譚 明 韓志彬 張躍軍

(1.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司 北京市高效節(jié)能礦冶技術(shù)裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100160; 2.礦冶科技集團(tuán)有限公司 礦物加工科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100160)

石墨是一種非常重要的非金屬礦物，尤其是鱗片石墨性能優(yōu)越，具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著石墨烯新材料的發(fā)現(xiàn)及其潛在的巨大應(yīng)用前景，世界范圍內(nèi)掀起石墨礦資源開發(fā)的新一輪熱潮。

鱗片石墨分選主要采用浮選法，選別工藝上既要求保護(hù)大鱗片，又要求極高的精礦品位。目前的研究主要關(guān)注磨礦設(shè)備、磨礦及浮選新工藝方面[1-4]，對石墨浮選裝備的研究較少。雖然也有應(yīng)用浮選柱進(jìn)行鱗片石墨浮選研究的報(bào)道[5-6]，但是國內(nèi)磷片石墨主產(chǎn)區(qū)山東青島地區(qū)和黑龍江雞西、蘿北等地仍主要以浮選機(jī)作為選別設(shè)備，并且應(yīng)用的浮選機(jī)類型眾多，既有老舊的A型浮選機(jī)、BF型浮選機(jī)和JJF型浮選機(jī)等自吸氣式浮選機(jī)，也有常規(guī)的XCF/KYF型外充氣式浮選機(jī)[7-8]。我國的石墨礦資源雖然豐富，但是也正面臨著優(yōu)質(zhì)石墨礦資源開發(fā)殆盡、資源開發(fā)集中度低和選礦裝備落后等難題。為了適應(yīng)世界范圍內(nèi)石墨行業(yè)快速發(fā)展的需要，礦冶科技集團(tuán)(以下簡稱“BGRIMM”)針對石墨礦浮選工藝特點(diǎn)，結(jié)合已有成熟的浮選機(jī)開發(fā)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，成功開發(fā)了石墨礦專用浮選機(jī)技術(shù)。本文重點(diǎn)介紹石墨礦專用浮選機(jī)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用情況。

1 石墨浮選工藝特點(diǎn)

雖然磷片石墨的可浮性很好，生產(chǎn)中主要采用階段磨礦、階段選別、快速浮選、多段磨礦—分級浮選、混目粗選后分級磨礦浮選等工藝，盡量縮短選別流程，提前快速分選出大鱗片石墨，細(xì)鱗片石墨進(jìn)行多次精選[9-10]。磷片石墨選別工藝對浮選設(shè)備的要求有其特殊性，主要特點(diǎn)如下：

1)相對于細(xì)粒石墨，大鱗片石墨在性能方面具有較大優(yōu)勢，生產(chǎn)中一般需要盡可能地提高大鱗片石墨的回收率。因此，為達(dá)到能收早收、保護(hù)大鱗片的目的，一般磨礦細(xì)度為-0.15 mm約占60%～70%，有時(shí)P80可達(dá)0.5～0.8 mm。由于入選的礦石粒度很粗，要求浮選機(jī)具有適宜的攪拌強(qiáng)度，既能保證礦漿在浮選槽內(nèi)充分懸浮，又不能在浮選槽內(nèi)發(fā)生“翻花”現(xiàn)象。

2)浮選作業(yè)的泡沫產(chǎn)率大、泡沫黏性高。雖然鱗片石墨的可浮性很好，礦石密度較小，大鱗片也易上浮，然而如果泡沫在浮選槽內(nèi)泡沫區(qū)的停留時(shí)間過長，大鱗片也容易與氣泡發(fā)生脫附現(xiàn)象，從而降低大鱗片石墨的回收率。因此，需開發(fā)浮選泡沫快速回收技術(shù)。

3)石墨精礦產(chǎn)品對品位的要求很高，高碳石墨產(chǎn)品要求固定碳的含量需達(dá)到94%以上。因此，需要經(jīng)過多次精選才能獲得合格的精礦，有時(shí)需要多達(dá)10次精選作業(yè)。由于精選作業(yè)流程過長，單作業(yè)的浮選效率較低。因此，需提高浮選機(jī)性能，盡量縮短精選流程。

