海域采选矿工艺关键技术的探讨

戴财生，毛 浩

（1. 中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222；2. 东营港务集团有限公司，山东 东营 257200）

引 言

针对世界各国储存的铁矿石存在的特点，以及近年来钢铁等工业对铁精矿提出的更高要求，一般对于低于 50 %品位的铁矿石需要经过选矿提高其品位才能冶炼利用。

陆域铁矿的开采、磁选、储存及运输等装卸工艺环节，已形成技术成熟、安全可靠的装卸工艺模式，且均在陆域场地完成。陆域铁矿的开采分为露天和地下开采两种，大型铁矿开采主要依靠大斗容挖掘机，其所用刀主要有铣削刀具、盘形滚刀、楔齿滚刀等，充分利用刀具的回转力和轴向压力对铁矿岩面进行有效辗压、破碎，然后进行开采挖掘。

斐济劳托卡港铁矿项目矿区位于斐济维提雷弗坝河三角洲河口，本项目矿区长15 km、宽4 km，处于铁矿砂粒粗细不等的水平覆盖带区域。到目前为止，海域铁矿砂的开采、磁选关键工艺技术在国内外尚无成熟的实施工程案例。本文结合斐济劳托卡港铁矿石工程项目实例，对海域铁矿砂的开采、磁选关键工艺技术进行探讨。

1 项目概述

本项目海域矿区位于斐济维提岛的主岛西北方，陆域港口设施位于距海域矿区约23 n mile的劳托卡港口中，其地理位置见图1。

斐济维提雷弗坝河三角洲雨水冲积自然形成的天然含铁矿物储量非常丰富。本项目充分利用铁矿砂用来生产钒钛磁铁精矿，经开采、磁选、洗选等工艺技术，提炼的铁精矿可作为许多钢铁厂和煤电厂作为烧结的一种含铁原料，以降低生产成本。

经磁选后的铁精矿浆沿水运航道经驳船运送至劳托卡港口，由港口设施完成铁精矿浆的水力卸船、淡水清洗、除去海盐，并经在储存仓库内初步干燥后，经输送和装船系统，最后完成铁精矿的船舶外运。陆域港口设施工艺概念方案见图2。

图1 斐济铁矿项目地理位置示意

图2 陆域港口设施工艺示意

2 海域铁矿开采关键工艺技术

2.1 项目开采、磁选生产指标表

斐济劳托卡港铁矿项目矿区均位于海水覆盖区域，其开采方式与陆域矿区截然不同，目前世界上还没有可参照的成熟工艺技术模式。如何建设本项目海域铁矿砂开采、磁选等作业目标的着力点，关键在于其关键工艺技术的高效性、环保性、新工艺和新模式。工艺技术不但要体现出具有高效、可靠、先进、性价比高等特点，而且也要注重设备投资、生产费用、电能消耗等技术指标。关键工艺技术所占生产成本的比例很大，因此也决定着今后运营的经济效益。

表1 斐济项目开采、磁选生产指标

2.2 海域铁矿砂开采工艺技术

斐济劳托卡港铁矿项目概念方案主要内容：首先由采矿船在海域矿区对铁矿砂原料的开采挖掘，经管道输送至海上移动式选矿平台，然后由选矿平台完成连续、高效的筛分、粗选、精选、采样、管道输送及装运驳船等作业流程，尾矿直接返回至先前采空的矿区。海域铁矿开采、磁选工艺概念方案见图3。

图3 海域铁矿开采、磁选工艺示意

国内外对于海域铁矿砂开采还没形成成熟的工艺模式，根据目前可用于开采铁矿砂挖掘设备种类，主要有以下几种开采工艺模式。

1）斗轮式挖砂船开采工艺

斗轮式挖砂船开采工艺主要组成及工作原理：在船体的首部中央开槽部位安装由可升降式的桥架，桥架首部装有斗轮装置，斗轮转动轴与支臂成一定的角度。斗轮在挖掘过程中，将斗轮下端放入水中一定的深度，使斗与矿砂层接触，在斗轮上端的斗轮驱动下，使斗轮连续运转进行开采挖掘，将铁矿砂和海水进行混合搅动。再经吸矿浆管将挖取的铁矿砂和海水混合物料，借助强大的泵力进行输送，其开采、输送等作业环节可以一次性连续完成，是一种效率高、成本较低的开采工艺模式。

