大型尾礦濃密機沉降效率提升的改造研究

〔摘 要〕針對剛果（金）某銅鈷礦山的浮選尾礦Ф66 m濃密機在生產過程中出現的“壓耙”“跑渾”“電機過載”等問題，結合該礦山實際情況，將管道彎頭處改為方箱結構，并采用復合高分子陶瓷耐磨材質；增加絮凝劑投加點，保證絮凝劑在給料井中能夠分布均勻；加強耙架支撐條件，保證耙架水平穩定。經過改造，該廠濃密機的沉降效率得到了提升，濃密機底流質量分數由40%提高到60%，礦漿處理量由2 579～3 152 m３/h提升至3 500 m３/h。

〔關鍵詞〕濃密機；管道彎頭結構；絮凝劑添加；耙架；沉降效率

中圖分類號：TD４６２ " 文獻標志碼：Ｂ 文章編號：1004-4345（2023）0６-0005-0４

Research on the Improvement of Settling Efficiency of Large-scale Tailings Thickener

LIAO Qihua

（LA SINO-CONGOLAISE DES MINES S.A.， Kolwezi， 212700， DRC）

Abstract" Regarding the problems of flotation tailings Ф66 m thickener from a copper-cobalt mine in the Democratic Republic of Congo in the production， such as \"rake pressing\"， \"overflow water leakage\"， and \"motor overload\". Based on the actual conditions of the mine， the pipeline bend was changed to square box structure and composite polymer ceramic wear-resistant material was used. The dosage points of flocculant were increased to ensure even distribution of flocculant in the feeding well. The support conditions of the rake frame was strengthened to ensure its horizontal stability. The settling efficiency of the thickener has been improved after renovation. The mass fraction of the thickener underflow has been increased from 40% to 60%， and the slurry processing capacity has been increased from 2 579～3 152 m3/h to 3 500 m3/h.

Keywords" "thickener; pipe elbow structure; flocculant addition; rake rack; settling efficiency

濃密機是一種借礦粒自身的重力作用使礦粒從礦漿中沉淀出來，從而實現礦漿濃縮的設備。該設備具有操作流程簡單、生產能力大、底流濃度高、溢流濁度小等優點，廣泛的應用礦山、冶金、化工等行業。其中，選礦廠主要使用濃密機對選別精礦和尾礦進行濃縮脫水，同時還可以實現回水循環利用。這對于水資源緊缺的地區或對水資源依賴度較高的礦山而言，非常重要[1-2]。隨著全球礦產資源需求量的增加，礦山開采趨向大型化與集中化，使用濕法冶煉技術的大型礦山對水資源依賴度較高。以某建設規模為13 650 kt/a的礦山企業為例，該企業用水總量為1.876×105 m3/d，其中通過濃密機分離的回水量為16.89萬 m3/d，占用水總量的90%。如果不使用回水，企業的儲水量則只夠使用82 d。由此可見，如何高效、安全、環保地回收利用水資源是此類大型礦山面臨的重大問題。

非洲贊比亞—剛果（金）銅鈷礦帶集中了全球10%的銅礦資源和70%的鈷礦資源，是世界上最大最富的銅鈷礦成礦帶。剛果（金）某銅鈷礦業公司設計規模為4 550 kt/a，為避免生產過程中廢水對環境的污染，充分回收利用水資源，減少水資源的浪費，選用了濃密機進行尾礦濃縮。根據該礦選礦技術要求，設計安裝1臺高4 m，底部錐角為9.5 °，沉降面積為3 419 m3的Ф66 m高效濃密機。本文擬針對該高效濃密機調試過程中出現的壓耙問題進行研究、改造，以期探尋礦山企業提升濃密機沉降效率[3-4]，充分回收利用水資源的有效途徑。

1 尾礦性質

選礦廠排出的尾礦砂質量分數為20%～30%。礦山企業通常將其進行井下充填或進行地表堆積。然而，如果尾礦的質量濃度較低，則井下充填會存在沉縮率大、充填體強度低等問題；進行傳統的地表濕式直排易造成潰壩、重金屬污染和揚塵等危害。因此，提高尾礦質量濃度對井下充填和地表堆積具有重要作用。

