旋流-静态微泡浮选柱在河南某微细粒钼矿的应用研究

陈新 ，晁彦德 ，黄业豪 ，李树磊

（1.栾川县鑫鑫矿业有限公司，河南 洛阳 471500；2.栾川龙宇钼业有限公司，河南洛阳 471000；3.河南省地质研究院，河南 郑州 450016；4.中国矿业大学，江苏徐州 221116）

钼是一种重要的过渡稀有金属，属战略资源，广泛应用于冶金、合金、航天等领域，对整个国民经济的发展起着重要作用[1]。在工业生产中，常常通过选矿、冶金等工艺获得钼金属，而辉钼矿是提取钼金属的主要矿产原料[2]。辉钼矿一般嵌布粒度较细，对于微细粒级辉钼矿，受浮选粒度下限的影响，一般浮选效率低、回收率低[3-4]。在强化微细粒矿物浮选方面，国内外科技工作者在以下方面开展了系列研究工作：①降低气泡尺寸，如微泡浮选[5]；②优化浮选过程流体环境，如强化浮选过程的微观湍流[6]；③增大微细颗粒表观粒径，如剪切絮凝[7]、选择性絮凝[8]、油团聚等[9]。微泡浮选是强化微细粒矿物回收的重要手段之一，其强化作用机理主要为[5,10]：① 微泡弥散效果好，有助于提高气泡与目的矿物的碰撞概率；② 微泡上升速率慢，有助于延长气泡与目的矿物的接触时间，促进矿化；③ 微泡比表面积大、表面张力强，促进其与微细粒目的矿物之间的粘附。微观湍流强化也是强化微细颗粒矿化的有效手段，湍流动能耗散率越大，涡尺度越小，越能作用于微细尺度颗粒，涡动能越高，微细粒获得的动能则越高，气泡也被“撕裂”得越小[11]。旋流-静态微泡浮选柱由中国矿业大学刘炯天院士团队研发，通过将逆流矿化、旋流矿化、管流矿化多段矿化与微泡浮选相融合实现细粒/微细颗粒浮选过程强化，具有气泡尺寸小、紊流度高、处理量大、操作方便等特点，已在煤炭、金、铜、钼、钨等矿山领域得到广泛应用[12-15]。

栾川县鑫鑫矿业是一家大型钼矿采选企业，公司自有矿山，矿石资源类型主要是矽卡岩型钼矿石。选矿厂设计生产规模3000 t/d，自投产运行以来，微细粒辉钼的损失问题一直未得到有效解决，另外，公司计划通过多碎少磨扩产至4000 t/d，故需要进一步延长浮选时间。为此，经过系统的考查与论证，公司提出增加1 台FCSMC 5500 mm×8000 mm 旋流-静态微泡浮选柱技术改造项目，以适应选矿厂4000 t/d 扩能改造的需要，并协同强化微细粒辉钼矿回收，最终提高企业经济效益。项目投产实施后，微细粒辉钼矿的回收得到明显强化，总回收率提高约4 个百分点。旋流-静态微泡浮选柱的应用较为成功，可为同类型矿山提供了技术参考和方法借鉴。

1 生产现状及主要问题

1.1 矿石性质

矿石为矽卡岩型钼矿，主要金属矿物为辉钼矿、黄铁矿，其次为少量白钨矿、黄铜矿、方铅矿、磁铁矿等，脉石矿物主要为辉石、绿帘石、黑云母、钾长石，其次含少部分蒙脱石、方解石和绿泥石等。矿石中Mo 品位为0.1%左右，钼主要以辉钼矿的形式存在，约占95%，辉钼矿嵌布粒度较细，基本不存在+0.074 mm 的辉钼矿，-0.038 mm 的辉钼矿占75.80%，-0.020 mm 的辉钼矿占38.68%，主要呈弯曲鳞片状、叶片状，并以束状或团块状集合体沿细脉或浸染状分布，回收率受辉钼矿粒度及泥质含量影响较大。

