国外用注水旋流器处理细粒铁矿石的研究

概述

印度的次生铁矿床的矿石铁品位较高。然而，其中存在的二氧化硅和氧化铝需要去除。大多数选矿厂使用多段水力旋流器获得细粒铁精矿（－100μm）。在水力旋流器分级过程中，大量的含有黏土矿物的细粒部分随给水进入粗粒产品中，从而降低精矿铁品位。Btadley报道了降低进入到水力旋流器底流中水量的不同方法。其中一种是对底流的排放量节流来控制进入底流中的水量。这种系统易于产生严重的磨损和需要更多的维护。另一种方法是通过多段分级来改善分选效率。多段分级系统就是采用串联的多台水力旋流器分级，即一台旋流器的底流顺序进入下一台旋流器中。这种配置使得进入粗粒产品中的细粒含量明显降低。Rao报道印度Rakha铜选矿厂采用两段旋流器系统进行分级。根据这篇报道，串联的分级系统改进了总的分级效果，但是这种配置需要增加泵池和泵送系统，并且需要增加维护工作量。而且，这种两段分级流程易于受到工厂操作波动的影响。

改善分级效果的第三种方法是将压力水通过粗粒产品排放的末端注入到旋流器中。压力水注入技术首次用在矿山产品的脱泥中。Kelsall等证明，该法用于直径75mm旋流器时分级精度较好。他们证明，在普通的操作中，给矿中48%的～10μm细粒进入底流中，使用注水旋流器时只有11.5%～10μm细粒进入底流中。在造纸工业中应用注水旋流器来增加溢流中纤维的回收率。Firth等人采用注水旋流器对细粒煤进行分级。Patil等人报道，采用直径为100mm的Krebs型注水旋流器比普通的水力旋流器处理硅砂有一些优越性。Honaker等人报道了采用注水旋流器对细粒煤分级的重要性。最近，又用注水旋流器回收旋流器溢流产品中细粒重物料。一种获得专利权的注水旋流器，通常被称为“Cyclowash”已经有商业化产品出售。

本研究是采用这种技术生产铁品位高于66%铁精矿，同时降低铁精矿二氧化硅和氧化铝的含量。

可以将一台注水旋流器（图1，a）看作一台在沉砂嘴上方安装有注水系统的普通水力旋流器。因此这套系统具有普通水力旋流器所有的特征，例如，有一个主圆柱体与一个倒置的圆锥联接，一个切线给料口开在圆柱体的上部，以及位于圆柱体外部突出来的一个圆柱形旋涡溢流管，溢流管位于旋涡轴的中央，一直延伸到给料口的下部。在普通旋流器椎体下部链接注水装置。注水装置（图1，b）由外圆柱体和内圆柱体组成，在内圆柱周边上有很多切线进水孔，进水孔之间的距离是相等的。外圆柱体通过管道与贮水池相连。新鲜水以一定压力从内圆柱壁上的孔切线注入装置中。在主旋流器和注水系统之间是一个截锥，用来限制注水孔处底流矿浆的压力，以防止矿浆通过注水孔进入新鲜水套中。

给料矿浆通过进料口给到注水旋流器中。主要分级过程发生旋流器主体部分中。细粒级进入旋流器轴周围的竖直液流中，然后进入旋涡溢流管。粗粒级在达到旋流器壁后进入底流矿浆中。粗粒级底流经过截锥后进入注水装置中。注入的水横向穿过底流矿浆，在该过程中，进入底流中的给水被注入水所代替，从而使夹带的细粒进入溢流中。

图1  注水旋流器（a）和注水装置（b）

一、试验

（一）样品采集和给料特性

铁矿矿浆采集自印度的一个选矿厂。这些样品代表耙式分级器的溢流产品。这些产品在选矿厂中通过串联的水力旋流器进行富集。这些矿浆经过过滤，然后在100℃下烘干。干固体（大约400㎏）经过混合，采用标准取样技术制成每份10㎏的矿样。化学分析结果表明，这些干燥给矿样品含有63.5%Fe、2.5%Al₂O₃和3.5%SiO₂。然后对这些样品进行粒度分析和化学分析，以便了解Fe、Al₂O₃和SiO₂的分布。图2为各粒级的化学分析结果。从图2可以看出，给料的粒度组成为75%～45μm，50%～25μm。铁含量随粒度减小而降低。然而，铁含量在－25μm粒级中含量急剧降至58.53%，这表明氧化铝和二氧化硅在该粒级中富集。

