开阳磷矿选矿系统工艺技改与应用

谌洪建，姚 猛，黄 杰

贵州开磷有限责任公司 贵州贵阳 550302

开阳磷矿位于贵州省开阳县金中镇境内，西南距省会贵阳市 88 km，是国家规划矿区，包括沙坝土、马路坪、牛赶冲、用沙坝、两岔河和极乐 6个矿段。开磷集团自 1988 年开始走“矿肥结合、矿化结合”道路以来，磷化工产业的发展已有 30 余载。30 多年来，开阳磷矿依托磷矿石资源优势，磷化工产业不断发展壮大，拥有 350 万 t/a 高质量分数磷复肥生产能力，配套建设有 400 万 t/a 硫酸生产装置、160 万 t/a 磷酸生产装置以及 5 万 t/a 黄磷生产能力，消耗磷矿石约 500 万 t/a。目前化工所需矿石运输方式为管道输送，即将磷矿石制浆后通过输浆管道运至磷化工园区。

1 矿山选矿工艺

开阳磷矿磷矿石平均品位超过 32%，按酸法加工用磷矿技术指标 (HG/T 2673—1995)[1]属Ⅱ类优等品磷矿石，但其平均镁磷比 (MgO：P2O5) 为 7.39%，远超Ⅱ类优等品磷矿石镁磷比不超 3.5% 的要求，只能达到Ⅱ类一等品磷矿石标准，即开阳磷矿矿石属高品位磷矿，却不是高品质磷矿，其镁含量过高。

2018 年以前，开阳磷矿采用坑口磷矿石 (不经过选矿工艺) 生产高质量分数磷复肥。随着下游产品的转型升级，对高纯度磷酸需求的增加，该矿于 2019年在大水工业园内、紧邻磷化工厂区，新增一套 500万 t/a 的选矿装置。它属于已有磨矿系统与磷酸萃取之间增加的脱镁选矿装置项目，采用了浮选药剂法去除氧化镁的工艺。为了满足浮选工艺的需要，该矿对磨矿质量分数、细度 (各粒级占比分布) 工艺指标进行了调整，虽然达到了选矿工艺设计的要求和效果，但是同时也带来了一系列的问题。该矿先后尝试过各种改进措施，均收效甚微。笔者针对开阳磷矿选矿系统升级改造过程中产生的一系列问题，探讨分析了对应的技改措施。

2 存在问题及原因分析

增加浮选装置后，在选矿系统中有两个突出问题，一是浓密机的运行极不稳定，经常转矩高，造成压耙及损坏设备；二是过滤机精矿粉的产量大幅度减小，且含水率超标。

2.1 浓密机

在选矿系统中，浓密机运行中存在以下问题：

(1) 经常出现溢流水跑浑现象；

(2) 转矩出现异常升高时，耙机自动频繁提耙，且提耙高度达到最高；

(3) 浓密机提升丝杆轴头螺纹损坏；此外，轴头端面轴承损坏、提升电动机端盖损坏、浓密机主轴法兰螺栓剪切断裂 3 种故障中，每月至少出现 1 次；

(4) 浓密机出现转矩高压耙事故，每次清理浓密机槽体至少需要 24 h，影响生产；清理槽体时加入新水，打破了化工水平衡。

针对浓密机存在的问题，采取了以下措施进行整改：

(1) 调整絮凝剂的质量分数及稀释水量，改变添加稀释水的位置；

(2) 上调提耙转矩参数，以减少自动提耙的频次；

(3) 对提升丝杆进行热处理，提高丝杆的强度和硬度；

(4) 改用更好的端面轴承；

(5) 在耙机旋转主轴法兰上焊接加强肋板，提高连接螺栓的强度等级。

采取上述措施后，效果收效甚微。浓密机制造厂家建议除了改造浓密机槽体外，还要更换浓密机所有的机械及电气设备。初步估算，每台浓密机的改造费用在 100 万元以上，改造周期在 30 d 左右。改造 5 台浓密机投资大，且对生产造成很大的影响，该矿最终未采用浓密机整机更换的意见。