1.2 生产现状

选矿厂设计规模3000 t/d，目前实际生产规模2800 t/d。磨矿分级工艺流程为两段两闭路，一段磨矿分级由MQY 3600 mm×6000 mm 型球磨机和Φ610 mm 旋流器构成，二段磨矿分级由MQY 3200 mm×4900 mm 型球磨机和Φ350 mm 旋流器构成。原矿磨至-0.074 mm 80%后进入浮选系统，粗扫选作业工艺流程为一粗三扫一预精，粗选为1 台CCF 4000 mm×8000 mm 充气式浮选柱，三扫为6 台KYF/XCF-50 m3浮选机（平均分配），扫一泡沫经2 台KYF/XCF-8 m3浮选机进行预精选，预精选泡沫与Φ150 mm 旋流器和JM1200 mm 立式再磨机构成闭路再磨，Φ150 旋流器溢流细度控制为-0.032 mm 90%，其与CCF 4000 mm×8000 mm浮选柱粗选泡沫合并进入精选作业，粗扫选作业工艺流程见图1；精选工艺流程为三次精选四次精扫选，最终精矿Mo 品位大于40%。

图1 改造前粗扫选作业工艺流程Fig.1 Process flow of roughing and scavenging before transformation

选矿厂入选矿石Mo 品位为0.1%左右，矿石嵌布粒度细，原矿中-0.038 mm 55%，金属分布率在70%以上。入选浓度在33%左右，粗选Mo 回收率在40%左右，Mo 总回收率在75%～78%。损失在尾矿中的Mo 主要以辉钼矿形式存在，占比83.33%，损失辉钼矿中-0.020 mm 粒级单体占比84.39%，平均粒径0.008 mm，解离程度良好，因此进一步强化微细粒辉钼矿的回收是提高回收率的关键。

1.3 主要生产问题

（1）粗选作业回收率较低

公司2018 年委托郑州矿产综合利用研究所对磨浮流程进行了系统的流程查定，通过流程查定发现粗选浮选时间不够，粗选回收率偏低，约35%。对粗选浮选柱给矿、泡沫、底流进行金属分布率的考查与分析，数据统计结果见表1。通过给矿与底流数据对比分析可知，-0.038 mm 粒级金属分布率下降幅度不大，说明细粒级钼回收效果较差，并综合扫选作业回收率（约70%）情况分析，粗选作业回收率偏低，其原因主要是：①设备性能限制了微细粒级的回收；②浮选时间不足，导致作业回收率偏低。

表1 粗选作业各产品Mo 分布率变化Table 1 Change of metal distribution rate of each product in roughing flotation

（2）微细粒级辉钼矿回收效果差

为探究尾矿中辉钼矿的损失形式，对生产尾矿进行制片并于光学显微镜下分析，镜下显微照片见图2，辉钼矿粒度统计分析结果见表2，尾矿中辉钼矿主要以微细粒级单体形式的损失，其中-0.020 mm84.39%，平均粒径为0.008 mm。

表2 尾矿镜下粒度统计分析结果Table 2 Statistical analysis results of tailings particle size under microscope

图2 尾矿镜下显微照片Fig.2 Microscopic micrograph of tailings

（3）泥质含量高影响回收率

矿石中含有大量的绿帘石、蒙脱石、绿泥石等泥质矿物，部分坑口泥质矿物含量可达到40%以上，导致过磨严重、矿浆粘度较大、泡沫粘度高、药剂消耗大、回水发浑等一系列的问题。此外，泥质矿物因其表面积大，易与目的矿物发生非选择性的团聚，导致目的矿物可浮性变差，阻碍目的矿物与脉石矿物的分离，使得浮选回收率降低[16-17]。