图2  给料各粒级产率和铁含量

△－产率；●－铁品位

（二）试验装置和试验过程

图3为试验装置示意图。试验装置由一个200L的给料筒和一个100L的注水罐组成，二者安装在固定的平台上。给料筒的底部与一台离心泵连接，离心泵由三相5.5kW电动机驱动。泵的出口通过管道与竖直安装在矿浆桶上方的直径100mm注水旋流器给料口相连接。通过隔膜压力计测量旋流压力降。通过控制阀调节旁路管的流量，使注水旋流器中的压力降保持固定。

旋涡溢流管、截锥和沉砂嘴的尺寸与试验设计的注水旋流器相匹配。将称量好的固体和水在给料槽中混合10～15min，并使给料矿浆的固体浓度为25%。根据试验设计先将新鲜水注入到注水装置中。之后，通过打开控制阀，将给料矿浆给入旋流器中，并控制回流阀使进浆压力保持在70kPa。在稳定状态下（15s达到），对溢流和底流分别取样。样品经过过滤、干燥和称重，并且对铁、氧化铝和二氧化硅含量进行分析。通过重量分布和金属含量，根据金属平衡，计算精矿中的铁的回收率和氧化铝和二氧化硅的去除率。

图3  注水旋流器试验装置图

（三）试验设计

本试验中采用正交试验方法，其中包含16个试验（2⁴∶2水平，4因素），包含的因素为注水流量、截锥直径、沉砂嘴直径和溢流管直径。因素的水平如表1所示。截锥直径、溢流管直径、沉砂嘴直径和注水流量分别用A、B、C和D表示。所研究的下限和上限如下所示：

表1  试验中的因素和水平

②溢流管直径：25.4和31.75 mm；

③沉砂嘴直径：22.23和26.9 7 mm；

④注水流量：1500和3000 L／min

在统计分析时，低水平用－1码表示，高水平用1码表示。

二、结果与讨论

表2为在不同的试验条件下得到的铁精矿铁品位和回收率、氧化铝和二氧化硅的去除率。由表2可知，在不同的操作条件下铁精矿（旋流器底流产品）的铁品位为65.2%～67.9%，氧化铝的含量为0.31%～1.33%，二氧化硅的含量为1.39%～2.40%。尾矿（旋流器溢流产品）铁含量为40.9%～45.6%，氧化铝含量为8.25%～13.15%，二氧化硅含量为10.0%～13.1%。铁的回收率为86.6%～92.3%。氧化铝的去除率为54.0%～89.0%，二氧化硅的去除率为39.6%～65.0%。

表2  试验条件和试验结果

UF－注水旋流器底流（铁精矿）

Rec－回收率

Rej－去除率

UF_sol－底流中固体质量百分含量

R_IW－注水比列（注入的水流量与底流水流量比值）

试验结果还表明，各个变量之间存在交互关系。为了了解各变量单独和之间的交换影响效应，使用商业化的Design Expert软件对试验结果进行统计分析。不同变量对铁品位、回收率、氧化铝和二氧化硅去除率的影响如表2所示。

用来评价单独和交互效应的普遍的公式为：

Yi＝_α0＋_α1A＋_α2B＋_α3C＋_α4D＋_α5AB＋_α6AC＋_α7AD＋_α8BC＋_α9BD＋_α10CD＋_α11ABC＋_α12ABD＋_α13ACD＋_α14BCD＋_α15ABCD  （1）

式中：Yi－响应（i代表铁品位、铁回收率、氧化铝去除和二氧化硅去除）；_α0－截距；_α1…_α15－模型参数；A、B、C和D－截锥直径、旋涡溢流管直径、沉砂嘴直径和注水量的码值。

A、B、C和D的码值可由下式计算

A＝（A_R－A_a）／（A_a－A_l）  （2）

B＝（B_R－B_a）／（B_a－B_l）  （3）

C＝（C_R－C_a）／（C_a－C_l）  （4）

D＝（D_R－D_a）／（D_a－D_l）  （5）

式中：A_R－截锥直径所希望的水平；A_a－截锥直径高水平和低水平的平均值；A_l－截锥直径的低水平。B_R、B_a和B_l；C_R 、C_a 和C_R ；D_a和D_l具有类似的含义。

