韓雪濤，張 萌，李 剛

1中廣核鈾業(yè)斯科有限公司 納米比亞斯瓦科普蒙德 8667

2洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

3礦山重型裝備國際重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

納 米比亞湖山鈾礦設(shè)計(jì)處理原礦 45 000 t/d，其粉磨工藝采用 SABC 流程，最終磨礦產(chǎn)品P80為 355 μm。與傳統(tǒng) SABC 流程相比，該項(xiàng)目由于磨礦產(chǎn)品較粗，因此采用香蕉篩代替旋流器作為球磨系統(tǒng)的閉路分級設(shè)備，一方面獲得較好的分級性能，為后續(xù)浸出工藝提供合格的礦石粒度；另一方面香蕉篩的處理量大且無需占用較大的空間。

項(xiàng)目自 2016 年試車運(yùn)行以來，香蕉篩的分級作業(yè)頻繁出現(xiàn)篩板結(jié)垢、沖洗水噴嘴堵塞與篩面積水過多等一系列問題，嚴(yán)重影響項(xiàng)目的正常運(yùn)行和產(chǎn)能提升。筆者根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行工藝參數(shù)，在重新核算香蕉篩處理能力的基礎(chǔ)上，分析與總結(jié)影響分級作業(yè)的不利因素[1]，并通過 JKSimMet 軟件進(jìn)行模擬與分析，研究入篩物料的粒度分布與各環(huán)節(jié)的補(bǔ)加水量對分級性能的影響，從而優(yōu)化分級作業(yè)的工藝參數(shù)，同時改進(jìn)篩網(wǎng)材料和完善不良操作[2]，最終獲得較為滿意的分級性能，使粉磨系統(tǒng)逐步達(dá)到設(shè)計(jì)處理能力。

1 湖山鈾礦簡介

納米比亞湖山鈾礦項(xiàng)目是目前世界上規(guī)模最大的露天鈾礦，包括露天采礦場、水冶廠和硫磺制酸廠等。

湖山鈾礦項(xiàng)目選礦設(shè)計(jì)處理能力為 1 875 t/h(45 000 t/d)，粉磨工藝采用 SABC 流程，如圖 1 所示。具體為儲礦堆礦石經(jīng)輸送帶給入 1 臺φ10.77 m×5.29 m 半自磨機(jī)，半自磨機(jī)排礦經(jīng)圓筒篩分級，圓筒篩篩上 +12.5 mm 頑石經(jīng)圓錐破碎機(jī)破碎后返回半自磨機(jī)再磨，圓筒篩篩下 -12.5 mm 物料給入到緩沖泵池，經(jīng)渣漿泵輸送到 4 臺 3.6 m× 7.3 m 香蕉篩，香蕉篩篩下 -0.63 mm 物料進(jìn)入浸出作業(yè)，篩上 +0.63 mm物料經(jīng)輸送帶給入 1 臺φ6.51 m×10.21 m 球磨機(jī)，球磨機(jī)排礦到緩沖泵池，與香蕉篩形成閉路磨礦分級系統(tǒng)。

圖1 SABC 粉磨流程Fig.1 Process flow of SABC grinding system

香蕉篩的分級作業(yè)為粉磨系統(tǒng)的把關(guān)環(huán)節(jié)，其運(yùn)行效果不但關(guān)系到整個粉磨系統(tǒng)的處理能力，而且直接影響到浸出作業(yè)的正常運(yùn)行以及鈾的浸出率。然而，項(xiàng)目自運(yùn)行以來，香蕉篩的分級作業(yè)出現(xiàn)一系列問題，嚴(yán)重影響到粉磨系統(tǒng)的正常運(yùn)行與產(chǎn)能提升，是項(xiàng)目中急需解決的關(guān)鍵“卡脖子”難題。

2 香蕉篩能力核算

項(xiàng)目于 2016 年底投產(chǎn)后，供給水冶廠的礦石粒度和硬度與原設(shè)計(jì)基本一致。但由于香蕉篩篩板處理能力的限制，磨礦系統(tǒng)的處理量只能達(dá)到 1 200 t/h，僅為設(shè)計(jì)處理能力的 64%。

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)

香蕉篩由南非 Vibramech 制造商生產(chǎn)，最初設(shè)計(jì)采用 4 臺香蕉篩 (3 用 1備)進(jìn)行最終的控制分級，香蕉篩設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)對比如表 1 所列。

