剛果(金)高泥氧化銅礦的絮凝沉降試驗(yàn)研究及技改應(yīng)用

謝 添 劉芳斌 童 雄 邱冠周

(1.昆明理工大學(xué)，昆明 650504； 2.中南大學(xué)，長沙 410083； 3.中鐵資源集團(tuán)有限公司，北京 100039)

選擇性絮凝是指固體顆粒在活性物質(zhì)或高分子聚合物作用下，通過選擇性吸附、架橋等作用凝聚成大顆粒絮團(tuán)。聚丙烯酰胺(PAM)是一種優(yōu)良的絮凝劑，因其分子結(jié)構(gòu)側(cè)鏈存在酰胺基(=CONH2)，使其化學(xué)性質(zhì)特別活潑，可以跟許多物質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，所以它的用途非常廣[4-6]。本文首先對(duì)不同聚丙烯酰胺分別進(jìn)行含高泥氧化銅浸出液的沉降試驗(yàn)，確定最佳沉降效果下絮凝劑種類、用量及礦漿濃度等參數(shù)指標(biāo)，再針對(duì)濃密機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造優(yōu)化，并取得了較好的效果，可對(duì)同類高泥氧化銅浸出礦漿的絮凝沉降提供生產(chǎn)指導(dǎo)和技術(shù)參考。

1 絮凝劑選型

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 礦漿原料

試驗(yàn)材料來自于中鐵資源集團(tuán)剛果(金)某生產(chǎn)礦山氧化銅礦，主要為孔雀石及藍(lán)銅礦，其次為硅孔雀石、藍(lán)銅礦、黑銅礦、赤銅礦，以及少量的黃銅礦、斑銅礦、輝銅礦、藍(lán)輝銅礦、褐鐵礦和赤鐵礦等礦物，脈石礦物主要為石英，其次為鎂綠泥石、高嶺石、云母、滑石等黏土礦物及白云石等碳酸鹽礦物。

原礦主要化學(xué)組成如表1所示，原礦主要化學(xué)物相分析如表2所示，將原礦在pH為1.8，礦漿濃度20%、礦石粒度-0.074 mm占81.63%的環(huán)境下浸出4 h，浸渣洗滌、過濾、烘干后分析銅品位，其原礦礦漿浸出結(jié)果如表3所示。

表1 原礦主要化學(xué)成分組成

表2 原礦銅物相分析

表3 原礦樣品浸出試驗(yàn)結(jié)果

從生產(chǎn)現(xiàn)場選取經(jīng)過圓錐破碎機(jī)中碎后-20 mm礦樣，分10個(gè)粒級(jí)進(jìn)行濕篩分，篩后各粒級(jí)見表4所示。從表4中可知，-0.074 mm粒級(jí)產(chǎn)率占比合計(jì)為18.96%，+0.038～-0.5 mm粒級(jí)產(chǎn)率占比合計(jì)為15.77%，-0.038 mm粒級(jí)產(chǎn)率占比14.41%，由此可見，該原礦樣含泥量較大。

表4 -20 mm礦石粒級(jí)分布

1.1.2 試劑原料

大信號(hào)掩蓋技術(shù)是一種利用強(qiáng)功率、顯著參數(shù)特征掩蓋信道中的有用信號(hào)，增加非合作方截獲有用信號(hào)的難度，保障信號(hào)抗截獲性的技術(shù).但大信號(hào)消耗功率僅用來提升有用信號(hào)的抗截獲性，導(dǎo)致功率浪費(fèi).本文提出基于數(shù)據(jù)分級(jí)的大信號(hào)掩蓋技術(shù)，該技術(shù)可充分利用發(fā)射端功率.基于數(shù)據(jù)分級(jí)的大信號(hào)掩蓋原理如圖1所示.