2 旋流-静态微泡浮选柱

2.1 分选机理

旋流-静态微泡浮选柱主体结构包括柱浮选段，旋流分选段、管流矿化段三部分[12-13]。管流矿化的关键部件是气泡发生器，依靠射流负压自身引入气体并把气体粉碎成气泡，含有气泡的三相体系在浮选管段内高度紊流矿化，然后以较高能量状态沿切向高速进入旋流分离段，当大量气泡沿切向进入旋流分离段时，由于离心力和浮力的共同作用，便迅速以旋转方式向旋流分离段中心汇集，进入柱分离段并在柱体断面上得到分散；与此同时，由上部给入的矿浆连同矿物颗粒呈整体向下塞式流动，与呈整体向上升浮的气泡发生逆向运动与碰撞；气泡在上升过程中不断矿化，形成柱分选的持续矿化过程。

2.2 设备优点[12-15]

（1）微泡浮选，适合微细粒矿物回收。产生气泡具有尺寸小、数量多、粒度分布均匀等特点，微泡比表面积大，能够增加气泡与矿物之间的碰撞概率，更适合与微细粒矿物之间的粘附；另外，小尺度气泡在柱体中的上升速率慢，延长矿物与气泡之间的接触时间，促进目的矿物矿化。

（2）中矿循环，有利于提高回收率。将逆流矿化中未捕获的矿物通过多次中矿循环，实现其在管流段和旋流段的矿化，兼具扫选作用，提高目的矿物矿化概率，降低尾矿品位。

（3）富集比高，实现短流程分选。在静态-微泡浮选柱分选设备中，柱分离段的更重要的作用是精选作用，它要对来自柱分选设备底部的旋流力场及管浮选回收的中矿进行精选，并从总体上保证整个柱分选设备的精矿产品质量，具有富集比高的特点，能够缩短工艺流程。

（4）旋流分选，强化矿物回收。旋流浮选不仅提供了一种高效矿化方式，而且使得浮选粒度下限大大降低，浮选速度大大提高，更适合微细粒矿物分选。

3 实验室浮选柱实验及工业实践

3.1 实验室浮选实验

根据流程查定结果，为考查旋流-静态微泡浮选柱对该类矿石的适应性，委托中国矿业大学进行了旋流-静态微泡浮选柱与浮选机实验室对比实验，实验样品分为两个：①CCF 4000 mm×8000 mm 浮选柱粗选尾矿；②生产中最终浮选尾矿。粗选尾矿进行再选时，工艺流程为一粗一扫；最终尾矿进行再选时，工艺流程为一次粗选；柱机对比实验的药剂制度参照生产药剂制度并保持完全一致，实验结果见表3。

表3 浮选柱与浮选机浮选实验结果Table 3 Flotation results of flotation column and flotation machine

由表3 中A、B 数据可知，对于粗选尾矿，旋流-静态微泡浮选柱粗选回收率为64.83%，远高于浮选机粗选回收率（53.83%），且富集比较高；旋流-静态微泡浮选柱尾矿品位为0.0127%，远低于浮选机尾矿品位（0.0172%）。由表3 中C、D 数据可知，对于总尾矿，旋流-静态微泡浮选柱粗选回收率同样高于浮选机，且浮选柱粗精矿富集比高出浮选机1 倍多。综上，旋流-静态微泡浮选柱对该矿石具有回收率高、富集比高等优势，对提高生产指标有利，并可缩短工艺流程。