4)一般中礦泡沫集中返回至前面作業(yè)，隨著時(shí)間累積容易造成中礦的循環(huán)負(fù)荷較大。當(dāng)大量中礦泡沫返回到作業(yè)前的給礦箱或尾礦箱時(shí)，由于泡沫的氣含率很高，泡沫沿著槽壁爬升，常發(fā)生泡沫漫流至浮選機(jī)操作平臺上面的現(xiàn)象，導(dǎo)致操作平臺的衛(wèi)生條件極差。因此，需增加浮選機(jī)作業(yè)間中礦泡沫的流通通道。

5)石墨浮選不同作業(yè)對浮選機(jī)充氣量的要求不同，一般粗、掃選作業(yè)的充氣量約0.7～0.9 m3/(m2×min)，精選作業(yè)充氣量約0.3～0.6 m3/(m2×min)。因此，浮選機(jī)的充氣量需實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控。

2 石墨礦浮選機(jī)選型

浮選機(jī)選型正確與否對選礦廠生產(chǎn)指標(biāo)好壞有著重要的影響，因此浮選機(jī)選型需要謹(jǐn)慎考慮很多影響因素。傳統(tǒng)意義上，一般浮選機(jī)選型采用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，浮選機(jī)臺數(shù)計(jì)算如下[7]：

式中，n—作業(yè)所選浮選機(jī)臺數(shù)；V—進(jìn)入作業(yè)的礦漿體積，m3/min；t—浮選時(shí)間，min；KV—浮選機(jī)有效容積與幾何容積之比；VO—浮選機(jī)的幾何容積，m3；

應(yīng)用一般浮選機(jī)選型經(jīng)驗(yàn)時(shí)有兩種基本思路：一是選擇小容積浮選機(jī)，作業(yè)配置的浮選機(jī)臺數(shù)多；二是選擇大容積浮選機(jī)，作業(yè)配置的浮選機(jī)臺數(shù)少。第一種思路更保守，適用于中小型選礦廠，認(rèn)為粗、掃選作業(yè)配置的浮選機(jī)數(shù)量應(yīng)不少于4臺，以避免礦漿“短路”現(xiàn)象。然而，隨著選礦廠處理量的急劇增加和浮選機(jī)大型化技術(shù)發(fā)展成熟后，大型選礦廠越來越傾向采用第二種思路。從實(shí)踐來看，粗、掃選作業(yè)配置的浮選機(jī)數(shù)量可少于4臺，甚至可配置1～2臺。此外，需同時(shí)比較這兩種選型的經(jīng)濟(jì)成本，但是最終選擇哪種思路仍存在很多的不確定性。這種不確定性主要源自于工業(yè)浮選流程中礦漿量的波動范圍，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)浮選時(shí)間如何放大到工業(yè)浮選時(shí)間，不同容積大小浮選機(jī)的短路概率及泡沫遷移特性等。關(guān)于如何減少這種不確定性，近些年又提出了兩個(gè)新的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，即校核浮選機(jī)溢流堰載荷和泡沫負(fù)載率大小。下面以某新建石墨礦選礦廠為例，對粗選作業(yè)進(jìn)行了浮選機(jī)選型，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 浮選機(jī)選型結(jié)果Table 1 Results of flotation machine selection

從表1中可以看出，應(yīng)用一般浮選機(jī)選型經(jīng)驗(yàn)，粗選作業(yè)的浮選機(jī)配置有四個(gè)方案。一般采用大容積浮選機(jī)時(shí)，單作業(yè)所需的浮選機(jī)臺數(shù)更少，設(shè)備總安裝功率更小，設(shè)備總占地面積也更小，也更方便操作及維護(hù)。因此，大多數(shù)情況下傾向選擇作業(yè)內(nèi)臺數(shù)相對較少的大容積浮選機(jī)方案。然而，針對石墨浮選泡沫產(chǎn)率大的特點(diǎn)，仍需校核作業(yè)內(nèi)浮選機(jī)的溢流堰載荷和泡沫負(fù)載率大小。以采用單邊刮泡、U形槽浮選機(jī)為例，其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 溢流堰載荷和泡沫負(fù)載率計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of lip loading and froth carry rate