根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際及原料礦石性質(zhì)，試驗(yàn)試劑采用剛果(金)某化工公司的三款聚丙烯酰胺(PAM)，絮凝劑種類及性質(zhì)如表5所示。

表5 絮凝劑種類性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)儀器與方法

1.2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)需要儀器：500 mL量筒、秒表、磁力攪拌器、燒杯、天平、20 mL注射器。

1.2.2 試驗(yàn)方法

配制絮凝劑試劑：分別將三種不同絮凝劑準(zhǔn)確稱量0.2 g，加入100 g蒸餾水中，放置磁力攪拌器上攪拌2 h，配制濃度為0.2%的絮凝劑。

配制不同濃度礦漿：礦石粒度為-0.074 mm占81.63%的干礦，分別配置濃度為20%、30%和35%的礦漿多份，攪拌均勻，滴加硫酸控制溶液pH始終保持為1.8，浸出時(shí)間4 h。

取容量為500 mL透明玻璃量筒數(shù)只，洗凈晾干，在量筒外壁粘貼坐標(biāo)紙。將浸出后不同濃度的礦漿加入500 mL量筒內(nèi)，封住量筒上口倒置振蕩3次。使用注射器滴加一定劑量的絮凝劑，再次封住量筒的上口，來回倒置振蕩3次，使絮凝劑與浸出后礦漿充分混合均勻，放置在水平操作臺(tái)面，同時(shí)用秒表計(jì)時(shí)，每隔5 s記錄沉降高度，繪制沉降高度與時(shí)間的關(guān)系圖。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

1.3.1 自然沉降

使用相同條件下浸出4 h后浸出濃度為20%的浸出礦漿作為試驗(yàn)樣品，不添加絮凝劑時(shí)進(jìn)行沉降試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，沉降60 min時(shí)，沉降高度為13.08 cm，平均沉降速度為0.218 cm/min。這說明，浸出礦漿自然沉降時(shí)其速度較為緩慢，在濃密生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)，必須添加一定劑量的絮凝劑加快沉降速度，以達(dá)到固液分離的有效性和連續(xù)性。

圖1 濃度為20%的浸出礦漿自然沉降曲線Fig.1 Natural settlement curve of leaching slurry with a concentration of 20%

1.3.2 絮凝作用

為了探究絮凝劑用量和礦漿濃度對(duì)沉降的影響，試驗(yàn)分別在濃度為20%、30%和35%的浸出礦漿中添加不同劑量的絮凝劑，并作出沉降高度與沉降時(shí)間的關(guān)系圖。

圖2 礦漿濃度為20%，絮凝劑用量為100 g/t礦和 150 g/t礦下的沉降結(jié)果Fig.2 Settlement results under slurry concentration of 20%， the dosage of flocculants is 100 g/t and 150 g/t

礦漿濃度為20%，絮凝劑用量為100 g/t礦和150 g/t礦的沉降試驗(yàn)如圖2所示。從圖中可知，三種絮凝劑均對(duì)浸出礦漿具有絮凝沉降作用，劑量為150 g/t礦時(shí)，沉降60 s后，礦漿的沉降高度均達(dá)到了17.02 cm，在相同劑量不同絮凝劑作用下，礦漿平均沉降速度為0.28 cm/s，其中AN905型絮凝劑沉降效果略佳；劑量為100 g/t礦時(shí)，沉降60 s后，礦漿的沉降高度明顯較小，礦漿平均沉降速度分別為：VA1208=0.23 cm/s，VAK1614=0.22 cm/s，VAN905=0.25 cm/s，AN905型絮凝劑具有較好的沉降效果。

圖3 礦漿濃度為30%，絮凝劑用量為100 g/t礦和 150 g/t礦下的沉降結(jié)果Fig.3 Settlement results under slurry concentration of 30%，the dosage of flocculants is 100 g/t and 150 g/t

礦漿濃度為30%，絮凝劑用量為100 g/t礦和150 g/t礦的沉降試驗(yàn)如圖3所示。從圖中可知，在不同絮凝劑型號(hào)、劑量和礦漿濃度條件下，沉降效果有顯著的差異性。絮凝劑劑量為150 g/噸礦時(shí)，在三種絮凝劑作用下，礦漿平均沉降速度分別為：VA1208=0.22 cm/s，VAK1614=0.18 cm/s，VAN905=0.23 cm/s；絮凝劑劑量為100 g/噸礦時(shí)，礦漿平均沉降速度分別為：VA1208=0.18 cm/s，VAK1614=0.12 cm/s，VAN905=0.19 cm/s，礦漿濃度對(duì)沉降效果有明顯的影響，濃度越高，沉降效果越差。

