有色金属大型高效选矿设备的发展与应用

胡瑞彪,黄光洪,陈典助,李小健,陈正军

(长沙有色冶金设计研究院,湖南长沙 410011)

·机械设备·

有色金属大型高效选矿设备的发展与应用

胡瑞彪,黄光洪,陈典助,李小健,陈正军

(长沙有色冶金设计研究院,湖南长沙 410011)

文章介绍了国内外有色金属选矿设备大型化的使用情况,并以大型高效选矿设备的生产实例,分析了选矿大型化设备的发展趋势及应用前景。

有色金属;选矿;大型设备;进展

随着国民经济的飞速发展,矿产资源的大量被开发,原材料不断消耗,使得已探明资源量不断减少,同时导致了被采原矿日趋贫、细、杂;为了提高选矿厂的效益,大型或特大型选矿厂日趋增多。这就对选矿设备提出了越来越高的要求,促使选矿设备不断向大型、高效节能的方向发展。

选矿设备和选矿工艺的发展是同步的,任何高效的新型选矿设备都是伴随选矿厂生产要求而诞生,同时亦会促进选矿厂工艺技术、大型高效选矿设备的发展。设备技术水平是实现选矿工艺的前提,既直接影响生产流程的畅通和效率,同时也影响产品的质量以及选矿厂综合经济效益。因此,国内外非常重视选矿设备的开发和应用。随着科学技术的进步,各相关学科间的相互交叉和渗透,加上各专业间的互相协作,更促进了新结构、新材料的新型选矿设备的问世;机电一体化和自动控制技术的广泛应用,则更有力地推动了选矿设备的不断创新和向高效节能方向发展。

1 国内外采用的主要大型、新型破碎设备及应用

在选矿厂的设计和生产过程中,为了对入选矿石中有用矿物最大限度地回收利用,同时尽可能降低选矿厂的能耗,减少对环境的影响与污染,提高选矿厂的经济效益和社会效益,破碎、磨矿、浮选和浓缩设备的选择就显得尤为重要。破碎、磨矿工序的能耗和钢耗占选矿厂生产的一半以上,特别是磨矿工序,单位能耗远比破碎工序能耗高得多,占整个矿物粉碎作业的85%以上,占选厂的30%～60%。因此,采用新的破碎工艺、选择大型高效破碎设备等方法强化破碎作业,减少磨矿的给矿粒度,是提高碎磨效率,降低选矿成本的重要途径,也是设计选矿厂应该遵循和考虑的基本原则。

1.1 破碎机

传统破碎工艺流程的破碎产品粒度大,难以贯彻多碎少磨的节能原则。其工艺特点是:能耗高,工艺流程长。一般来说,破碎作业需采用两段或多段破碎才能获得理想的产品粒度,这样一来,会造成破碎工段设备台数增加,厂房面积增大,无形中增大了基建投资。因而,设计过程中采用大型化、高破碎比的设备是破碎工艺的发展趋势。

随着美卓矿机和Sandvik矿机在我国特大型矿山的应用,这一现象有了一定的改善。就有色金属矿山而言,在粗碎方面,现阶段最大的粗碎设备是MK-Ⅱ60-110旋回破碎机,该设备有大倾角的破碎腔和较长的破碎面,具有超高的破碎能力,在控制破碎产品粒度 ≤300 mm时最大处理能力可达6 080 t/h,且具有能耗低、多种偏心距、排矿口调整范围宽(175～250 mm)、易于维护保养和维修等特点。

中细碎设备中,瑞典Sandvik集团生产的液压圆锥破碎机,具有陡锥、高摆频、小偏心距、底部单缸液压支承和顶部星型架结构的特点,同一台破碎机可以安装从特粗到特细7种破碎腔型,衬板形状为恒定衬板特性等特点而被关注,其系列规格有S、H等系列,S系列液压圆锥破碎机为第二段圆锥破碎机,用于大进料粒径的二段破碎,与H系列圆锥破碎机的主要区别是给料口较大。H8800型圆锥破碎机的给料粒度范围为460～50 mm,排矿口调整范围10～51 mm,最大安装功率600 kW。用于中碎作业时最大处理能力可达15 kt/d,细碎作业时最大处理能力可达7 500 t/d。该设备在国外应用于世界最大的地下铜矿——智利Codelco公司的 El Teniente铜矿等矿山[1]。我国德兴铜矿、河南栾川钼矿等大量已使用了这一规格的设备。

