高剪切攪拌調(diào)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(xué)飛，董澤林

（1.江西銅業(yè)股份有限公司，江西 南昌 330096；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)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(zé)任公司，北京市高效節(jié)能礦冶技術(shù)裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100160；4.江西銅業(yè)股份有限公司武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

近年來，隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，高品位、易處理礦物被大量消耗，導(dǎo)致可開采利用的礦產(chǎn)資源呈現(xiàn)“貧、細、雜”的特點。如何經(jīng)濟、高效地利用微細粒、組成復(fù)雜、低品位礦石，已成為當(dāng)前礦業(yè)領(lǐng)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(guī)浮選工藝和設(shè)備難以有效回收此類微細粒礦物［1］。據(jù)統(tǒng)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(shù)以百萬噸計的其他有用礦物是以微細粒形態(tài)損失的，此類礦物的流失不僅造成礦產(chǎn)資源的浪費，而且污染礦區(qū)周邊環(huán)境［2］。針對微細粒礦石粒度小、比重小、比表面積大、表觀性質(zhì)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(shè)備強剪切攪拌礦漿，可使疏水性顆粒之間產(chǎn)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(yōu)勢在于可以產(chǎn)生穩(wěn)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(yù)處理技術(shù)有了很大的改進，在能耗、調(diào)漿效果和設(shè)備結(jié)構(gòu)等方面比早期機型都有較大提升［9］。高剪切調(diào)漿改質(zhì)機采用強攪拌調(diào)漿，在選煤行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，并證實浮選前充分調(diào)漿是改善后續(xù)浮選效果的關(guān)鍵［5，9-10］。目前，在有色金屬浮選中，改質(zhì)機是比較熱門的礦漿預(yù)處理設(shè)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(chǎn)生活化和均質(zhì)作用［12］。馮博等［13］通過研究發(fā)現(xiàn)，高強度攪拌調(diào)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(biāo)就越好。馮程等［14］發(fā)現(xiàn)，浮選前的強攪拌調(diào)漿與硫化礦物的疏水聚團粒度的變化呈正相關(guān)，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(yōu)先浮銅流程，銅尾泥化嚴重，直接選硫指標(biāo)較差，采用分級浮選工藝，即銅尾經(jīng)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(yè)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(xué)仿真方法對攪拌設(shè)備內(nèi)部流場特征進行對比分析，同時在半工業(yè)尺度下研究不同攪拌調(diào)漿方式和調(diào)漿強度對細粒級黃鐵礦浮選的影響規(guī)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(zhì)

1.1 主要化學(xué)成分分析

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

表1 樣品的主要化學(xué)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(jié)果見表2。分析結(jié)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(tài)存在。

表2 一次分級溢流礦漿篩析結(jié)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(xué)仿真方法分析細粒物料在BK-1000 攪拌桶與TBK-1000 改質(zhì)機中的流場分布特征。由于微細粒礦漿介質(zhì)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(wěn)態(tài)計算方法。兩種設(shè)備參數(shù)見表3。

表3 設(shè)備參數(shù)表Table3 Equipment parameter list

2.1 流速分布

圖1 為BK-1000 攪拌桶與TBK-1000 改質(zhì)機內(nèi)葉輪中心軸向切面和葉輪區(qū)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(shè)備內(nèi)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(huán)與混合，但葉輪區(qū)域的礦漿流速較低；TBK-1000改質(zhì)機雙葉輪區(qū)域存在兩個礦漿流動方向相反的循環(huán)回路，且葉輪區(qū)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(shè)備內(nèi)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(qū)橫截面；（d）TBK-1000葉輪區(qū)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(diào)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(wěn)定，湍流動能在調(diào)漿體系中的耗散主導(dǎo)了調(diào)漿過程，成為實現(xiàn)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(zhì)機在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速下，槽內(nèi)的湍動能耗散率的空間分布情況。由圖2可知，TBK-1000 改質(zhì)機內(nèi)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(qū)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(shè)備槽內(nèi)的湍動能耗散率分布（a）BK-1000攪拌桶；（b）TBK-1000改質(zhì)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(zhì)機在不同攪拌轉(zhuǎn)速下葉輪區(qū)域湍動能耗散率分布曲線。由圖3可知，隨著TBK-1000 改質(zhì)機主軸轉(zhuǎn)速的不斷提高，上、下葉輪區(qū)域湍動能耗散率同步提高，在231 r/min 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)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(zhì)機主軸轉(zhuǎn)速能充分均勻地將主軸的機械能通過葉輪傳輸?shù)讲蹆?nèi)礦漿中，有效增加槽內(nèi)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(zhuǎn)速下改質(zhì)機葉輪區(qū)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(diào)漿試驗研究

3.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)的攪拌調(diào)漿作業(yè)由1臺BK-1000常規(guī)攪拌桶和1 臺TBK-1000 高剪切強攪拌改質(zhì)機組成，詳細配置見圖4。

圖4 現(xiàn)場調(diào)漿設(shè)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(xù)穩(wěn)定給入試驗系統(tǒng)，在相同藥劑制度下（丁基黃藥200 g/t，松醇油10 g/t），通過調(diào)整加藥點和葉輪轉(zhuǎn)速開展不同攪拌形式和攪拌強度的調(diào)漿試驗，不同條件下每間隔10 min 取一次樣并連續(xù)取樣2 h，隨后在實驗室使用細粒浮選機開展浮選試驗。調(diào)漿試驗條件見表4，浮選流程見圖5。

表4 調(diào)漿試驗方案Table 4 Test scheme of mixing pulp

3.2 調(diào)漿形式試驗

BK-1000攪拌槽和TBK-1000改質(zhì)機2種調(diào)漿設(shè)備的浮選指標(biāo)見圖6。試驗均在葉輪標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速下進行，其中BK-1000 攪拌桶葉輪轉(zhuǎn)速為225 r/min，TBK-1000改質(zhì)機葉輪轉(zhuǎn)速為231 r/min。

圖6 調(diào)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(guī)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(diào)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(guī)攪拌后再經(jīng)過高剪切攪拌調(diào)漿，粗精礦品位高于常規(guī)攪拌和高剪切攪拌調(diào)漿，但回收率略低于高剪切攪拌調(diào)漿。由此可知，浮選前采用適宜的調(diào)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(diào)漿強度試驗

TBK-1000改質(zhì)機在不同葉輪轉(zhuǎn)速下，細粒級硫的浮選指標(biāo)見圖7。同時，對葉輪轉(zhuǎn)速為231 r/min時各粒級硫元素的回收率進行計算，結(jié)果見表5。由圖7 可知，隨著改質(zhì)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(zhì)機在不同轉(zhuǎn)速下槽內(nèi)湍流耗散強度變化規(guī)律基本一致。這說明在較高的攪拌強度下，改質(zhì)機內(nèi)部的高剪切強湍流環(huán)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(huán)境也使得細粒脈石與丁基黃藥發(fā)生了無選擇性吸附，導(dǎo)致粗精礦品位降低。表5 結(jié)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(jié)論

1）同常規(guī)攪拌桶相比，改質(zhì)機雙葉輪區(qū)域礦漿流速更快，槽內(nèi)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(yè)尺度調(diào)漿浮選試驗結(jié)果表明，浮選前使用改質(zhì)機進行高剪切攪拌調(diào)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(zhì)機攪拌強度的增加，槽內(nèi)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(huán)境也使得細粒脈石與丁基黃藥發(fā)生了無選擇性吸附，導(dǎo)致粗精礦品位降低。