該礦山的原礦主要有價元素為銅和鈷，選礦廠采用先硫后氧（先進行硫化礦浮選，再進行氧化礦浮選）的浮選工藝回收銅、鈷。浮選尾礦中主要的脈石礦物為SiO2、CaO、MgO 和Al2O3，其粒度、成分分析見表1。

由表1可知，尾礦中-200目占84.23%，-325目占69.16%，尾礦中含有大量的細泥，這些礦泥使尾礦不易沉降。

2" "尾礦濃密機工作原理

礦山企業采用濃密機進行濃縮尾礦，并通過絮凝劑的沉降作用，提高尾砂料漿的質量分數，以滿足高濃度充填和堆積的需要。

濃密機的發展主要分為普通濃密機階段、高效濃密機階段和膏體濃密機階段。與普通濃密機相比，高效濃密機采用了絮凝劑技術、進料井深度以及自動控制系統，以加快礦砂顆粒的沉降速率。 高效濃密機由澄清區、沉降區、濃縮區組成[5]。工作原理為：漿料通過進料管道進入濃密機頂部的澄清區域用于分離漿料中的液體和細小固體顆粒。懸浮的固體顆粒進入后續的沉降，漿料受到重力作用，使得大部分固體顆粒向底部移動，并逐漸堆積形成漿料的壓縮層。絮凝劑在此被添加進漿料中，以增加固體顆粒之間的結聚作用，促使更快地沉降至底部濃縮區，在這里固體顆粒達到最高濃度，并形成一個致密的漿料。使用液壓站提供壓力驅動耙架和刮板等裝置，在池底上以一定速度移動，將沉淀物推向中心或池口處，經過濃縮的固體顆粒（尾礦）從濃密機的池底排出，而液體部分則從澄清區或其他出口流出。高效濃密機利用重力沉降和絮凝劑技術，使固體顆粒迅速沉降并形成高濃度漿料。

3" "某項目Ф66 m尾礦高效濃密機現狀

3.1" 濃密機基本情況

剛果（金）某銅鈷礦企業本次安裝調試的Ф66 m尾礦高效濃密機，采用中心進料形式，并在礦漿進料管上設有絮凝劑添加口。絮凝劑和礦漿初混后被送入濃密機布料器，布料器帶有自稀釋系統。濃縮前的尾礦質量濃度約18%～25%左右，礦漿以2 579～3 152 m3/h的流量輸送至Ф66 m的尾礦濃密機內。礦漿絮凝沉降后，溢流水經回水管道自流向回水池，底流礦砂經三級尾礦輸送泵站輸送至6 km外尾礦庫進行堆積。其中，底流固體顆粒的質量分數控制在30%～40%，可根據尾礦分級粒度要求進行調整[6-7]。濃密機結構示意如圖1所示。

Ф66 m濃密機可通過液壓站來轉動和升降耙架。其中，升降系統由各種液壓元件組成一個節流調速、穩壓保護的開式回路，電器用PLC控制，且擁有自動升降和超載停機保護。當沉降濃縮池底部的物料增多，床層增厚時，耙架底部的工作阻力也會隨之增大。當工作阻力達到一定的程度，壓力傳感器會將信號傳到PLC，PLC即刻發出耙架停止轉動的指令。隨后，提耙油缸帶動耙架向上移動，延時3～5 s后，提耙停止，耙架繼續旋轉。如果阻力仍持續增大，上述動作重復１次；如果阻力減小，則不再提耙，耙架即在此高度位置轉動。當阻力繼續減小到一定值時，壓力傳感器立即將信號傳到PLC，PLC即刻發出指令，提耙油缸帶動耙架向下移動，隨后耙架延時3～5 s停止下降。如果阻力仍小于設定值，壓力傳感器將信號再傳到PLC，PLC發出指令，耙架繼續下降，直到耙架降到最下面時轉動工作[8]。