圖4 礦漿濃度為35%，絮凝劑用量為100 g/t礦和 150 g/t礦下的沉降結(jié)果Fig.4 Settlement results under slurry concentration of 35%， the dosage of flocculants is 100 g/t and 150 g/t

礦漿濃度為35%，絮凝劑用量為100 g/t礦和150 g/噸礦的沉降試驗(yàn)如圖4所示。從圖中可知，當(dāng)?shù)V漿濃度提高至35%時(shí)，礦漿沉降效果比較差，絮凝劑劑量為150 g/t礦時(shí)，在三種絮凝劑作用下，礦漿平均沉降速度分別為：VA1208=0.17 cm/s，VAK1614=0.12 cm/s，VAN905=0.17 cm/s；絮凝劑劑量為100 g/t礦時(shí)，礦漿平均沉降速度分別為：VA1208=0.08 cm/s，VAK1614=0.07 cm/s，VAN905=0.08 cm/s，沉降速度非常緩慢，在此濃度下絮凝劑幾乎不起絮凝作用。

從上述試驗(yàn)可知，選擇1 800～2 300萬分子量的AN905型的絮凝劑，對(duì)高泥氧化銅浸出礦漿具有較好的沉降作用，單耗用量為100 g/t礦，能滿足生產(chǎn)濃縮作業(yè)要求。

2 濃密機(jī)改造

2.1 高效濃密機(jī)的作用機(jī)理

在高泥氧化銅礦浸出礦漿的濃縮過程中，采用了1臺(tái)Ф18 m和4臺(tái)Ф15 m的高效濃密機(jī)對(duì)浸出礦漿進(jìn)行濃縮洗滌作業(yè)。高效濃密機(jī)具有加快礦漿沉降、提高濃縮效率的目的[7]。因?yàn)槠胀饷軝C(jī)的中心給礦筒較短，礦漿進(jìn)入濃密機(jī)內(nèi)沉降時(shí)起始彌散點(diǎn)高，沉降層相對(duì)較高，清水層相對(duì)較小，礦漿自然沉降速度較慢，當(dāng)?shù)V漿量大且有波動(dòng)時(shí)，易造成沉降效果較差，溢流易跑渾；而高效濃密機(jī)中心筒較長，加有絮凝劑作用形成絮凝層，當(dāng)?shù)V漿進(jìn)入絮凝層下面能快速絮凝沉降，當(dāng)?shù)V漿上升時(shí)，上面有絮凝層作用，不斷有新的絮凝團(tuán)吸附黏合成大團(tuán)，其重力超過上升礦漿力量而沉降，水從絮凝層中溢出，從而達(dá)到高效快速沉降的效果[8]。

1—傳動(dòng)裝置；2—傳動(dòng)軸；3—耙架； 4—濃密機(jī)筒體；5—中心筒圖5 濃密機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Thickner structural diagram

Φ18 m高效濃密機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示，主要由傳動(dòng)裝置、傳動(dòng)軸、耙架和筒體構(gòu)成。隨著生產(chǎn)系統(tǒng)工藝和設(shè)備的創(chuàng)新改造，現(xiàn)有處理量最大能達(dá)到4 300 t/d，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值的2 000 t/d，處理量大幅度提升加上礦石中較高的含泥量很容易造成濃密機(jī)溢流的跑渾，通過對(duì)濃密機(jī)部分結(jié)構(gòu)的改造優(yōu)化，不僅解決了濃密機(jī)溢流跑渾的問題，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，而且降低絮凝劑的用量指標(biāo)，增加經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 中心筒改造

