馬桂起，盧毅屏，馮其明，石晴，趙冠飛

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攪拌調(diào)漿對硫化銅鎳礦物浮選的影響

馬桂起，盧毅屏，馮其明，石晴，趙冠飛

(中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南長沙，410083)

采用四葉直槳和四葉斜槳及其組合的攪拌裝置，對高品位硫化銅鎳礦和蛇紋石的人工混合礦進(jìn)行攪拌調(diào)漿處理后浮選，采用非線性擬合得到浮選最大回收率和浮選速率系數(shù)，運(yùn)用CFD數(shù)值計算方法得到攪拌槽流場參數(shù)，進(jìn)行關(guān)聯(lián)關(guān)系分析，研究攪拌調(diào)漿對硫化銅鎳礦浮選的影響。研究結(jié)果表明：攪拌調(diào)漿有利于減弱蛇紋石與硫化銅鎳礦的異相凝聚，流體的剪切應(yīng)力和軸向流速度均影響硫化銅鎳礦浮選回收率，攪拌調(diào)漿應(yīng)該采用直槳和斜槳配合以優(yōu)化流體剪切應(yīng)力和軸向流速度。

攪拌調(diào)漿；浮選；硫化銅鎳礦；異相凝聚；CFD

攪拌調(diào)漿是礦石浮選中一個不可缺少的環(huán)節(jié)，浮選前的攪拌調(diào)漿通常是為了使礦漿懸浮并且使礦漿與藥劑充分作用。近幾年研究表明：通過攪拌調(diào)漿可以改善浮選效果，BULATOVIC等[1]提出對細(xì)粒銅鋅礦等在浮選前進(jìn)行攪拌調(diào)漿能夠顯著提高銅鋅的浮選回收率及品位；VALDERRAMA等[2]研究發(fā)現(xiàn)在細(xì)粒金的浮選中，對礦漿進(jìn)行攪拌預(yù)處理后，浮選回收率、精礦品位以及浮選速率均有所增加。國內(nèi)外在硫化銅鎳礦的浮選研究中發(fā)現(xiàn)，通過浮選前的攪拌調(diào)漿，可以明顯改善硫化銅鎳礦浮選指標(biāo)[3?5]，并提出了一些改善攪拌調(diào)漿的方式，如提高攪拌轉(zhuǎn)速、使用不同槳型等[6?7]，但現(xiàn)在對攪拌調(diào)漿的研究大多停留在實驗室單槳條件試驗，對于如何合理設(shè)置攪拌調(diào)漿參數(shù)條件仍不明確。CFD計算流體力學(xué)方法作為一種低成本高效率的流場特征研究手段，在選礦研究中的應(yīng)用也越來越廣泛[8?11]。MRF(multiple reference frame)法常應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械如泵和攪拌槽的仿真計算中，ZADGHAFFARI等[12]使用該方法進(jìn)行了雙Rushton槳攪拌槽的軸向流和徑向流的模擬計算并與實驗結(jié)果進(jìn)行了擬合，二者吻合程度達(dá)到0.99；SOSSA-ECHEVERRIA等[13]對MRF法計算的速度場與PIV測量結(jié)果進(jìn)行了對比，二者基本一致。在硫化銅鎳礦石的浮選中，由于含鎂硅酸鹽脈石礦物通過異相凝聚作用附著在硫化礦物表面形成礦泥覆蓋層，嚴(yán)重影響了硫化銅鎳礦物的回收[14?18]。攪拌調(diào)漿能夠提高硫化銅鎳礦浮選效果，但不同槳型、不同操作條件下的攪拌調(diào)漿對浮選結(jié)果影響各異，難以確定某個因素的具體作用效果。為此，本文作者通過CFD計算得出不同條件下攪拌調(diào)漿的流場特征參數(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)的實驗室浮選試驗，找出攪拌調(diào)漿對浮選的影響因素，這對于改良工業(yè)浮選調(diào)漿方法、提高資源利用率有著重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗

1.1 CFD方法

使用GAMBIT根據(jù)實驗室攪拌槽尺寸以及操作條件建立模型并劃分網(wǎng)格，使用Fluent6.3的3D模塊運(yùn)用MRF以及RNG?湍流模型進(jìn)行計算，得到不同條件下攪拌槽內(nèi)流體的速度和剪切應(yīng)力結(jié)果。

1.2 試樣及藥劑

蛇紋石是含OH?的鎂質(zhì)層狀硅酸鹽礦物，化學(xué)式為Mg6[Si4O10](OH)8，通常為呈細(xì)粒葉片狀或纖維狀的晶質(zhì)集合體。試驗中使用的蛇紋石為東海蛇紋石，礦樣經(jīng)XRD測得的礦物組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：蛇紋石90%，綠泥石5%，伊利石和閃石共5%。試樣粒度小于0.038 mm。

硫化銅鎳礦為采自新疆哈密的高品位硫化銅鎳礦，化學(xué)組成見表1，主要硫化礦物有鎳黃鐵礦、磁黃鐵礦、黃銅礦等。礦塊經(jīng)手選、錘碎、瓷球磨干磨，干篩后得到小于0.074 mm粒級試樣。將蛇紋石和硫化銅鎳礦樣按質(zhì)量比1:1混合均勻，制成人工混合 礦樣。

