Объяснение медной флотации: руководство по процессу, оборудованию и оптимизации

Зайдите в любой медеплавильный завод и посмотрите на концентрат, поступающий к его воротам; чаще всего этот концентрат существует в результате флотации. Медная флотация — это метод переработки полезных ископаемых, который отделяет медьсодержащие минералы от пустой породы за счет различий в гидрофобности поверхности. Вместо плавления целой горы руды флотация дает высококачественный концентрат, содержащий 20–30% меди из рядовой руды с содержанием меди всего 0,3–1%. Это самый важный этап модернизации между рудником и металлургическим заводом.

Процесс концептуально прост: руда измельчается в порошок, смешивается с водой и реагентами и аэрируется во флотационных камерах. Частицы меди придают водоотталкивающие свойства коллектору, прикрепляются к пузырькам воздуха, поднимаются на поверхность и собираются в виде пены. Пустая порода остается в пульпе и превращается в хвосты. За этим простым описанием скрывается сложная система химии, выбора оборудования и управления технологическими процессами, и именно это объясняется в этой статье на практике.

Почему флотация работает: принцип химии поверхности

Флотация не зависит от плотности или размера частиц; речь идет о химии поверхности. Большинство медных минералов по своей природе гидрофильны, то есть смачиваются водой. Большинство жильных минералов, таких как кварц и силикаты, также имеют гидрофильную поверхность. Чтобы отделить их, процесс флотации химически модифицирует поверхность медного минерала, так что он становится достаточно гидрофобным, чтобы прикрепляться к пузырькам воздуха.

Эта модификация осуществляется с помощью коллекторов, обычно молекул ксантогената, таких как этилксантогенат натрия или амилксантогенат калия. Молекула-коллектор имеет два функциональных конца: один конец адсорбируется на поверхности медного минерала, а другой выступает наружу в виде водоотталкивающей углеводородной цепи. После кондиционирования минеральная частица меди несет тонкое неполярное покрытие, которое позволяет пузырьку воздуха вытеснять воду с ее поверхности и образовывать стабильный трехфазный контакт. Затем агрегат пузырьковых частиц поднимается через пульпу и попадает в слой пены в верхней части флотационной камеры.

Три силы решают, будет ли частица плавать: вероятность столкновения частицы с пузырьком, вероятность присоединения после столкновения и вероятность отделения при подъеме. Столкновение зависит от турбулентности, размера пузырьков и размера частиц. Прикрепление зависит от гидрофобности поверхности и времени индукции. Отрыв зависит от размера пузырьков и интенсивности турбулентности. Хорошо спроектированная схема флотации уравновешивает эти факторы, обеспечивая быстрое восстановление минералов меди, в то время как пустая порода остается в пульпе.

Вот почему пена, которая на первый взгляд кажется незначительной деталью, на самом деле является важной контрольной точкой. Пена должна быть достаточно стабильной, чтобы выносить частицы из ячейки, но не настолько стабильной, чтобы в ней задерживались примеси. Высота пены, поток воздуха и дозировка пенообразователя постоянно регулируются в режиме реального времени для поддержания правильного баланса. На установке по флотации меди операторы наблюдают за цветом и текстурой пены, чтобы судить о том, является ли процесс безопасным, прежде чем лабораторные анализы подтвердят это.

Типы медных руд и их плавучесть

Не вся медная руда ведет себя во флотационной камере одинаково. Тип руды определяет выбор реагента, конструкцию схемы и ожидаемое извлечение. Наиболее распространенные минералы меди делятся на две категории: сульфидные минералы и оксидные минералы. Сульфидные минералы меди, естественно, являются хорошими кандидатами для флотации; оксидные минералы гораздо труднее флотировать, и перед флотацией часто требуется сульфидирование.

Халькопирит (CuФеС ₂ ) на сегодняшний день является наиболее распространенным минералом меди и основным объектом флотации меди во всем мире. Он быстро реагирует на сборщики ксантогената и относительно легко отделяется от пирита известью. Халькоцит (Cu ₂ S) — минерал вторичного обогащения, который еще легче флотировать, но расходует больше собирателя из-за высокого содержания меди. Борнит и ковеллит также хорошо поддаются обычной флотации. Оксидные минералы, такие как малахит, азурит и хризоколла, не реагируют только на ксантогенаты. Они требуют стадии сульфидизации сульфидом натрия или гидросульфидом натрия, которая создает тонкую сульфидную пленку на поверхности минерала, обеспечивая адсорбцию ксантогената.

