干扰床用于磷矿分选的初步探讨

2018-07-12张吉清

中国矿业 2018年7期

张吉清

(河北寰球工程有限公司，河北涿州 072750)

干扰床分选技术在国内研究起步较晚，从国外引进的干扰床最先用于选煤厂的分级，之后的应用研究对象主要是粗煤泥[1-3]，其可以实现1.5～0.125 mm级煤泥的有效分选，有效分选密度为1 400～1 900 kg/m3[4]。然而，干扰床在磷矿分选中的应用较少，与煤泥相比，磷矿的性质有很大的不同，磷矿中各组分的密度相差较小且各组分之间相互嵌布，这就会导致通过干扰床对磷矿分选实现有用矿物的富集存在一定的难度。在干扰床设备的开发上，国内外通过生产实践开发出了各种形式的干扰床：圆锥干扰床、斜板干扰床、Stockes干扰床、Lewis干扰床、Linatex干扰床、Allflux干扰床、CrossFlow干扰床等[5-7]。本研究根据磷矿在CrossFlow型干扰床上的实践来考察其分选效果。

1　干扰床的分层分选

干扰床主要是根据沉降速度与上升水流速度存在差别来进行分选。当沉降速度高于上升水流速时，颗粒就进入了底流；当沉降速度低于上升水流速时，颗粒就进入了溢流，从而实现分选。在不受外界环境影响的情况下，不同颗粒都具有各自的自由沉降速度，计算自由沉降速度的一般公式见式(1)。

(1)

式中：d为颗粒直径；δ为颗粒密度；ρ为流体密度；CD为阻力系数；g为重力加速度。

式(1)是单纯通过物理方法推导得到，并不能用于进行实际计算和应用，目前广泛应用的有三种不同流体状态的自由沉降速度计算方法(斯托克斯公式、阿连公式和牛顿公式)[8]，而这些沉降速度的计算主要受到颗粒的粒度大小和其密度影响。

通过对CrossFlow型干扰床的研究，将干扰床从上到下分为4个区，分别为进料溢流区(Feed & Overflow Zone A)、动态流化区(Dynamic Teeter Zone B)、静态流化区(Static Teeter Zone C)和卸料区(Discharge Zone D)，见图1。

图1　干扰床分区示意图

在进料溢流区(A)，矿浆通过干扰床顶部中间方形进料装置进入，部分已经松散的细粒级将会沿着上升水流进入到溢流，而大部分的矿浆进入流化区；在干扰床的两侧配置有溢流槽，所有小颗粒都将由此进入溢流。

在动态流化区(B)，给入的矿浆在此区域完全松散，颗粒处于悬浮状态，细颗粒随着上升水流进入溢流，粗颗粒则直接进入静态流化区，同时少部分的细颗粒会因为粗颗粒的夹带导致错配而进入静态流化区。

在静态流化区(C)，大部分的粗颗粒都在此处沉降下来最终进入卸料区。另外，上升水流通过粗颗粒之间的缝隙将错配的细颗粒重新返回动态流化区，从而实现深度分离。

在卸料区(D)，分选完成的粗颗粒在此处储存，通过卸料阀门控制排料。

2　干扰床的结构及工艺调控方法

CrossFlow型干扰床主要包括CrossFlow型进料槽(Feed Box)、溢流槽(Overflow Box)、方形流态槽体(Square Teetered Tank)、流化水管路(Teetered Water Manifold)、锥形卸料槽体(Taper Discharge Tank)、防涡器(Vortex Breaker)和卸料阀(Discharge Valve)，见图2。

图2　干扰床结构和控制系统图

CrossFlow型进料槽处于槽体上方的中心，为了降低对流态化床的影响，设计为具有缓冲作用的方形槽，从而防止矿浆直接进入床层影响分选。溢流槽分布在两边，保证充足的溢流堰长度。方形流态槽体是干扰床主体，保证颗粒的流态化，实现有效分选。流态化水管路均匀布置在方形流态槽体的下方，且在水管下方有均匀布置的出水孔，保证水流均匀向上方流出。锥形卸料槽体是矿浆密实卸料区。涡流水管的布置是为了辅助浓度较高的矿浆顺利从卸料阀排出。

干扰床的分选控制是基于流化床层密度和床位，来控制流态化水量和卸料阀开度，从而实现理想的分选效果。通过测量高差为H的两个压力点P1和P2，根据牛顿定律和压强公式可得到近似床层密度值ρ，见式(2)。

(2)

式中：H为两个压力测量点的高度差；P1为较高处测量点的压力；P2为较低处测量点的压力；g为重力加速度。

一定的流态化床层密度可让细小颗粒在上升水流的作用下沿着粗颗粒之间的缝隙溢流出去。为保持稳定的床层密度可通过调节流态化水量控制单位面积上升水流速来实现。同时，床位高度会影响到流态化床层的厚度，进而影响分选效果，床位高度L的计算见式(3)。

