開陽磷礦選礦系統(tǒng)工藝技改與應(yīng)用

諶洪建，姚 猛，黃 杰

貴州開磷有限責(zé)任公司 貴州貴陽 550302

開陽磷礦位于貴州省開陽縣金中鎮(zhèn)境內(nèi)，西南距省會貴陽市 88 km，是國家規(guī)劃礦區(qū)，包括沙壩土、馬路坪、牛趕沖、用沙壩、兩岔河和極樂 6個礦段。開磷集團(tuán)自 1988 年開始走“礦肥結(jié)合、礦化結(jié)合”道路以來，磷化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已有 30 余載。30 多年來，開陽磷礦依托磷礦石資源優(yōu)勢，磷化工產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大，擁有 350 萬 t/a 高質(zhì)量分?jǐn)?shù)磷復(fù)肥生產(chǎn)能力，配套建設(shè)有 400 萬 t/a 硫酸生產(chǎn)裝置、160 萬 t/a 磷酸生產(chǎn)裝置以及 5 萬 t/a 黃磷生產(chǎn)能力，消耗磷礦石約 500 萬 t/a。目前化工所需礦石運(yùn)輸方式為管道輸送，即將磷礦石制漿后通過輸漿管道運(yùn)至磷化工園區(qū)。

1 礦山選礦工藝

開陽磷礦磷礦石平均品位超過 32%，按酸法加工用磷礦技術(shù)指標(biāo) (HG/T 2673—1995)[1]屬Ⅱ類優(yōu)等品磷礦石，但其平均鎂磷比 (MgO：P2O5) 為 7.39%，遠(yuǎn)超Ⅱ類優(yōu)等品磷礦石鎂磷比不超 3.5% 的要求，只能達(dá)到Ⅱ類一等品磷礦石標(biāo)準(zhǔn)，即開陽磷礦礦石屬高品位磷礦，卻不是高品質(zhì)磷礦，其鎂含量過高。

2018 年以前，開陽磷礦采用坑口磷礦石 (不經(jīng)過選礦工藝) 生產(chǎn)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)磷復(fù)肥。隨著下游產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型升級，對高純度磷酸需求的增加，該礦于 2019年在大水工業(yè)園內(nèi)、緊鄰磷化工廠區(qū)，新增一套 500萬 t/a 的選礦裝置。它屬于已有磨礦系統(tǒng)與磷酸萃取之間增加的脫鎂選礦裝置項(xiàng)目，采用了浮選藥劑法去除氧化鎂的工藝。為了滿足浮選工藝的需要，該礦對磨礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)、細(xì)度 (各粒級占比分布) 工藝指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整，雖然達(dá)到了選礦工藝設(shè)計(jì)的要求和效果，但是同時也帶來了一系列的問題。該礦先后嘗試過各種改進(jìn)措施，均收效甚微。筆者針對開陽磷礦選礦系統(tǒng)升級改造過程中產(chǎn)生的一系列問題，探討分析了對應(yīng)的技改措施。

2 存在問題及原因分析

增加浮選裝置后，在選礦系統(tǒng)中有兩個突出問題，一是濃密機(jī)的運(yùn)行極不穩(wěn)定，經(jīng)常轉(zhuǎn)矩高，造成壓耙及損壞設(shè)備；二是過濾機(jī)精礦粉的產(chǎn)量大幅度減小，且含水率超標(biāo)。

2.1 濃密機(jī)

在選礦系統(tǒng)中，濃密機(jī)運(yùn)行中存在以下問題：

(1) 經(jīng)常出現(xiàn)溢流水跑渾現(xiàn)象；

(2) 轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)異常升高時，耙機(jī)自動頻繁提耙，且提耙高度達(dá)到最高；

(3) 濃密機(jī)提升絲桿軸頭螺紋損壞；此外，軸頭端面軸承損壞、提升電動機(jī)端蓋損壞、濃密機(jī)主軸法蘭螺栓剪切斷裂 3 種故障中，每月至少出現(xiàn) 1 次；

(4) 濃密機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩高壓耙事故，每次清理濃密機(jī)槽體至少需要 24 h，影響生產(chǎn)；清理槽體時加入新水，打破了化工水平衡。

針對濃密機(jī)存在的問題，采取了以下措施進(jìn)行整改：

(1) 調(diào)整絮凝劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及稀釋水量，改變添加稀釋水的位置；

(2) 上調(diào)提耙轉(zhuǎn)矩參數(shù)，以減少自動提耙的頻次；

(3) 對提升絲桿進(jìn)行熱處理，提高絲桿的強(qiáng)度和硬度；

(4) 改用更好的端面軸承；

(5) 在耙機(jī)旋轉(zhuǎn)主軸法蘭上焊接加強(qiáng)肋板，提高連接螺栓的強(qiáng)度等級。

采取上述措施后，效果收效甚微。濃密機(jī)制造廠家建議除了改造濃密機(jī)槽體外，還要更換濃密機(jī)所有的機(jī)械及電氣設(shè)備。初步估算，每臺濃密機(jī)的改造費(fèi)用在 100 萬元以上，改造周期在 30 d 左右。改造 5 臺濃密機(jī)投資大，且對生產(chǎn)造成很大的影響，該礦最終未采用濃密機(jī)整機(jī)更換的意見。