如圖6所示，經(jīng)過混合絮凝劑的礦漿進(jìn)入中心筒后，在絮凝作用下沉降進(jìn)入濃密機(jī)槽體，經(jīng)耙架刮料后進(jìn)入濃密機(jī)底部濃縮區(qū)。為了避免礦漿進(jìn)入濃密機(jī)時(shí)產(chǎn)生氣泡，給礦管往往設(shè)置在入料槽溢流液面以下，給礦管以單管或雙管從切線方向進(jìn)入中心筒，有利于礦漿、水、絮凝劑在中心筒混合[9]。在經(jīng)過工藝技術(shù)改造后，生產(chǎn)礦石處理能力顯著提高，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入濃密機(jī)中心筒的礦漿量加大，礦漿進(jìn)入中心筒時(shí)就會(huì)沿切線方向沖出中心筒外圍，隨著中心筒外圍未添加絮凝劑的礦漿量越來越大，顆粒聚集而無法下沉，就很容易造成濃密機(jī)跑渾。

圖6 濃密機(jī)俯視圖(a、b、c、d分別為絮凝劑投料點(diǎn))Fig.6 Top view of thickner (a、b、c、d are the feeding points of flocculants)

改造后的中心筒整圈加高300 mm，利用壁厚為4 mm的316 L不銹鋼卷成與中心筒相同直徑大小，焊接在現(xiàn)有中心筒上，以此加高濃密機(jī)中心筒高度，使得礦漿在高速?zèng)_擊作用下仍不會(huì)溢出中心筒外圍，礦漿顆粒經(jīng)絮凝劑作用下絮凝下沉，在一定程度上避免了跑渾的情況。

2.3 絮凝劑添加點(diǎn)改造

一是改變絮凝劑投加方式，將絮凝劑從溢流液面上端添加。圖7為濃密機(jī)絮凝劑添加組件圖，其中絮凝劑管道分為4個(gè)投料點(diǎn)a、b、c、d(見圖6)，絮凝劑從溢流液面下端添加與礦漿充分混合。剛果(金)當(dāng)?shù)仉娏l件不足，常常出現(xiàn)突然停電導(dǎo)致生產(chǎn)全線停機(jī)，由于絮凝劑管道處于液面下端，線路的突然停電很容易使絮凝劑管道倒吸一部分礦漿，礦漿在輸送管道內(nèi)絮凝成團(tuán)，凝固后非常容易堵塞添加管道，從而影響礦漿沉降效果。改造后，絮凝劑輸送管處于溢流液面下的部分截?cái)?，調(diào)整為從液面上部添加絮凝劑，解決了因瞬間停電造成的倒吸問題。實(shí)踐表明，從濃密機(jī)溢流液面上端添加絮凝劑對(duì)濃縮過程無影響，不影響礦漿顆粒的沉降作用。

1-絮凝劑主管；2-絮凝劑管道；3、4、5、6-管道支撐圖7 濃密機(jī)絮凝劑添加組件Fig.7 Thickener flocculants adding component

二是調(diào)整濃密機(jī)絮凝劑添加點(diǎn)，即取消a和c的添加點(diǎn)，把流量主要控制在b、d兩點(diǎn)。在做絮凝劑沉降試驗(yàn)時(shí)，雖然在量筒內(nèi)很容易做到充分混合，但是相同數(shù)量的絮凝劑，分幾次加入的效果明顯比一次加入好，在工業(yè)生產(chǎn)中絮凝劑就必須多點(diǎn)添加，主要集中在給礦管，也可以多點(diǎn)投加至中心筒位置[9]。如圖6所示，礦漿經(jīng)過a、b、c、d四個(gè)絮凝劑添加點(diǎn)后進(jìn)入中心筒，給礦管往往處于濃密機(jī)入料槽的中間，即處于a、b的中間位置，礦漿沿切線在c、d點(diǎn)混合絮凝劑后下沉進(jìn)入壓縮區(qū)，絮凝劑添加點(diǎn)的設(shè)計(jì)也滿足了濃密機(jī)礦漿的沉降理論。我們進(jìn)一步分析礦漿顆粒在濃密機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，礦漿從濃密機(jī)入料槽進(jìn)入濃密機(jī)中心筒并在絮凝劑的作用下沉降，部分未混合絮凝劑的顆粒繼續(xù)沿著中心筒運(yùn)動(dòng)，即礦漿在高效濃密機(jī)中心筒的流動(dòng)速度是每個(gè)瞬間遞減的，其速度梯度是沿水流的法線方向變化的?？梢婋S著時(shí)間和流動(dòng)行程的的延續(xù)，經(jīng)過t秒后，礦漿流動(dòng)的橫向速度Vob=Voc=0，只有Vob=0時(shí)才能加快礦粒的下沉速度，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖8所示，圖中可知礦漿橫向運(yùn)動(dòng)速度消失得越早，其運(yùn)動(dòng)行程越短，沉降效果越好[10]。

