開陽磷礦選礦系統工藝技改與應用

諶洪建，姚 猛，黃 杰

貴州開磷有限責任公司 貴州貴陽 550302

開陽磷礦位于貴州省開陽縣金中鎮境內，西南距省會貴陽市 88 km，是國家規劃礦區，包括沙壩土、馬路坪、牛趕沖、用沙壩、兩岔河和極樂 6個礦段。開磷集團自 1988 年開始走“礦肥結合、礦化結合”道路以來，磷化工產業的發展已有 30 余載。30 多年來，開陽磷礦依托磷礦石資源優勢，磷化工產業不斷發展壯大，擁有 350 萬 t/a 高質量分數磷復肥生產能力，配套建設有 400 萬 t/a 硫酸生產裝置、160 萬 t/a 磷酸生產裝置以及 5 萬 t/a 黃磷生產能力，消耗磷礦石約 500 萬 t/a。目前化工所需礦石運輸方式為管道輸送，即將磷礦石制漿后通過輸漿管道運至磷化工園區。

1 礦山選礦工藝

開陽磷礦磷礦石平均品位超過 32%，按酸法加工用磷礦技術指標 (HG/T 2673—1995)[1]屬Ⅱ類優等品磷礦石，但其平均鎂磷比 (MgO：P2O5) 為 7.39%，遠超Ⅱ類優等品磷礦石鎂磷比不超 3.5% 的要求，只能達到Ⅱ類一等品磷礦石標準，即開陽磷礦礦石屬高品位磷礦，卻不是高品質磷礦，其鎂含量過高。

2018 年以前，開陽磷礦采用坑口磷礦石 (不經過選礦工藝) 生產高質量分數磷復肥。隨著下游產品的轉型升級，對高純度磷酸需求的增加，該礦于 2019年在大水工業園內、緊鄰磷化工廠區，新增一套 500萬 t/a 的選礦裝置。它屬于已有磨礦系統與磷酸萃取之間增加的脫鎂選礦裝置項目，采用了浮選藥劑法去除氧化鎂的工藝。為了滿足浮選工藝的需要，該礦對磨礦質量分數、細度 (各粒級占比分布) 工藝指標進行了調整，雖然達到了選礦工藝設計的要求和效果，但是同時也帶來了一系列的問題。該礦先后嘗試過各種改進措施，均收效甚微。筆者針對開陽磷礦選礦系統升級改造過程中產生的一系列問題，探討分析了對應的技改措施。

2 存在問題及原因分析

增加浮選裝置后，在選礦系統中有兩個突出問題，一是濃密機的運行極不穩定，經常轉矩高，造成壓耙及損壞設備；二是過濾機精礦粉的產量大幅度減小，且含水率超標。

2.1 濃密機

在選礦系統中，濃密機運行中存在以下問題：

(1) 經常出現溢流水跑渾現象；

(2) 轉矩出現異常升高時，耙機自動頻繁提耙，且提耙高度達到最高；

(3) 濃密機提升絲桿軸頭螺紋損壞；此外，軸頭端面軸承損壞、提升電動機端蓋損壞、濃密機主軸法蘭螺栓剪切斷裂 3 種故障中，每月至少出現 1 次；

(4) 濃密機出現轉矩高壓耙事故，每次清理濃密機槽體至少需要 24 h，影響生產；清理槽體時加入新水，打破了化工水平衡。

針對濃密機存在的問題，采取了以下措施進行整改：

(1) 調整絮凝劑的質量分數及稀釋水量，改變添加稀釋水的位置；

(2) 上調提耙轉矩參數，以減少自動提耙的頻次；

(3) 對提升絲桿進行熱處理，提高絲桿的強度和硬度；

(4) 改用更好的端面軸承；

(5) 在耙機旋轉主軸法蘭上焊接加強肋板，提高連接螺栓的強度等級。

采取上述措施后，效果收效甚微。濃密機制造廠家建議除了改造濃密機槽體外，還要更換濃密機所有的機械及電氣設備。初步估算，每臺濃密機的改造費用在 100 萬元以上，改造周期在 30 d 左右。改造 5 臺濃密機投資大，且對生產造成很大的影響，該礦最終未采用濃密機整機更換的意見。