3.2" "存在的問題及分析

在該Ф66 m尾礦濃密機調試期間，技術人員遇到以下3個方面主要問題。

1）給料管道在使用較短時間后，彎頭處出現磨漏，礦漿不能正常輸送至濃密機的中心給料井內，造成澄清水復渾， 影響濃密機溢流水的循環利用。經現場調查發現， 原給料管道材質為普通螺旋鋼管，且管道彎頭部分轉角較大，導致管道受到礦漿的磨損加劇。由此，確定管道材質和管道彎頭轉角較大是導致給料管道短時間磨漏的主要原因。

2）Ф66 m濃密機頻繁出現電機過載故障跳停。調查研究發現：一方面，礦漿管道的泄漏與絮凝劑的混合不均勻，導致濃密機沉降區域內礦漿不均勻沉降，促使爬架受力不均。另一方面，該濃密機耙架主要結構是“二力桿件”桁架結構，長耙架由三段桁架結構組成，桁架結構之間通過螺栓連接。尾部桁架的二力桿件在工作過程中承受重力作用下的垂直拉力。由于該臂架為懸挑桁架結構，其臂長每增加1倍，則臂架端部的位移會增加15倍，因此其耙架端部撓度和簡支桁架結構相比大很多。在使用過程中，濃密機底部礦砂濃度較高，隨著泥床厚度的增加，耙架受力持續增大，導致耙架撓度不斷增加，使耙臂水平度得不到保證，發生壓耙現象。

3）該濃密機的設計流量為2 579～3 152 m3/h，處理礦漿質量濃度為18%～25%，而現場實際處理礦量為3 500 m3/h，底流礦漿質量濃度為40%，能夠達到設計需求，但不能滿足實際生產需求。隨著實際處理礦量的增加，配套的尾礦三級輸送泵的流量不能滿足濃密機的生產能力。

４" "優化改造

針對上述問題，為優化濃密機的使用效果，保證濃密機的運行安全，該廠對Ф66 m尾礦濃密機的給礦彎頭結構、絮凝劑投加點以及濃密機耙架結構進行了改造。

４.1" 給礦彎頭結構改造

給料方箱內的礦漿以自流的形式輸送至濃密機中心緩沖筒，并在中心緩沖筒內形成環流。此時，給礦管道的作用就是強行將礦漿沿水平方向擴散，從而降低環流對泥層的沖擊作用。由此可見，礦漿管道是否完好是決定濃密機是否“跑渾”的主要因素。

在實際使用過程中，只有將濃密機液面降低，才能確定礦漿管道是否存在磨損，因此對礦漿管道的檢修相對困難，一般會設定固定的檢修時間。合理的礦漿管道結構能夠避免管道在固定檢修時間之前發生損壞。改造前、后給礦彎頭結構對比，如圖2所示。

如圖2（a）所示，當礦漿的流動方向被管道中彎頭強制改變后，會在彎頭局部形成強力撞擊出現氣穴，導致管道彎頭處受到的沖擊加劇，從而容易出現磨漏泄露，且彎頭角度與磨損量成正比關系。將管道彎頭處改用方箱結構，減小了管道中礦漿流動的變換角度，同時增大截面積，使礦漿處于自由流動狀態，減小管道換向時礦漿對管道的沖擊，從而達到減小彎頭部位磨損的目的，如圖2（b）所示。同時，將普通螺旋鋼管改為復合高分子陶瓷耐磨鋼管，該材料具有良好的耐磨性，比淬火后的中碳鋼高10倍，優于鎢鈷硬質合金，且化學穩定性高，具有高耐腐蝕性和耐酸性。