3.2 工业改造应用

为适应选矿厂4000 t/d 扩能改造的需要，并协同强化粗选与微细粒级辉钼矿回收，根据现有CCF 4000 mm×8000 mm 充气式浮选柱处理量与浮选效果，在粗选FCSMC 4000 mm×8000 mm 充气式浮选柱与扫一KYF/XCF-50 m3浮选机之间新增1 台FCSMC 5500 mm×8000 mm 旋流-静态微泡浮选柱进行粗选浮选作业，具体工艺流程为：FCSMC 5500 mm×8000 mm 旋流-静态微泡浮选柱与CCF 4000×8000 mm 充气式浮选柱串联，旋流器溢流先进入CCF 4000 mm×8000 mm 充气式浮选柱进行粗选一，粗选一尾矿由给料泵给入FCSMC 5500 mm×8000 mm 旋流-静态微泡浮选柱进行粗选二，依旧保持2 台KYF/XCF-50 m3浮选机进行扫选一，扫选一泡沫进行预精选，预精选泡沫经分级再磨后与2 台浮选柱粗选泡沫合并进入精选系统，考虑到扩能后精选作业的压力，精扫选尾矿品位高，改造返回至旋流-静态微泡浮选柱，改造后的工艺流程见图3。

图3 改造后粗扫选作业工艺流程Fig.3 Process flow chart of roughing and cleaning after transformation

3.3 改造前后技术指标分析

对改造前后处理量、精矿品位、回收率等生产技术指标进行统计，得到改造前后技术指标变化表，见表4。改造前钼矿的平均浮选回收率为78.87%；改造后，在生产扩产前，钼矿的平均浮选回收率提高至83.68%，回收率提高4.81 个百分点，显著提高了辉钼矿回收率。2022 年6 月份，进行扩产改造后，日处理能力从2700 t/d 提高至3300 t/d，浮选回收率达到82.90%，浮选回收率高于改造前4.03 个百分点。可见，增加1 台旋流-静态微泡浮选柱，不仅可以提高整个系统的矿石处理量，也可显著提高钼的回收率，成效显著。

表4 改造前后浮选技术指标分析Table 4 Analysis of flotation technical indexes before and after transformation

对生产期间2 台浮选柱的作业回收率变化情况进行统计分析，分析结果见图4。从图4 浮选回收率结果可以看出，充气式浮选柱回收率波动大，受矿石性质变化影响较大，而旋流-静态微泡浮选柱浮选回收率变化可以看出，其受矿石性质变化影响小，作业回收率整体与充气式浮选柱呈现“此消彼长”趋势，在易选矿石上共同提高回收率，在难选矿石上旋流-静态微泡浮选柱为钼浮选回收起到“兜底”作用，提高进入精选作业的金属量，进而保证和提高总回收率。

图4 两台浮选柱Mo 作业回收率变化Fig.4 Recovery rate change of Mo for the two flotation columns

3.4 浮选柱精矿产品粒度及尾矿损失分析

为分析FCSMC5500 mm×8000 mm 旋流-静态微泡浮选柱对强化回收微细粒级辉钼矿的作用，将CCF4000 mm×8000 mm 充气式浮选柱泡沫与FCSMC 5500 mm×8000 mm旋流-静态微泡浮选柱泡沫产品进行粒度分析，分析结果见图5。

图5 2 台浮选柱泡沫产品粒度分析结果Fig.5 Particle size analysis results of the flotation columns froth

由图5 可知，2 台浮选柱的泡沫产品粒度总体较细，但对于+0.074 mm 粒级，充气式浮选柱泡沫产品中产率高于旋流-静态微泡浮选柱，而对于-0.074 mm 尤其是-0.038 mm 微细粒级，旋流-静态微泡浮选柱泡沫产品中产率则明显高于充气式浮选柱，这说明旋流-静态微泡浮选柱对微细粒辉钼矿回收表现出更为优异的捕收性能。

对改造前后的尾矿中细粒级损失进行分析，见图6。改造后，尾矿中-0.074 mm 粒级钼损失率明显下降，-0.038 mm 粒级钼损失率下降更为显著，该结论和上述旋流-静态微泡浮选柱精矿中微细粒级含量占比增加的结论是一致的，说明旋流-静态微泡浮选柱对于微细粒辉钼矿的回收更为有利，可强化微细粒辉钼矿的矿化回收。

