張博愛 陳湘根 晁彥德 陳天修 曹亦俊 李國勝 李 超

(1.鄭州大學中原關鍵金屬實驗室,河南 鄭州 450001;2.欒川龍宇鉬業(yè)有限公司,河南 洛陽 471500)

鉬被列為國家戰(zhàn)略金屬,在我國經濟社會發(fā)展中起著重要作用。鉬礦中鉬金屬含量低(＜0.1%),傳統(tǒng)全粒級球磨—浮選工藝流程長、能耗高,其中磨礦作業(yè)能耗最大,占選廠總能耗的45%～50%[1-2],且磨礦粒度越細,能耗越高[3]。因此,提高浮選粒度上限能有效降低磨礦能耗和提高鉬礦分選效率。但分選粒度越大,顆粒受湍流影響越顯著,從氣泡表面脫附概率越高,導致回收率急劇下降[4-6]。

針對此問題,MANKOSA等[7]開發(fā)了水力浮選機用于粗顆粒礦物分選。水力浮選機是以干擾床分選機為基礎,水/氣混合物通過文丘里管引入水力浮選機,提供上升水流的同時將氣體空化成泡。水力浮選過程是集重選和浮選特征于一體,通過氣泡選擇性吸附在疏水性目的礦物表面,擴大目的礦物與脈石礦物顆粒表觀密度差異,并依靠上升水流使表觀密度較小的氣泡與目的礦物集合體上浮,實現粗顆粒浮選[8-9]。與傳統(tǒng)機械攪拌浮選設備相比,水力浮選機具有以下3個優(yōu)點[10]:① 流態(tài)化床層區(qū)固相濃度高,礦物顆粒與氣泡碰撞概率高[11];② 上升水流提供水動力,增加粗顆粒分選區(qū)停留時間;③ 分選環(huán)境湍流程度低,顆粒脫落概率低[12-14]。

水力浮選技術已在國外得到廣泛工業(yè)應用,例如用于解離度較高的粗粒磷酸鹽、鉀鹽、硫化銅等礦物分選[15]。國內太原理工大學王懷法教授團隊針對解離度較高的粗煤泥開發(fā)了一種新型粗煤泥分選機,其原理與水力浮選類似,用于強化粗煤泥分選[16-17]。但目前水力浮選對低解離度礦物的作用尚不清晰。鉬礦粗粒條件下解離度較低,無法通過常規(guī)分選獲得合格鉬精粉。通過粗粒鉬礦分選預拋尾,同時對鉬金屬進行一定程度預富集,對降低后續(xù)磨浮分選成本意義重大。

本研究以河南欒川地區(qū)某鉬礦石為對象,采用自主研發(fā)的高效板式空化成泡水力浮選機,進行水力浮選預拋尾試驗,系統(tǒng)考察了表觀水速、表觀氣速、床層高度、進料速度及進料高度等關鍵工藝參數對粗粒輝鉬礦水力浮選預拋尾的影響。本研究成果可為我國鉬及其他稀貴金屬的高效、低碳分級提供技術借鑒。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原料

試驗用輝鉬礦取自河南欒川某鉬選廠,其主要化學成分分析結果見表1。結果表明:試樣中主要有價元素為Mo,品位為0.067%;主要脈石成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3,含量分別為69.95%、8.94%、4.97%。

表1 試樣主要化學成分分析結果Table 1 Results of main chemical composition analysis of the sample %

對輝鉬礦不同粒級的Mo品位進行測量,結果表明:粒度越粗,輝鉬礦Mo品位越低,Mo趨向于在細粒級顆粒中富集。

1.2 試驗方法及設備

本試驗采用二次分級工藝,二次分級溢流(-1.0 mm)進入水力浮選系統(tǒng)。每次取-1 mm粒級樣55 kg,在150 L的攪拌桶中將原料調漿至濃度35%,礦漿通過蠕動泵送入水力浮選機,添加捕收劑煤油80 g/t、起泡劑2#油20 g/t,待床層穩(wěn)定后,取精尾礦樣品進行化驗,計算各指標。

試驗用水力浮選機見圖1,設備內徑為100 mm,分選柱體段高度為500 mm,底部為錐角60°的尾礦濃縮錐段。設備柱/錐銜接處為特殊設計布水/空化一體化孔板,水/氣混合進入水力浮選機,經孔板均勻布水的同時形成高強度孔板空化現象,氣體經孔板成泡彌散進入水力浮選機。

圖1 水力浮選機設備簡圖Fig.1 Equipment diagram of the hydrofloat separator

2 試驗結果與討論

通過研究表觀水速、表觀氣速、床層高度、進料速度、進料高度等關鍵參數對粗粒輝鉬礦水力浮選精尾礦品位、鉬金屬回收率與拋尾率,精尾礦粒度分布的影響,結合分選精尾礦樣品表面暴露率的分析,系統(tǒng)評估各工藝參數對粗粒輝鉬礦水力浮選效率的影響。