目前世界上比较大的旋回破碎机还有德国Krupp公司制造的1 600 mm×2 896 mm旋回破碎机,单台处理能力也可达到10 kt/h以上,现用于Iriana Jaya的 Grasberg铜金矿。

北京矿冶研究总院研制的外动颚大破碎比匀摆颚式破碎机能提供较大的破碎比(最大可达17.5),一段破碎就可使产品粒度达到-12 mm,对降低流程的复杂性有一定的帮助[2],已在铜陵有色金属公司凤凰山铜矿、河北永昌金矿、四川某金矿、内蒙古白音罕山铅锌矿等采用,具有较佳的效果,不过该设备的处理能力有限,主要考虑在中小型矿山使用。该单位还设计生产了PA低矮系列颚式破碎机,这种设备因给料高度比同规格普通破碎机低近30%而被用于井下工作,其最大规格为 900 mm×1 200 mm[3]。北方重工生产的颚式破碎机有PEF和PEJ两个系列,其中PEJ系列最大的规格为1 500 mm× 2 100 mm。

1.2 高压辊磨机

高压辊磨机又名辊压机,实际上高压辊磨机在上世纪80年代就被应用到了水泥行业,而在金属矿山领域的应用由于材质和辊面磨损等问题而进展较慢。不过伴随着材料业的发展,以及全球矿业开发过程中对生产规模大型化和最大限度降低矿石破碎、磨矿能耗的要求,使用大型高压辊磨设备已成为行业的发展趋势。

世界上最大的高压辊磨机是由德国的 Krupp Polysius公司制造的,规格为Φ2 400 mm×1 650 mm,这种设备对高硬度矿石的磨碎效果尤为突出,而且同比节能达30%以上,已在秘鲁的Cerro Verde铜钼选矿厂得到应用,生产能力达到2 900 t/h。据报道[4],高压辊磨机在铜矿石的破碎方面有比较多的应用,印度尼西亚的PT铜金矿于2007年在其C1和C2选矿厂安装了两台Φ2 000 mm×1 500 mm的高压辊磨机进行矿石的超粉碎,每台处理量1 450 t/h;哈萨克斯坦的 Kasachsmys铜矿用Φ1 700 mm× 1 400 mm的高压辊磨机进行矿石的破碎,处理量约为1 000 t/h[5,6]。

陕西金堆城钼业公司是国内首个引进高压辊磨机的有色企业,引进的 Krupp Polysius公司生产的RPl4—1400高压辊磨机,将细碎产品开路破碎后给入球磨分级系统,辊压前、后物料给入一段球磨机,台时处理能力之比为1.975。国内也有一些企业加入了研发高压辊磨机的行列,四川成都利君公司设计的高压辊磨机的最大规格为Φ2 400 mm×1 600 mm,最大处理能力可达2 200 t/h(铁矿石)。该设备在内蒙古中西矿业有限公司正准备安装使用,设计处理能力1 500 t/h。

2 大型磨矿设备进展及应用

磨矿工艺可以分为两大类:一类为常规的碎磨流程,即破碎筛分+球磨工艺,另一类是(半)自磨流程即粗碎+自磨(半自磨)+球磨工艺。在国外发达国家,由于劳动力成本高、自动化程度高等原因,流程结构简单且易实现自动控制的自磨(半自磨)+球磨工艺在特大型选矿厂得到广泛应用,促使大型、特大型自磨机与半自磨机得到巨大的发展。该类设备具有单台生产能力大、工艺配置简单、选择性磨矿效果好的特点,也非常适合我国选矿厂发展的需求,因而国内一些特大、大型矿山也已逐步开始推广这种工艺。

2.1 自磨机和半自磨机

目前世界上生产应用的半自磨机规格最大的已达到Φ12.19 m×7.32 m,驱动功率为20 MW。美卓矿机现在已能设计和制造Φ13.41 m×7.92 m(有效研磨长度为7.32 m),驱动功率为31 MW(环形电机驱动)的半自磨机。其Φ12.2 m×6.7 m型自磨机已应用于澳大利亚的Newvrest Cadia铜金矿,处理能力为2 100 t/h。在智利Collahuasi mine安装的Φ12.19 m×7.32 m半自磨机是国外目前使用最大的半自磨机。2010年由中信重工机械股份有限公司成功研制的世界最大、最先进的Φ12.2 m×10.9 m自磨机也已交付澳大利亚SINO铁矿项目。

