粒礦物的表觀直徑；二是減小氣泡尺寸，增加氣泡與微細粒礦物的碰撞效率；三是提高浮選藥劑對目的礦物的影響［3-5］。

研究表明，在表面活性劑存在的情況下，通過外部設備強剪切攪拌礦漿，可使疏水性顆粒之間產生強烈的剪切力，從而使微細粒礦物表面得到充分擦洗，提高顆粒與顆粒間的絮凝作用、顆粒與藥劑間的選擇性吸附作用，進而提高泡沫浮選效果［6-7］。其優勢在于可以產生穩定的疏水絮團，且強度足以承受礦物分選過程中的湍流［8］。近年來，預處理技術有了很大的改進，在能耗、調漿效果和設備結構等方面比早期機型都有較大提升［9］。高剪切調漿改質機采用強攪拌調漿，在選煤行業已得到廣泛應用，并證實浮選前充分調漿是改善后續浮選效果的關鍵［5，9-10］。目前，在有色金屬浮選中，改質機是比較熱門的礦漿預處理設備，其通過外加高剪切力場的方法，使礦物表面受到充分的摩擦，剔除表面氧化層［11］，高剪切力場不僅能將藥劑充分分散，還能對細粒顆粒產生活化和均質作用［12］。馮博等［13］通過研究發現，高強度攪拌調漿能夠脫附硫化礦物表面罩蓋的礦泥，從而提高硫化礦浮選回收率，且攪拌強度越大、時間越長，硫化銅鎳礦的選別指標就越好。馮程等［14］發現，浮選前的強攪拌調漿與硫化礦物的疏水聚團粒度的變化呈正相關，能提高礦物的浮選速率，使得硫化礦物的回收率顯著提高。

武山銅礦為大型井下開采銅硫礦山，其選礦工藝為優先浮銅流程，銅尾泥化嚴重，直接選硫指標較差，采用分級浮選工藝，即銅尾經旋流器2 次分級后的沉砂分別進行粗細分選，二次溢流礦漿與粗、細硫浮選作業的尾礦（全尾）混合進入尾砂泵池。但二次溢流礦漿中硫損失率達到6%～8%，損失的主要是23 μm以下微細粒硫礦物，這也是該礦山硫損失的主要途徑。鑒于此，本文對武山銅礦銅尾一次分級溢流礦漿進行研究，使用計算流體力學仿真方法對攪拌設備內部流場特征進行對比分析，同時在半工業尺度下研究不同攪拌調漿方式和調漿強度對細粒級黃鐵礦浮選的影響規律，以期達到武山銅礦細粒級硫的直接分選和簡化選硫流程的目的。

1 礦石性質

1.1 主要化學成分分析

對銅尾一次分級溢流原礦進行主要化學成分分析，結果見表1。結果表明，該礦石中硫元素含量為6.39%。

表1 樣品的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of sample（%，mass fraction）

1.2 粒度分析

對一次分級溢流礦漿進行粒度分析，結果見表2。分析結果表明，原礦中-74 μm 含量占83.69%，硫分布率達到了83.14%，硫礦物主要以細粒甚至微細粒形態存在。

表2 一次分級溢流礦漿篩析結果Table 2 Results of S distribution in each grain level

2 仿真試驗研究

采用CFD 計算流體力學仿真方法分析細粒物料在BK-1000 攪拌桶與TBK-1000 改質機中的流場分布特征。由于微細粒礦漿介質均勻性較高，所以將固液兩相的礦漿等效為同等密度的單相流體，使用穩態計算方法。兩種設備參數見表3。

表3 設備參數表Table3 Equipment parameter list

2.1 流速分布

圖1 為BK-1000 攪拌桶與TBK-1000 改質機內葉輪中心軸向切面和葉輪區橫截面礦漿流速矢量圖。由圖1 可知，因葉輪形式不同，兩種攪拌設備內部流場分布存在較大差異。BK-1000 攪拌桶的葉輪更有利于礦漿軸向運動，能夠促進礦漿的循環與混合，但葉輪區域的礦漿流速較低；TBK-1000改質機雙葉輪區域存在兩個礦漿流動方向相反的循環回路，且葉輪區域的礦漿流速明顯高于BK-1000 攪拌桶，葉輪與周圍礦漿的相互作用效果更強。

圖1 不同攪拌設備內部流場（a）BK-1000葉輪中心軸向切面；（b）TBK-1000葉輪中心軸向切面；（c）BK-1000葉輪區橫截面；（d）TBK-1000葉輪區橫截面Fig.1 Internal flow field diagram of different mixing equipment（a）BK-1000 impeller center axial section；（b）TBK-1000 impeller center axial section；（c）BK-1000 impeller area cross section；（d）TBK-1000 impeller area cross section

2.2 湍動能耗散率分布

在調漿過程中，湍流渦尺度在能量輸入增大到一定值后基本保持穩定，湍流動能在調漿體系中的耗散主導了調漿過程，成為實現流體剪切、分散和均勻混合的主要推動力［15-16］。圖2 是BK-1000攪拌桶與TBK-1000 改質機在標準轉速下，槽內的湍動能耗散率的空間分布情況。由圖2可知，TBK-1000 改質機內部湍動能耗散率明顯高于BK-1000攪拌桶，且分布更為均勻；BK-1000 攪拌桶的葉輪區域湍動能耗散率更高，接近槽體中上部的位置，湍動能耗散率逐漸降低。