2.2 陶瓷過濾機

在選礦系統中，陶瓷過濾機運行中存在以下問題：

(1) 精礦粉的產量大幅度下降，由每臺 50 t/h 下降到 15 t/h，總產量由 10 000 t/d 以上，下降為不到5 000 t/d；

(2) 精礦粉的含水率超標，經常大于含水率為13% 的指標；

(3) 陶瓷過濾機陶瓷板容易堵塞，吸粉產量衰減速度快，增加了清洗的頻次及清洗藥劑的消耗量。

針對陶瓷過濾機存在的這些問題，采取了以下措施進行整改：

(1) 選用不同孔徑的陶瓷板 (5、10、15、20、25μm) 進行試驗，試驗前使用的是 5 μm，試驗后選用15 μm，但是效果一般；

(2) 增加陶瓷板的線下清洗裝置，制作安裝硝酸池，拆卸陶瓷板放在硝酸里浸泡后進行清洗；

(3) 更換 3 臺真空泵，以提高陶瓷過濾機的真空度；

(4) 調整陶瓷過濾機的進漿質量分數。

采取以上改進措施后，精礦粉的產量沒有明顯提高，陶瓷板的吸粉衰減速度也沒有明顯改善。

2.3 工藝流程分析

為了從根本上解決上述問題，對增加浮選裝置前后的工藝流程進行了對比分析，以期找到問題的根本原因。選礦系統中增加浮選裝置前后的工藝流程對比如圖 1 所示。

圖1 增加浮選裝置前后的工藝流程對比Fig.1 Comparison of process flow before and after addition of floatation device

增加浮選裝置前，破碎的礦石經球磨機磨碎后進入旋流器，旋流器溢流進入濃密機進行濃密，旋流器底流則重新進入球磨機進行研磨。濃密機濃密過后的底流礦漿進入過濾機和萃取槽，以獲得礦粉。

增加浮選裝置后，旋流器溢流首先進入浮選裝置進行浮選，浮選尾礦進入尾礦濃密機，濃縮后用于充填，浮選精礦則進入添加了絮凝劑的濃密機進行濃密。濃密后的底流再分別進入過濾機和萃取槽以獲得精礦粉。

對增加浮選裝置前后磨機和濃密機的工藝指標進行了對比，結果如表 1 所列。

由表 1 可知，增加浮選裝置后，磨礦的工藝指標發生了改變，磨機負荷由 120 t/h 提高到 170 t/h；磨頭及磨尾補加水水量作了調整，成品礦漿的質量分數也由之前的 48%～50%，調整到 40%～45%；-0.150 mm含量由 84% 變為 78%，-0.074 mm 含量由 50% 變為60%，成品漿的粒級分布發生了改變。磨礦是源頭，它的產品指標直接影響到下游各工序的穩定和產能，磨機所有指標的設定，都是基于滿足浮選工藝要求。

表1 增加浮選裝置前后的工藝指標對比Tab.1 Comparison of technical indexes before and after addition of floatation device

對于濃密機而言，進漿量由 200 m3/h 變為 350～450 m3/h；以往不加絮凝劑及稀釋水，現要加 5‰ 絮凝劑；預處理量的增加，使得濃密機容易跑渾。要減少跑渾，只有減少濃密機的出漿量，加之礦漿的粗顆粒占比增高，使得濃密機轉矩增大，發生自動提耙，造成提升機構過載損壞，以及發生壓耙事故。進入精礦漿的超細顆粒的增加，使得陶瓷板容易發生堵塞，是造成吸粉衰減速度增加、清洗頻次增加、產量大幅度下降的根本原因。

