某鐵礦尾礦分級濃縮及流變特性研究

陳洪彬，英培壯，呂憲俊

（1. 鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司齊大山選礦廠，遼寧 鞍山 114043；2. 鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司齊大山分公司，遼寧 鞍山 114043；3. 山東科技大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，山東 青島 266590）

我國礦產(chǎn)資源以低品位為主，選礦后大量尾礦外排使得尾礦庫庫容逐年降低，部分礦山企業(yè)尾礦庫服務(wù)年限僅剩1年～2年。因此，尾礦安全處置成為目前眾多礦山企業(yè)面臨的主要難題。采用旋流器、脫水篩、壓濾機(jī)和濃密機(jī)等設(shè)備對尾礦進(jìn)行濃縮，不僅能夠有效減少尾礦排放量，還可將尾礦中的大部分水回收利用，對降低礦山企業(yè)尾礦庫運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和管理成本具有重大的實(shí)際意義[1]。

目前，尾礦分級濃縮干排技術(shù)在諸多礦山企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。李琳等[2]采用旋流器和柱式無耙高效濃密機(jī)等設(shè)備，成功實(shí)現(xiàn)了吉林某金礦尾礦的高效分級濃縮。胡術(shù)剛等[3]同樣采用旋流器和濃密機(jī)分級濃縮技術(shù)對某鐵礦尾礦進(jìn)行了半工業(yè)濃縮試驗(yàn)，成功將尾礦濃度由19.62%濃縮至54.32%。楊超等[4]通過旋流器分級試驗(yàn)，確定了某銅礦尾礦分級用旋流器的規(guī)格尺寸和尾礦庫中線法筑壩工藝的技術(shù)參數(shù)。陳晗[5]采用水力旋流器對某鉛鋅尾礦進(jìn)行了分級濃縮，在給料濃度10%的條件下，成功將尾礦濃度提高至70%。

以上研究充分說明了礦山尾礦分級濃縮的優(yōu)勢和必要性，但未對高濃度濃縮尾礦流變特性做出相應(yīng)研究。因此，本研究采用旋流器分級技術(shù)，針對某鐵礦尾礦進(jìn)行了分級濃縮試驗(yàn)，同時(shí)以塌落度和粘度等指標(biāo)為依據(jù)，對高濃度尾礦的流變特性進(jìn)行了研究，為該礦山企業(yè)尾礦的安全處置提供了技術(shù)保障和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)原料及方法

1.1 尾礦粒度組成

采用篩分和激光粒度分析了該尾礦的粒度組成，分析結(jié)果見表1。

表1 尾礦粒度組成分析結(jié)果

從粒度分析結(jié)果可知，該尾礦粒度較細(xì)，-0.074mm和-0.01mm顆粒含量分別達(dá)到84.80%和29.74%。

1.2 試驗(yàn)方法及流程

以現(xiàn)場尾礦濃度為依據(jù)，采用長錐型水力旋流器對尾礦進(jìn)行分級濃縮試驗(yàn)，重點(diǎn)考察沉砂口直徑和給料壓力對旋流器分級濃縮效果的影響。

以旋流器分級濃縮產(chǎn)品濃度為依據(jù)，參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》（GBJ80-85）測定不同濃度尾礦的塌落度和擴(kuò)展度。同時(shí)，采用NXS-11A型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測定高濃度尾礦的剪切應(yīng)力，并通過線性擬合計(jì)算不同濃度尾礦的粘度和屈服應(yīng)力值。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 尾礦分級濃縮試驗(yàn)

為確定旋流器最佳作業(yè)參數(shù)，采用Φ100長錐型旋流器對尾礦分級濃縮試驗(yàn)，重點(diǎn)考察了沉砂口直徑及給料壓力對尾礦分級濃縮效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 Φ100長錐型旋流器試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，在相同給料壓力條件下，隨著沉砂口直徑的增大，旋流器底流產(chǎn)率逐漸提高，底流濃度逐漸降低，當(dāng)給料壓力為0.25MPa時(shí)，沉砂口由15mm增大至22mm，旋流器底流濃度由74.71%降至70.16%，底流產(chǎn)率由56.61%提高至65.16%。在沉砂口相同條件下，隨著給料壓力的提高，旋流器底流產(chǎn)率逐漸提高，底流濃度也隨之提高，當(dāng)沉砂口為18mm時(shí)，給料壓力由0.20MPa提高至0.30MPa，底流濃度由70.57%提高至73.97%，底流產(chǎn)率由61.15%提高至63.11%。

