吳澤洲，李永峰，王麗娟，盧濤，張金華

(1.三川德青工程機(jī)械有限公司，湖北宜昌 443005；2.威海市海王旋流器有限公司，山東威海 264200；3.江銅集團(tuán) 德興銅礦泗洲選礦廠，江西德興 334224)

尾礦是指礦石分選作業(yè)的產(chǎn)物中目的組分含量偏低而無法用于生產(chǎn)的部分。不同種類和不同構(gòu)造的礦石，所經(jīng)過的選礦工藝流程不同，選礦后所產(chǎn)生的尾礦在工藝性質(zhì)上，尤其在顆粒形態(tài)和顆粒級配上往往存在一定的差異。按照選礦工藝流程，尾礦可分為首選尾礦、重選尾礦、磁選尾礦、浮選尾礦、化學(xué)選礦尾礦、電選及光電選尾礦等類型。

尾礦占開采礦石的比重可達(dá)到50%以上。堆存的尾礦占用了大量的土地資源，還會對自然生態(tài)環(huán)境、生產(chǎn)生活安全產(chǎn)生不利影響。為此，對尾礦進(jìn)行綜合利用或有效處置是解決尾礦問題的必要途徑。尾礦綜合利用的關(guān)鍵就是對尾礦進(jìn)行分級分選，從尾礦中提取對有價值的礦產(chǎn)資源，降低尾礦的體量，使尾礦實現(xiàn)環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)三重效益。

水力旋流器是一種基于離心力場的分離、分選設(shè)備。該設(shè)備利用流體運(yùn)動的特有形式，沿徑向產(chǎn)生高的切線速度、大的速度梯度和強(qiáng)的紊流現(xiàn)象，從而形成遠(yuǎn)大于重力場的離心力場、巨大的剪切應(yīng)力，及劇烈的混合作用，并由此實現(xiàn)分級、分選、濃縮、澄清、洗滌和傳質(zhì)等多種分離功能[1]。目前，水力旋流器因其處理能力大、分離效率高、投資維護(hù)成本低等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的眾多技術(shù)領(lǐng)域，比如礦物及冶金工程中的分級、脫泥、分選、產(chǎn)品的濃縮、濕法冶金過程中的洗滌及回水澄清等，石油化工行業(yè)中的原油脫水、含油廢水的去油等[2]。本文擬針對水力旋流器在尾礦處理中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 水力旋流器的功能特點及選擇

水力旋流器是一種非標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械設(shè)備，其型號及結(jié)構(gòu)需要與工藝需求相匹配。在不同的現(xiàn)場，不同的應(yīng)用工藝，旋流器入料的濃度、黏度、礦石粒度及分級要求均存在區(qū)別。因此，選擇旋流器時，應(yīng)針對每個現(xiàn)場每個工藝環(huán)節(jié)對旋流器進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的定制化設(shè)計，以提高旋流器分級效果及其與工藝需求的匹配性。

國內(nèi)一些較為先進(jìn)的旋流器廠家一直致力于高效、低耗旋流分離新技術(shù)新裝備的研發(fā)，目前已成功研發(fā)出螺旋線進(jìn)料體、平底、高效多錐體等不同結(jié)構(gòu)、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的旋流器，可適用于不同的工藝需求。

1）螺旋線進(jìn)料結(jié)構(gòu)旋流器。該設(shè)備通過螺旋線的進(jìn)料方式，引導(dǎo)礦漿流動方向，降低旋流器內(nèi)部礦漿紊流程度，提高旋流器分級效率。螺旋線式進(jìn)料能降低流體運(yùn)動阻力，減輕旋流器內(nèi)部磨損程度，延長旋流器使用壽命。該種型號的旋流器從入料方式著手提高旋流器分級效果，在尾礦處理中具有較高的適用性。

2）平底結(jié)構(gòu)旋流器。該設(shè)備采用平底流化床高效分級技術(shù)，能有效地降低旋流器底流中細(xì)顆粒含量。其分級效率較普通旋流器的提高了約10%。平底結(jié)構(gòu)旋流器所具備的分級性能適用于尾礦選砂的工藝環(huán)節(jié)，旋流器底流中細(xì)顆粒的夾帶量少，有利于提高成品砂的品質(zhì)。

3）高效多錐體旋流器。該設(shè)備通過多錐體非線性離心分級技術(shù)，增大了離心強(qiáng)度，提高了旋流器分級細(xì)度，能有效降低旋流器的運(yùn)行壓力，提升旋流器處理能力，從而實現(xiàn)大直徑旋流器的細(xì)粒分級，尤其適用于精細(xì)分級、脫泥、濃縮等作業(yè)。該種型號的旋流器適用于多數(shù)現(xiàn)場的尾礦干排、尾礦井下充填的分級工藝環(huán)節(jié)。

