2016, Vol. 7引用本文 |
| Knelson离心机在金矿选矿中的应用 |  [PDF全文] |
重选技术因对环境友好，生产成本低而广泛应用于矿业领域.矿物性质和重选设备在一定程度上决定重选效果的好坏，故重力选矿技术的研究主要体现在重选设备上面，其中微细粒矿物按密度差异而分层分离是重选设备研究的重要课题.
离心选矿机作为微细粒矿物高效分选的重选设备，最早出现是在1868年的Hendy选矿机，于美国加利福尼亚州的金矿矿山进行工业化应用[1].伴随离心选矿技术的反复实践，经过多年的发展与研究，流态化反冲水技术显示出很大的发展潜力，反冲水式离心选矿机已经发展成为离心选矿设备研制的重要方向.
加拿大的Byron Knelson发明以其姓氏命名的Knelson离心机，其最早的产品出现在1978年，并于两年后在加拿大进行工业应用.截至2008年，Knelson离心选矿机在世界上的总安装台数超过3 700多台，工业应用于70多个国家与地区.目前，Knelson离心机发展至20多种不同型号[2]，包括小试设备、扩试设备和工业设备，常用的工业设备型号见表 1.
| 表1 常见尼尔森工业设备型号 Table 1 Types of Knelson concentrator |
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1 Knelson离心机结构 1.1 离心机技术改进
早期的Knelson离心机转筒由两层筒壁构成，外层为圆柱形，内层为30 °倾斜向上扩大的圆锥形.两层筒壁之间为中空水套层，转轴旋转使得压力水进入水套.转筒内壁上钻有小孔，水套层中水通过小孔射入床层，平衡矿粒的离心沉降作用，使矿层松散.同时，在离心机内壁上装有宽5 cm和间距5 cm的环状金属挡圈.离心机工作时，20 %~40 %浓度的矿浆从中央给矿管进入转筒底部，受离心力作用，矿浆被抛至筒壁.矿粒在离心力与流化水的复合作用下，按密度分层.重矿粒在矿层的底部，被挡圈阻拦，留在筒内，停机后再间断排出.轻矿粒则位于矿层表面，向上溢流成为尾矿[3].
Knelson离心机经过多年实践应用，结构上进行了多次改进.例如平滑型筒内壁改成阶梯状5 cm深和5 cm间距的沟槽.将垂直筒壁的钻孔改进为切向方向钻孔，从而使流化水切线反方向射入转筒，改善矿层松散条件，提高选别效率.并且，在选矿机停车时，可立刻将挡圈内沉降精矿冲出，不需另加冲洗水.阶梯状转筒的结构如图 1所示[3].
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| 图 1 阶梯状转筒的结构示意 Fig. 1 Schematic of stepwise rotating drum |
后续随着新材料的发展，转筒采用具有楔形挡圈的聚氨酯制成，如图 2所示.新型转筒具有更大的选别深度，并且延长了给矿管下部受磨衬垫的使用时间，使之从几周延长到一年[3].
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| 图 2 聚氨酯模制转筒 Fig. 2 Rotating drum made of polyurethane |
Knelson离心机其余部分由给矿装置、排矿装置、供水（气）装置、驱动装置、自动控制系统和机架等组成.
1.2 离心机结构性能Knelson离心机是利用流态化反冲水对富集层进行流态化松散作用，从而对不同比重矿物颗粒进行离心分离的选矿设备.其主体为一内壁带水平环的V型旋转锥筒，在锥形旋转相切方向上，给入压力水喷入矿石床层，使分选锥体内壁上的矿粒层得到松散悬浮，其主体分选机构是由两个立式同心转筒构成[4].
图 3所示为流化水供水系统和内外转筒结构示意图，外筒材料为不锈钢，主要作用是与内转筒构成一个密封水套，并且带动内转筒旋转；内转筒为一定倾角的锥形筒，内壁上附有数条来复圈，各条来复圈之间构成分选的富集槽，富集槽内间隔排列切线进水孔.整个内转筒由高耐磨材料聚氨酯铸造，提高使用年限[5].
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| 图 3 流化水供水系统和内外转筒结构示意 Fig. 3 Diagram of fluidization water supply system and both sides of drum |
Knelson离心机分为间断式和连续式，设备选型主要以大比重物料产率为依据，产率 < 0.1 %则考虑间断型，通常为0.02 %~0.1 %；产率>0.1 %则选择连续型，其主要根据需要连续调节精矿产率，可在0 %~50 %范围内任意选择.
间断式Knelson离心机的选别周期取决于给矿性质（有用矿物品位及粒度），条脉状金矿一般为1~4 h，砂金矿一般4~12 h，富集于来复圈之间的精矿可以间断或连续地排到精矿溜槽中.大比重矿物间断排矿是在停机后通过人工冲洗或自动控制来实现，其中人工冲洗约需10 min，自动控制冲洗约需2 min.
