孫 競(jìng)

(酒泉鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

牙買加鋁土礦的地質(zhì)成因,當(dāng)前廣泛接受的是火山灰或非洲揚(yáng)塵覆蓋在第三紀(jì)喀斯特石灰?guī)r上,經(jīng)風(fēng)化淋濾及鋁土礦化成礦[1-2]。按原礦產(chǎn)地主要分為地塹/山谷型和高原型兩類,均為微細(xì)粒粘性土質(zhì)的三水/一水軟鋁石混合型鋁土礦[3-4]。成礦條件為淺表覆存,呈毯狀、漏斗狀和口袋狀產(chǎn)出,礦體規(guī)模在5,000～1,000,000 t不等,表面形狀和大小不定,底部和周邊與石灰?guī)r直接接觸,接觸面尖銳且不規(guī)則,使得露天采礦為了平衡礦損與貧化,不可避免地會(huì)混入來自底板和圍巖的石灰石[2]。多家以牙買加鋁土礦為原料的氧化鋁廠,無論是使用原礦或是干燥礦,都不同程度遇到原礦中混入的石灰石難于分離[5],石灰石進(jìn)入到拜耳法系統(tǒng)中形成碳?jí)A,因碳?jí)A升高并積累而產(chǎn)生一系列影響氧化鋁生產(chǎn)的問題[6-7]。

某牙買加氧化鋁廠建成于上世紀(jì)70年代,原設(shè)計(jì)拜耳法采用243℃高溫雙流法溶出工藝處理地塹/山谷型原礦,90年代末期轉(zhuǎn)為加工高原型原礦,繼續(xù)采用高溫工藝處理高原型高一水礦,改造增加了143℃后加礦增濃溶出工藝處理高原型低一水礦,在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)原礦處理能力下降,制備鋁土礦漿的固含(即磨出礦漿的固相百分含量)降低,系統(tǒng)C/S(既Nk/Nt)長(zhǎng)期低于0.76,分析可知70%的碳?jí)A是由原礦中混入的石灰石所引入[8],使該廠生產(chǎn)效率和能力持續(xù)低下。

針對(duì)牙買加高原型鋁土礦,考查該廠現(xiàn)有球磨礦漿制備流程存在的問題,采用半自磨中試、自磨暨球磨無介質(zhì)洗礦工業(yè)化試驗(yàn),對(duì)提高原礦處理能力、礦漿固含和系統(tǒng)C/S比,實(shí)現(xiàn)有效分離原礦中混入的石灰石進(jìn)行試驗(yàn)研究,以提升該廠的生產(chǎn)效率和能力。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 試驗(yàn)原料

牙買加鋁土礦原礦含水率為21%～25%,干燥時(shí)極易揚(yáng)塵,潮濕時(shí)極具粘性,工業(yè)化批量處理粘濕原礦非常困難,易粘附在襯板表面并堵塞排礦格柵開口,多年生產(chǎn)實(shí)踐證明在原礦預(yù)處理中,只能去除75 mm以上石灰石等雜質(zhì)。兩類鋁土礦主要差別為:地塹/山谷型為高一水礦,一水軟鋁石含量5%～20%,針鐵礦或鋁針鐵礦含量在10%～100%,粘土成分較低,粗顆粒較多并含有3～6 mm豆石和鮞粒;高原型原礦顆粒更加微細(xì),含有高粘性粘土成分,易粘附在石灰石及碎屑上,按一水軟鋁石含量3%為限,劃分為高一水礦(MHB)和低一水礦(THB)。

該工廠當(dāng)前處理的兩種高原型鋁土礦,高一水礦(MHB)和低一水礦(THB)的典型主要化學(xué)成分及主要物相組成,見表1。

表1 高原型兩種鋁土礦主要化學(xué)成分及相關(guān)物相分析

由表1可見,高原型MHB和THB原礦的化學(xué)成分基本接近,差別僅在于一水軟鋁石的含量不同,分別為4.6%和2.58%,原礦中混入的石灰石以方解石含量表示,分別為6.61%和5.05%,因此兩種高原型原礦化學(xué)和物理性質(zhì)基本一致。試驗(yàn)中采用的原料為高原型MHB,混入石灰石含量超過5%,最大粒徑≤75 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 球磨礦漿制備流程考查

針對(duì)該廠球磨制備礦漿流程,考查在處理地塹/山谷型與高原型鋁土礦上的差異,對(duì)出現(xiàn)的問題及原因進(jìn)行分析。

1.2.2 半自磨礦漿制備中試試驗(yàn)

該廠在現(xiàn)場(chǎng)使用富勒半自磨試驗(yàn)機(jī),規(guī)格Φ1.83 m×0.61 m,工作轉(zhuǎn)速24 r/min,分別用工業(yè)水和循環(huán)母液,對(duì)高原型MHB原礦進(jìn)行礦漿制備和石灰石分離的中試試驗(yàn)。