2.2 高濃度尾礦流變特性研究

2.2.1 塌落度和擴(kuò)展度

為考查不同濃度尾礦料漿流動(dòng)性的差異，本研究測定了不同濃度尾礦的塌落度和擴(kuò)展度。測定結(jié)果見圖1。

試驗(yàn)結(jié)果表明，尾礦濃度對料漿塌落度和擴(kuò)展度影響顯著，隨尾礦濃度的增加，塌落度和擴(kuò)展度呈逐漸減小的趨勢。當(dāng)尾礦濃度由65%增加至74%時(shí)，隨著濃度增加，塌落度和擴(kuò)展度的降低較為緩慢；但當(dāng)尾礦濃度大于74%時(shí)，隨著濃度的增加，塌落度和擴(kuò)展度急劇降低，說明該尾礦料漿塌落度和擴(kuò)展度的突變臨界濃度在74%左右。

圖1 不同濃度尾礦的塌落度和擴(kuò)展度測試結(jié)果

2.2.2 粘度和屈服應(yīng)力

根據(jù)尾礦樣品的特性，將尾礦濃度分為高濃度區(qū)（76%～78%）、 中 濃 度 區(qū)（70%～74%）、 低 濃 度 區(qū)（65%～68%）。各濃度區(qū)流態(tài)變化規(guī)律見圖2～圖4。

圖2 高濃度區(qū)尾礦料漿流變性及線性擬合示意圖

圖3 中濃度區(qū)尾礦料漿流變性及線性擬合示意圖

圖4 低濃度區(qū)尾礦料漿流變性及線性擬合示意圖

由尾礦料漿流變特性數(shù)據(jù)可知，尾礦料漿在高、中、低濃度區(qū)的流變特性均服從屈服假塑性體的流變規(guī)律，當(dāng)剪切速率達(dá)到一定程度后，尾礦料漿流變特性開始服從賓漢體流變規(guī)律，剪切應(yīng)力隨剪切速率增大而增加。對流變特性服從賓漢體流變規(guī)律的點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到剪切應(yīng)力與剪切速率之間的線性方程，由此方程計(jì)算的截距和斜率即為尾礦料漿對應(yīng)的屈服應(yīng)力和粘度。不同濃度下尾礦料漿的粘度及屈服應(yīng)力變化規(guī)律見圖5。

圖5 不同濃度下尾礦漿粘度及屈服應(yīng)力變化規(guī)律

粘度和屈服應(yīng)力值越大，尾礦料漿的流動(dòng)性就越差。擬合數(shù)據(jù)表明，隨著濃度的增加，尾礦料漿的粘度和屈服應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)尾礦濃度達(dá)到74%以上時(shí)，其粘度和屈服應(yīng)力值均急劇增大。這一結(jié)果與塌落度和擴(kuò)展度的變化規(guī)律相近，說明尾礦料漿流動(dòng)性存在一個(gè)急劇變化的臨界濃度，該臨界濃度約為74%。

因此，從降低輸送阻力的角度，尾礦料漿的濃度應(yīng)控制在74%以下。

3 結(jié)論

采用Φ100mm長錐型旋流器，在給料濃度41.10%條件下，實(shí)現(xiàn)了某鐵礦尾礦的高效分級濃縮。適宜的給料壓力和沉砂口直徑分別0.25MPa和18mm，旋流器底流濃度和產(chǎn)率分別達(dá)到73.03%和62.18%。

尾礦料漿流變特性研究表明，為保證良好的輸送性能，尾礦濃度應(yīng)控制在74%以下。