2.2 陶瓷過濾機(jī)

在選礦系統(tǒng)中，陶瓷過濾機(jī)運(yùn)行中存在以下問題：

(1) 精礦粉的產(chǎn)量大幅度下降，由每臺 50 t/h 下降到 15 t/h，總產(chǎn)量由 10 000 t/d 以上，下降為不到5 000 t/d；

(2) 精礦粉的含水率超標(biāo)，經(jīng)常大于含水率為13% 的指標(biāo)；

(3) 陶瓷過濾機(jī)陶瓷板容易堵塞，吸粉產(chǎn)量衰減速度快，增加了清洗的頻次及清洗藥劑的消耗量。

針對陶瓷過濾機(jī)存在的這些問題，采取了以下措施進(jìn)行整改：

(1) 選用不同孔徑的陶瓷板 (5、10、15、20、25μm) 進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前使用的是 5 μm，試驗(yàn)后選用15 μm，但是效果一般；

(2) 增加陶瓷板的線下清洗裝置，制作安裝硝酸池，拆卸陶瓷板放在硝酸里浸泡后進(jìn)行清洗；

(3) 更換 3 臺真空泵，以提高陶瓷過濾機(jī)的真空度；

(4) 調(diào)整陶瓷過濾機(jī)的進(jìn)漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

采取以上改進(jìn)措施后，精礦粉的產(chǎn)量沒有明顯提高，陶瓷板的吸粉衰減速度也沒有明顯改善。

2.3 工藝流程分析

為了從根本上解決上述問題，對增加浮選裝置前后的工藝流程進(jìn)行了對比分析，以期找到問題的根本原因。選礦系統(tǒng)中增加浮選裝置前后的工藝流程對比如圖 1 所示。

圖1 增加浮選裝置前后的工藝流程對比Fig.1 Comparison of process flow before and after addition of floatation device

增加浮選裝置前，破碎的礦石經(jīng)球磨機(jī)磨碎后進(jìn)入旋流器，旋流器溢流進(jìn)入濃密機(jī)進(jìn)行濃密，旋流器底流則重新進(jìn)入球磨機(jī)進(jìn)行研磨。濃密機(jī)濃密過后的底流礦漿進(jìn)入過濾機(jī)和萃取槽，以獲得礦粉。

增加浮選裝置后，旋流器溢流首先進(jìn)入浮選裝置進(jìn)行浮選，浮選尾礦進(jìn)入尾礦濃密機(jī)，濃縮后用于充填，浮選精礦則進(jìn)入添加了絮凝劑的濃密機(jī)進(jìn)行濃密。濃密后的底流再分別進(jìn)入過濾機(jī)和萃取槽以獲得精礦粉。

對增加浮選裝置前后磨機(jī)和濃密機(jī)的工藝指標(biāo)進(jìn)行了對比，結(jié)果如表 1 所列。

由表 1 可知，增加浮選裝置后，磨礦的工藝指標(biāo)發(fā)生了改變，磨機(jī)負(fù)荷由 120 t/h 提高到 170 t/h；磨頭及磨尾補(bǔ)加水水量作了調(diào)整，成品礦漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也由之前的 48%～50%，調(diào)整到 40%～45%；-0.150 mm含量由 84% 變?yōu)?78%，-0.074 mm 含量由 50% 變?yōu)?0%，成品漿的粒級分布發(fā)生了改變。磨礦是源頭，它的產(chǎn)品指標(biāo)直接影響到下游各工序的穩(wěn)定和產(chǎn)能，磨機(jī)所有指標(biāo)的設(shè)定，都是基于滿足浮選工藝要求。

表1 增加浮選裝置前后的工藝指標(biāo)對比Tab.1 Comparison of technical indexes before and after addition of floatation device

對于濃密機(jī)而言，進(jìn)漿量由 200 m3/h 變?yōu)?350～450 m3/h；以往不加絮凝劑及稀釋水，現(xiàn)要加 5‰ 絮凝劑；預(yù)處理量的增加，使得濃密機(jī)容易跑渾。要減少跑渾，只有減少濃密機(jī)的出漿量，加之礦漿的粗顆粒占比增高，使得濃密機(jī)轉(zhuǎn)矩增大，發(fā)生自動提耙，造成提升機(jī)構(gòu)過載損壞，以及發(fā)生壓耙事故。進(jìn)入精礦漿的超細(xì)顆粒的增加，使得陶瓷板容易發(fā)生堵塞，是造成吸粉衰減速度增加、清洗頻次增加、產(chǎn)量大幅度下降的根本原因。