香蕉篩的設(shè)計(jì)選型并沒有行業(yè)通用的計(jì)算方法。廠商在計(jì)算篩分面積時，主要依據(jù)工廠試驗(yàn)確定篩板的核心參數(shù)篩分通量，即單位面積、單位時間內(nèi)通過的流量 (m3/h/m2)，再根據(jù)進(jìn)入振動篩的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算篩板所需的總面積。

在湖山鈾礦項(xiàng)目中，廠商對篩分設(shè)備的篩板總面積的計(jì)算產(chǎn)生了嚴(yán)重的偏差，香蕉篩的選型與物料粒度和濕度、篩孔形狀、篩面傾角、篩面長度、篩面的運(yùn)動特性和篩上物料厚度等因素有關(guān)[3]，工廠小型試驗(yàn)無法模擬實(shí)際運(yùn)行情況，并且試驗(yàn)放大后很容易產(chǎn)生偏差。因此研究一種較為可靠的香蕉篩能力計(jì)算方法尤為關(guān)鍵。

表1 香蕉篩設(shè)計(jì)與運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Design and operating parameters of banana screen

2.2 香蕉篩能力核算

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的理論計(jì)算，通過與湖山項(xiàng)目香蕉篩的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對比，提出了香蕉篩選型的具體參數(shù)計(jì)算方法。

2.2.1 經(jīng)驗(yàn)公式估算法

根據(jù)《選礦設(shè)計(jì)手冊》中的經(jīng)驗(yàn)式[4]

依據(jù)香蕉篩分級作業(yè)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，各參數(shù)取值如表 2 所列。

表2 香蕉篩分級作業(yè)的參數(shù)取值Tab.2 Values of operating parameters of banana screen

將表 2 中參數(shù)代入式 (1)可知，若篩分效率為70%，篩網(wǎng)名義面積為 110 m2，與 4 臺振動篩篩面面積 (108 m2)一致。但是制造商提供的香蕉篩篩分效率為 94%，同時根據(jù)香蕉篩的工作特點(diǎn)，即使不同傾斜段所對應(yīng)的篩分效率存在差異[5]，篩分效率取值 70%也與事實(shí)明顯不符，因此式 (1)無法適用于香蕉篩的選型計(jì)算。

2.2.2 篩分理論公式計(jì)算法

根據(jù)《Screening Theory and Practice》中的細(xì)篩計(jì)算式[6-8]依據(jù)香蕉篩分級作業(yè)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，各參數(shù)取值如表 3 所列。

表3 細(xì)篩計(jì)算公式參數(shù)取值Tab.3 Values of parameters of fine screen calculation formula

式 (2)剔除了篩分效率參數(shù)，引入了顆粒粒度系數(shù)X以及傾斜系數(shù)G，其中顆粒粒度系數(shù)X表示進(jìn)入振動篩粒度越細(xì)，附著在粗粒上的幾率越高，越難篩分；傾斜系數(shù)G表示根據(jù)篩面與水平方向的傾角而選擇不同的參數(shù)值。將表 3 中參數(shù)代入式 (2)，計(jì)算得到所需篩網(wǎng)面積為 109 m2，而現(xiàn)場 4 臺香蕉篩的總面積為 108 m2，全部運(yùn)行時基本可達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能，計(jì)算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)際情況的吻合度非常高。

通過上述 2 種計(jì)算方法的比較可以看出，式 (1)主要應(yīng)用于直線篩計(jì)算，并且篩分效率系數(shù)K3取值非常困難，對結(jié)果影響較大，不適用于香蕉篩的選型計(jì)算；式 (2)中引入了顆粒粒度系數(shù)X以及傾斜系數(shù)G，并且顆粒粒度系數(shù)X的取值范圍比較窄，對結(jié)果影響較小，可用性較高。但是此系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)值，與進(jìn)入振動篩的礦石粒度相關(guān)，因此需要根據(jù)大量的實(shí)測數(shù)據(jù)總結(jié)出不同工況下的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能具備真正的實(shí)用性。

3 影響香蕉篩處理能力的因素

在前期運(yùn)行階段，香蕉篩篩板出現(xiàn)比較嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象，不但導(dǎo)致篩分效率低下，而且嚴(yán)重影響系統(tǒng)產(chǎn)能。