尽管为了模型的完整性，均提到了模型中所有的参数，但是，为了解释物理机理，下面只讨论影响比较大的单变量和双变量的影响。

（一）变量对注水比值的影响（R_IW）

再注水旋流器中，主要的分级发生在主旋流器中，二次分级发生在注水系统中。在注水系统中，新注入的水取代底流矿浆中的水。在该过程中，注入的水分别进入溢流和底流中，而进入溢流和底流的水的比值取决沉砂嘴直径。截锥直径、溢流管直径和注水流量的大小。对注水分离进行精确量化是比较困难的。因此，使用注水流量和底流水流量的比值来描述分级的机理是不错的替代方法。因此，在本研究中，分析各个变量对这个比值（用R_IW表示）的影响，然后用它来描述它对其他分选指标的影响。在不同试验条件下得到的R_IW值如表2所示。

注水比值在不同的试验条件下在37.2%～96.7%之间变化。注水比值的模型公式为：

R_IW＝59.2－2.07A＋2.97B－7.05C＋11.75D＋3.83AB－2.19AC＋1.78AD－4.80BC＋0.65BD－2.36CD＋1.20ABC＋4.03ABD－0.72ACD－3.09BCD＋3.11ABCD  （6）

从模型常数可以看出，截锥直径和沉砂嘴直径的增加会降低R_IW值。当这些变量在较高水平操作时，来自给料的水和注入的水大量进入底流中，因此这个数值减小。溢流管和注水流量变量项前的常数为正值，这表明随着这些变量的增加，R_IW值增加。

截锥直径和沉砂嘴直径（AC）、溢流管直径和沉砂嘴直径（BC）和沉砂嘴直径和注水流量（CD）的交互影效应表明，所有与沉砂嘴直径的交互效应都是负面效应。与截锥有关的交换效应，例如，截锥直径和溢流管直径（AB）和截锥直径与注水流量（AD）交互影响是正效应。截锥和沉砂嘴直径的交互影响应为负面效应，这表明，沉砂嘴的直径起主要影响作用。

用对R_IW数值影响的观察结果来证明变量对精矿铁品位、回收率、二氧化硅和氧化铝去除率的影响。

（二）变量对精矿铁品位的影响

铁精矿品位模型公式如下。实际值与模型预测值吻合较好，R²为0.98，标准偏差为0.23。

Fe_gr＝66.3－0.246A＋0.509B－0.203C＋0.174D＋0.160AB－0.189AC－0.159BC＋0.188BD－0.189CD＋0.217ACD－0.132ABCD  （7）

由上式可知，在独立变量影响中，溢流管直径对铁品位影响最大，其次是截锥直径、沉砂嘴直径和注水流量。溢流管直径和注水流量的是正效应，这表明铁精矿铁品位随这些变量的增大而增加。截锥直径和沙嘴直径是负效应，这表明随这些变量的增大，精矿铁品位降低。

与注水比值的影响类似，与沉砂嘴直径相关的交互影响（AC、BC和CD）是负效应，这表明同时增加这些变量，铁精矿品位会降低。铁品位的降低可由下列机理来解释：

1、AC增加表明截锥和沉砂嘴尺寸变大，这将缩短给料在主旋流器和注水体系中的停留时间，在注水体系中，注入的水对底流矿浆进行清洗；

2、对于CD，由于沉砂嘴直径和注水流量同时增加，注入的水大部分进入底流中，改进对底流的清洗；

3、溢流管的影响是正效应，同时增加溢流管和沉砂嘴直径（BC），会产生负面效应，这表明沉砂嘴直径的影响是主要的。

上述机理可以由通过底流排放矿浆流的增加而使R_IW值减小得以证明。

截锥直径和溢流管直径的组合（AB）的影响是正效应，这表明随该变量的增大，精矿铁品位升高。这可能是由于溢流管直径增大可以增大由溢流带走的黏土数量。并且，截锥开口变宽时，由于注入水的竖直上升流的增大（由R_IW正值可看出），可以有效的将细粒黏土清洗到溢流中。

（三）变量对精矿铁回收率的影响

精矿铁回收率模型公式如下。实测值与模型预测值吻合较好，R²为0.99，标准偏差为0.33。

Fe_rec＝89.3＋0.804A－0.405B＋1.095C－0.336D－0.246ACB－0.519AC－0.498AD－0.367BC＋1.064ACD＋0.271BCD－0.351ABCD  （8）

由式（8）可知，在所有的独立变量之中，沉砂嘴的直径对铁精矿铁回收率影响最大，其次是截锥直径、溢流管直径和注水流量。截锥和沉砂嘴的直径增大使铁精矿铁回收率增加。溢流管和注水流量的影响是负效应，这表明随着溢流管直径和注水流量的增大，铁精矿铁回收率降低。