2.2 陶瓷过滤机

在选矿系统中，陶瓷过滤机运行中存在以下问题：

(1) 精矿粉的产量大幅度下降，由每台 50 t/h 下降到 15 t/h，总产量由 10 000 t/d 以上，下降为不到5 000 t/d；

(2) 精矿粉的含水率超标，经常大于含水率为13% 的指标；

(3) 陶瓷过滤机陶瓷板容易堵塞，吸粉产量衰减速度快，增加了清洗的频次及清洗药剂的消耗量。

针对陶瓷过滤机存在的这些问题，采取了以下措施进行整改：

(1) 选用不同孔径的陶瓷板 (5、10、15、20、25µm) 进行试验，试验前使用的是 5 µm，试验后选用15 µm，但是效果一般；

(2) 增加陶瓷板的线下清洗装置，制作安装硝酸池，拆卸陶瓷板放在硝酸里浸泡后进行清洗；

(3) 更换 3 台真空泵，以提高陶瓷过滤机的真空度；

(4) 调整陶瓷过滤机的进浆质量分数。

采取以上改进措施后，精矿粉的产量没有明显提高，陶瓷板的吸粉衰减速度也没有明显改善。

2.3 工艺流程分析

为了从根本上解决上述问题，对增加浮选装置前后的工艺流程进行了对比分析，以期找到问题的根本原因。选矿系统中增加浮选装置前后的工艺流程对比如图 1 所示。

图1 增加浮选装置前后的工艺流程对比Fig.1 Comparison of process flow before and after addition of floatation device

增加浮选装置前，破碎的矿石经球磨机磨碎后进入旋流器，旋流器溢流进入浓密机进行浓密，旋流器底流则重新进入球磨机进行研磨。浓密机浓密过后的底流矿浆进入过滤机和萃取槽，以获得矿粉。

增加浮选装置后，旋流器溢流首先进入浮选装置进行浮选，浮选尾矿进入尾矿浓密机，浓缩后用于充填，浮选精矿则进入添加了絮凝剂的浓密机进行浓密。浓密后的底流再分别进入过滤机和萃取槽以获得精矿粉。

对增加浮选装置前后磨机和浓密机的工艺指标进行了对比，结果如表 1 所列。

由表 1 可知，增加浮选装置后，磨矿的工艺指标发生了改变，磨机负荷由 120 t/h 提高到 170 t/h；磨头及磨尾补加水水量作了调整，成品矿浆的质量分数也由之前的 48%～50%，调整到 40%～45%；-0.150 mm含量由 84% 变为 78%，-0.074 mm 含量由 50% 变为60%，成品浆的粒级分布发生了改变。磨矿是源头，它的产品指标直接影响到下游各工序的稳定和产能，磨机所有指标的设定，都是基于满足浮选工艺要求。

表1 增加浮选装置前后的工艺指标对比Tab.1 Comparison of technical indexes before and after addition of floatation device

对于浓密机而言，进浆量由 200 m3/h 变为 350～450 m3/h；以往不加絮凝剂及稀释水，现要加 5‰ 絮凝剂；预处理量的增加，使得浓密机容易跑浑。要减少跑浑，只有减少浓密机的出浆量，加之矿浆的粗颗粒占比增高，使得浓密机转矩增大，发生自动提耙，造成提升机构过载损坏，以及发生压耙事故。进入精矿浆的超细颗粒的增加，使得陶瓷板容易发生堵塞，是造成吸粉衰减速度增加、清洗频次增加、产量大幅度下降的根本原因。