表1 礦石主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

試驗所用捕收劑和起泡劑分別為戊黃藥和2號油，均為工業(yè)品，試驗用水為自來水。

1.3 試驗裝置

攪拌調(diào)漿裝置為EUROSTAR power control-visc 型攪拌器，攪拌槳和攪拌桶為自行設(shè)計定制，攪拌槳為45°傾角折葉槳和以及直槳，葉片數(shù)為4，葉片直徑為40 mm，葉片高度為13 mm，不銹鋼材料；攪拌桶直徑為80 mm，四片擋板，擋板長為80 mm，寬為6 mm，有機(jī)玻璃材料。浮選采用XFG型500 mL掛槽式浮選機(jī)。實驗室用攪拌槽與攪拌槳安裝位置見圖1，攪拌槽的尺寸見表2，攪拌槳見圖2。

1.4 試驗方法

1) 將50 g人工混合礦樣放入攪拌磨中，加入100 mL水后采用200 r/min的轉(zhuǎn)速處理礦樣5 min，使礦樣與水充分混合。

2) 將混合后的礦漿倒入調(diào)漿攪拌槽，定容至礦漿量為500 mL，進(jìn)行攪拌調(diào)漿20 min，攪拌調(diào)漿條件見表3。

3) 將攪拌調(diào)漿處理后的礦漿加入500 g/t戊黃藥和30 g/t 2號油后進(jìn)行浮選時間試驗，分時分別接取得到浮選時間為1，3，5，9和15 min的浮選精礦。

表2 攪拌槽主要尺寸

表3 攪拌調(diào)漿條件

圖1 攪拌槽結(jié)構(gòu)示意圖

(a) 四葉直漿；(b) 四葉斜漿

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 CFD模擬結(jié)果

一般認(rèn)為，攪拌可以使流體混合和分散。在混合過程中起主要作用的是流體的軸向流，在分散的過程中起主要作用的是攪拌產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。因此，可以通過攪拌槽平均軸向流速度和平均剪切應(yīng)力分析攪拌調(diào)漿影響浮選的因素。

采用模擬攪拌旋轉(zhuǎn)流通用的MRF算法以及RNG?湍流模型進(jìn)行計算，得到了不同條件下攪拌槽內(nèi)流體的平均剪切應(yīng)力和平均軸向速度，結(jié)果見圖3。經(jīng)分析可知：1) 當(dāng)單槳相同時，轉(zhuǎn)速越快，攪拌槽內(nèi)流體的剪切應(yīng)力越大，軸向速度越大；在相同轉(zhuǎn)速下，四葉直槳攪拌槽流體的平均剪切應(yīng)力比四葉斜槳的大，而四葉斜槳攪拌產(chǎn)生的平均軸向流速度比四葉直槳的大，這與前人的研究一致。2) 當(dāng)雙斜槳組合時，雙斜槳平均剪切應(yīng)力比同轉(zhuǎn)速單四葉斜槳的大，平均軸向流比同轉(zhuǎn)速單四葉斜槳的??；當(dāng)雙斜槳轉(zhuǎn)速由 1 000 r/min增加至1 400 r/min時，平均軸向流速度反而從0.49 m/s降至0.47 m/s；3) 在上槳為四葉直槳、下槳為四葉斜槳的情況下，平均剪切應(yīng)力比同轉(zhuǎn)速單槳的大，平均軸向流速度比同轉(zhuǎn)速單四葉直槳的大，而比同轉(zhuǎn)速單四葉斜槳的小。

圖3 不同攪拌調(diào)漿條件下攪拌槽內(nèi)的剪切應(yīng)力和軸向流速度

2.2 浮選速率結(jié)果及浮選動力學(xué)研究

對浮選試驗結(jié)果使用一級矩形分布浮選速率方程進(jìn)行擬合，考察不同攪拌調(diào)漿條件下Ni的浮選最大回收率和浮選速率。一級矩形分布方程如下：

式中：為時間時的浮選回收率；∞為浮選最大回收率；為浮選速率系數(shù)；為累計浮選時間。通過非線性擬合得到了浮選最大回收率和浮選速率系數(shù)，擬合度2均達(dá)到0.995以上。擬合曲線見圖4，圖4中曲線為擬合曲線，點為試驗結(jié)果點。得到的相關(guān)參數(shù)見表4。

2.3 攪拌對浮選影響的分析

2.3.1 流體剪切應(yīng)力對浮選的影響

將四葉直槳1 000 r/min、四葉直槳1 400 r/min、上槳直槳下槳斜槳1 400 r/min 3個攪拌調(diào)漿條件下的浮選試驗結(jié)果與相應(yīng)的流體特征參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析。由圖5和圖6可知：四葉直槳轉(zhuǎn)速從1 000 r/min增加到1 400 r/min后，攪拌槽內(nèi)流體的平均剪切應(yīng)力從10.98 Pa增加到21.29 Pa，軸向流速度從0.20 m/s增加至0.28 m/s，理論最大浮選回收率提高，浮選速率系數(shù)增大；而上直槳下斜槳在1 400 r/min轉(zhuǎn)速條件下，攪拌槽內(nèi)流體剪切應(yīng)力相比同轉(zhuǎn)速四葉直槳增加了4.93 Pa，軸向流速度幾乎不變。浮選理論最大回收率提高了5.05%，浮選速率系數(shù)也增大，由此可知，增加攪拌調(diào)漿的剪切應(yīng)力可以提高浮選回收率，加大浮選速率。

