石墨高效再磨擦洗技术及工业试验研究.pdf

- 7 8 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第2 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 8 ．0 2 ．0 1 7 石墨高效再磨擦洗技术及工业试验研究 何建成1 ”，孙小旭1 ”，姚建超1 ⋯，周宏喜1 2 1 ．北京矿冶科技集团有限公司，北京1 0 0 1 6 0 ；2 ．北矿机电科技有限责任公司，北京1 0 0 1 6 0 摘 要石墨选别的主要目标是在获得高品位精矿的同时保护其大鳞片结构，降低大鳞片石墨损失率，石墨的 片层结构特点要求再磨擦洗以剪切摩擦作用为主，减少轴向交错运动并避免冲击。基于离散单元法进行计算机仿真， 分析比较了不同结构形式搅拌装置作用下介质运动特性，探明棒式搅拌结构作用下介质周向运动强，轴向运动弱，主 轴转速是影响介质运动速度的主要因素，有效作用范围主要集中于搅拌棒临近区域，提出“大直径、小层距、临层错 角”的设计方案，解决了有效作用范围相对较小的问题。工业中棒式搅拌磨机与现场原有设备前后对比，再磨前后精 矿品位提升值提高1 ％～4 ％， 1 5 0t u n 大片石墨损失率降低3 ％一5 ％，是一种更优的石墨再磨擦洗设备。 关键词石墨；大鳞片；擦洗；介质运动特性；搅拌装置 中图分类号T D 4 5 3 ．9文献标志码A 文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 8 0 2 - 0 0 7 8 - 0 4 R e s e a r c ho nR e - g r i n d i n gS c r u b b i n gT e c h n o l o g ya n d I n d u s t r i a lT e s ta b o u tG r a p h i t e H Ef i a n c h e n g | ”。S U NX i a o x u l ”．Y A 0J i a n c h a o l ”。z H o UH o n g x i | ’z 1 ．B G R I M MT e c h n o l o g yG r o u p ，B e l l i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a ； 2 ．B G R I M MM a c h i n e r ya n dA u t o m a t i o nT e c h n o l o g yC o ．，L t d ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t n em a i ng o a lo fg r a p h i t eb e n e f i c i a t i o ni st og e th i g hg r a d ec o n c e n t r a t e ，a n dp r o t e c ti t sl a r g ef l a k e ， r e d u c et h el a r g ef l a k eg r a p h i t el o s sr a t e s i m u l t a n e o u s l y ，G r a p h i t ei s al a m e l l a rs t r u c t u r e ，a n dt h er e g r i n d i n g s c r u b b i n gr e q u i r e m o r e S h e a r i n gf r i c t i o n ，l e s s m o v e m e n t a x i a l l ys t a g g e r e d t oa v o i ds h o c k s ．t h em o t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fm e d i au n d e rt h ea c t i o no fd i f f e r e n ts t i r r i n gd e v i c es t r u c t u r ew a sa n a l y z e d ，b a s e do nD E M ，t h e c i r c u m f e r e n t i a lm o v e m e n ti ss t r o n ga n da x i a lm o v e m e n ti sw e a k ，u n d e rt h ea c t i o no fb a rs t i r r i n gd e v i c e ，t h es h a f t s p e e di st h em a i nf a c t o ra f f e c t i n gt h ev e l o c i t yo ft h em e d i a ，t h ee f f e c t i v eg r i n d i n gv o l u m em a i n l yc o n c e n t r a t eo nt h e a r e aa l o u n dt h es t i r r i n gb a r s ．