1.2.3 自磨暨球磨無介質(zhì)洗礦工業(yè)化試驗(yàn)

該廠對(duì)1臺(tái)球磨機(jī)進(jìn)行必要改造并去除磨機(jī)內(nèi)全部介質(zhì),對(duì)高原型MHB原礦進(jìn)行自磨暨球磨無介質(zhì)洗礦生產(chǎn)試驗(yàn)。為比對(duì)試驗(yàn),另1臺(tái)球磨機(jī)按球磨制備MHB礦漿生產(chǎn)運(yùn)行,并對(duì)高原型MHB礦樣進(jìn)行干篩和濕篩篩析。

1.3 檢測(cè)方法與儀器

使用泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)原料和礦漿進(jìn)行篩析;在該廠實(shí)驗(yàn)室及比重瓶測(cè)量礦漿固含和密度;使用濕篩分對(duì)+300 μm和馬爾文粒度分析儀對(duì)-300 μm礦漿固體粒度檢測(cè);使用布氏粘度計(jì)測(cè)量礦漿粘度和溫度,使用立可碳硫分析儀測(cè)量礦漿中石灰石含量,使用萬通自動(dòng)滴定儀測(cè)量液相中氧化鋁(A)、苛性堿(C)和蘇打(S)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 球磨礦漿制備流程考查

2.1.1 地塹/山谷型原礦

該廠原設(shè)計(jì)三條球磨礦漿制備流程,單臺(tái)球磨機(jī)規(guī)格Φ3.2m×5.1m,設(shè)計(jì)能力300～350 t/h,磨礦介質(zhì)100 mm鋼球,工作轉(zhuǎn)速16.5 r/min。處理地塹/山谷型原礦,可以制備出固含40%和P80為300 μm鋁土礦漿,并在沉降區(qū)設(shè)旋流器+螺旋洗礦機(jī)進(jìn)行除砂,能夠滿足工藝要求,達(dá)到了90萬噸/年氧化鋁生產(chǎn)設(shè)計(jì)能力。

2.1.2 高原型原礦

為適應(yīng)原料變化并提升產(chǎn)能,在已有三條球磨流程后增加雙螺旋洗礦機(jī)工序,對(duì)分離出石灰石進(jìn)行清洗以回收堿液并減少鋁土礦損失,處理占比原礦總量70%的高原型MHB。增加一條球磨礦漿制備流程,規(guī)格Φ3.65 m×6.1 m,設(shè)計(jì)能力400 t/h,磨礦介質(zhì)100 mm鋼球,工作轉(zhuǎn)速16.64 r/min,單獨(dú)處理占比原礦總量30%的高原型THB,分離的石灰石直接拋廢。

在生產(chǎn)能力上,高原型MHB原礦礦漿制備要達(dá)到40%固含,處理量不足200 t/h,雖經(jīng)多年努力,只能維持處理量270 t/h和礦漿固含約30%的水平,但是磨機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)過載和離心情況,被迫降負(fù)荷或停止供料,加水進(jìn)行清洗疏通,造成礦漿固含與苛性堿Nk降低,頻繁影響正常生產(chǎn),而且磨機(jī)回轉(zhuǎn)篩也經(jīng)常堵塞,被迫停止供料進(jìn)行清洗。高原型THB原礦的處理量相對(duì)較少,且磨機(jī)間歇運(yùn)行,能夠滿足后加礦工藝生產(chǎn)需要?？傮w上高原型原礦的處理能力不足,制備礦漿固含偏低,混入石灰石未分離并進(jìn)入系統(tǒng),造成該廠長(zhǎng)期不能達(dá)到設(shè)計(jì)的160萬噸/年氧化鋁生產(chǎn)能力。

在生產(chǎn)效率上,使用SysCad模型分析原礦中混入石灰石對(duì)拜耳法工藝的影響。模擬結(jié)果表明,原礦混入的石灰石含量每減少1%,則系統(tǒng)C/S增加0.028,Al2O3的損失相應(yīng)減少,對(duì)應(yīng)氧化鋁日產(chǎn)量可增加110 t,同時(shí)降低噸鋁堿耗11.2 kg。因此,由于原礦中混入石灰石未有效分離,進(jìn)入流程造成系統(tǒng)效率較低。

2.1.3 原因分析

高原型原礦生產(chǎn)中出現(xiàn)的上述問題,分析其原因在于,一是由于原礦性質(zhì)變化,鋁土礦的粒度和礦漿粘度發(fā)生變化,球磨流程顯然已不適用高原型鋁土礦礦漿制備;二是原礦混入石灰石在球磨流程中沒有得到分離,而是基本全部破磨并進(jìn)入到系統(tǒng),造成系統(tǒng)碳酸鹽升高。