2.1 粗粒輝鉬礦水力浮選預拋尾影響因素研究

2.1.1 表觀水速對粗粒輝鉬礦水力浮選影響

在表觀氣速為0.42 cm/s、床層高度為40 cm、進料速度為1 L/min、進料高度為30 cm的條件下,考察表觀水速對粗粒輝鉬礦水力浮選的影響,結果見圖2。

圖2 表觀水速對粗粒輝鉬礦水力浮選指標的影響Fig.2 Influence of the superficial water velocity on indexes in hydrofloat flotation for molybdenite

分析圖2可知:表觀水速從1.70 cm/s增加到4.24 cm/s,精礦Mo回收率從87.38%提高到98.46%;拋尾率、精礦Mo品位和尾礦Mo品位分別從69.26%、0.194%、0.012%逐漸降到12.91%、0.077%、0.008%;精、尾礦分級現象明顯,但平均粒徑均隨表觀水速的增加而增加。綜合考慮,確定適宜的表觀水速為2.55 cm/s。

造成以上現象的原因是:表觀水速增加,上升水流提供向上的水動力增強,目的礦物顆粒和解離度相對更低的粗顆粒均易隨上升水流進入溢流區(qū),因此精礦Mo回收率、精礦平均粒徑隨表觀水速的增加而增加,而精礦Mo品位、拋尾率隨表觀水速的增加而降低。因表觀水速的增加,更多中等粒級進入溢流區(qū),但其中較粗顆粒因重力過大依舊不能進入溢流區(qū),尾礦中粗粒級占比增加,間接導致尾礦平均粒徑增大。

2.1.2 表觀氣速對粗粒輝鉬礦水力浮選影響

在表觀水速為2.55 cm/s、床層高度為40 cm、進料速度為1 L/min、進料高度為30 cm的條件下,考察表觀氣速對粗粒輝鉬礦水力浮選的影響,結果見圖3。

圖3 表觀氣速對粗粒輝鉬礦水力浮選指標的影響Fig.3 Influence of the superficial gas velocity on indexes in hydrofloat flotation for molybdenite

分析圖3可知:表觀氣速從0.21 cm/s增加到0.64 cm/s,拋尾率與精礦Mo品位分別從55.40%、0.158%降低到12.23%、0.083%;精礦Mo回收率從94.42%增加到98.22%,而尾礦Mo品位則是先從0.008%降低到0.006%再增加到0.011%;精、尾礦分級現象明顯,精礦平均粒徑逐漸增加,尾礦平均粒徑逐漸降低。值得注意的是,當表觀氣速為0.42 cm/s時,精礦Mo回收率可達96.48%,拋尾率41.78%,尾礦Mo品位低至0.006%,低于選廠尾礦Mo品位。綜合考慮,確定適宜的表觀氣速為0.42 cm/s。

表觀氣速影響床層膨脹率與氣泡尺寸。表觀氣速增大,成泡數量增加。使得氣泡與顆粒間黏附概率增加,氣-固聚合體有效密度大幅降低,進而上浮進入溢流區(qū)的概率提高。除此之外,表觀氣速越大,床層膨脹率越大,床層內部間隙變大,目的礦物顆粒和脈石顆粒上升阻力減小,從而更易隨上升水流進入精礦區(qū)。因此,隨表觀氣速增加,精礦Mo回收率、精礦平均粒徑增加,拋尾率、精礦Mo品位及尾礦平均粒徑逐漸降低。但是當表觀氣速進一步增加至0.64 cm/s時,浮選湍流程度增加且氣泡尺寸變大,氣泡易從顆粒表面脫附,不利于目的礦物顆粒礦化上浮至溢流區(qū)而沉降到脫水區(qū)成尾礦,因此尾礦Mo品位增加。

2.1.3 床層高度對粗粒輝鉬礦水力浮選影響

在表觀水速為2.55 cm/s、表觀氣速為0.42 cm/s、進料速度為1 L/min、進料高度為30 cm的條件下,考察床層高度對粗粒輝鉬礦水力浮選的影響,結果見圖4。

圖4 床層高度對粗粒輝鉬礦水力浮選指標的影響Fig.4 Influence of the bed height on indexes in hydrofloat flotation for molybdenite

分析圖4可知:床層高度從25 cm增加到45 cm,精礦Mo回收率從88.26%增加到98.22%,而拋尾率、精礦Mo品位與尾礦Mo品位均逐漸降低,分別從64.97%、0.177%、0.013%降低到15.74%、0.082%、0.008%;精、尾礦分級現象明顯,精礦平均粒徑逐漸增加,尾礦平均粒徑逐漸降低。綜合考慮,確定適宜的床層高度為40 cm。

床層高度直接決定礦化顆粒的上升距離。床層越高,從流化床層表面進入溢流區(qū)的距離越短,目的礦物越容易進入精礦區(qū),而脈石礦物同樣更易隨上升水流進入精礦區(qū)。因此床層越高,精礦Mo回收率、精礦平均粒徑越大,而拋尾率、精尾礦品位越低,尾礦平均粒徑越小。