3 浮選系統(tǒng)技改措施

3.1 技改方案

通過廣泛調(diào)研[2-4]并征求渣漿泵及旋流器制造商意見，開陽磷礦采用的技改方案是：在 1、2 號濃密機(jī)上新安裝 1 臺水力旋流器及配套的攪拌、泵送系統(tǒng)；在三期過濾廠房 30 m 平臺處新安裝 2 臺水力旋流器及配套的攪拌、泵送系統(tǒng)；對浮選精礦漿先經(jīng)旋流器濃縮分級，底流直接送至陶瓷過濾機(jī)制粉，溢流進(jìn)入濃密機(jī)提升其質(zhì)量分?jǐn)?shù)；根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，濃密機(jī)底流可送至磷酸調(diào)漿槽制酸，也可以送至過濾機(jī)制粉。

新增濃縮分級旋流器后的工藝流程如圖 2 所示。

圖2 增加水力旋流器后的工藝流程Fig.2 Process flow after addition of hydrocyclone

3.2 旋流器設(shè)備選型

確定技改方案后，需通過指標(biāo)核算旋流器選型。初選得到了 3 種不同規(guī)格砂嘴旋流器，根據(jù)其成本從低到高記為砂嘴 A、砂嘴 B 和砂嘴 C。以粒度 -0.074 mm 占 60%、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%～38% 的浮選磷精礦為試驗(yàn)原料，采用旋流器進(jìn)行分級濃縮試驗(yàn)[5-7]，在運(yùn)行壓力 0.16 MPa 的條件下，測量 3 種不同規(guī)格砂嘴旋流器的底流和溢流中底流產(chǎn)率和細(xì)度產(chǎn)率，結(jié)果如表2 所列。試驗(yàn)指標(biāo)：浮選磷精礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于 70%，分級底流產(chǎn)率大于 80%。

表2 不同規(guī)格的旋流器濃縮試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of thickening test with various-specification hydrocyclone

由表 2 可知，在精礦粒度 -0.074 mm 占 55.74%、進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 33.72% 的情況下，采用砂嘴 B 時，旋流器的底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到 70.74%，底流產(chǎn)率可達(dá) 81.59%，滿足試驗(yàn)的兩項(xiàng)指標(biāo)；采用砂嘴 A時，旋流器的底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到 75.76%，但底流產(chǎn)率降低到 78.67%，小于 80%，不滿足試驗(yàn)指標(biāo)；采用砂嘴 C 時，旋流器的底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為66.19%，小于 70%，亦不滿足試驗(yàn)指標(biāo)。經(jīng)過綜合比較，初步確定采用砂嘴 B 旋流器。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)砂嘴 B 旋流器的沉降效果，對其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 10% 的溢流進(jìn)行了沉降試驗(yàn)[5,8]，試驗(yàn)過程中沒有添加絮凝劑，不同時間點(diǎn)的澄清層高度如圖3 所示。

圖3 砂嘴 B 旋流器沉降試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of sedimentation test with hydrocyclone containing nozzle B

從圖 3 可以看出，在沉降至 5 400 s (90 min) 時，澄清層高度已達(dá)到了 61 mm，其沉降效果完全符合需求。

4 技改后運(yùn)行情況

通過增加旋流濃縮分級系統(tǒng)，以及對選礦廠的工藝流程、工藝指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)后，濃密機(jī)的運(yùn)行更加安全可靠。從 2020 年改造至今，未發(fā)生過提升絲桿損壞及壓耙事故；絮凝劑的添加量也由原來的 5‰ 降低到 2‰，每年節(jié)約成本幾十萬元；過濾機(jī)精礦粉的產(chǎn)量達(dá)到了日產(chǎn)量 1 萬 t 以上；過濾機(jī)清洗頻次的降低，減少了硝酸的用量，每年可節(jié)約成本上百萬元。

從長期應(yīng)用效果來看，技改后完全達(dá)到了濃縮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和產(chǎn)率的要求，后期工業(yè)化生產(chǎn)中，僅需控制磨礦粒度，使精礦粒度盡量控制在 -0.074 mm 占 55%左右，避免達(dá)到 -0.074 mm 占 60%，即可保證不影響旋流器的底流產(chǎn)率。

5 結(jié)語

為了解決開陽磷礦選礦廠增加浮選裝之后，濃密機(jī)和陶瓷過濾機(jī)出現(xiàn)的一系列問題，通過廣泛調(diào)研，提出了采用水力旋流器改善工藝流程的方案。經(jīng)過濃縮試驗(yàn)和沉降試驗(yàn)，確定選用砂嘴 B 旋流器，底流中精礦 -0.074 mm 質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá) 70.74%，底流產(chǎn)率可達(dá) 81.59%，符合選礦廠需求。

長期運(yùn)行結(jié)果表明，增加水力旋流器后，選礦系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定，絮凝劑和硝酸消耗量大幅度降低，精礦粉產(chǎn)量大幅度提高，大大降低了成本，增加了企業(yè)收入。