Для проектировщика завода это различие имеет значение задолго до начала производства. Для медного рудного тела с высоким содержанием оксидов требуется гораздо более сложная технологическая схема, чем для чисто сульфидной руды, а флотационное оборудование должно обеспечивать более длительное время кондиционирования и другой контроль аэрации. В таблице ниже приведены распространенные минералы меди и их реакция на флотацию.

Смешанные руды, содержащие как сульфидную, так и оксидную медь, распространены на выветрелых месторождениях. Типичная стратегия заключается в том, чтобы сначала флотировать сульфидную часть, затем сульфидировать и флотировать оксидную часть на отдельной стадии флотации. Некоторые установки используют гравитационную или гибридную схему гравитационно-флотационной очистки для крупных выделенных оксидных частиц. На практике граница между двумя схемами определяется диагностическим анализом извлечения меди в сульфидной стадии.

Полная технологическая схема флотации меди: от руды до концентрата

Медная флотационная установка – это не просто ряд флотационных камер; это тщательно продуманная система измельчения, классификации, подготовки пульпы, флотации и обезвоживания. Каждый этап подготавливает руду для следующего, и узкое место на любом этапе немедленно замедляет добычу. Понимание полной технологической схемы — первый шаг к выбору правильного оборудования.

Эта блок-схема представляет собой общую основу, а не фиксированный рецепт. Для медно-порфировой руды с низким содержанием глины могут потребоваться только две стадии очистки. Для руды с высоким содержанием пирита может потребоваться депрессия извести и стадия флотации пирита для последующего извлечения серы. Руда со значительным содержанием оксида меди требует дополнительных резервуаров для кондиционирования и установки сульфидизации. Технологическая схема всегда начинается с характеристики руды.

Выбор правильного флотационного и измельчительного оборудования занимает центральное место в разработке технологической схемы. В Проект завода по сортировке меди во Вьетнаме Комбинация шаровой мельницы с мокрой решеткой, классификатора и ряда механических флотационных камер позволила достичь требуемого качества концентрата, сохраняя при этом энергопотребление в рамках бюджета проекта. Это своего рода практический результат, который дает или разрушает разработка технологической схемы.

Флотореагенты: химический набор инструментов

Реагенты делают флотацию возможной. Они потребляются постоянно во время работы, а их дозировка и сочетание обычно оказывают большее влияние на выздоровление, чем любой другой фактор. На установке флотации меди используются пять основных типов реагентов, каждый из которых выполняет свою определенную роль.

Коллекционеры — самый важный класс. Ксантогенаты по-прежнему являются отраслевым стандартом для флотации сульфида меди. Ксантогенаты с короткой цепью, такие как этилксантогенат натрия и изопропилксантогенат натрия, являются селективными и подходят для мелкозернистых руд, тогда как ксантогенаты с длинной цепью, такие как амилксантогенат калия, обеспечивают более сильную улавливающую способность для более крупных частиц и руд низкого качества. Дитиофосфаты и тионокарбаматы иногда смешивают с ксантогенатами для повышения селективности по отношению к пириту. Дозировка коллектора в медном контуре обычно составляет от 20 до 100 грамм на тонну руды, в зависимости от сорта и минералогии руды.

Пенообразователи стабилизируют пузырьки воздуха в мякоти. MIBC является наиболее широко используемым пенообразователем при флотации меди, отличающимся качеством пены и простотой управления. Сосновое масло и пенообразователи на основе алифатических спиртов также используются на установках, которые образуют естественную пену с большой площадью поверхности пузырьков. Дозировка пенообразователя невелика, обычно от 10 до 50 граммов на тонну, но ее влияние на поведение перелива является немедленным и заметным в течение нескольких секунд после изменения дозировки.

Модификаторы контролируют химический состав пульпы и поверхностный заряд минералов. Известь является наиболее экономичным регулятором pH в медных контурах, поддерживая pH пульпы в диапазоне 9,5–11,5, чтобы снизить уровень пирита и снизить риск нежелательного извлечения железа. Карбонат натрия предпочтителен для некоторых оксидных руд, где известь может осаждать специальные катионы. Серную кислоту применяют в кислотных цепях, особенно при оксидной флотации с сульфидизацией.

Депрессанты и активаторы точно регулируют селективность. Цианид натрия или сульфат цинка добавляют для подавления сфалерита в медно-цинковых рудах, тогда как сульфат меди может активировать сфалерит в обратном случае. Сульфит натрия или диоксид серы подавляют пирит в щелочных цепях. В таблице ниже показаны типичные диапазоны реагентов в обычном контуре с сульфидом меди.