2.1.4 進料高度對粗粒輝鉬礦水力浮選影響

在表觀水速為2.55 cm/s、表觀氣速為0.42 cm/s、床層高度為40 cm、進料速度為1 L/min的條件下,考察進料高度對粗粒輝鉬礦水力浮選的影響,結果見圖5。

圖5 進料高度對粗粒輝鉬礦水力浮選指標的影響Fig.5 Influence of the feed height on indexes in hydrofloat flotation for molybdenite

分析圖5可知:進料高度從20 cm增加到40 cm,精礦Mo回收率與尾礦Mo品位分別從92.20%、0.009%增加到97.88%、0.014%;而拋尾率與精礦Mo品位從58.67%、0.159%降到10.77%、0.078%;精、尾礦分級現象明顯,精礦平均粒徑略微增加,尾礦平均粒徑略微降低。綜合考慮,確定適宜的進料高度為30 cm。

進料高度越高,進料口的顆粒離溢流區(qū)越近,導致目的顆粒與脈石顆粒不經過流態(tài)化區(qū)的分選直接隨上升水流進入溢流區(qū)的概率增大,因此精礦Mo回收率提高、精礦Mo品位降低;其中脈石顆粒進入溢流區(qū)的占比顯著升高導致拋尾率降低,大量尾礦進入溢流區(qū)導致尾礦中脈石顆粒占比降低,因此尾礦Mo品位相對增加。類似地,進料高度越高,越多較粗顆粒可直接隨上升水流進入溢流區(qū),因此精礦平均粒徑增加,尾礦平均粒徑降低。

2.1.5 進料速度對粗粒輝鉬礦水力浮選影響

在表觀水速為2.55 cm/s、表觀氣速為0.42 cm/s、進料高度為30 cm、床層高度為40 cm的條件下,考察進料速度對粗粒輝鉬礦水力浮選的影響,結果見圖6。

圖6 進料速度對粗粒輝鉬礦水力浮選指標的影響Fig.6 Influence of the feed speed on indexes in hydrofloat flotation for molybdenite

分析圖6可知:進料速度從1.0 L/min增加到3.0 L/min,拋尾率與精礦Mo品位從62.28%、0.182%降到31.82%、0.100%,尾礦Mo品位逐漸從0.008%增加到0.012%,而精礦Mo回收率先略微增加后降低;精、尾礦分級現象明顯,精礦平均粒徑略微增大,尾礦平均粒徑略微減小。綜合考慮,確定適宜的進料速度為1 L/min。

進料速度影響床層密度。進料速度增大,床層密度增大,床層內部間隙變小,阻礙顆粒沉降,因此原本無法上浮的含有微量鉬元素的大顆?？缮细≈烈缌鲄^(qū),導致精礦Mo回收率略微增加,精礦平均粒徑增大,拋尾率、精礦Mo品位降低;同時導致大量粗粒脈石顆粒上浮進入溢流區(qū),尾礦中粗粒脈石顆粒占比降低,尾礦Mo品位相對增加、尾礦平均粒徑減小。

2.2 表面暴露率分析

為進一步研究粗粒輝鉬礦水力浮選的分選效果,對表觀水速為2.55 cm/s、表觀氣速為0.42 cm/s、床層高度為40 cm、進料速度為1 L/min,進料高度為30 cm條件下得到的精、尾礦單個顆粒進行了光學顯微鏡掃描,結果見圖7。

圖7 輝鉬礦精、尾礦顆粒光學顯微鏡分析結果Fig.7 Analysis results of molybdenite concentrate and tailings particles with optical microscope

使用ImageJ軟件測量精、尾礦顆粒的表面暴露率,結果表明:水力浮選精礦顆粒表面暴露率為1.97%,尾礦顆粒表面暴露率較低,為0.22%。對比發(fā)現,水力浮選能回收絕大數表面暴露率大于2%的輝鉬礦。這表明粗粒輝鉬礦水力浮選的分選效果良好,較粗粒級下可有效回收含鉬顆粒的連生體,避免有價礦物大量損失,同時大量拋出脈石顆粒。

3 結 論

(1)利用新型直徑100 mm的板式空化水力浮選機,針對河南某輝鉬礦開展了粒度上限達1.0 mm的粗粒分選預拋尾試驗。在表觀水速為2.55 cm/s、表觀氣速為0.32 cm/s、床層高度為40 cm、進料速度為1 L/min、進料高度為30 cm的條件下,精礦Mo回收率高達96.48%,拋尾率41.78%,尾礦Mo品位降低至0.006%,低于選廠浮選尾礦品位。

(2)水力浮選精、尾礦分級現象明顯,較粗粒級下可有效回收含鉬顆粒的連生體,同時大量拋出脈石顆粒,粗粒鉬礦水力浮選效果為粒度分級與界面分選協(xié)同作用結果。

(3)利用水力浮選工藝進行粗顆粒鉬礦預拋尾可顯著降低球磨機返砂量,在降低噸礦磨礦能耗的同時提高現有工藝處理能力,具有工業(yè)推廣應用價值。