铜陵冬瓜山铜矿选矿厂是我国首次采用大型半自磨机的选矿厂,采用的磨矿设备为Φ8.534 m× 3.962 m半自磨机,尔后自磨机在有色金属选矿厂逐渐得到推广和应用。一些开发时间较长的大型矿山也在流程改造或扩建时采用了自磨、半自磨机流程。2010年4月2日,由中信重工自行设计、完全拥有自主知识产权的目前国内最大的Φ10.37 m× 5.19 m(双电机驱动)半自磨机完成了试车,该型号半自磨机是国内目前规格最大、系统配置最高、控制性能最完善的磨矿设备。德兴铜矿扩大采选生产规模技术改造项目中的大山选矿厂就采用了该型号半自磨机,同时采用的还有Φ7.32 m×10.68 m球磨机,电机功率均为2×5 586 kW,其设计磨矿能力为938 t/h[7]。

2.2 球磨机

在智利一个铜矿中安装的美卓矿机生产Φ7.93 m ×12.3 m球磨机是国外目前最大的投入使用的球磨机,安装功率为13 400 kW,为无齿轮传动。美卓已设计出直径为Φ8.25 m×13.4 m的球磨机,安装功率高达16 418 kW。

2009年7月1日,我国自主研发、完全拥有知识产权中信重工生产的世界最大、最先进的首台Φ7.93 m×13.6 m溢流型球磨机制造成功并交付澳大利亚SINO铁矿项目。

3 筛分和分级设备的发展与应用

在金属矿产资源的开发利用过程中,选矿厂的分级作业也是矿物分离极其重要的生产环节。随着金属矿山开采和选别难度的增加,对筛分效率和分级效率要求越来越高。因此,高效的筛分和分级设备是必然的选择。

3.1 筛分设备

Sandvik矿机生产的筛分设备包括棒条筛(SGH系列和SG系列)、圆振筛(SC-H系列、CS系列及MSO系列)、直线振动筛(LF系列)等。其中SG-H筛分机具有单一棒条或平板类型的筛板,可自由选择不同底层筛网,宽度为1.2～1.5 m;SG系列可用于重型粗筛作业,筛面宽度1.2～2.4 m;LF系列直线振动筛筛分效率高,产能大,在黑色矿山得到广泛应用。

美国Derrick公司生产的高频振动细筛目前有两种规格:1.2 m和1.5 m宽,分别配置2×1.9 kW和2×3.8 kW的动力。其优异工作性能主要归功于自身配套的高技术专利筛网。其筛网有三种:Urethane聚氨酯筛网寿命可达7 000 h以上,开孔率为35%～45%,孔径最小达0.10 mm,具有处理能力高、耐磨、防堵能力强等优点;Pyramid三维筛网可以处理0.038 mm的细粒物料,具有筛网面积大、处理能力大、寿命长等优点;Sandwich夹层金属筛网由三层筛网组成。上两层筛网起筛分作用,筛分粒度由两层筛网交叉重叠决定;最下层筛网起支撑作用。该细筛还可配置重复造浆槽,适合最大限度地从给料中筛除合格粒级物料。该设备在山东莱钢鲁南矿业公司,秘鲁Brocal铅锌矿等都有应用。适宜于钨、锡选矿厂磨矿分级,对减少过磨效果显著。

在国内,唐山路凯科技有限公司研制的MVS型电磁振动高频振网筛,其主要特点有:(1)只有筛网振动,基础受力小,筛网不易堵;(2)电耗低,节能; (3)筛子倾角可调;(4)筛网由3层筛网组成,筛分效果好。在国内黑色矿山应用较广。