圖8 礦漿顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.8 Particle movement state of leaching slurry

依據(jù)礦漿在濃密機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)合絮凝劑添加點(diǎn)位置和沉降理論分析，改造后取消a和c的添加點(diǎn)，把流量主要控制在b、d兩點(diǎn)，是因?yàn)榈V漿通過b點(diǎn)后大部分的顆粒已經(jīng)絮凝成團(tuán)沉降，橫向速度逐漸遞減且沒有被絮凝劑捕獲的小顆粒沿著切線繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過c、d兩點(diǎn)，再混合少量的絮凝劑后將剩余部分顆粒全部捕獲并絮凝成團(tuán)繼續(xù)下沉，c、d兩點(diǎn)的作用均是為了作用剩余未絮凝部分的礦漿顆粒，c點(diǎn)距離a點(diǎn)位置近，添加絮凝劑后起效果并不明顯，所以利用d點(diǎn)添加絮凝劑滿足了溢流表面所有顆粒的沉降作用，保證了沉降效果。經(jīng)過工業(yè)試驗(yàn)，并取樣檢測溢流料液的固體懸浮物含量，結(jié)果表明，添加點(diǎn)僅使用b、d兩點(diǎn)時(shí)，溢流料液最清澈，固體懸浮物含量最低，為6.47 mg/L，絮凝劑單耗也從噸礦100 g降低至噸礦消耗90 g。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益

改造前，礦漿浸出濃度必須嚴(yán)格控制在25%左右，否則濃縮過程很容易跑渾，增加了絮凝劑的用量，濃縮過程的不穩(wěn)定也成為限制處理量的新瓶頸。改造后，浸出礦漿濃度可提高至30%左右，濃密機(jī)未出現(xiàn)跑渾情況，絮凝劑生產(chǎn)單耗從100 g/t礦降低至90 g/t礦。按照企業(yè)礦石年處理量90萬t，絮凝劑單價(jià)28 704元/t計(jì)算，一年至少能節(jié)約生產(chǎn)成本達(dá)258 336元，濃縮過程穩(wěn)定順暢對(duì)提高礦石處理量也有很大的作用，礦石年處理量較改造前提高9.79%，較設(shè)計(jì)值提高32.97%，提前一個(gè)月完成年計(jì)劃處理量指標(biāo)，相當(dāng)于企業(yè)每年至少多產(chǎn)銅2 000 t，擴(kuò)大產(chǎn)品產(chǎn)能，創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

1)選擇1 800～2 300萬分子量的AN905型的絮凝劑，對(duì)剛果(金)高泥氧化銅浸出礦漿具有較好的沉降作用，能較好地滿足生產(chǎn)濃縮作業(yè)要求。

2)根據(jù)絮凝劑沉降試驗(yàn)，建議生產(chǎn)浸出礦漿最佳濃度為20%，在該條件下AN905型絮凝劑生產(chǎn)單耗為100 g/t礦，沉降效果最佳。

3)通過改造加高濃密機(jī)中心筒高度、改變絮凝劑投加方式和調(diào)整絮凝劑添加點(diǎn)，能有效解決高泥氧化銅浸出礦漿在濃縮過程中的絮凝沉降問題，減少有價(jià)金屬量的溢流損失，提高生產(chǎn)礦石處理量，絮凝劑用量進(jìn)一步降低10 g/t礦，實(shí)現(xiàn)企業(yè)良好的經(jīng)濟(jì)效益。