Оптимизация реагентов — это не разовая инженерная деятельность. Это необходимо повторить, когда меняется смесь руды, когда время года меняет качество воды или когда встречается неожиданная глина. Хорошо функционирующая флотационная установка ведет журнал реагентов и ежедневный анализ дозировок и результатов анализов.

Основное оборудование установки флотации меди

Линия оборудования напрямую определяет, насколько качественно выполняются химические и физические этапы флотации. Оборудование для измельчения, смешивания, флотации и обезвоживания должно соответствовать как характеристикам руды, так и планируемой производственной мощности. Использование негабаритного оборудования увеличивает капитальные затраты; использование малогабаритного оборудования приводит к потерям при восстановлении, которые впоследствии трудно устранить.

Шлифовальное оборудование

Шаровая мельница мокрого типа с решеткой является стандартной машиной первичного измельчения на медных концентраторах. Он измельчает измельченное сырье размером около 10–15 мм до флотационного питания 60–75%, проходя через 200 меш в одну или две стадии. Решетка на разгрузочном конце контролирует уровень пульпы внутри мельницы и снижает переизмельчение. Для медеплавильного завода переизмельчение является скрытым врагом, поскольку образующиеся шламы потребляют реагенты и снижают селективность флотации.

Шаровая мельница мокрого типа с решеткой для первичного измельчения медной руды Эта мельница измельчает измельченную медную руду до размера сырья для флотации в одну или две стадии, используя разгрузочную решетку, которая сводит к минимуму переизмельчение и повышает производительность по сравнению с мельницами перелива. Посмотреть продукт →

Мокрое измельчение предпочтительнее сухого измельчения, поскольку оно устраняет пыль, снижает риск окисления поверхностей свежевыделенной меди и подготавливает суспензию непосредственно к флотации. Шаровая мельница обычно работает по замкнутому контуру со спиральным классификатором или гидроциклоном. Модернизация существующей мельницы более эффективной конструкцией футеровки или приводом с регулируемой скоростью — это экономически эффективный способ увеличить производительность без покупки совершенно новой мельницы.

Оборудование для смешивания и кондиционирования

Стадию кондиционирования часто недооценивают при проектировании установок, однако именно здесь действительно происходит контакт реагента и минерала. Большой смесительный резервуар, также известный как резервуар для кондиционирования, обеспечивает энергию и время пребывания, необходимые для адсорбции коллектора и распределения пенообразователя. При флотации меди резервуар для кондиционирования удерживает пульпу от двух до десяти минут, прежде чем пульпа попадает в первую флотационную камеру. Рабочее колесо должно быть достаточно мощным, чтобы суспендировать крупные частицы, но достаточно мягким, чтобы не срезать воздух, который естественным образом увлекается суспензией.

Большой смесительный бак для кондиционирования пульпы при флотации Этот резервуар для кондиционирования обеспечивает время пребывания и бережное перемешивание, необходимое для контакта реагента и минерала при флотации меди, и имеет конструкции до больших диаметров для получения однородной суспензии. Посмотреть продукт →

На заводах, которым необходимо готовить реагенты отдельно, используется бак-смеситель реагентов для растворения и разбавления собирателей и пенообразователей до необходимой концентрации перед подачей их в пульпу. Смесительные резервуары высокой концентрации также используются в схемах выщелачивания и для специальных применений, таких как подготовка хвостов флотации к закладке. Интенсивность перемешивания, объем резервуара и конструкция рабочего колеса должны подбираться вместе так, чтобы распределение времени пребывания соответствовало кинетике флотации руды.

Флотационные машины

Механические флотационные машины являются основой любой медной обогатительной фабрики. Они состоят из бака, механизма крыльчатки/статора и системы подачи воздуха. Крыльчатка создает схему рециркуляции внутри резервуара, удерживая твердые частицы во взвешенном состоянии и рассеивая подаваемый воздух на мелкие пузырьки. Образовавшаяся на поверхности пена удаляется скребками или естественным сливом в желоб.

Флотационная машина типа BF для черновой и очистки меди Механическая флотационная машина с самовентиляцией, сильной циркуляцией шлама и всасыванием воздуха, подходящая для медных контуров, где ценятся простая компоновка и низкое энергопотребление. Посмотреть продукт →

Различные геометрии резервуаров и типы крыльчаток подходят для разных задач. Флотационная машина типа BF является популярным выбором для контуров черновой и продувочной обработки меди из-за ее механизма самовентиляции и неглубокой конструкции резервуара. Тип XCF/KYF — это машина с принудительной подачей воздуха, используемая, когда для крупномасштабного производства требуется высокая скорость потока воздуха, особенно на заводе с несколькими крупными флотационными линиями. Тип JJF с его конструкцией высокой производительности часто выбирают для этапа финальной очистки, где требуется ограниченный объем пены, но селективность имеет решающее значение. Тип CLF предназначен для флотации крупных частиц, что делает его полезным для руд, в которых медный минерал крупнозернистый и его необходимо извлекать без чрезмерного измельчения.