T h ep r o p o s e dd e s i g ns c h e m eo f ”l a r g ed i a m e t e r ．s m a l l e rl a y e rd i s t a n c ea n da d j a c e n t l a y e ra n g l e ”s o l v e do u tt h ep r o b l e mt h a te f f e c t i v er a n g ea r er e l a t i v e l ys m a l l e r ．I nt h eg r a p h i t ep r o c e s s i n gp l a n t ， c o m p a r i s o nb e t w e e nb a rs t i r r e dm i l la n dt h eo r i g i n a le q u i p m e n ts h o wt h a t t h eg r a d eo fc o n c e n t r a t ei n c r e a s eb y 1 ％- 4 ％，t h ey i e l d 1 5 0I x mi n c r e a s e d3 ％- 5 ％，m e a n w h i l e ，w h i c hi sak i n do fb e t t e rg r a p h i t eg r i n d i n ge q u i p m e n t ． K e yw o r d s g r a p h i t e ；b i gf l a k e ；s c r u b b i n g ；m e d i am o t i o nc h a r a c t e r ；a g i t a t o r 石墨是一种新兴战略性非金属矿产资源，其原 料及其深加工产品具有耐高温性及优良的导电性、 导热性和润滑性且易于成型加工，因而被广泛应用 于国防、冶金、机械、电工、化工、纺织等重要领域，是 我国继稀土之外的又一优势矿产。中国已探明石墨 储量达到2 0 亿t 以上，占到世界已探明储量的7 2 ％ 以上，国内储量最多的为黑龙江省，其储量占全国 6 0 ％以上⋯，且主要为鳞片石墨，其原矿品位在 8 ％～1 6 ％，但近年来有所降低，精矿品位大都在 9 0 ％以上。 石墨本身具有天然可浮性，选矿提纯一般采 用浮选法。原矿经粗选、扫选后获得粗精矿，粗精 矿进入精选流程，经多次再磨再选得到最终产品， 通常精选的次数要达到6 1 2 次心J 。为了保证精 选效果，再磨设备产品细度需要满足石墨单体解 离度的要求；但另一方面石墨精矿鳞片越大，其用 途越广、价值越高，因此需要尽量保护大鳞片石墨 不被破坏。 基金项目国家自然科学基金资助 5 1 6 0 4 0 2 7 ；5 1 6 7 4 0 3 3 收稿日期2 0 1 7 1 0 ．1 7修回日期2 0 1 8 - 0 2 - 0 7 作者简介何建成 1 9 8 6 一 ，男，山东莱芜人，博士，高级工程师，主要从事磨矿机理研究及设备的设计优化。 万方数据 2 0 1 8 年第2 期 何建成等石墨高效再磨擦洗技术及工业试验研究 7 9 1 机理初探与分析 为保护大鳞片石墨，国内石墨企业多采用“多 段磨多段选”的工艺流程，再磨是擦洗和再磨的综 合作用，应用设备多是立式搅拌设备，其中搅拌器是 最关键部件，目前国内石墨选别中常用的是图1 所 示的叶轮式搅拌器【3 圳，但其使用过程中存在过磨 的问题。为分析原因，基于C F D 进行流体仿真得到 叶轮搅拌磨作用下流场状态如图1 所示，根据仿真 结果，起研磨破碎效果的挤压和剪切力主要发生在 搅拌叶轮两侧附近区域以及搅拌器外侧与筒壁之间 的环形区域，两叶轮中间区域既有切向运动又有较 为剧烈的轴向运动。 图1叶轮式搅拌器速度云图 F i g ．1S p e e dc h a ao fi m p e B e ra g i t a t o r 对于石墨选别的主要目标是在获得高品位精矿 的同时保护其大鳞片结构，降低大鳞片石墨损失率， 石墨的片层结构特点要求再磨擦洗以剪切摩擦作用 为主，减少轴向交错运动并避免冲击，其理想的介质 运动状态应是单向运动，交错运动少。