2 水力旋流器在尾礦處理中的應(yīng)用

由于水力旋流器具有分級的性能優(yōu)勢，使其在在尾礦筑壩、尾礦干排、尾礦選砂及尾礦井下充填等諸多尾礦綜合利用過程中均發(fā)揮了重要的作用。

2.1 尾礦筑壩

將水力旋流器應(yīng)用于尾礦筑壩作業(yè)，主要指選廠采用水力旋流器對尾礦進(jìn)行顆粒的粗細(xì)分級作業(yè)。所得粗顆粒產(chǎn)品進(jìn)行尾礦筑壩作業(yè)，能有效節(jié)省筑壩工藝環(huán)節(jié)所需的其他材料，降低了尾礦壩建設(shè)成本;所得細(xì)顆粒產(chǎn)品進(jìn)入尾礦庫中沉降堆積的尾礦處理過程。

江西某銅礦現(xiàn)場尾礦庫采用中線法進(jìn)行尾礦筑壩。該選廠尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%，尾礦中-200目級別顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%。尾礦被輸送至尾礦壩旁邊礦漿穩(wěn)壓箱后，自流至旋流器進(jìn)行一次分級作業(yè)；作業(yè)完成后，對旋流器沉砂補(bǔ)加清水，所得礦漿再通過礦漿管道自流至旋流器進(jìn)行二次分級作業(yè)。作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 江西某銅尾礦旋流分級作業(yè)流程

兩級旋流器均采用螺旋線進(jìn)料方式，分級效率較高。兩次分級工藝的分級指標(biāo)如表1所示。二次分級的沉砂中所含固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到70%，-200目級別顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%，最終所得筑壩用粗砂占分級前尾礦的25.75%。在旋流器分級指標(biāo)滿足筑壩要求的條件下，兩次分級作業(yè)旋流器均依靠高差自流給礦，降低了現(xiàn)場運(yùn)行成本。

表1 江西某銅尾礦旋流分級筑壩工藝指標(biāo)%

福建某銅尾礦筑壩現(xiàn)場，尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，尾礦中-200目級別顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%～60%。該項目采用威海海王FX250型旋流器進(jìn)行一次分級作業(yè)，旋流器溢流進(jìn)入尾礦庫沉積，旋流器沉砂用于筑壩作業(yè)。該項目旋流器分級指標(biāo)如表2所示。旋流器沉砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為69.80%，沉砂中-200目級別顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.80%，沉砂產(chǎn)率為31.92%，旋流器分級效率達(dá)到55.12%[3]。

表2 福建某銅尾礦旋流器筑壩工藝指標(biāo)%

2.2 尾礦選砂

砂石骨料作為基礎(chǔ)建設(shè)需求量最大的自然資源，近年來已由天然采集向開采制造轉(zhuǎn)變，其中礦山行業(yè)尾礦選砂在砂石骨料供應(yīng)中占據(jù)了一定比例。目前，尾礦選砂已經(jīng)成為尾礦回收再利用的重要途徑。不同礦石性質(zhì)或不同選別工藝所產(chǎn)生的尾礦，在顆粒形態(tài)和顆粒級配上存在一定的差異，因此需要通過適宜的選別工藝和設(shè)備，將尾礦中粒度適宜的顆粒提取出來用作建筑用砂。尾礦選砂常用的設(shè)備為水力旋流器與脫水篩。水力旋流器負(fù)責(zé)對選別尾礦進(jìn)行特定粒度尾礦產(chǎn)品的分離分選；脫水篩負(fù)責(zé)對分選產(chǎn)品進(jìn)行脫水。兩種設(shè)備組合的選砂工藝如圖2所示。為了保證較低的篩上產(chǎn)品細(xì)顆粒夾帶量，尾礦選砂用的旋流器一般采用短錐體結(jié)構(gòu)。

圖2 尾礦選砂工藝流程

以安徽某鐵尾礦選砂現(xiàn)場為例，該廠尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%，尾礦中-200目級別顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.89%。該廠采用結(jié)構(gòu)為平底結(jié)構(gòu)的FX500-ZKJ2445型尾礦選砂一體機(jī)進(jìn)行尾礦選砂作業(yè)；采用ZKJ2445型號脫水篩進(jìn)行脫水。現(xiàn)場尾礦由渣漿泵輸送給旋流器進(jìn)行分級作業(yè)，分級粒度為0.15 mm，旋流器沉砂自流至脫水篩進(jìn)行脫水，同時可進(jìn)一步脫除產(chǎn)品中的細(xì)顆粒，脫水篩篩下與旋流器溢流輸送至現(xiàn)場尾礦庫，篩上產(chǎn)品作為建筑用砂銷售。旋流器與脫水篩的分級指標(biāo)如表3所示。