斗轮式挖砂船开采工艺主要具有如下的工作特点：

①用途广泛，可以在江、河、湖、海中作业条件适宜的区域作业。

②工作效率高，产量大，泵距远，可实现长时间连续开采作业。

③设备操作简单，易于控制。

④开采矿浆浓度较为稳定，为选矿平台系统提供矿浆便于调节其浓度。

⑤在横移绞车的配合下，可使船绕尾部定位桩左右横移，增加工作面。

⑥物料的挖掘和输送可以实现一次性完成，且不需要其它舶船配合作业，运营成本较低。

⑦可在斗轮式挖砂船后方通过管道与水上选矿平台实现串联作业模式，从而使采矿、选矿、矿浆输送、尾矿排放等工艺环节一次性完成，从而可以大幅度地提高采选矿的效率、降低工程投入，从而产生极高的经济效益。

2）绞吸式挖砂船开采工艺

绞吸式挖砂船开采工艺主要组成及工作原理，除了采用的挖掘设备不同，其余与斗轮式挖砂船大同小异。绞吸式挖砂船是利用转动着的绞刀绞松河底或海底的矿砂，与海水混合成矿浆，经过吸矿浆管吸入泵体，借助强大的泵力进行输送。适用于风浪小、流速低的内河湖区和沿海港口的疏浚，以开挖砂、砂壤土、淤泥等土质比较适宜。挖黏土时可采用有齿的绞刀，但其工效将大大降低。

3）链斗式挖砂船开采工艺

链斗式挖砂船开采工艺主要组成及工作原理：在船体的中央开槽部位安装由可升降式的斗桥，作业时将斗桥的下端放入水下一定的深度，使之与物料相接触。然后在上导轮驱动下使斗链连续运转，带动斗链上的料斗，挖采后料斗装入物料，再随斗链的转动提升出水面，并传送至塔顶部。经过上导轮改变方向后，斗内的矿砂在自身的重力作用下，倒入斗塔中的矿井。链斗式挖砂船可挖掘各种淤泥、软粘土、砂和砂质黏土，但不能满足将开采上来的物料通过管道进行后方输送。

4）海域铁矿砂各种开采工艺综合比较

斗轮式、绞吸式及链斗式海域铁矿砂挖砂船开采工艺综合比较见表2。

表2 海域铁矿砂开采工艺模式比较

5）斐济铁矿砂的海域铁矿开采工艺

斐济劳托卡港铁矿砂项目选用具有采矿工作效率高、开采矿浆浓度稳定性好、能与选矿平台系统连接顺畅和开采矿床形状优等优点的斗轮式挖砂船开采工艺。

斗轮式挖砂船主要技术参数简述如下：

①开采铁矿砂系统

斗轮桥架安装在船首部开槽之间，桥架总长18.5 m。主甲板设有150 kN桥架液压绞车，绳速为0～20 m/min。通过滑轮组上下升降桥架，实现不同深度的采矿作用，桥架下放45°时，最大挖深14 m。

桥架首部装有斗轮装置，斗轮直径为 3.2 m，额定功率170 kW，额定转速0～18 r/min，铁矿砂矿浆最大可通过量为4 300 m3/h，其能力在国内外达到先进水平。

桥架绞车两侧设两台150 kN型横移液压绞车，绳速为0～20 m/min。横移绞车的钢丝绳从设于桥架前部的可转动横移滑轮上绕出伸至挖砂船两侧，在两台横移绞车的配合下，可使挖砂船绕尾部定位桩左右横移。

②台车定位桩系统

斗轮式挖砂船设置主辅两根定位桩，直径为700 mm，长度为18.5 m，定位桩设在船体尾部。主桩台车设在尾部开槽内，台车带有波浪补偿功能，台车行程 4.0 m。定位桩升降采用油缸升降，选用缸径180 mm，行程2 200 mm。

3 海域铁矿砂磁选关键工艺技术

3.1 磁选的基本工作原理

磁选的基本工作原理：原料矿石经输送至磁选设备的选分空间后，在磁选设备的磁场中受到磁力和机械力（注：机械力主要包括水流动力、离心力、重力等）的合力作用，然后进行磁选及分离。