现有叶轮式 搅拌装置作用下，轴向速度与切向速度相差不大，容 易造成大鳞片过磨。 为此，提出了棒式搅拌装置的设计理念“ 剖，图 2 所示为两层搅拌棒结构，转速2 1 5r ／m i n 条件下介 质的速度云图，根据分析结果，只有搅拌棒临近区域 介质运动速度较高，而其余范围内介质运动速度较 低，表明搅拌棒无论是在直径方向还是轴向方向。 高效作用范围均相对有限，为了最大程度地增加搅 拌装置的有效作用范围，应适当增大搅拌棒外缘直 径，缩小层间距、增加层数，即应遵循“大直径、小层 距、临层错角”原则。 优化后，搅拌轴转速2 1 5r ／m i n 、3 5 8r ／m i n 时多 层搅拌棒条件下介质的速度云图如图3 所示，两者 表现出相同的运动规律搅拌棒直径范围内的中心 区域介质运动速度相对较高，而搅拌棒边缘与筒体 之间的间隙区域介质运动速度较低，搅拌棒上端及 ，速 S 1 8 9 e X X 5 l e H H 1 3 e 【H H 5 6 e l H l 图2 两层搅拌棒介质运动云图 F i g ．2 M e d i as p e e dc h a r tu n d e rt h ea c t i o n o ft w ol a y e r so fs t i rb a r 下端区域介质运动速度也相对较低。搅拌棒边缘区 域速度变化最大即速度梯度大，磨矿强度高，是磨矿 作用的关键区域，可以通过调整搅拌棒直径与筒体 直径的比值对主要磨矿区域及简体空间利用率进行 调整。两种转速条件下，t 1 0S 时对应最大速度值 比值为0 ．6 6 ，与搅拌轴转速比值0 ．6 相近，表明主 轴转速是影响介质运动速度的主要因素之一。 图3 介质运动云图 t 1 0S F i g ．3 M e d i as p e e d ‘h a r t t 1 0s 图4 所示为介质在竖直方向速度的平均值和最 大值，5S 以后平均值基本为零，表明整个简体内介 质竖直方向宏观受力平衡，但不同介质速度存在差 异，稳定后中心区域介质竖直方向速度最大值在 1 ～2m ／s 内波动，相对冲击较小。图5 所示为介质 在垂直搅拌轴方向速度最大值，稳定后在2 ．2 2 ．5 m ／s 波动，约为搅拌棒边缘线速度的5 0 ％，证实了 棒式搅拌器结构作用下介质趋向于单向运动，轴向 交错运动范围小。 2 设备研制 基于计算机仿真及实验室试验，研制的G J M 型 棒式搅拌磨机结构如图6 所示，主体设备包括电机、 减速机、支架、筒体、搅拌装置等，附属设备包括给料 装置、排料装置、介质添加装置和放空装置等。 蛳●■■- 一业r引引川引iHilji_一豢． 一 ，⋯ { 至 ㈨ ㈨ ㈨ n 卜 - 二 “ 二二 蛳●■I |世～j川“刘jiIjj 一嘈丐 一誓毒 万方数据 8 0 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第2 期 图4竖直方向速度平均值与最大值 F i g ．4A v e r a g ea n dm a x i m u mv a l u eo f v e r t i c a lv e l o c i t y 图5 径向速度最大值 F i g ．5 M a x i m u mv a l u eo fr a d i a lv e l o c i t y Ⅱ一一 } } a 一一 l 一电机；2 一减速机；3 一支架； 4 一筒体；5 一地基；6 一搅拌装置 图6G J M 型棒式搅拌磨机结构筒图 F i g ．6 S t r u c t u r ed i a g r a mo fG J Mb a rs t i r r e dm i l l 工作时，在电机减速机驱动下棒式搅拌装置按 照给定转速旋转，带动简体内部的研磨介质产生有 序的运动循环，对物料进行研磨擦洗。矿浆由底部 给入，研磨后经由顶部排料装置溢流排出，进入下一 阶段选别流程。 3工业试验 3 ．1 试验条件 工业试验于黑龙江某鳞片石墨选矿厂进行，该 选矿厂原矿品位在5 ％～7 ％，粒度分布如表1 所 示，设计处理量15 0 0t ／d ，原矿经一次粗选一次扫 选得到粗精矿，粗精矿经过1 1 次再磨1 3 次精选 精 选1 之前以及精选5 、6 之间没有再磨 后得到最终 精矿，其品位可达9 5 ％以上，回收率8 0 ％，中矿分两 次集中返回∞1 。 表1鳞片石墨原矿粒度分布特征 T a b l e1P a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no f f l a k eg r a p h i t eo r ef ％ 研制的G J M 型棒式搅拌磨机试验点位于图3 所示的精矿再磨3 位置，试验设备与现场原有设备 并联，生产流程中两台设备可自由切换，既便于进行 效果对比，又保证了现场生产的连续性。