3 浮選系統技改措施

3.1 技改方案

通過廣泛調研[2-4]并征求渣漿泵及旋流器制造商意見，開陽磷礦采用的技改方案是：在 1、2 號濃密機上新安裝 1 臺水力旋流器及配套的攪拌、泵送系統；在三期過濾廠房 30 m 平臺處新安裝 2 臺水力旋流器及配套的攪拌、泵送系統；對浮選精礦漿先經旋流器濃縮分級，底流直接送至陶瓷過濾機制粉，溢流進入濃密機提升其質量分數；根據實際生產情況，濃密機底流可送至磷酸調漿槽制酸，也可以送至過濾機制粉。

新增濃縮分級旋流器后的工藝流程如圖 2 所示。

圖2 增加水力旋流器后的工藝流程Fig.2 Process flow after addition of hydrocyclone

3.2 旋流器設備選型

確定技改方案后，需通過指標核算旋流器選型。初選得到了 3 種不同規格砂嘴旋流器，根據其成本從低到高記為砂嘴 A、砂嘴 B 和砂嘴 C。以粒度 -0.074 mm 占 60%、質量分數為 30%～38% 的浮選磷精礦為試驗原料，采用旋流器進行分級濃縮試驗[5-7]，在運行壓力 0.16 MPa 的條件下，測量 3 種不同規格砂嘴旋流器的底流和溢流中底流產率和細度產率，結果如表2 所列。試驗指標：浮選磷精礦質量分數大于 70%，分級底流產率大于 80%。

表2 不同規格的旋流器濃縮試驗結果Tab.2 Results of thickening test with various-specification hydrocyclone

由表 2 可知，在精礦粒度 -0.074 mm 占 55.74%、進料質量分數為 33.72% 的情況下，采用砂嘴 B 時，旋流器的底流質量分數可以達到 70.74%，底流產率可達 81.59%，滿足試驗的兩項指標；采用砂嘴 A時，旋流器的底流質量分數可以達到 75.76%，但底流產率降低到 78.67%，小于 80%，不滿足試驗指標；采用砂嘴 C 時，旋流器的底流質量分數僅為66.19%，小于 70%，亦不滿足試驗指標。經過綜合比較，初步確定采用砂嘴 B 旋流器。

為進一步檢驗砂嘴 B 旋流器的沉降效果，對其質量分數約為 10% 的溢流進行了沉降試驗[5,8]，試驗過程中沒有添加絮凝劑，不同時間點的澄清層高度如圖3 所示。

圖3 砂嘴 B 旋流器沉降試驗結果Fig.3 Results of sedimentation test with hydrocyclone containing nozzle B

從圖 3 可以看出，在沉降至 5 400 s (90 min) 時，澄清層高度已達到了 61 mm，其沉降效果完全符合需求。

4 技改后運行情況

通過增加旋流濃縮分級系統，以及對選礦廠的工藝流程、工藝指標進行改進后，濃密機的運行更加安全可靠。從 2020 年改造至今，未發生過提升絲桿損壞及壓耙事故；絮凝劑的添加量也由原來的 5‰ 降低到 2‰，每年節約成本幾十萬元；過濾機精礦粉的產量達到了日產量 1 萬 t 以上；過濾機清洗頻次的降低，減少了硝酸的用量，每年可節約成本上百萬元。

從長期應用效果來看，技改后完全達到了濃縮質量分數和產率的要求，后期工業化生產中，僅需控制磨礦粒度，使精礦粒度盡量控制在 -0.074 mm 占 55%左右，避免達到 -0.074 mm 占 60%，即可保證不影響旋流器的底流產率。

5 結語

為了解決開陽磷礦選礦廠增加浮選裝之后，濃密機和陶瓷過濾機出現的一系列問題，通過廣泛調研，提出了采用水力旋流器改善工藝流程的方案。經過濃縮試驗和沉降試驗，確定選用砂嘴 B 旋流器，底流中精礦 -0.074 mm 質量分數可達 70.74%，底流產率可達 81.59%，符合選礦廠需求。

長期運行結果表明，增加水力旋流器后，選礦系統設備運行安全穩定，絮凝劑和硝酸消耗量大幅度降低，精礦粉產量大幅度提高，大大降低了成本，增加了企業收入。