表3 安徽某鐵尾礦選砂指標(biāo)%

旋流器沉砂固體成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到70%以上，經(jīng)過脫水篩進(jìn)一步脫水后，篩上產(chǎn)品固體成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到83.62%，篩上產(chǎn)品水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.38%，可直接通過皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送。旋流器沉砂中-200目級別顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.21%；經(jīng)過脫水篩篩分后，篩上產(chǎn)品-200目級別顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至10.42%，滿足部分行業(yè)用砂需求。

2.3 尾礦干排

尾礦干排是近年來國內(nèi)逐漸興起的一項新的尾礦處置新工藝，是指將選別尾礦通過濃縮、脫水等工藝實現(xiàn)尾礦的固液分離。常規(guī)的尾礦干排工藝流程如圖3所示。

圖3 尾礦干排常規(guī)工藝流程

選別尾礦經(jīng)過旋流器濃縮分級后，旋流器沉砂給入脫水篩脫水，旋流器溢流進(jìn)入濃密機(jī)進(jìn)一步濃縮，濃密機(jī)底流給入壓濾機(jī)進(jìn)一步脫水，壓濾機(jī)濾液和濃密機(jī)溢流作為回水使用。脫水篩篩上產(chǎn)品為粗顆粒尾礦，壓濾機(jī)濾餅為細(xì)粒尾礦。對于部分有尾礦庫的現(xiàn)場，多采用半尾干排的形式，即通過旋流器與脫水篩將尾礦中的粗顆粒產(chǎn)品干排，旋流器溢流進(jìn)入尾礦庫中沉降。

采用“旋流器+脫水篩”進(jìn)行尾礦干排，能有效降低進(jìn)入尾礦庫的尾礦量，延長尾礦庫的使用年限。同時，為沒有尾礦庫的選廠提供了一個很好的尾礦處理方法。

以福建某銅尾礦干排現(xiàn)場為例，該廠尾礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%，尾礦中-200目級別顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%～60%?，F(xiàn)場尾礦采用FX250-ZKK3661-200HWCP-R型尾礦干排一體機(jī)進(jìn)行尾礦干排作業(yè)。由于尾礦濃度較高，旋流器采用了高效多錐體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了大直徑旋流器的細(xì)粒分級與濃縮，并取得了較好的效果。該一體機(jī)脫水指標(biāo)如表4所示。

表4 福建某銅尾礦干排一體機(jī)脫水指標(biāo)%

由表4可以看出，該現(xiàn)場尾礦來料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46.33%時，尾礦中-200目級別顆粒含量為57.66%，-400目級別顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42.55%；經(jīng)過旋流器與脫水篩分級脫水后，篩上產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)81.18%，篩上產(chǎn)品水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.82%。篩上產(chǎn)品可直接運(yùn)輸至尾礦庫堆存。

2.4 尾礦井下充填

地下礦石被開采后，地下形成虧空區(qū)，容易造成地面塌方，從而產(chǎn)生巨大的安全隱患。對地下采空區(qū)進(jìn)行充填處理，需要大量的原材料，而利用選別尾礦進(jìn)行充填作業(yè)，則可以節(jié)省大量充填原料，從而降低現(xiàn)場生產(chǎn)成本。采用旋流器對選別尾礦進(jìn)行分級處理。旋流器處理能力大，分級效率高，運(yùn)行維護(hù)成本低。

以福建某銅礦現(xiàn)場為例，該現(xiàn)場采用FX250型旋流器用于尾礦分級井下充填作業(yè)。為了提高旋流器分級效率，該現(xiàn)場選用的旋流器同時采用了螺旋線進(jìn)料方式與高效多錐體結(jié)構(gòu)兩種先進(jìn)設(shè)計，所得沉砂產(chǎn)品中細(xì)顆粒含量較少，同時溢流中無跑粗現(xiàn)象。該工藝簡單，運(yùn)行成本低，極大地節(jié)省了現(xiàn)場生產(chǎn)成本。該旋流器分級指標(biāo)如表4所示。

表4 福建某銅尾礦充填旋流器分級指標(biāo)%

由表4可以看出，當(dāng)現(xiàn)場入料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.61%，入料中-200目級別顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59.93%時，經(jīng)過該旋流器濃縮分級，旋流器沉砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到69.38%，沉砂中-200目級別顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.82%，旋流器溢流中-200目級別顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了100%，且溢流無跑粗現(xiàn)象，沉砂產(chǎn)率達(dá)到63.15%。

3 結(jié)論

尾礦的大量堆存不僅造成了礦產(chǎn)資源的浪費(fèi)，還會占用大量的土地，對周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。水力旋流器在尾礦分級、脫泥、脫水作業(yè)等方面具有處理能力大、分級效率高、投資成本低的技術(shù)優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用在尾礦筑壩、尾礦選砂、尾礦干排及尾礦井下充填等尾礦綜合利用工藝過程中。作為一種定制化的機(jī)械設(shè)備，水力旋流器需要針對應(yīng)用工藝參數(shù)及分級性能要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)的定制化設(shè)計。