连续式Knelson离心机的连续排矿过程，主要由安装在内转筒外侧的可变提取集管装置来实现，可以随时调节精矿产率的变化，一般用于处理大比重产物产率大于0.5 %的物料，也可以用于非金属选矿的除杂工艺. 图 4所示为可调节排放大比重矿物的Knelson离心机示意图[6].
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| 图 4 可变排精矿Knelson离心机 Fig. 4 Knelson concentrator with variable concentrator displacement |
2 Knelson离心机分选原理 2.1 分选过程
Knelson离心机的流态化离心分离过程如图 5所示.离心机工作时，内外转筒一起旋转，物料通过给矿管进入旋转的内转筒后，在离心力抛向转筒内壁，并向上做螺旋运动.同时位于内外转筒间的水腔通过流态化水孔向富集槽内射入流态化水使陷于富集槽内的颗粒群处于流化松散状态，形成流态化床层.先沉积进富集槽内的轻矿物不断地被后沉积进去的重矿物所取代.因为采用流态化反冲水技术，提高了设备的离心力，从而提高了设备的处理能力[7-9].
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| 图 5 流态化离心分离过程 Fig. 5 Separation process of fluidization water |
受到离心力和流态化反冲水的复合作用，大比重颗粒（单体金或含金重矿物）克服流态化反冲水的径向阻力作用，离心沉降或钻隙渗透停留在富集槽内，将富集槽内的沉降大比重颗粒收集起来得到大比重颗粒即精矿.小比重矿粒所受离心力较小，不能克服流态化反冲水力的作用，最终在轴向上升水流和离心力轴向分力共同作用下流出内转筒成小比重产物即尾料.
Knelson离心机具有处理能力较大（KC-XD70型处理量达300~1 000 t/h），对给料无需预脱泥或窄级别分选，强的富集效果（富集比1 000~10 000）和回收能力等优点. Knelson离心机对给料粒度要求较宽，间断型为0~6 mm，连续型为0~1.7 mm，其回收粒级范围也很宽，如回收单体自然金，>37 μm为极易回收粒级，10~37 μm为可回收粒级， < 10 μm为较难回收粒级.
2.2 工作原理Knelson离心机的分选过程中，由于矿粒受到离心力和流化水松散的共同作用，从而使得不同密度的矿粒层状分布开来. Knelson离心机的核心技术在于使用流化水来冲洗松散大比重层，形成流态化矿层.流化水就是径向流动方向与矿粒离心沉降方向相反的压力水，并因此成为流态化离心机的典型代表.
根据斯托克斯定律球形颗粒在Knelson离心机内转筒中的瞬时径向沉降速度，即：
| $\frac{{{\rm{d}}r}}{{{\rm{d}}t}} = \frac{{D{}^2\left( {{\rho _{\rm{s}}} - \rho } \right)r{\omega ^2}}}{{18\mu }} - {u_r}$ |
其中：
理论分析表明：当内转筒转速一定时，流化水流速的变化影响着矿粒离心沉降的速度.反之，流化水流速给定时，离心机内转筒的转速同样也影响着矿粒离心沉降的速度.因此，协调配置内转筒转速和流化水流速两个工作参数，便可使得矿粒按密度分离.
Knelson离心机工作时，转筒内表面处的离心加速度可达60~200倍重力加速度，当矿浆进入旋转的转筒底部之后，被离心力抛向转筒内壁.此时，流化水通过转筒内壁上的进水孔，从内外转筒间的水套流入来复圈间的矿层，流化水主要用来克服离心机内壁上矿粒沉积的现象，大比重颗粒的离心沉降速度大于流化水流速，能到达锥壁并沉降保留下来，而小比重颗粒即使沉到锥壁，也会由于流化水作用再次悬浮，最终以尾矿形式排出[9-11].
3 Knelson在金矿选矿中的应用Knelson在砂金矿、脉金矿、硫化金矿石、金矿堆浸回收中的应用.在砂金选矿中，Knelson离心机可以消除细泥的影响，有效回收自然金，一般为开路应用，实际处理能力略低于设备铭牌能力，富集比为1 000~10 000倍.加拿大Dome金矿选用以Knelson离心机为主体的砾砂重选流程，回收效果显著[12]；澳大利亚梅塔纳矿物公司某砂金选厂，采用Knelson离心机替换跳汰机之后，金回收率提高35 %[13].