由于兼具圆振动筛和直线振动筛的优点,椭圆振动筛在筛分领域中得到了广泛的关注。前面介绍的Sandvik矿机生产的MSO系列振动筛就属于这一类,其特点是可显著提高给料端的物料运动速度并且降低排料端的物料运动速度,最大型号为MSO2470,即外形尺寸为2 420 mm×7 000 mm(宽×长)。美卓矿机生产 Ellivar系列振动筛也是椭圆振动筛,最大型号为ELL20,外形尺寸为2 630 mm ×7 630 mm(宽×长),筛面面积为20 m2,最大处理量可达800 t/h,安装功率为30 kW。鞍山重型矿山机器股份有限公司生产的 TAB型振幅递减椭圆振动筛,最大规格为2TAB4282型号,外形尺寸4 250 mm×8 220 mm(宽×长),双层筛网,最大处理量为2 000 t/h,电机安装功率为2×55 kW。

3.2 分级设备

选矿行业采用的分机设备主要有螺旋分级机和水力旋流器两大类。

3.2.1 螺旋分级机

螺旋分级机主要同磨矿设备组成闭路作业,或用来洗矿、脱水和脱泥等,对粒度较粗的颗粒分级效果较好。

目前,国内的螺旋分级机共有22个规格,其中高堰式螺旋分级机螺旋直径0.5～3.0 m,沉没式螺旋分级机螺旋直径1.2～3.0 m,北方重工生产的最大的螺旋分级机规格为Φ3000 mm,总重84.87 t,生产能力(按固体量计算):返砂量23 300 t/d,溢流量2 200 t/d。

中国冶金矿业总公司通过引进德国AFX-100复式硫化分级技术设计生产的第三代高效分级设备,具有分级效率高、自动化程度高、运行成本低,可同时产出三种粒级产品等优点。最大的处理量可达1 000 t/h(固体量计算),给料粒度上限为8 mm。在本钢歪头山的工业试验中,在处理能力为26～35 t/h时,细粒级物料的质效率和量效率高达74.38%和87.66%[8],是普通螺旋分级效率的2.2倍、水力旋流器的1.8倍、振动细筛的1.3倍。

3.2.2 水力旋流器

水力旋流器作为一种高效的分级、脱泥设备,由于它处理量大,构造简单而被国内外广泛采用。由威海海王旋流器有限公司生产的旋流器与其他旋流器相比,主要结构特点有:渐开线形进料口、厚壁溢流管、新型多椎体机构旋流器。由于其诸多优点,被国内外选矿厂广泛认可,其FX系列旋流器中最大规格为 FX850,内径为850 mm,最大给料粒度达22 mm,溢流管径260～340 mm,处理能力最高可达到850 m3/h之间,设备重量为2 600 kg。北方重工生产的旋流器最大型号为FX-660,处理能力为350 m3/h,设备总重1 130 kg[9]。

4 选别设备(浮选设备为主)的发展与应用

近年来,浮选设备的发展有以下趋势:

1.设备大型化。随着选矿厂日处理量的不断增大,单槽容积大于200 m3的浮选设备已开始逐渐投入生产,目前世界上最大规格的浮选机单槽容积达到300 m3。

2.浮选设备趋向节能。通过改善叶轮结构设计和外加充气等方式,使浮选效率提高,同时降低浮选机的能耗。

3.细粒浮选设备得到快速发展。复合力场的引入,使浮选机(柱)处理细粒和微细粒的效率大大提高。

4.自动化控制程度越来越高。

在此基础上,各种大型、新型的浮选机应运而生。WEMCO公司生产的SmartCell型自吸式浮选机,属自吸气式机械搅拌浮选机,主要用于粗选和扫选,规格有42 m3、70 m3、100 m3、130 m3、160 m3、250 m3等6种规格。其中SmartCell 250型浮选机所要求的单位动力比预期的低了18%,而且在智利Minera Los Pelambres铜矿中使用了10台这种浮选机,使其处理量由120 kt/d提高到140 kt/d。

芬兰奥图昆普技术公司生产的 TankCell浮选机,属充气机械搅拌式浮选机,主要用于粗选和扫选。其设计生产的TankCell—300浮选机,浮选容积达到300 m3,是迄今为止世界上最大的浮选机。该浮选机的空气给入流量约为16～31 m3/min,轴压力为71 kPa,2009年在智利Codelco公司丘基卡马塔分部成功通过测试[10]。在昆士兰 Zinifex Certtury锌选矿厂使用的最大T ankCell浮选机的容积为200 m3, 10台200 m3的浮选机在澳大利亚的Cowal金选矿厂中被成功使用[10]。

