張吉清

(河北寰球工程有限公司，河北 涿州 072750)

干擾床分選技術(shù)在國(guó)內(nèi)研究起步較晚，從國(guó)外引進(jìn)的干擾床最先用于選煤廠的分級(jí)，之后的應(yīng)用研究對(duì)象主要是粗煤泥[1-3]，其可以實(shí)現(xiàn)1.5～0.125 mm級(jí)煤泥的有效分選，有效分選密度為1 400～1 900 kg/m3[4]。然而，干擾床在磷礦分選中的應(yīng)用較少，與煤泥相比，磷礦的性質(zhì)有很大的不同，磷礦中各組分的密度相差較小且各組分之間相互嵌布，這就會(huì)導(dǎo)致通過干擾床對(duì)磷礦分選實(shí)現(xiàn)有用礦物的富集存在一定的難度。在干擾床設(shè)備的開發(fā)上，國(guó)內(nèi)外通過生產(chǎn)實(shí)踐開發(fā)出了各種形式的干擾床：圓錐干擾床、斜板干擾床、Stockes干擾床、Lewis干擾床、Linatex干擾床、Allflux干擾床、CrossFlow干擾床等[5-7]。本研究根據(jù)磷礦在CrossFlow型干擾床上的實(shí)踐來考察其分選效果。

1　干擾床的分層分選

干擾床主要是根據(jù)沉降速度與上升水流速度存在差別來進(jìn)行分選。當(dāng)沉降速度高于上升水流速時(shí)，顆粒就進(jìn)入了底流；當(dāng)沉降速度低于上升水流速時(shí)，顆粒就進(jìn)入了溢流，從而實(shí)現(xiàn)分選。在不受外界環(huán)境影響的情況下，不同顆粒都具有各自的自由沉降速度，計(jì)算自由沉降速度的一般公式見式(1)。

(1)

式中：d為顆粒直徑；δ為顆粒密度；ρ為流體密度；CD為阻力系數(shù)；g為重力加速度。

式(1)是單純通過物理方法推導(dǎo)得到，并不能用于進(jìn)行實(shí)際計(jì)算和應(yīng)用，目前廣泛應(yīng)用的有三種不同流體狀態(tài)的自由沉降速度計(jì)算方法(斯托克斯公式、阿連公式和牛頓公式)[8]，而這些沉降速度的計(jì)算主要受到顆粒的粒度大小和其密度影響。

通過對(duì)CrossFlow型干擾床的研究，將干擾床從上到下分為4個(gè)區(qū)，分別為進(jìn)料溢流區(qū)(Feed & Overflow Zone A)、動(dòng)態(tài)流化區(qū)(Dynamic Teeter Zone B)、靜態(tài)流化區(qū)(Static Teeter Zone C)和卸料區(qū)(Discharge Zone D)，見圖1。

圖1　干擾床分區(qū)示意圖

在進(jìn)料溢流區(qū)(A)，礦漿通過干擾床頂部中間方形進(jìn)料裝置進(jìn)入，部分已經(jīng)松散的細(xì)粒級(jí)將會(huì)沿著上升水流進(jìn)入到溢流，而大部分的礦漿進(jìn)入流化區(qū)；在干擾床的兩側(cè)配置有溢流槽，所有小顆粒都將由此進(jìn)入溢流。

在動(dòng)態(tài)流化區(qū)(B)，給入的礦漿在此區(qū)域完全松散，顆粒處于懸浮狀態(tài)，細(xì)顆粒隨著上升水流進(jìn)入溢流，粗顆粒則直接進(jìn)入靜態(tài)流化區(qū)，同時(shí)少部分的細(xì)顆粒會(huì)因?yàn)榇诸w粒的夾帶導(dǎo)致錯(cuò)配而進(jìn)入靜態(tài)流化區(qū)。

在靜態(tài)流化區(qū)(C)，大部分的粗顆粒都在此處沉降下來最終進(jìn)入卸料區(qū)。另外，上升水流通過粗顆粒之間的縫隙將錯(cuò)配的細(xì)顆粒重新返回動(dòng)態(tài)流化區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)深度分離。

在卸料區(qū)(D)，分選完成的粗顆粒在此處儲(chǔ)存，通過卸料閥門控制排料。

2　干擾床的結(jié)構(gòu)及工藝調(diào)控方法

CrossFlow型干擾床主要包括CrossFlow型進(jìn)料槽(Feed Box)、溢流槽(Overflow Box)、方形流態(tài)槽體(Square Teetered Tank)、流化水管路(Teetered Water Manifold)、錐形卸料槽體(Taper Discharge Tank)、防渦器(Vortex Breaker)和卸料閥(Discharge Valve)，見圖2。