图6 改造前后细粒级钼损失占比变化Fig.6 Fine Mo loss change before and after modification

3.5 旋流-静态微泡浮选柱强化微细辉钼矿浮选回收机理分析

一般认为，增大气泡与疏水颗粒间的碰撞概率和粘附概率是提高微细粒辉钼矿浮选效率的有效途径。对于微细颗粒而言，一旦完成有效碰撞和粘附，其由于惯性小，很难从气泡表面脱附。因此，对于微细辉钼矿颗粒而言，提高微细辉钼矿与气泡间的碰撞概率对于强化矿化至关重要。大量研究表明，颗粒与气泡的碰撞概率Pc与颗粒的粒径和气泡的直径比相关。Yoon 等[18]研究指出，颗粒与气泡的碰撞概率Pc与气泡的直径、矿粒直径、水流状态及矿浆浓度等有关，其表达式为：

式中：DP为矿粒直径；Db为 气泡直径；Reb为气泡的雷诺数。

由公式（1）可知，矿物颗粒-气泡的碰撞概率与颗粒粒径、气泡粒径、浮选流体环境雷诺数等有关。一般充气式浮选柱在逆流矿化段的雷诺数数量级约为103，而旋流-静态微泡浮选柱的旋流矿化段和管流矿化段雷诺数数量级分别约为105和106，和充气式浮选柱逆流矿化相比，旋流-静态微泡浮选柱采用梯级强化矿化的方式，其湍流度更高，强湍流更利于微细颗粒与气泡的碰撞。同时，充气式浮选柱的气泡尺寸一般集中在1～2 mm，而旋流-静态微泡浮选柱由于其射流空化自吸发泡形式，其气泡尺寸多集中在0.1～0.5 mm，气泡尺寸更小，更均匀[19]。可见旋流-静态微泡浮选柱的尺寸粒径变小后，矿物颗粒一定情况下，Dp/Db比增大，微细颗粒与气泡间碰撞概率增大，有利于微细辉钼矿颗粒在气泡表面的碰撞，因此，通过增加旋流-静态微泡浮选柱来引进湍流和微小气泡，有利于强化微细辉钼矿与气泡间的碰撞概率，有利于其矿化，故钼矿中的微细粒辉钼矿颗粒损失显著降低。

3.6 经济效益分析

按照扩产前74200 t/月入选量，原矿品位0.1%，实际回收率78%，每月可生产钼品位40%精矿144.69 t，按年均吨度价2500 元计算，则：

月产值为：144.69×40×2500=1446.9 万元；

成本：1172.36万元；

税费：102.44万元；

利润：172.1万元。

按照扩产后86800 t/月入浮量，原矿品位0.1%，实际回收率82%，每月可生产40%精矿177.94 t，按年均吨度价2500元计算，则:

月产值为：177.94×40×2500=1779.4万元；

成本：1371.44万元；

税费：125.98万元；

利润：281.98万元；

增加利润：281.98万元/月-172.1万元/月=109.88万元/月；

年增加利润=109.88万元/月×12月=1318.56万元。

4 结 论

（1）该钼矿嵌布粒度微细，-0.038 mm和-0.020 mm辉钼矿分别占75.80%和38.68%；含有大量的绿帘石、蒙脱石、绿泥石等泥质矿物，部分坑口泥质矿物含量40%以上；现有浮选工艺对微细粒级回收差，尾矿中-0.020 mm粒级钼损失占比在50%以上。

（2）实验室浮选实验结果表明旋流静态微泡浮选柱对总尾矿和粗选尾矿中的钼均具有良好的浮选效果，精矿富集比和钼回收率均显著优于浮选机。

（3）工程应用表明旋流-静态微泡浮选柱对现有充气式浮选柱起到“兜底”的作用，扩能后钼回收率提高4个百分点以上，显著降低了微细粒钼在尾矿中损失，年增加经济效益约1318.56万元。

（4）旋流-静态微泡浮选柱在鑫鑫矿业的成功应用，为国内外同类型矿山企业提供了技术参考和方法借鉴。