北京矿冶研究总院研制的 KYF-Ⅱ型浮选机,也是充气机械搅拌式浮选机,主要用于粗选和扫选,规格有50 m3、70 m3、100 m3、130 m3、160 m3、200 m3等6种规格。2007年,金川有色公司新建14 kt/d选矿厂使用了22台KYFⅡ-160浮选机,中国黄金集团公司在内蒙某铜钼矿使用KYF-160浮选机32台;2009年在江西德兴铜矿大山选矿厂进行了 KYF -200浮选机的工业试验,试验结果表明,在给矿铜品位相当的情况下,选别指标和原有的2×4台39 m3浮选机相比,尽管精矿铜品位降低0.39%,但回收率提高了6.77%,浮选效率高6.95%。说明这种200 m3充气机械搅拌式浮选机选别性能已达到国际同类设备的先进水平[11]。

浮选柱因其对微细粒选别的优越性而被业内所认可,浮选柱新的进展主要表现在:(1)柱体高度降低;(2)充气方式完善;(3)矿化方式多样化。CPT浮选柱是一种具有柱型槽体的无机械搅拌充气式浮选设备。CPT浮选柱的主要特点为正方形或圆形截面,直径最大达到6 m,高度为8～16 m。

长沙有色冶金设计研究院研制的CCF型逆流接触充气式浮选柱,对细粒级(-0.074 mm含量≥65%)的浮选效果明显优于浮选机,已被广泛应用于钼选矿厂。目前可生产的最大直径CCF浮选柱可达5 m,高度为8～14 m。用于金堆城钼矿的CCF浮选柱规格为Φ5 000 mm×12 000 mm,给矿粒度-0.074 mm占90%,给矿浓度25%～45%,设计处理量574.42 m3/h。

5 浓缩、过滤设备的发展与应用

精矿浓缩和脱水是金属选矿厂中重要的后续辅助作业。精矿水分含量的多少,尾矿回水利用率的高低,直接影响到选厂的精矿运输成本和投资成本。

传统浓密机依然是新建选厂中浓缩的首选设备。只有在因场地限制、受寒冷气候影响或脱水物料特殊性质,高效浓密机才被选择使用。易过滤矿物的过滤仍然以真空类过滤设备为主。新型的陶瓷圆盘真空过滤机是真空类过滤设备技术进步的主要代表,随着该设备的市场化程度越来越高,这种过滤机也已被较为广泛地推广和应用。

5.1 浓密机

普通浓密机从动力驱动上说,有中心传动和周边传动两种。

浓密设备以芬兰Outokumpu公司Supaflo浓密机具有一定的代表性。其中Supaflo传统浓密机不需使用絮凝剂,能承受短期的生产波动,并保持底流的稳定。有中心传动和周边传动两种结构形式。Supalo高压缩率浓密机在澳大利亚MountLeyshon金矿使用时,在磨矿细度为80%-0.14 mm时,浓密机底流浓度可以达到63%;采用Φ35 m Supalo型浓密机取代Φ110 m普通浓密机,比一般高效浓密机底流浓度可提高5%以上[12]。

据资料报道,目前澳大利亚已可以生产出中心轴传动式Φ100 m浓缩机和中心支柱中心传动式Φ183 m浓缩机;美国生产了最大规格Φ153 m的周边传动式浓缩机。淮北中芬矿山机器制造有限公司设计生产的最大型号浓密机为NZY-80,直径达80 m,在青海德尔尼铜矿得到应用。

5.2 过滤机

陶瓷圆盘过滤机巧妙地利用毛细现象,以微孔陶瓷过滤介质取代原来的布质滤袋,使得过滤后的滤饼水分下降,且易操作、节能,越来越被各大设计单位和选矿厂所接受。

国内生产陶瓷过滤机的厂家也比较多,江苏省宜兴非金属化工机械厂是我国第一个生产双吸型陶瓷过滤机的厂家,其生产的最大型号的双吸型陶瓷过滤机为HTG-80型陶瓷过滤机,已开始用于中国铝业铝矾土脱水,目前已完成了HTG-120型陶瓷过滤机的设计[13]。