对于脉矿、氧化矿和硫化矿中金的回收，Knelson离心机的安装位置在整个选矿工艺流程中分为以下几类：
1）Knelson在浮选，或氰化，或炭浆法等作业流程前的位置安装，达到早收多收粗粒金的目的，通常处理循环负荷或球磨排矿量的15 %~40 %矿量.如巴西的Merro金矿为在氰化作业前回收浮选精矿中的金，使用一台760 mm的Knelson离心机，获得金产量占全厂总产量50 %的金精矿[14].
2）Knelson安装于磨矿回路中回收自然金或含金富连生体时，常常安装在一段旋流器沉砂下游的位置，实现回收返砂中金的目的，同时还可降低金在磨矿过程中的损耗.国内外很多黄金矿山采用这种磨矿回路中离心机重选回收金的方法，其中重要原因也是因为自然金的比重高延展型好，从而单体金在磨矿返砂大量集中.
Knelson离心机在磨矿回路中的布置应用如图 6所示，球磨机排矿进入水力旋流器，旋流器溢流进行浸出或浮选流程，旋流器沉砂缩分出1/5左右经送入2.0 mm筛子预先筛分，筛下产物进行离心机选别.离心机尾矿返回水力旋流器，离心机精矿则进行专门精选，用摇床精选后熔炼成粗金锭，然后再进一步提纯[9].
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| 图 6 Knelson离心机在磨矿回路中的布置方案 Fig. 6 Application of Knelson concentrator in grinding circuit |
加拿大Placer Dome公司的Campebell金选矿厂曾使用两台760 mm的Knelson离心机代替原先磨矿回路中的跳汰机，重选金的回收率从原来使用跳汰时的36 %提高到50 %[15]. 图 7所示为流程改造后的磨矿和部分返砂重选流程.
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| 图 7 磨矿与部分返砂重选流程 Fig. 7 Gravity separation process of grinding and flowback |
由图 7可知，工艺流程为将水力旋流器检查分级的沉砂，分流后使用Knelson离心机粗选，离心机的粗精矿再采用摇床精选，最终将金精矿经精炼成金锭.生产实践表明：Knelson离心机的处理量大，不仅节约重选作业劳动力，而且还可以提高整个选厂的总回收率.
3）Knelson在黄金全重选厂的应用.需要配合磨矿-分级和浓缩脱水等作业，尽量加强重选强度，基于Knelson离心选矿技术的黄金重选厂金总回收率为70 %~94 %.如俄罗斯Zapadnoye金矿，原矿含金2.5 g/t，日处理量2 500 t，采用全重选Knelson工艺，安装了4台XD-48Knelson离心机，金精矿回收率达80 %以上. 图 8所示为可供选择的一种全重选工艺流程[16].
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| 图 8 一种Knelson全重选工艺流程 Fig. 8 Gravity separation process used Knelson concentrator |
4）从复杂硫化矿中采用重选法回收金是一个具有挑战性的课题. Pasminco采矿公司的Rosebery选厂采用Knelson离心机，在磨矿回路中回收有价金，金回收率增加7 %~18 %，其它实践也表明，若含金硫化矿的给矿粒度过粗，或者其中的自然金含量较低，Knelson离心机的选矿效果较差.紫金矿业的曙光金铜矿，矿石含铜0.23 %，金0.75 g/t，规模15 000 t/d，采用4台XD40和1台XD30 Knelson离心机，重选金回收率达20 %以上，精选后在选厂产出合质金[2].
在秘鲁BHP Tintaya铜-金选矿厂中，有一台处理能力约为150 t/h的KC-X48型Knelson选矿机.部分球磨机循环负荷(即某旋流器底流)给入振动筛中.筛上产品泵到磨矿机给矿箱中.筛下产品为Knelson离心机给矿. Knelson选矿机尾矿返回到球磨机排矿箱中，然后再次泵到旋流器中.经富集循环间断地获得最终Knelson离心机粗选精矿[17]. 图 9所示为重选回路流程图.
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| 图 9 重选回路流程 Fig. 9 Flowchart of gravity separation |
5）Knelson离心机在堆浸中应用.粗粒金问题是堆浸厂的常见问题，在国外已有在堆浸厂中加入Knelson离心机，成功解决低品位矿石的粗粒金问题.
4 结语1）经过100多年的改进和研究，离心选矿机已经成为活化传统重力选矿技术的一种重要手段，流态化反冲水技术的成功应用已经成为研制现代离心机的重要趋势，而Knelson离心机则是流态化离心机的典型代表.
2）从各种矿物中回收细粒金是Knelson离心机应用的重要领域，但其主要缺点是使用过程中水耗严重，这也是急需解决的重要课题之一.
3）由于损失于尾矿中的微细粒级有用矿物金属量较大，故复合力场的离心选矿设备的研制是目前研究的热门课题，以期降低离心机重选回收的矿物粒度下限.
4）完善Knelson离心机离心分离过程的理论研究，以期进一步提高离心选矿机的工业应用效能.
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