依據(jù)新的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，粗選作業(yè)的溢流堰載荷最大應(yīng)不超過1.5 t/(m·h)，泡沫負(fù)載率最佳應(yīng)當(dāng)為0.8～1.5 t/(m2·h)[8]。從表2可以看出，4個(gè)選擇方案均不滿足溢流載載荷要求，只有前3個(gè)選型方案基本滿足泡沫負(fù)載率要求。雖然增加浮選機(jī)臺數(shù)可以減小溢流堰載荷，但是浮選機(jī)臺數(shù)增加必然增大實(shí)際的浮選時(shí)間而對浮選工藝指標(biāo)造成影響。為了改變這種情況，浮選機(jī)可采用雙邊刮泡方式或增加內(nèi)置泡沫槽，從而使作業(yè)內(nèi)浮選機(jī)的溢流堰載荷大小滿足要求。因此，該石墨礦粗選作業(yè)最終選擇了6臺容積20 m3浮選機(jī)，浮選機(jī)配置雙邊刮泡方式和內(nèi)置泡沫槽。從該石墨礦浮選機(jī)選型方案來看，作業(yè)內(nèi)配置臺數(shù)更多、相對容積較小的浮選機(jī)更合適，與常見的有色金屬礦浮選機(jī)選型不同。

3 石墨用浮選機(jī)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)

3.1 浮選機(jī)結(jié)構(gòu)

石墨專用浮選機(jī)是在傳統(tǒng)的充氣式浮選機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)的，其主要由皮帶罩、電機(jī)裝置、防護(hù)罩、刮板部件、縱向泡沫槽、橫向泡沫槽、主軸、定子和槽體等組成，其簡圖如圖1所示。

1—皮帶罩；2—電機(jī)裝置；3—防護(hù)罩；4—刮板部件；5—橫向泡沫槽；6—縱向泡沫槽；7—主軸；8—定子；9—槽體圖1 石墨礦專用浮選機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of flotation machine for graphite ore

3.2 石墨礦專用浮選機(jī)特點(diǎn)

石墨礦專用浮選機(jī)可廣泛適用于不同浮選作業(yè)的石墨分選，其主要特點(diǎn)如下：

1)浮選機(jī)采用雙“U”形槽體或三“U”形槽體結(jié)構(gòu)，連槽結(jié)構(gòu)既減少了槽體間的連接工作，又可以實(shí)現(xiàn)泡沫槽與槽體的整體設(shè)計(jì)。以往泡沫槽需單獨(dú)支撐，容易發(fā)生浮選泡沫跑漏的現(xiàn)象，通過整體設(shè)計(jì)極大地減少了這個(gè)現(xiàn)象。

2)浮選機(jī)設(shè)計(jì)了兩種泡沫槽結(jié)構(gòu)。浮選機(jī)內(nèi)配置縱向泡沫槽，浮選泡沫以溢流方式進(jìn)入縱向泡沫槽，且可以通過調(diào)節(jié)溢流板高度控制泡沫的溢流速度；浮選機(jī)外側(cè)配置橫向泡沫槽，通過刮板部件強(qiáng)制排出浮選泡沫?？v向泡沫槽與橫向泡沫槽連通，浮選泡沫最終從橫向泡沫槽的出口排出。通過兩種泡沫排出方式有效提高了浮選泡沫的排出速率，大幅度降低了浮選機(jī)的溢流堰載荷大小，從而提高了精礦的回收率。

3)為創(chuàng)造大鱗片石墨上浮需要弱紊流的流體動力學(xué)環(huán)境，在葉輪與槽體的直徑比不變的前提下，適當(dāng)降低了主軸的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，同時(shí)又保證了浮選機(jī)內(nèi)礦漿的充分離底懸浮。