5.3 压滤机

压滤机是目前选矿厂过滤的重要设备。随着我国选矿技术的飞速发展和环境保护要求的不断提升,推动了压滤机的不断改进和更新,新型的高效压滤机不断出现。

美卓矿机生产的压缩空气脱水吹气干燥压滤机(PVA)是专门为矿山脱水过滤作业而设计的,其压滤室长度最长为16 150 mm,过滤室可达50个以上,过滤周期短,过滤效率极高。西班牙 TH压滤技术公司生产的APN全自动全液压快开式压滤机也属高效过滤设备,其APN25SL60型过滤机过滤面积为633 m2,电机功率为22 kW,处理能力最大可达325 t/h(固体干量)。该设备最大特点是配套的APN SIX型活塞式隔膜泵,有耗能低、磨损小、变容式料浆泵等特点。

快开式隔膜压滤机是国内研究相对较早的压滤机。由北京中水长固液分离技术有限公司生产的KM型快速隔膜压滤机,其特点主要有:(1)多端口进料、进料快,成饼效果好;(2)采用主、从多缸同步压紧和控制技术;(3)独特的液压驱动。KM300/ 2000型快速隔膜压滤机已在山东兖矿集团东滩矿选煤厂运行3 a多,该机处理能力达100.7 kg/m2·h,滤饼水分为19%～25%[14]。

江苏某选煤厂采用XKZ-200快开压滤机,过滤面积为 200 m3,最大液压压紧工作压力为 25 MPa,进料孔直径和滤液孔直径均为80 mm,滤饼厚度为40 mm。该选煤厂采用XKZ-200进行浮选精煤脱水,与原来该厂采用的盘式过滤机相比,产品水分低12%～15%[15]。

景津压滤机集团有限公司生产的 KZG系列快开式隔膜压滤机在国内使用的相对较多,KZG300/ 2000-U程控快开式隔膜压滤机的过滤面积为300 m2,滤室总容积为6.93 m3,滤饼厚度为45 mm,滤饼含水量控制在18%～22%,电机总功率为33.0 kW。现已应用于阳泉煤业集团二矿选煤厂[16]。该公司可生产的最大的快开式隔膜压滤机型号为KZG700/2000型高压聚丙烯隔膜压滤机,过滤面积可达700 m2,滤饼厚度45 mm,滤室数为100,处理能力可达90 t/h。

ZKG450/2000型快开式隔膜压滤机是一种过滤面积相对较大的快开式隔膜压滤机,在马兰矿选煤厂被用于浮选精煤脱水。该设备的过滤面积达到了450 m3,滤室容积为 10.08 m3,过滤压力为 0.8 MPa。处理能力为54.50 t/h,产品水分在19%左右[17]。

6 结束语

1.由于新工艺、新材料以及制造业的快速发展,不同程度地推动了选矿及其相关行业的技术进步,加快了设备大型化和自动化的进程,使得选矿工艺的适应性更强,为处理低品位矿石、提高选别技术指标提供了前提。

2.有色金属大型及高效选矿设备虽日趋完善,但也还存在一定的问题,如大型设备在国内实际生产中应用相对较少,自动化控制水平和程度相对较低,超大型设备的适应性不强等,在今后的设计研究过程中,还有很多值得改进的地方。

3.有色金属选矿设备的大型化、高效节能和自动控制水平的提高仍将是未来相当长时间内选矿工作者的重要研发课题,也是选矿工业应用技术发展的趋势。

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Development and Application of Large and High Efficiency Equipments of Non-ferrous Metals Mineral Processing

HU Rui-biao,HUANGGuang-hong,CHEN Dian-zhu, LI Xiao-jian,CHEN Zheng-jun

(Changsha Engineering and Research Institute of Nonferrous Metallurgy,Changsha410011,China)

Applications of large equipments of non-ferrous metals mineral processing at home and abroad are discussed.Through the application results of these equipments in practical production,the development tendency of mineral processing equipments is analyzed.

non-ferrous metals;mineral processing;large equipments;progress

TD163+.2

A

1003-5540(2011)01-0052-05

胡瑞彪(1985-),男,硕士,助理工程师,主要从事有色金属矿山选矿设计与研究工作。

2010-10-20