2.2 半自磨礦漿制備中試試驗(yàn)

中試試驗(yàn)中,礦樣極易粘附并填塞磨機(jī)內(nèi)襯板提升條和排礦格柵,多次調(diào)整介質(zhì)也未取得良好效果。為使中試試驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)行，通過降低原礦處理量,在裝球量4%和裝料量8%情況下,試驗(yàn)運(yùn)行相對(duì)順利。試驗(yàn)中礦漿的固含能夠得到提升，但礦漿粘度也隨之增大。

半自磨中試機(jī)回轉(zhuǎn)篩篩孔尺寸為1 mm,試驗(yàn)初期極易使礦漿排料“造球”及堵塞篩孔,直至調(diào)整回轉(zhuǎn)篩孔尺寸達(dá)到12.5 mm,雖仍存在堵塞情況,但試驗(yàn)基本可以繼續(xù)進(jìn)行。對(duì)比半自磨中試結(jié)果和工廠球磨制漿情況,如表2所示。

從表2可見,試驗(yàn)表明,半自磨加入堿液制漿能夠達(dá)到較高固含,但礦漿粘度增幅更大，從礦漿篩分結(jié)果對(duì)比，半自磨相比球磨對(duì)原礦的研磨程度降低,石灰石的破碎及磨損減少,鋁土礦的解聚和降級(jí)也不充分。由于固體粒度的降級(jí)程度減小,礦漿中固體顆粒較粗,說明半自磨輸入的能量相比球磨減少。

表2 半自磨中試結(jié)果對(duì)比工廠球磨制漿

中試試驗(yàn)中,半自磨機(jī)襯板提升條和排礦格柵的填塞及堵塞嚴(yán)重。同球磨制漿的情形類似,半自磨中試機(jī)也易于發(fā)生磨機(jī)超載和離心情況,回轉(zhuǎn)篩也易于堵塞,雖然石灰石被破磨的情況有所減少,但是分離效果并不明顯。因此,半自磨機(jī)和現(xiàn)有球磨流程,包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式,均表現(xiàn)出不適合對(duì)高原型鋁土礦的礦漿制備,也無法有效分離石灰石。

2.3 自磨暨球磨機(jī)無介質(zhì)洗礦試驗(yàn)

2.3.1 洗礦及干濕篩試驗(yàn)

該廠對(duì)1#球磨機(jī)進(jìn)行了更換波浪形筒體襯板、排礦格柵開口增加及回轉(zhuǎn)篩堿液沖洗管路移位等改造,保持回轉(zhuǎn)篩孔名義尺寸12.5 mm不變,去除全部鋼球介質(zhì),對(duì)高原型MHB原礦進(jìn)行洗礦生產(chǎn)試驗(yàn)。最高原礦處理量280 t/h,礦漿固含32%;若將礦漿固含提升至40%,受礦漿轉(zhuǎn)運(yùn)泵能力限制,處理量將降低至200 t/h。穩(wěn)定且持續(xù)的原礦處理量為240 t/h,礦漿固含34%,球磨機(jī)電機(jī)負(fù)荷降低35%?；剞D(zhuǎn)篩篩分出的石灰石顯著增多,經(jīng)雙螺旋洗礦機(jī)加堿液再次洗礦,分離出大量10 mm以上石灰石,化驗(yàn)分析制備礦漿的CaCO3含量平均1.5%,最大1.67%。

干篩是將MHB約16 kg(干基)進(jìn)行粒度篩析。濕篩是將MHB約62 kg(干基)按38.5%固含進(jìn)行漿化,攪拌8小時(shí)和靜置60小時(shí)后,使用1.7 mm和0.037 mm等篩網(wǎng)濕篩分。

2.3.2 礦漿粘度與固含變化

洗礦礦漿與球磨礦漿進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得出礦漿粘度與固含關(guān)系如圖1所示。

由圖1可見,在所需礦漿固含范圍內(nèi),洗礦與球磨礦漿的粘度與固含關(guān)系均是線性增加關(guān)系。在同等粘度下,洗礦比球磨的研磨程度要低,固體顆粒較粗,礦漿固含較高,表明在較低的固體顆粒解聚和降級(jí)程度下,礦漿可以保持較高的固含,而隨著顆粒解聚和降級(jí)程度的增加,粘度也會(huì)增加。因此,相比具有更細(xì)顆粒既完全解聚和降級(jí)的球磨礦漿,具有較粗顆粒既未完全解聚和降級(jí)的洗礦礦漿,可以在較高礦漿固含下進(jìn)行鋁土礦漿的制備。