4)浮選機(jī)尾礦箱內(nèi)礦漿的排放方式由上升流改為下降流，有利于浮選機(jī)內(nèi)難浮的粗重礦物顆粒快速排出，杜絕了浮選機(jī)內(nèi)粗重礦物顆粒沉積現(xiàn)象。同時(shí)，與浮選機(jī)連接的給礦箱、中間箱和尾礦箱上部均設(shè)計(jì)了方形流通孔，當(dāng)返回的中礦泡沫體積量瞬時(shí)增大時(shí)，中礦泡沫可以沿著方形流通孔溢流進(jìn)入浮選機(jī)內(nèi)，避免了中礦泡沫爬升到浮選機(jī)的操作平臺上面。

5)為了提高浮選泡沫的流動性，生產(chǎn)上常通過高壓水沖洗泡沫以加速泡沫破裂，這樣操作極易形成水霧。由于泡沫沖洗水多采用回水，這種水霧中常殘留浮選過程中添加的各種藥劑和微小顆粒物。為減少水霧吸入人體內(nèi)造成身體傷害，泡沫槽由常見的敞開式結(jié)構(gòu)改為全密閉結(jié)構(gòu)，泡沫槽上部設(shè)有可開合的觀察窗。既減少了現(xiàn)場操作人員的健康危害，又方便了生產(chǎn)操作。

6)空氣分配器設(shè)計(jì)成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有橢圓形的空氣彌散出口，氣泡可以迅速破裂并形成小氣泡，提高了石墨的礦化效率。

7)石墨浮選工藝流程長，不同浮選作業(yè)所需的充氣量不同。因此，浮選機(jī)配置了充氣量自動控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)充氣量精確調(diào)節(jié)。

4 工業(yè)應(yīng)用

目前，BGRIMM石墨礦專用浮選機(jī)技術(shù)在雞西富翔石墨有限公司、Syrah公司Balama石墨礦項(xiàng)目和Battery公司Montepuez石墨礦項(xiàng)目等獲得應(yīng)用。以下以Balama石墨礦項(xiàng)目為例進(jìn)行簡單介紹。

Balama石墨礦位于莫桑比克北部，設(shè)計(jì)處理量為6 000 t/d。該礦石墨的含量較高，按照5%石墨邊界品位計(jì)算，該礦的資源儲量為5.64億t，已成為目前世界上最大的石墨礦。Balama 石墨礦采用階段磨礦、階段選別的浮選工藝流程，原礦經(jīng)粗選、掃選、預(yù)精選和3次精選作業(yè)得到粗精礦，粗精礦經(jīng)篩分實(shí)現(xiàn)大鱗片石墨和細(xì)磷片石墨分離，然后分別進(jìn)行精選得到大鱗片精礦和細(xì)鱗片精礦。詳細(xì)浮選工藝流程見圖2。

全流程共采用30臺KYF-20浮選機(jī)、15臺KYF-10浮選機(jī)和6臺KYF-6浮選機(jī)。2017年底該選礦廠已投產(chǎn)，可以生產(chǎn)出綜合回收率達(dá)到85%、固定碳含量大于95%的石墨精礦。與國內(nèi)常見的“七磨八選”流程相比，該工藝流程相對簡單。

圖2 Balama石墨礦選礦廠浮選工藝流程圖Fig.2 Flotation circuit flowsheet at Balama Graphite Concentrator

5 結(jié)語

實(shí)踐表明，石墨礦浮選工藝的特殊性對浮選機(jī)有著更高的要求，通過對常規(guī)的外充氣式浮選機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以顯著提高石墨的浮選回收率，并能滿足日益重視清潔生產(chǎn)的需要。未來仍需重點(diǎn)研究浮選機(jī)和浮選柱結(jié)合的機(jī)柱聯(lián)合配置工藝，進(jìn)一步精簡浮選工藝流程，進(jìn)一步提高石墨礦的浮選裝備水平。