Размер флотационной камеры значительно увеличился за последние два десятилетия. Современный медеплавильный завод может использовать ячейки емкостью 100 м³ или 200 м³ в черновом контуре. Ячейки большего размера уменьшают количество агрегатов, упрощают контрольно-измерительные приборы и снижают энергопотребление на тонну руды. Но более крупные ячейки также менее прощают плохой контроль пены и требуют хорошо спроектированных дротиковых клапанов и систем контроля уровня. Выбор между машинами с самоаэрацией и принудительной подачей воздуха зависит от консистенции сырья и степени контроля, которую хочет поддерживать завод.

Помимо флотационного оборудования, медному заводу также необходимо оборудование для классификации, сгущения и насосного оборудования. Классификатор обеспечивает стабильную и мелкую подачу на флотацию, а сгуститель контролирует водный баланс концентрата и хвостов. роль флотационного горнодобывающего оборудования в современной гидрометаллургии выходит за рамки простого разделения; сюда входит обеспечение стабильного потока сырья, от которого зависят последующие схемы выщелачивания для стабильного извлечения.

Ключевые параметры оптимизации флотации

Конструкция определяет, на что способна флотационная установка; операция определяет, чего она на самом деле достигает. Рабочие параметры, описанные в этом разделе, ежедневно контролируют результаты металлургии. Для инженера или покупателя, оценивающего проект флотации меди, знание этих параметров — самый быстрый способ оценить целесообразность предлагаемого процесса.

Тонкость помола

Тонкость помола измеряется как процент материала, проходящего через 200 меш. Если руда измельчена слишком грубо, некоторые частицы минералов меди остаются запертыми в пустой породе и не могут плавать. Если он измельчен слишком тонко, образовавшаяся большая площадь поверхности потребляет реагенты, и мелкие частицы механически переносятся в пену, разбавляя концентрат. Типичную медно-порфировую руду лучше всего флотировать при концентрации 60–70% при сетке 200 меш, но для полноценного выделения жильной руды с высоким содержанием может потребоваться 75–80% при прохождении 200 меш. Кривая, показывающая взаимосвязь между крупностью и извлечением, обычно имеет четкий пик; обнаружение этого пика является первой задачей программы оптимизации процесса.

Плотность пульпы

Соотношение твердых и жидких веществ в питании для флотации обычно поддерживается на уровне 30–45% твердых веществ по массе. Более плотная пульпа содержит больше минералов меди на единицу объема, что увеличивает эффективность времени удерживания, но также увеличивает риск влияния вязкости и плохого транспорта пузырьков. Более тонкая пульпа обеспечивает лучшую селективность и качество пены, но меньшую производительность при том же объеме ячеек. На практике более грубые контуры работают с более высокой плотностью, тогда как более чистые контуры разбавляются до 30–40% твердых частиц для максимизации качества.

pH и добавление извести

Известь является наиболее распространенным модификатором pH в медных контурах. Целевой уровень pH в черновой обработке обычно составляет от 9,5 до 11,5, при котором пирит находится в пониженном состоянии, а минералы меди все еще эффективно плавают. Присутствие пирротина или других кислотоемких пород изменяет потребность в извести, поэтому контур регулирования pH должен быть герметичным и быстро реагирующим. На хорошо оборудованной установке используется онлайн-анализатор pH на подаче кондиционера и регулирующий клапан на линии подачи извести для поддержания заданного значения в пределах ±0,2 единиц pH.

Расход воздуха и скорость крыльчатки

Скорость аэрации контролирует количество и размер пузырьков во флотационной камере. Слишком мало воздуха уменьшает площадь поверхности пузырьков и снижает степень извлечения; слишком много воздуха вызывает нисходящий поток, который переносит частицы обратно на дно и может разорвать пену. В машинах с самоаэрацией скорость крыльчатки напрямую контролирует количество всасываемого воздуха. В машинах с принудительной подачей воздуха мощность вентилятора регулируется отдельно. Типичный контур черновой обработки меди использует расход воздуха 0,8–1,5 м³/м²/мин, в зависимости от режима работы элемента.