圖1 洗礦礦漿和球磨礦漿的固含與粘度關(guān)系

2.3.3 礦漿固體細(xì)度的變化

對(duì)比原礦干篩、濕篩和洗礦礦漿的篩析結(jié)果,按篩分尺寸繪出各試驗(yàn)的固體顆粒透篩累計(jì)百分比曲線,如圖2所示。

圖2表明,濕篩篩析為96.5%通過37 μm,是高原型鋁土礦的自然粒度分布,粒徑相當(dāng)微細(xì),如果沒有混入石灰石,原礦只需進(jìn)行充足攪拌和水力浸泡制漿,即可滿足生產(chǎn)需要。洗礦試驗(yàn)礦漿篩析P80為74 μm,對(duì)比干篩篩析P80約12.5 mm,反映出在洗礦中鋁土礦的降級(jí)和解聚數(shù)量。因此,原礦自然粒度雖然微細(xì),但仍需要輸入能量對(duì)鋁土礦的團(tuán)聚體進(jìn)行降級(jí)和解聚,通過洗礦研磨和攪拌輸入能量,要比耗時(shí)的水力浸泡,可以較快完成鋁土礦團(tuán)聚體的降級(jí)和解聚。

圖2 干篩、濕篩及洗礦礦漿的篩析情況對(duì)比

對(duì)比洗礦礦漿與球磨礦漿的固體顆粒細(xì)度值,其中大于300 μm采用濕篩分，小于300 μm使用粒度分析儀，表3表明,洗礦礦漿的固體顆粒各粒級(jí)平均粒徑略低于球磨礦漿的固體顆粒各粒級(jí)平均粒徑，說明洗礦中石灰石的破碎和磨損程度降低。進(jìn)入礦漿的細(xì)粒石灰石減少，而鋁土的降級(jí)及解聚程度基本未變化，總體上洗礦礦漿的固體顆粒細(xì)度仍然完全滿足生產(chǎn)工藝要求。

表3 洗礦礦漿與球磨礦漿固體顆粒細(xì)度對(duì)比

2.3.4 礦漿成分含量變化

對(duì)比濕篩篩析和洗礦試驗(yàn),按粒徑逐級(jí)檢驗(yàn)礦漿各級(jí)粒度物料的Al2O3和CaCO3成分含量,計(jì)算各級(jí)粒度成分含量占其總質(zhì)量的比例,如表4所示。由表4可知,濕篩的攪拌與漿化過程中石灰石沒有破損,可以通過篩分去除石灰石。在洗礦試驗(yàn)中,礦漿-1.17 mm+0.037 mm的石灰石含量相比濕篩試驗(yàn)明顯偏高,氧化鋁含量偏低,說明洗礦過程中石灰石仍有破損并進(jìn)入鋁土礦漿。因此自磨洗礦表明,石灰石仍可以通過篩分分離,而且石灰石在能力與數(shù)量上,雖然不足以作為自磨洗礦介質(zhì),但通過研磨及攪拌來輸入能量,對(duì)鋁土礦團(tuán)聚體進(jìn)行了較快降級(jí)與解聚。

表4 濕篩和洗礦試驗(yàn)礦漿粒度分布及成分含量

2.3.5 礦漿C/S比率變化

對(duì)比洗礦排料礦漿、雙螺旋洗礦溢流礦漿及球磨礦漿C/S比率,如圖3所示。

圖3 球磨、洗礦及雙螺旋洗礦溢流礦漿C/S

圖3表明,洗礦排料礦漿C/S高于球磨礦漿C/S,說明有效分離石灰石有助于提升系統(tǒng)C/S,但雙螺旋洗礦溢流礦漿C/S降低,表明已分離出的石灰石,在雙螺旋洗礦機(jī)中再次破損并與堿液發(fā)生了反應(yīng),使溢流礦漿NaCO3濃度增加。因此,應(yīng)考慮取消雙螺旋洗礦工序,從整體上提高系統(tǒng)C/S比。

3 結(jié) 論

(1)牙買加高原型鋁土礦原礦經(jīng)過預(yù)處理,仍含有5%以上且粒徑小于75 mm的石灰石,在礦漿制備中需有效分離,否則將生成碳?jí)A而影響拜耳法系統(tǒng)效率。

(2)牙買加高原型鋁土礦原礦顆粒微細(xì),并含有高粘性粘土成分,由于混有石灰石且鋁土礦應(yīng)解聚與降級(jí),需要采用如研磨、攪拌及浸泡等方式輸入能量,進(jìn)行鋁土礦礦漿制備。

(3)相比球磨與半自磨,采用自磨洗礦進(jìn)行高原型原礦礦漿制備,可以提高原礦處理量和礦漿固含,降低粘度變化影響,產(chǎn)品細(xì)度仍滿足生產(chǎn)需要,實(shí)現(xiàn)混入石灰石有效分離,礦漿CaCO3含量降至平均1.5%,系統(tǒng)C/S比增加,因此能夠提升工廠生產(chǎn)效率和能力。