图4 铁矿原料在磁选机中分离的示意

在磁力和机械力的合力作用下，不同磁性的矿粒将沿着不同的路径向前流动。依据矿粒流动的路径不同，可以分别设置不同的接收管道，进而可以得到不同磁性和非磁性的产品。磁性矿粒所受的磁力和机械力合力的比值决定着磁性矿粒的流动路径，非磁性矿粒的流动路径由机械合力来决定。磁选是利用磁力和机械合力对不同磁性矿粒的不同作用而实现的。为了保证有效地分离磁性强和磁性弱的矿粒，不同磁性矿粒的分离必须满足以下条件：

式中：F1磁为磁性强矿粒所受的磁力；F机合为所有机械力的合力（与磁力方向相反）；F2磁为磁性弱矿粒所受的磁力。

3.2 斐济铁矿砂的磁选工艺技术

斐济铁矿砂项目采矿区域据探测储量约2.2亿t，其最大粒径200 μm，品位范围7.5 %～15 %，平均品位为 10.9 %。系统处理能力：干砂平均能力为1 800 t/h，峰值能力 2 400 t/h，最大可通过量为4 300 m3/h，其能力在国内外达到先进水平。

图5 铁矿砂选矿平台示意

1）选矿平台工艺流程简述

选矿平台工艺流程简述如下：利用斗轮式挖砂船开采，通过管道泵输送矿浆进入选矿平台系统，在选矿平台系统首先进入两台隔渣筛，筛下物料进入缓冲斗，筛上隔除贝壳、树枝等较大物料。缓冲斗起到调节来料波动的作用，缓冲斗内物料均匀给入粗磁选机。粗磁选机选出的磁性矿物自流进入粗精矿泵池，经泵给入到精磁选机，精磁选机用于进一步提高精矿的品位。精磁选机选出的磁性矿物自流给入高频振动细筛，筛下物料即是最终铁精矿产品，自流入精矿泵池，通过精矿输送系统装载于精矿运输驳船上。隔渣筛筛上物料、粗磁选机尾矿、精磁选机尾矿、高频振动细筛筛上等物料均进入尾矿泵池，通过尾矿泵和管道输送返回采空的矿区。

2）磁选工艺设备选型

磁选机种类很多，按作业条件可分为湿式和干式磁选机；按磁源又可分为电磁式和永磁式；按设备结构分为盘式、辊式、平环式、立环式、感应辊式等等。

结合斐济项目作业条件及物料特点，磁选机均选用湿式永磁筒式磁选机，其主要由圆筒、磁系、槽体、传动部门等组成。电机驱动减速机，从而带动圆筒作回转运动。磁系安装在圆筒内，磁块采用不锈钢螺栓装在磁轭底板上，磁轭的轴伸出筒外，轴端固定有拐臂。扳动拐臂可以调整磁系偏角，调整合适后可以用拉杆固定。槽体的工作区域用不锈钢板制造，机架和槽体的其他部门用普通钢材焊接。

根据选矿平台系统作业能力及整体布置，粗选工艺共设2组粗磁选机工作路径，每组设4台粗磁选机并联作业模式。精选工艺共设2组精磁选机工作路径，每组设3台精磁选机串联作业模式。这种采用粗、精选磁选机设备组合作业模式可以得到较高的精矿质量和回收率，有效提高选矿系统的精矿品位。

根据对采矿区铁矿砂的相关实验结果，粗磁选机采用磁场强度为1 200 GS、逆流槽体结构的湿式永磁磁选机，其矿浆运动方向与磁场力方向基本相同，因而矿粒可以达到磁场力很高的圆筒表面上。另外，尾矿是从底板上的尾矿孔排出，这样溢流面的高度可以保持槽体中的矿浆水平。精磁选机采用磁场强度为700 GS、顺流槽体结构的湿式永磁磁选机，其矿浆运动方向与圆筒旋转方向基本一致，矿浆由给矿箱直接进到圆筒的磁系下方，非磁性矿粒和磁性很弱的矿粒由圆筒下方的尾矿孔排出。磁性矿粒吸在圆筒表面上，随着圆筒一起旋转到磁系边缘的磁场弱处，由卸矿水管将其卸到精矿槽中，然后自流给入高频振动细筛，筛下物料即是最终铁精矿产品。

4 结 语

到目前为止，海域铁矿砂的开采、磁选关键工艺技术在国内外尚无成熟工程案例，在国内外类似工程中为创新型工艺技术。本文结合斐济项目铁矿砂工程案例，对海域铁矿砂的开采、磁选等关键工艺技术进行了详细的分析和探讨，为今后海域铁矿砂类似工程工艺技术的创新提供新的思路。