圖2 不同攪拌設備槽內的湍動能耗散率分布（a）BK-1000攪拌桶；（b）TBK-1000改質機Fig.2 Distribution of turbulent kinetic energy dissipation rate in internal tank of different stirring equipment（a）BK-1000 mixing bucket；（b）TBK-1000 retrofit machine

圖3 為TBK-1000 改質機在不同攪拌轉速下葉輪區域湍動能耗散率分布曲線。由圖3可知，隨著TBK-1000 改質機主軸轉速的不斷提高，上、下葉輪區域湍動能耗散率同步提高，在231 r/min 標準轉速下達到最高且兩者相差不大，分別為9.38 m2/s3和9.93 m2/s3。這說明提高改質機主軸轉速能充分均勻地將主軸的機械能通過葉輪傳輸到槽內礦漿中，有效增加槽內礦漿的剪切強度，從而提高礦石表面的擦洗脫泥作用，有助于藥劑更高效地作用于礦物顆粒表面。

圖3 不同轉速下改質機葉輪區域的湍動能耗散率Fig.3 Turbulent kinetic energy dissipation rate of impeller region at different speed of modifier

3 調漿試驗研究

3.1 試驗系統

試驗系統的攪拌調漿作業由1臺BK-1000常規攪拌桶和1 臺TBK-1000 高剪切強攪拌改質機組成，詳細配置見圖4。

圖4 現場調漿設備配置Fig.4 Mixing equipment configuration

試驗礦樣為武山銅礦銅尾一次分級溢流礦漿。將礦漿以0.9 t/h（干量）、14%的濃度連續穩定給入試驗系統，在相同藥劑制度下（丁基黃藥200 g/t，松醇油10 g/t），通過調整加藥點和葉輪轉速開展不同攪拌形式和攪拌強度的調漿試驗，不同條件下每間隔10 min 取一次樣并連續取樣2 h，隨后在實驗室使用細粒浮選機開展浮選試驗。調漿試驗條件見表4，浮選流程見圖5。

表4 調漿試驗方案Table 4 Test scheme of mixing pulp

3.2 調漿形式試驗

BK-1000攪拌槽和TBK-1000改質機2種調漿設備的浮選指標見圖6。試驗均在葉輪標準轉速下進行，其中BK-1000 攪拌桶葉輪轉速為225 r/min，TBK-1000改質機葉輪轉速為231 r/min。

圖6 調漿形式對細粒硫浮選的影響Fig.6 Impact of form mixing on the flotation of fine-grained pyrite

由圖6 可知，浮選前采用常規攪拌方式，粗精礦中硫的回收率僅66.81%；而采用高剪切攪拌調漿后，對細粒級硫起到了良好的活化改性效果，能明顯提高其回收效果，粗精礦中硫的回收率達到76.57%；常規攪拌后再經過高剪切攪拌調漿，粗精礦品位高于常規攪拌和高剪切攪拌調漿，但回收率略低于高剪切攪拌調漿。由此可知，浮選前采用適宜的調漿方式可有效提高武山銅礦細粒級硫的可浮性及其回收率。

3.3 調漿強度試驗

TBK-1000改質機在不同葉輪轉速下，細粒級硫的浮選指標見圖7。同時，對葉輪轉速為231 r/min時各粒級硫元素的回收率進行計算，結果見表5。由圖7 可知，隨著改質機攪拌強度的增加，粗精礦中硫的品位略有降低，但硫的回收率提高明顯，其浮選效果與改質機在不同轉速下槽內湍流耗散強度變化規律基本一致。這說明在較高的攪拌強度下，改質機內部的高剪切強湍流環境使礦泥從細粒硫礦物表面脫附，提高了其可浮性，但較高的湍流環境也使得細粒脈石與丁基黃藥發生了無選擇性吸附，導致粗精礦品位降低。表5 結果表明，-75～+38 μm 和-23 μm 粒級（一次分級溢流礦漿中硫元素主要分布粒級）中的硫得到了有效回收，其回收率分別達到94.14%和82.12%。

表5 粒級回收率Table 5 Recovery rate of different particle size fractions

4 結論

1）同常規攪拌桶相比，改質機雙葉輪區域礦漿流速更快，槽內湍動能耗散率高且分布更為均勻，葉輪與周圍礦漿的相互作用效果更強，可促進礦石表面的擦洗脫泥作用，有助于藥劑更高效地作用于礦物顆粒表面。

2）半工業尺度調漿浮選試驗結果表明，浮選前使用改質機進行高剪切攪拌調漿，對武山銅礦細粒級硫起到了良好的活化改性效果，能明顯提高其回收率。隨著改質機攪拌強度的增加，槽內湍動能耗散率不斷提高，硫的回收率提升明顯，尤其是-75～+38 μm 和-23 μm 粒級（一次分級溢流礦漿中硫元素主要分布粒級）中的硫得到了有效回收，但較高的湍流環境也使得細粒脈石與丁基黃藥發生了無選擇性吸附，導致粗精礦品位降低。