试验取样 点包括图7 所示的精3 浮选精矿、精4 浮选精矿以 及再磨3 磨机产品，分别测定其粒度和品位，试验分 为条件探索试验和实际运行对比试验两个阶段。 泵 精} 精矿 中矿泵 图7 磨机试验位置流程图 F i g ．7 F l o w s h e e to f m i l lt e s tp o s i t i o n 3 ．2 条件探索试验 条件探索试验的探求目标为确定最佳转速即电 机频率和介质充填率，根据基本的线速度范围和现 场处理要求，选定电机频率为3 0 、4 0 、5 0H z ，研磨介 质充填率为2 0 ％、3 0 ％、4 0 ％；两两组合共进行了九 组试验，每个条件下设备至少稳定运行2 4h ，以精选 4 浮选机精矿品位和精选3 浮选机精矿品位的差值 作为判别依据，考虑到给矿品位波动，同时引入前后 品位比值作为考核指标。 根据试验结果，介质充填率为3 0 ％，电机频率 为4 0H z 时，G J M 型棒式搅拌磨机前后浮选品位差 万方数据 2 0 1 8 年第2 期何建成等石墨高效再磨擦洗技术及工业试验研究 8 l 值9 ．5 ％，比值1 ．1 4 ，品位提升效果最佳。因此，确 定最佳运行条件为介质充填率为3 0 ％，电机频率4 0 H z ，之后采用此运行条件进行连续运转对比试验。 3 ．3 连续运行对比试验 对比试验过程中调整试验段处理量，进行了两 种条件下的对比试验，两种条件下干矿处理量分别 为4t ／h 和6t ／h ，最终精矿品位分别为9 5 ％ 和9 0 ％。 1 干矿处理量4t ／h 条件下，分别进行了G J M 型棒式搅拌磨机和现场原有双搅拌磨机的连续运转 试验，考察了再磨前后精矿品位、磨机给排矿粒等工 艺指标，对比结果如表2 所示。 表2 T a b l e2 连续运行对比试验结果 R e s u l t so fc o m p a r i s o nt e s t 参数棒式搅拌磨双叶轮搅拌磨 注表中大片石墨损失率 磨前 1 5 0 斗m 含量一磨后 1 5 0 皿 含量 ／磨前 1 5 0 斗m 含量；品位提升值 精4 精矿品位一精3 精矿 品位；富集比 精4 精矿品位／精3 精矿品位；下同。 根据表2 结果，G J M 型棒式搅拌磨机前后浮选 精矿品位差值为9 ．5 8 ％，比值为1 ．1 5 ，现场原有叶 轮搅拌磨前后浮选品位差值为4 ．5 1 ％，比值为 1 ．0 6 ，棒式搅拌磨作用效果均明显优于叶轮搅拌磨； 以 1 5 0 斗m 作为考察大片石墨标准，使用双叶轮搅 拌磨时再磨3 段石墨大片损失率为1 1 ．6 ％，而使用 棒式搅拌磨机时石墨大片损失率仅为7 ．4 ％，两者 相差4 ．2 ％。 2 干矿处理量6t ／h 条件下，两种设备运行数 据对比如表3 所示。 表3 T a b l e3 连续运行对比试验结果 R e s u l t so fc o m p a r i s o nt e s t 根据表3 结果，G J M 型棒式搅拌磨机前后浮选 精矿品位差值为9 ．6 2 ％，比值为1 ．1 4 3 ，现场原有双 叶轮搅拌磨前后浮选品位差值为8 ．8 ％，比值为 1 ．1 3 5 ，棒式搅拌磨作用效果仍然优于叶轮搅拌磨； 以 1 5 0 岬作为考察大片石墨标准，使用双叶轮搅 拌磨时再磨3 段石墨大片损失率为1 3 ．0 4 ％，而使 用棒式搅拌磨机时石墨大片损失率为8 ．0 3 ％，两者 相差5 ．0 1 ％。 对比两种条件下考察结果，处理量为4 ～6t ／h 时，棒式搅拌磨对品位提升的作用效果均优于双叶 轮搅拌磨机，且节能优势显著，电耗降低3 0 ％左右。 4 结论 1 对于石墨选别的主要目标是在获得高品位 精矿的同时保护其大鳞片结构，降低大鳞片石墨损 失率，其理想的介质运动状态是单向运动，交错运动 相对较弱。 2 根据仿真结果，棒式搅拌装置以一定转速旋 转时，介质竖直方向速度为径向速度的5 0 ％左右， 是一种理想的再磨擦洗结构。 3 根据工业试验结果，在合适的运转条件下， 棒式搅拌磨机与现场原有设备前后对比，再磨前后 精矿品位提升值提高1 ％一4 ％， 1 5 0 斗m 大片石 墨损失率降低3 ％一5 ％，电耗降低3 0 ％左右。 参考文献 [ 1 ] 刘之能．典型石墨再磨设备的应用进展[ J ] ．现代矿业， 2 0 1 5 6 1 7 3 1 7 5 ． [ 2 ] 劳德平，申士富，李崇德，等．鳞片石墨矿阶段磨浮一预 先分目工艺流程研究[ J ] ．中国非金属矿工业导刊，2 0 1 4 6 3 2 - 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