圖2　干擾床結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)圖

CrossFlow型進(jìn)料槽處于槽體上方的中心，為了降低對(duì)流態(tài)化床的影響，設(shè)計(jì)為具有緩沖作用的方形槽，從而防止礦漿直接進(jìn)入床層影響分選。溢流槽分布在兩邊，保證充足的溢流堰長(zhǎng)度。方形流態(tài)槽體是干擾床主體，保證顆粒的流態(tài)化，實(shí)現(xiàn)有效分選。流態(tài)化水管路均勻布置在方形流態(tài)槽體的下方，且在水管下方有均勻布置的出水孔，保證水流均勻向上方流出。錐形卸料槽體是礦漿密實(shí)卸料區(qū)。渦流水管的布置是為了輔助濃度較高的礦漿順利從卸料閥排出。

干擾床的分選控制是基于流化床層密度和床位，來控制流態(tài)化水量和卸料閥開度，從而實(shí)現(xiàn)理想的分選效果。通過測(cè)量高差為H的兩個(gè)壓力點(diǎn)P1和P2，根據(jù)牛頓定律和壓強(qiáng)公式可得到近似床層密度值ρ，見式(2)。

(2)

式中：H為兩個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)的高度差；P1為較高處測(cè)量點(diǎn)的壓力；P2為較低處測(cè)量點(diǎn)的壓力；g為重力加速度。

一定的流態(tài)化床層密度可讓細(xì)小顆粒在上升水流的作用下沿著粗顆粒之間的縫隙溢流出去。為保持穩(wěn)定的床層密度可通過調(diào)節(jié)流態(tài)化水量控制單位面積上升水流速來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，床位高度會(huì)影響到流態(tài)化床層的厚度，進(jìn)而影響分選效果，床位高度L的計(jì)算見式(3)。

(3)

因此，只要獲得了流化床層頂部和底部的壓力以及頂部與底部之間的高度，就可以獲得床層近似床位和密度，然后通過調(diào)節(jié)流態(tài)化水量和卸料閥門大小來調(diào)整床位和床層密度，從而實(shí)現(xiàn)分選目的。干擾床分選的目的是為了獲得所要求的分選溢流和底流的粒度，同時(shí)在底流中實(shí)現(xiàn)P2O5的富集。要求：溢流中大于0.212 mm的含量為20%；底流中小于0.212 mm的含量小于10%，且小于0.038 mm的含量盡可能小。

3　磷礦性質(zhì)對(duì)分選的影響

所研究的磷礦來自沙特阿拉伯北部地區(qū)，此磷礦石屬于沉積巖型磷塊巖，其物理性質(zhì)和化學(xué)成分分別見表1和表2。

此種磷礦石的自然類型主要有兩種：碳酸鹽質(zhì)砂屑磷塊巖和硅質(zhì)砂屑磷塊巖。這些砂屑顆粒呈扁圓狀和次圓狀，多數(shù)粒徑大小在0.1～0.3 mm之間，占磷質(zhì)顆粒的80%左右，構(gòu)成磷塊巖的主要成分是膠磷礦。脈石礦物主要是方解石、石英和玉髓，其中方解石粒徑大小在0.06～0.1 mm之間，主要嵌布于砂屑磷塊巖的膠結(jié)物中，而石英和玉髓也以膠結(jié)物的形式分布于膠磷礦砂屑顆?？障吨?，構(gòu)成硅質(zhì)砂屑磷塊巖。此磷礦石的嵌布復(fù)雜，對(duì)P2O5進(jìn)行富集存在一定的難度。表3為干擾床進(jìn)料中各個(gè)粒級(jí)的P2O5品位。

表1　磷礦石物理參數(shù)

表2　磷礦石化學(xué)成分分析

表3　干擾床進(jìn)料的粒度分布和P2O5品位

由表3可知，磷礦石粒級(jí)在0.212～0.710 mm之間的P2O5品位最高，而在其他粒級(jí)中的磷品位相對(duì)較低，可通過脫除小于0.212 mm的顆粒來實(shí)現(xiàn)P2O5的富集。對(duì)于是否存在按密度分選，需要做進(jìn)一步的分析。

利用ERIEZ的XF-3050干擾床進(jìn)行研究，在此干擾床的進(jìn)料量為270 t/h、進(jìn)料濃度為38%、流化床密度為1.4 g/cm3、床位1.35 m的情況下，進(jìn)行磷礦石的分選試驗(yàn)，在分選后的進(jìn)料、底流和溢流中，對(duì)粒級(jí)為0.710～0.212 mm和0.212～0.150 mm的化學(xué)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果見圖3和圖4。