变量之间的交互影响研究结果表明，截锥直径和沉砂嘴直径的组合（AB、AC、AD和BC）的影响是显著的。所有这些组合的影响都是负效应，这表明增加这些组合的水平会降低铁精矿铁的回收率。截锥直径或沉砂嘴直径的增大表明，向底流排放固体的孔更大，从而提高精矿铁回收率。

（四）变量对氧化铝和二氧化硅去除率的影响

细粒铁矿石中存在的氧化铝和二氧化硅来自黏土矿物。此外，二氧化硅还来自石英。显微镜观察表明，给料中的黏土的粒度小于5μm，90%的二氧化硅的粒度小于10μm。氧化铝和二氧化硅去除率的模型公式如下所示。

Al_rej＝71.9－1.59A＋9.61B－4.88C＋0.95D－1.46AC＋0.40AD＋1.54CD－2.52ACD  （9）

Si_rej＝54.2－3.41A＋1.57B－4.93C＋1.44D－1.43AC＋1.12AD－1.00BC＋1.35CD－2.74ACD  （10）

氧化铝去除率的实测值与模型预测值吻合较好，R²为0.99，标准偏差为1.7。类似的，二氧化硅的去除率实测值与模型预测值吻合得也较好，R²为0.98，标准偏差为1.5。

由公式（9）可知，在所有的独立变量中，溢流管直径对氧化铝去除率影响最大，其次是沉砂嘴直径、截锥直径和注水流量。沉砂嘴直径对二氧化硅的去除率（式（10））影响最大，其次是截锥直径、溢流管直径和注水流量。溢流管直径和注水流量对氧化铝和二氧化硅的去除率产生正效应，这表明增加溢流管直径和注水流量可以增加氧化铝和二氧化硅的去除率。截锥和沉砂嘴的直径产生负效应，这表明增大截锥直径和沉砂嘴直径会降低氧化铝和二氧化硅的去除率。

变量之间的交换影响研究结果表明，AC影响是负效应，AD和CD影响是正效应。截锥和沉砂嘴直径的增加导致精矿中夹带的黏土和其他含二氧化硅的矿物增多，这是由于向下的矿浆流速增大引起的，因此降低了氧化铝和二氧化硅的去除率。

AD交互影响研究结果表明，同时增大变量，会增大氧化铝和二氧化硅的去除率。同时增加截锥直径和注水流量会增大注入水的上升流速，这可由模型中R_IW（公式（6））为正值看出。在注入系统中的竖直上升流能够将黏土和细粒石英矿物冲入溢流中，因此，增大了二氧化硅和氧化铝的去除率。

同时增加沉砂嘴直径和注水流量（CD）会增大氧化铝和二氧化硅的去除率。

（五）变量对底流固体含量的应先

底流中固体含量的模型公式如下所示：

UF_sol＝66.3－0.794A＋1.870B－0.763C－3.512D＋0.789AB－0.261AC＋0.560AD－2.478BC＋0.538BD－0.641CD＋1.717ACD＋0.560ABCD  （11）

在独立变量中，注水流量对底流固体含量的影响最大，其次是涡流溢流管直径、截锥直径和沉砂嘴直径。溢流管影响是正效应，这表明随注水流量增大，底流固体含量增大。截锥和沉砂嘴直径会降低底流中的固体含量。

同时增加与沉砂嘴的直径有关的组合（如AC、BC和CD），会降低底流中的固体含量。AC组合增大表明截锥和沉砂嘴直径的值较大，这有利于稀的矿浆进入注水系统中，也使更多的注入水进入底流产品中。截锥开口进一步增大，由于注入的竖直上升水流更多，所以截锥直径与溢流管直径组合（AB）和截锥直径和截锥直径与溢流管直径组合（AD）的影响为正效应。

三、结论

（一）用注水旋流器对含63.0%Fe、2.5%氧化铝和3.5%二氧化硅的物料进行分级，可以得到Fe品位大于66.0%、含1.5%氧化铝和2.0%二氧化硅的铁精矿。

（二）用溢流管直径为31.75mm、沉砂嘴直径为22.23mm的注水旋流器，可以在保持上述精矿铁品位的前提下，铁精矿铁回收率大于85%，氧化铝和二氧化硅的去除率分别高于80%和50%。

（三）变量影响的统计分析结果表明，增大溢流管直径和注水流量，以及减小截锥直径和沉砂嘴直径可以提高精矿铁品位，提高氧化铝和二氧化硅的去除率。

（四）当截锥直径较小时，获得所要求的铁品位所需的注水流量较低。

（五）可以在小的沉砂嘴直径、宽的溢流管直径和低的注水流量下获得固体含量较高的底流产品（精矿）。