2.3.2 軸向流速度對浮選的影響

將四葉斜槳1 000 r/min、四葉斜槳1 400 r/min、雙斜槳1 400 r/min 3個攪拌調(diào)漿條件下的浮選試驗結(jié)果與相應(yīng)的流體特征參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析。由圖7可知：當(dāng)四葉斜槳轉(zhuǎn)速從1 000 r/min增加到1 400 r/min時，礦漿剪切應(yīng)力和軸向流速度增加，而在雙斜槳轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時，相比同轉(zhuǎn)速單四葉斜槳，礦漿剪切應(yīng)力增加了10.50 Pa，而軸向流速度下降了0.16 m/s。

(a) 單四葉直槳；(b) 單四葉斜槳；(c) 雙四葉斜槳；(d) 上直槳下斜槳

表4 非線性擬合參數(shù)結(jié)果

圖5 剪切流型攪拌槳組的剪切應(yīng)力和軸向流速度

圖6 剪切流型攪拌槳組的浮選最大回收率和浮選速率系數(shù)

從圖8所示浮選結(jié)果可見：當(dāng)四葉斜槳轉(zhuǎn)速從 1 000 r/min增加到1 400 r/min，剪切應(yīng)力與軸向流速度均增加，浮選理論最大回收率提高了6.9%，浮選速率系數(shù)增大到1.29；而雙斜槳1 400 r/min與單斜槳 1 400 r/min相比，剪切應(yīng)力增加但軸向流速度降低，浮選理論最大回收率由83.71%降低到83.12%，由此可知軸向流速度能夠影響浮選理論最大回收率。

軸向流是影響攪拌槽內(nèi)混合效果的主要因素，軸向流速度較低時礦漿在攪拌槽內(nèi)容易形成攪拌滯留區(qū)。推測知攪拌滯留區(qū)內(nèi)的礦漿循環(huán)差，難以受到高剪切應(yīng)力作用，異相凝聚較嚴(yán)重，進(jìn)而影響整體浮選回收率。

圖7 軸向流型攪拌槳組的剪切應(yīng)力和軸向流速度

圖8 軸向流型攪拌槳組的浮選最大回收率和浮選速率系數(shù)

3 結(jié)論

1) 當(dāng)雙槳配合使用時，流體剪切應(yīng)力比單槳時的大，雙斜槳在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，增加轉(zhuǎn)速可以增強(qiáng)剪切力，但是同時會導(dǎo)致軸向流的降低；上直槳下斜槳的組合軸向流速度比單四葉直槳的大，比單四葉斜槳的小。

2) 攪拌槽內(nèi)流體剪切應(yīng)力和軸向流均能影響硫化鎳礦的浮選回收率和浮選速率，當(dāng)二者同時增強(qiáng)時，Ni浮選回收率和浮選速率提高。

3) 在攪拌調(diào)漿時采用上直槳下斜槳的槳型搭配能夠使流體剪切應(yīng)力和軸向流速度得到優(yōu)化，從而改善硫化銅鎳礦的浮選效果。

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(編輯 楊幼平)

Influence of mixing conditioning on flotation of copper-nickel sulfide ore

MA Guiqi, LU Yiping, FENG Qiming, SHI Qing, ZHAO Guanfei

(School of Resources Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Flotation test of copper-nickel sulfide and serpentine mixed ore after different kinds of mixing conditioning by agitator with four straight blades and agitator with four tilting blades were carried out, and the maximum recovery of flotation and flotation rate coefficient were obtained by nonlinear curve fitting and the mixing tank flow field parameters were gotten by CFD method. The influence of conditioning in the flotation of copper-nickel sulfide ore was studied by correlation analyzing. The results show that slurry shear stress produced by conditioning can reduce the heterogeneous coacervation between serpentine and copper-nickel sulfide ore. The shear stress and axial velocity of fluid can both affect copper nickel sulfide ore flotation recovery rate, and the conditioning equipment should adopt both straight blades and tilting blades type agitators to optimize the shear stress and axial velocity.

mixing conditioning; floatation; copper-nickel sulfide ore; heterogeneous coacervation; CFD

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.10.001

TD952

A

1672?7207(2017)10?2559?06

2016?10?11；

修回日期：2016?12?25

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2014CB643402)；湖南省戰(zhàn)略金屬礦產(chǎn)資源清潔高效利用協(xié)同創(chuàng)新中心支持項目(2014)(Project (2014CB643402) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project (2014) supported by Metal Mineral Resources Clean and Efficient Utilization Innovation Center of Hunan Province)

盧毅屏，博士，教授，從事礦物加工理論與工藝研究；E-mail：feng_309@csu.edu.cn