４.2" 絮凝劑投加點改造

尾礦高效濃密機一般通過添加絮凝劑提高尾礦沉降速率，改善沉降效果。絮凝劑利用電荷中和、吸附、架橋、交聯等原理，在內聚力的作用下將尾礦細顆粒吸附在一起，形成顆粒較大的絮團，從而提高尾礦沉降速度，提高濃密機的處理能力。絮凝劑與尾礦漿的混合效果是影響絮凝劑沉降效率的主要因素[9]。因此，絮凝劑投加裝置的安裝位置和數量是影響絮凝劑與尾礦漿混合效果的重要因素。現場使用AZ9020絮凝劑對尾礦礦漿進行絮凝沉降，改造前，該濃密機絮凝劑單耗達到25 g/t，高于實驗室試驗結果（實驗室絮凝劑單耗約為15 g/t），可見絮凝劑與礦石作用效果較差。為此，該廠決定對絮凝劑投加點的安裝位置和數量進行優化，以使絮凝劑與尾礦漿充分混合。改造前、后絮凝劑添加點對比，如圖3所示。

由圖3（a）可以看出，改造前絮凝劑僅設置了1個投加點，位于濃密機溢流堰內2 m處。由于投加點數量較少，絮凝劑不能和礦漿充分混合，經常造成濃密機 “跑渾”、礦漿沉淀不均勻、負荷波動大等問題。為此，增設了1根Ф9 cm的L形鋼管，且在中心筒分散罩內部和給礦箱出料口位置增加2處投加點，使投加點在給料井中均勻分布。改造后，該尾礦濃密機絮凝劑與礦漿作用效果顯著提升，實際生產過程中的絮凝劑平均累計單耗大幅度降低，基本與實驗室絮凝劑單耗（15 g/t）持平，濃密機清水層清晰、可控。

４.3" 濃密機耙架結構改造

耙架是濃密機的主要工作部件，也是主要受力點，為保證其在使用過程中的平穩性，要求定期檢查耙臂水平度，保證水平度在15 mm以內。耙架結構受力分析如圖4所示。

如圖4所示，濃密機在運轉過程中，耙架受到自身重力以及來自礦砂對耙架的壓力。根據力學原理可知，耙架端部受力較大，撓度最大，且由于此濃密機耙架由三段桁架通過螺栓連接而成，進一步加大了耙架端部的撓度。要解決桁架結構繞度過大的問題，需要采取增加結構剛度、加強支撐條件、優化結構設計、更換桁架材料、控制荷載等方法。基于不改變原來材料及桁架結構的設計原則，加強支撐條件，控制桁架變形量。在臂架端部的二力桿橫截面積變小處，增設斜拉缸來減小耙架上方二力桿件的拉力，從而減小端面撓度，保證耙架水平度的穩定。改造后的耙架示意如圖5所示。

圖5（a）所示為增加二力拉桿后的濃密機耙架，該裝置安裝在濃密機耙架尾部。同時，通過在耙架第二段桁架靠近尾部處焊接槽型鋼，拉桿將槽鋼上部與耙架端部進行連接。兩邊拉桿上安裝緊繩器，通過調節緊繩器的拉力大小實現對耙架端部撓度的控制，防止在使用過程中耙架端部撓度過大，保證濃密機持續穩定地運行。

５" "改造的效果與分析

綜上所述，針對剛果（金）某銅鈷礦企業Ф66 m尾礦高效濃密機生產過程中存在的問題，對該濃密機給礦彎頭結構材質、絮凝劑加藥點以及濃密機耙架結構等進行了改進。改造后，該廠濃密機的沉降效率得到了穩定、大幅的提升，濃密機底流濃度及其穩定性也顯著提高，底流質量分數由40%提高到60%，質量分數為18%～25%的礦漿處理量由2 579～3 152 m3/h提升至了3 500 m3/h處理礦量。由于礦漿濃度的提高，尾礦泵三級輸送泵的流量能滿足濃密機的生產能力，且再未發生過“壓耙”“電機頻繁故障跳停”等現象。該濃密機改造后，正常平穩運行8 a，運行狀況良好，再沒出現跑渾的問題，也未發生過故障停機現象。中心筒輸送管道彎頭使用壽命可達到2 a以上，且溢流水濁度滿足循環使用要求。

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