試運(yùn)行過程中，在篩孔為 0.63 mm 的條件下，每2～3 d 就產(chǎn)生極其嚴(yán)重的結(jié)垢問題，導(dǎo)致篩孔堵塞，篩板分級作業(yè)能力低下，限制系統(tǒng)產(chǎn)能；同時篩面磨損速度非?？?，需要頻繁更換，也影響了系統(tǒng)的作業(yè)率。

篩面的結(jié)垢物取樣分析結(jié)果如表 4 所列，其主要成分是硫酸鈣和硅酸鹽。形成原因是：原礦中有大量的鈣、硅元素，粉磨系統(tǒng)用水為循環(huán)酸化水，pH 值在 1～2，高含量的硫酸根與鈣會形成大量的不溶物而附著在篩面上。

表4 結(jié)垢物分析結(jié)果Tab.4 Analysis results of scale

4 優(yōu)化與改進(jìn)

4.1 模擬與分析

在核算香蕉篩的處理能力與分析不利操作因素后，通過 JKSimMet 軟件的模擬與分析，研究香蕉篩的合理運(yùn)行參數(shù)。現(xiàn)場香蕉篩的給料礦漿取樣分析結(jié)果表明，給料礦漿固含量在 42%～45%，明顯低于設(shè)計(jì)值 54%。JKSimMet 軟件模擬分析表明，調(diào)節(jié)磨礦流程的水平衡，可以提高進(jìn)入篩分環(huán)節(jié)的礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)，一定程度上提高香蕉篩的作業(yè)效率。

根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行 JKSimMet 物料平衡計(jì)算，模擬的物料平衡結(jié)果如圖 2 所示。

4.2 優(yōu)化方案

根據(jù)以上對香蕉篩能力的核算結(jié)果與不利因素的分析，制定香蕉篩的優(yōu)化方案如下。

(1)改進(jìn)篩網(wǎng)材料，調(diào)整沖洗水位置 篩網(wǎng)材料較硬可能是篩板結(jié)垢的一個原因。經(jīng)過長期的篩板現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)將篩板的硬度降為 70HA，可保證在運(yùn)行過程中篩面基本不結(jié)垢，同時篩板壽命有所延長。但硬度降低后，篩板在安裝拆卸過程中容易變形，可通過在邊框內(nèi)埋入鋼條的方式增加其強(qiáng)度。為促進(jìn)香蕉篩的分級作業(yè)，將原在香蕉篩前布置的沖洗水調(diào)整到中部位置，因物料到中部位置質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，通過加強(qiáng)沖洗水可促進(jìn)物料分級。

(2)控制香蕉篩給料礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù) 根據(jù)JKSimMet 的模擬與分析結(jié)果，結(jié)合香蕉篩原設(shè)計(jì)給料礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表明提高給料礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利于分級作業(yè)。因此，決定通過調(diào)節(jié)緩沖泵池的補(bǔ)加水量，將香蕉篩的給料礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)從前期運(yùn)行的約45% 提高至約 54%。

圖2 JKSimMet 物料平衡計(jì)算Fig.2 Material balance calculation by JKSimMet

(3)加大篩孔 為進(jìn)一步提高分級效果，緩解香蕉篩處理能力不足對磨礦系統(tǒng)處理能力的制約，將香蕉篩篩孔增大至 0.8 mm。

4.3 改進(jìn)效果

4.3.1 篩板結(jié)垢基本消除

對香蕉篩運(yùn)行情況進(jìn)行取樣分析，改造前后運(yùn)行參數(shù)如表 5 所列，改造前后篩板結(jié)垢情況對比如圖3、4 所示。

表5 香蕉篩實(shí)際運(yùn)行參數(shù)Tab.5 Actual operating parameters of banana screen

圖3 原篩板結(jié)垢情況Fig.3 Scale on original screening plate

篩板硬度降低后，孔徑彈性變大，在運(yùn)行過程中礦石顆粒很難長時間附著在縫隙中逐漸“長大”，因此無法形成結(jié)垢。

圖4 硬度降低后的篩板結(jié)垢情況Fig.4 Scale on screening plate after hardness decrease

4.3.2 分級作業(yè)明顯改善

根據(jù)現(xiàn)場磨礦分級流程的情況，設(shè)計(jì)了 3 個取樣點(diǎn)，如圖 5 所示，每個作業(yè)點(diǎn)分別取樣 3 次，取樣間隔 30 min，混合后對取樣結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。改造前后，振動篩篩孔為 0.63 和 0.80 mm 時的數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表 6 所列。