Глубина пены и скорость скребка

Поддержание стабильного слоя пены имеет важное значение для производства чистого концентрата. Более глубокая пена (300–600 мм) обеспечивает больший дренаж захваченной пустой породы и более высокое содержание, тогда как более мелкая пена увеличивает извлечение, но снижает содержание. Скорость скребка определяет скорость удаления пены; если скребки работают слишком быстро, они уносят пену, содержащую грязь, в желоб; если они будут работать слишком медленно, пена может разрушиться и вернуться в мякоть.

Распространенные эксплуатационные проблемы и способы их устранения

На каждом медефлотационном заводе бывают неудачные дни, и причины не всегда очевидны. В приведенных ниже рекомендациях сочетаются общие симптомы, их типичные причины и меры по устранению. Время ответа имеет значение; Четыре часа ожидания анализа для подтверждения проблемы может стоить дороже, чем изменение дозировки реагента в режиме реального времени на основе наблюдения за пеной.

Контрольный список закупки оборудования для линии флотации меди

Создание линии флотации для нового проекта по добыче меди, расширения завода или полной модернизации процесса требует гораздо большего, чем просто публикация списка желаемых объемов и запрос цен. Покупка флотационного оборудования – это решение, касающееся производительности процесса, эксплуатационных расходов и послепродажной поддержки. Структурированный контрольный список помогает избежать наиболее распространенных ошибок при закупках.

Подтвердите тип руды и размер помола

Флотационное оборудование должно быть конкурентоспособным для конкретной руды, которую будет перерабатывать завод. Сульфидная руда, измельченная до 65% через 200 меш, имеет другие требования к времени пребывания, чем руда, которая производит большое количество первичных шламов. Попросите поставщика оборудования рассчитать необходимый объем камеры на основе кинетики флотации проекта, а не только на основе приблизительного эмпирического правила. Установка, перерабатывающая мелкозернистую руду, нуждается в более крупных или более грубых камерах, чем установка, перерабатывающая крупнозернистую руду.

Оцените затраты на энергию и техническое обслуживание

Потребляемая мощность флотационной машины зависит от диаметра рабочего колеса, скорости вращения ротора и размера резервуара. Машины с самоаэрацией, как правило, проще и дешевле в эксплуатации, чем машины с принудительной подачей воздуха, но машины с принудительной подачей воздуха обеспечивают более прямое управление подачей воздуха, что улучшает извлечение в условиях переменной подачи. Сравните общую стоимость владения за не менее семи лет, включая стоимость замены рабочего колеса и статора, обслуживания двигателя и калибровки прибора. Не выбирайте самую дешевую машину исключительно из-за ее покупной цены.

Проверьте запасные части и местную поддержку

Поставка запасных частей часто является узким местом, останавливающим работу завода. При оценке машины попросите у производителя рекомендуемый список запасов и сравните наличие продукции на местном складе. Возможность доставки рабочих колес, статоров, клапанов и датчиков уровня в течение короткого времени имеет большее значение, чем любые эксплуатационные характеристики, когда установка не работает.

Настаивайте на тестировании на месте или пилотном испытании

Если проект представляет собой новое месторождение руды или серьезное изменение технологического процесса, настаивайте на проведении пилотного испытания флотации с использованием фактической пробы руды. Простое испытание периодической флотации на 1–2 кг руды полезно, но оно не позволяет оценить поведение пены в течение непрерывного периода. Пилотная установка, работающая в течение нескольких дней на нескольких сотнях килограммов руды, дает данные о времени пребывания, стабильности пены и износе оборудования, которые невозможно получить при серийном испытании.

Проверка производственных возможностей поставщика

Возможности – это производственный опыт и инженерная интеграция. Флотационная машина представляет собой мощную установку, которая должна непрерывно работать в условиях абразивной суспензии, расчетный срок службы которой измеряется десятилетиями. Следует проверить историю участия поставщика в аналогичных проектах, его способность соблюдать сроки поставки, а также качество испытаний и производственных процессов. Посещение завода рекомендуется, если масштаб проекта оправдывает затраченные усилия.

Для покупателей, которые подготавливают комплексную установку для флотации меди, решение включает не только саму флотационную камеру, но и оборудование для измельчения, смешивания и обезвоживания, которое образует весь производственный цикл. Заказ всей линии на одном заводе снижает риск сопряжения, сокращает время ввода в эксплуатацию и значительно упрощает послепродажное сотрудничество.

Часто задаваемые вопросы о флотации меди