圖3　粒級(jí)為0.710～0.212 mm的成分分析

圖4　粒級(jí)為0.212～0.15 mm的成分分析

表4　膠磷礦與脈石礦物的真密度

4　干擾床的調(diào)控

干擾床的床位和床層密度都會(huì)對(duì)分選效果產(chǎn)生影響。當(dāng)床位較高時(shí)，從進(jìn)料槽進(jìn)入的粗顆粒會(huì)因?yàn)閬聿患傲骰诌x而直接從溢流排出，從而導(dǎo)致分級(jí)粒度變大；當(dāng)床位較低時(shí)，細(xì)顆粒進(jìn)入溢流槽的路徑變長(zhǎng)，阻力變大，來不及分選而進(jìn)入底流中，從而導(dǎo)致分級(jí)粒度變小。密度較高時(shí)，顆粒的松散度會(huì)下降，流動(dòng)性降低，在干擾床某些部位形成死角，影響了分級(jí)的有效面積，從而降低干擾床的處理量；當(dāng)密度較低時(shí)，細(xì)顆粒的錯(cuò)配概率增加，且通過粗顆?？p隙進(jìn)行深度分選的效果降低，底流中細(xì)粒級(jí)含量會(huì)有所增加。因此，床位和床層密度會(huì)同時(shí)影響底流細(xì)粒級(jí)的含量和溢流中粗粒級(jí)的含量。只有兩者在合適的值才能達(dá)到較好的分選效果。

當(dāng)干擾床的進(jìn)料量270 t/h，進(jìn)料濃度為38%，不同的床位和床層密度對(duì)干擾床的分選影響見表5。

由表5可知：床位從1.22 m增加到1.4 m時(shí)，在溢流中，大于0.212 mm的含量從17.4%增加到31.38%；床層密度從1.6 g/cm3減小到1.43 g/cm3時(shí)，小于0.212 mm的含量從3.57%增加到6.36%，小于0.038的含量從0.22%增加到3.07%；當(dāng)床層密度大于1.6 g/cm3時(shí)，在干擾床側(cè)壁處有大量的顆粒聚集滯留，這就影響了分選空間，導(dǎo)致處理能力降低。另外，在底流中P2O5品位得到富集，最高達(dá)到24.44%。由此，當(dāng)床位為1.3 m，床層密度為1.5 g/cm3時(shí)，可獲得較好的分級(jí)效果，即溢流中+0.212 mm的含量為20.28%，P2O5品位降低到20.65%；底流中小于0.212 mm的含量為6.24%，小于0.038 mm的含量為1.59%，P2O5品位增加到24.44%。

針對(duì)處理量變化對(duì)分級(jí)效果的影響進(jìn)行了探討。當(dāng)進(jìn)料量為270 t/h和135 t/h、進(jìn)料濃度都控制在38%附近，床層密度1.55 g/cm3，床位1.35 m，底流和溢流的粒度分布情況分別見圖5和圖6。

由圖5和圖6可知，處理量相差一倍的情況下，干擾床底流和溢流的粒度分布并未發(fā)生較大的變化，且分級(jí)效果都處于較好的水平。這就說明，保證床位和床層密度是保證分級(jí)效果的關(guān)鍵因素。

表5　床位和床層密度對(duì)分選的影響

圖5　底流中的粒度分布

圖6　溢流中的粒度分布

5　結(jié)　論

1) 干擾床在磷礦分選過程中主要有4個(gè)區(qū)：進(jìn)料溢流區(qū)、動(dòng)態(tài)流化區(qū)、靜態(tài)流化區(qū)和卸料區(qū)。

2) 基于所要分選的磷礦石性質(zhì)，磷礦石在干擾床中通過粒度不同進(jìn)行分選可以實(shí)現(xiàn)P2O5的富集，在底流中P2O5的品位提高到24.44%。

3) 磷礦石中各組分密度的不同有助于P2O5的富集。在粒級(jí)為0.71～0.212 mm中，P2O5的品位從27.48%提高到29.1%。

4) 通過對(duì)床位和床層密度的調(diào)控，可以有效控制干擾床的分選效果。當(dāng)床位為1.3 m、床層密度為1.5 g/cm3時(shí)，溢流中大于0.212 mm含量為20.28%，底流中小于0.212 mm的含量為6.24%，小于0.038 mm的含量為1.59%，分選效果較好。