(3)

因此，只要获得了流化床层顶部和底部的压力以及顶部与底部之间的高度，就可以获得床层近似床位和密度，然后通过调节流态化水量和卸料阀门大小来调整床位和床层密度，从而实现分选目的。干扰床分选的目的是为了获得所要求的分选溢流和底流的粒度，同时在底流中实现P2O5的富集。要求：溢流中大于0.212 mm的含量为20%；底流中小于0.212 mm的含量小于10%，且小于0.038 mm的含量尽可能小。

3　磷矿性质对分选的影响

所研究的磷矿来自沙特阿拉伯北部地区，此磷矿石属于沉积岩型磷块岩，其物理性质和化学成分分别见表1和表2。

此种磷矿石的自然类型主要有两种：碳酸盐质砂屑磷块岩和硅质砂屑磷块岩。这些砂屑颗粒呈扁圆状和次圆状，多数粒径大小在0.1～0.3 mm之间，占磷质颗粒的80%左右，构成磷块岩的主要成分是胶磷矿。脉石矿物主要是方解石、石英和玉髓，其中方解石粒径大小在0.06～0.1 mm之间，主要嵌布于砂屑磷块岩的胶结物中，而石英和玉髓也以胶结物的形式分布于胶磷矿砂屑颗粒空隙中，构成硅质砂屑磷块岩。此磷矿石的嵌布复杂，对P2O5进行富集存在一定的难度。表3为干扰床进料中各个粒级的P2O5品位。

表1　磷矿石物理参数

表2　磷矿石化学成分分析

表3　干扰床进料的粒度分布和P2O5品位

由表3可知，磷矿石粒级在0.212～0.710 mm之间的P2O5品位最高，而在其他粒级中的磷品位相对较低，可通过脱除小于0.212 mm的颗粒来实现P2O5的富集。对于是否存在按密度分选，需要做进一步的分析。

利用ERIEZ的XF-3050干扰床进行研究，在此干扰床的进料量为270 t/h、进料浓度为38%、流化床密度为1.4 g/cm3、床位1.35 m的情况下，进行磷矿石的分选试验，在分选后的进料、底流和溢流中，对粒级为0.710～0.212 mm和0.212～0.150 mm的化学成分进行分析，分析结果见图3和图4。

图3　粒级为0.710～0.212 mm的成分分析

图4　粒级为0.212～0.15 mm的成分分析

表4　胶磷矿与脉石矿物的真密度

4　干扰床的调控

干扰床的床位和床层密度都会对分选效果产生影响。当床位较高时，从进料槽进入的粗颗粒会因为来不及流化分选而直接从溢流排出，从而导致分级粒度变大；当床位较低时，细颗粒进入溢流槽的路径变长，阻力变大，来不及分选而进入底流中，从而导致分级粒度变小。密度较高时，颗粒的松散度会下降，流动性降低，在干扰床某些部位形成死角，影响了分级的有效面积，从而降低干扰床的处理量；当密度较低时，细颗粒的错配概率增加，且通过粗颗粒缝隙进行深度分选的效果降低，底流中细粒级含量会有所增加。因此，床位和床层密度会同时影响底流细粒级的含量和溢流中粗粒级的含量。只有两者在合适的值才能达到较好的分选效果。

当干扰床的进料量270 t/h，进料浓度为38%，不同的床位和床层密度对干扰床的分选影响见表5。

由表5可知：床位从1.22 m增加到1.4 m时，在溢流中，大于0.212 mm的含量从17.4%增加到31.38%；床层密度从1.6 g/cm3减小到1.43 g/cm3时，小于0.212 mm的含量从3.57%增加到6.36%，小于0.038的含量从0.22%增加到3.07%；当床层密度大于1.6 g/cm3时，在干扰床侧壁处有大量的颗粒聚集滞留，这就影响了分选空间，导致处理能力降低。另外，在底流中P2O5品位得到富集，最高达到24.44%。由此，当床位为1.3 m，床层密度为1.5 g/cm3时，可获得较好的分级效果，即溢流中+0.212 mm的含量为20.28%，P2O5品位降低到20.65%；底流中小于0.212 mm的含量为6.24%，小于0.038 mm的含量为1.59%，P2O5品位增加到24.44%。

针对处理量变化对分级效果的影响进行了探讨。当进料量为270 t/h和135 t/h、进料浓度都控制在38%附近，床层密度1.55 g/cm3，床位1.35 m，底流和溢流的粒度分布情况分别见图5和图6。

由图5和图6可知，处理量相差一倍的情况下，干扰床底流和溢流的粒度分布并未发生较大的变化，且分级效果都处于较好的水平。这就说明，保证床位和床层密度是保证分级效果的关键因素。