圖5 取樣流程及取樣點(diǎn)設(shè)置Fig.5 Sampling process and layout of sampling points

由表 6 可知，當(dāng)篩孔為 0.63 mm 時，給礦粒度F80為 1.429 mm，振動篩溢流P80為 3.76 mm，底流P80為 0.33 mm。當(dāng)振動篩篩板篩孔為 0.8 mm 時，給礦粒度F80為 1.44 mm，振動篩溢流P80為 4.71 mm，底流P80為 0.53 mm。同時將實(shí)際粒度分布與 JKSimMet模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，如圖 6～9 所示。香蕉篩的溢流和底流粒度一致性較高，表明 JKSimMet 軟件用于分析與優(yōu)化香蕉篩的分級作業(yè)具有一定可靠性。

4.4 下一步優(yōu)化目標(biāo)

通過對香蕉篩進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，采用 4 臺香蕉篩同時運(yùn)行，粉磨系統(tǒng)可以達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能。但由于篩孔擴(kuò)大至 0.80 mm，導(dǎo)致篩下產(chǎn)品粒度偏粗，對下游設(shè)備造成潛在的磨損問題[9-10]，后續(xù)考慮增加振動篩或旋流器來提高篩分環(huán)節(jié)的處理能力。

表6 不同篩孔時各作業(yè)點(diǎn)粒度分布的對比Tab.6 Comparison of size distribution at various operating points on screening hole differing mm

圖6 篩板孔徑 0.63 mm 時溢流的實(shí)際數(shù)據(jù)與模擬對比Fig.6 Comparison of actual data and simulation ones of overflow while screening hole being 0.63 mm

圖7 篩板孔徑 0.63 mm 時底流的實(shí)際數(shù)據(jù)與模擬對比Fig.7 Comparison of actual data and simulation ones of underflow while screening hole being 0.63 mm

圖8 篩板孔徑 0.80 mm 時溢流的實(shí)際數(shù)據(jù)與模擬對比Fig.8 Comparison of actual data and simulation ones of overflow while screening hole being 0.80 mm

圖9 篩板孔徑 0.80 mm 時底流的實(shí)際數(shù)據(jù)與模擬對比Fig.9 Comparison of actual data and simulation ones of underflow while screening hole being 0.80 mm

JKSimMet 軟件模擬與分析表明，通過調(diào)節(jié)半自磨機(jī)格子板孔徑和球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速可優(yōu)化振動篩給料的粒度分布，未來將通過磨礦工藝參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)一步提高香蕉篩的分級效率。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)湖山鈾礦的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，《選礦設(shè)計(jì)手冊》中的計(jì)算方法不適用于香蕉篩的選型計(jì)算。

(2)《Screening Theory and Practice》中對于香蕉篩的選型計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)非常吻合，實(shí)用性較高，但仍需更多的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行積累驗(yàn)證。

(3)經(jīng)過對香蕉篩板的改造，已經(jīng)解決了產(chǎn)能受限、篩面磨損快以及篩板結(jié)垢等問題，但篩下產(chǎn)品粒度偏粗帶來的下游管線潛在磨損問題仍未解決。

(4)在篩孔為 0.63 mm 時，振動篩溢流的實(shí)際粒度相比模擬粒度偏粗，底流實(shí)際粒度相比模擬粒度偏細(xì)，其原因是孔徑 0.63 mm 的篩板結(jié)垢比較嚴(yán)重，篩孔堵塞導(dǎo)致實(shí)際篩孔變??；在篩孔為 0.80 mm 時，振動篩溢流和底流的實(shí)際粒度相比模擬粒度均偏粗，底流偏粗是因?yàn)橛捕冉档秃蟮暮Y板彈性較強(qiáng)，在運(yùn)行過程中會有一些偏粗顆粒進(jìn)入底流，但溢流偏粗暫未找到原因，這可能是因?yàn)槿哟硇圆蛔銓?dǎo)致的。