3 浮选系统技改措施

3.1 技改方案

通过广泛调研[2-4]并征求渣浆泵及旋流器制造商意见，开阳磷矿采用的技改方案是：在 1、2 号浓密机上新安装 1 台水力旋流器及配套的搅拌、泵送系统；在三期过滤厂房 30 m 平台处新安装 2 台水力旋流器及配套的搅拌、泵送系统；对浮选精矿浆先经旋流器浓缩分级，底流直接送至陶瓷过滤机制粉，溢流进入浓密机提升其质量分数；根据实际生产情况，浓密机底流可送至磷酸调浆槽制酸，也可以送至过滤机制粉。

新增浓缩分级旋流器后的工艺流程如图 2 所示。

图2 增加水力旋流器后的工艺流程Fig.2 Process flow after addition of hydrocyclone

3.2 旋流器设备选型

确定技改方案后，需通过指标核算旋流器选型。初选得到了 3 种不同规格砂嘴旋流器，根据其成本从低到高记为砂嘴 A、砂嘴 B 和砂嘴 C。以粒度 -0.074 mm 占 60%、质量分数为 30%～38% 的浮选磷精矿为试验原料，采用旋流器进行分级浓缩试验[5-7]，在运行压力 0.16 MPa 的条件下，测量 3 种不同规格砂嘴旋流器的底流和溢流中底流产率和细度产率，结果如表2 所列。试验指标：浮选磷精矿质量分数大于 70%，分级底流产率大于 80%。

表2 不同规格的旋流器浓缩试验结果Tab.2 Results of thickening test with various-specification hydrocyclone

由表 2 可知，在精矿粒度 -0.074 mm 占 55.74%、进料质量分数为 33.72% 的情况下，采用砂嘴 B 时，旋流器的底流质量分数可以达到 70.74%，底流产率可达 81.59%，满足试验的两项指标；采用砂嘴 A时，旋流器的底流质量分数可以达到 75.76%，但底流产率降低到 78.67%，小于 80%，不满足试验指标；采用砂嘴 C 时，旋流器的底流质量分数仅为66.19%，小于 70%，亦不满足试验指标。经过综合比较，初步确定采用砂嘴 B 旋流器。

为进一步检验砂嘴 B 旋流器的沉降效果，对其质量分数约为 10% 的溢流进行了沉降试验[5,8]，试验过程中没有添加絮凝剂，不同时间点的澄清层高度如图3 所示。

图3 砂嘴 B 旋流器沉降试验结果Fig.3 Results of sedimentation test with hydrocyclone containing nozzle B

从图 3 可以看出，在沉降至 5 400 s (90 min) 时，澄清层高度已达到了 61 mm，其沉降效果完全符合需求。

4 技改后运行情况

通过增加旋流浓缩分级系统，以及对选矿厂的工艺流程、工艺指标进行改进后，浓密机的运行更加安全可靠。从 2020 年改造至今，未发生过提升丝杆损坏及压耙事故；絮凝剂的添加量也由原来的 5‰ 降低到 2‰，每年节约成本几十万元；过滤机精矿粉的产量达到了日产量 1 万 t 以上；过滤机清洗频次的降低，减少了硝酸的用量，每年可节约成本上百万元。

从长期应用效果来看，技改后完全达到了浓缩质量分数和产率的要求，后期工业化生产中，仅需控制磨矿粒度，使精矿粒度尽量控制在 -0.074 mm 占 55%左右，避免达到 -0.074 mm 占 60%，即可保证不影响旋流器的底流产率。

5 结语

为了解决开阳磷矿选矿厂增加浮选装之后，浓密机和陶瓷过滤机出现的一系列问题，通过广泛调研，提出了采用水力旋流器改善工艺流程的方案。经过浓缩试验和沉降试验，确定选用砂嘴 B 旋流器，底流中精矿 -0.074 mm 质量分数可达 70.74%，底流产率可达 81.59%，符合选矿厂需求。

长期运行结果表明，增加水力旋流器后，选矿系统设备运行安全稳定，絮凝剂和硝酸消耗量大幅度降低，精矿粉产量大幅度提高，大大降低了成本，增加了企业收入。