澳大利亚有色金属矿选矿技术现状和前瞻

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收藏文章 赞一个 已赞 2016-05-05 矿业澳洲


澳大利亚是一个有色金属矿产大国,尤其在铜,铅,锌,金,镍,银的大型难选矿床的高效开发方面积累了丰富的矿物加工技术和工艺经验, 在过去二十多年中,成为世界上多项选矿工业技术的诞生地和首选试用地。


澳大利亚是世界上最重要的矿产国之一,矿产资源丰富,其矿产行业在国民经济中占有重要的地位,每年产值约占国民生产总值的 6% 左右, 相比之下,加拿大为 3.6%左右,美国为 1.6%左右。澳洲多种矿种的生产在世界市场上占有一席之地,比如:铁矿石(世界第三),煤(出口量世界第一, 产量第四),黄金(世界第四),金刚石(世界第三),锌(世界第二),铀(世界第二),镍(世界第三),石油(世界排名第二十八位),以及铝,铜,银,宝石,油岩和天然气等。


世界多家跨国矿业公司在澳洲从事矿山生产,包括比和比拓,力拓,英美公司,淡水河谷,XSTRATA,加铝,美铝,中铝,神华,Newcrest, BARRICK, NEW MOUNT 等等。为数众多的矿业公司占据了澳洲上市公司总数的 30%之多和澳洲股市总值的 20%左右。尽管如此,由于澳洲先进的矿业技术,全行业雇员只有十三万人左右,不到澳洲劳动力的 1.3%。


选矿工程经过近百年的发展和成熟,已经从探索和发明阶段发展到了归纳和渐进的层次。 四大传统领域,即破磨, 浮选,重选和磁选都已形成了各自的技术和设备体系,而且逐渐与湿法冶金融为一体。澳大利亚从 1902 年在世界上首次应用浮选技术选锌成功以来,在有色选矿和冶金技术的开发应用上在世界上一直发挥着重要的作用,并获得了巨大成就。比如众所周知的水利旋流器粒度分析仪, MLA 或 QEMSCAN 全自动定量矿物分析仪,杰姆森浮选机,艾萨磨机,JKSIMMET 磨矿模拟软件包,顶吹熔炼炉,不锈钢阴极电解技术等等。 本文就过去 20年来澳洲的选矿技术的发展作一小结,并探讨澳洲矿业目前的几个 攻关方向。


地质选矿学科 GEOMETALLURGY地质选矿在澳洲矿业近年来获得了系统的发展。该学科将地质,采矿和选矿两门专业联系起来,通过矿石特性与实验室选矿指标的测定,包括岩石特性,矿物解离,碎矿和磨矿指数,可浮选性,回收率等,建立地质选矿立体数学模型,模拟待建选矿厂的经济技术指标, 以减少投资和管理风险。 地质选矿模型在制定复杂矿体开发计划上获得了越来越广泛的应用。对于已经投产的有色金属矿山的管理和优化, 譬如有价和有害元素在入选矿石中的预报,废岩的管理,破磨能耗的降低,地质选矿为管理者提供了一个非常有效的工具。


昆士兰大学 JK 矿物研究中心于 2005 年启动了一项由多家跨国公司赞助的地质选矿研发项目,开发了自动岩芯样登记技术,自动岩芯样成像技术,岩石组织分析软件,和与选矿测试数据相结合的模拟模型 (Walters S. G., 2009)。下图 是由该项目所建立的地质选矿模型实例(不同色彩代表不同的地质和选矿参数。)



地质选矿模型实例


地质选矿模型的建立包括四个步骤, 即,1. 依据地质资料收集矿样;2. 小型试验确定矿样的选矿指标, 包括邦德功指数, JK 落破磨矿参数,岩石点应力参数,自磨功率指数,浮选速率指数。3. 运用地质统计学将地质选矿数据分布在矿体模型中;4. 利用采矿顺序模型和选矿模型对选矿厂指标进行模拟样本重量和分布取决于建立数学模型所需的参数。 比如,浮选参数的测定试验需要几公斤矿样,磨矿参数和硬度测试需要 2 到 300 公斤。样本分布通常覆盖矿床的高度。密度与矿体中心的距离一般成正比, 两者的统计模型以地质品位,岩石类型,矿物组成和地质结构等为主要参数。


昆士兰大学的地质采矿中心开发了一种智慧爆破粒度分析软件,将矿体信息与爆破设计结合,生产出有利于提高选矿厂指标的选厂给矿粒度分布 (Powell, M.S. and Bye A. R., 2009)。常规爆破的目标是将整个矿体破碎到矿车能够运输,第一段破碎机能够接受的粒度。而智慧爆破的目的是将有价矿物的粒度通过爆破减小到小于周边废石的粒度,如图 2 所示。 再利用筛分将比如200 毫米以上的矿石分开到废石堆, 200 毫米以下的有价矿物送到选厂。这种智慧爆破技术可增加矿体的经济价值,降低碎磨能耗,提高矿山的精矿产量, 对低品位,难选多金属矿山的开发有着重大的经济意义。


智慧爆破粒度分布


预先选矿是最原始的选矿方法之一,最初是由人工手选开始, 目的是在原矿进入选厂之前将高品位矿石提出单独处理,降低能耗,提高回收率。 自动预先选矿在过去 20 多年在金刚石分选上获得成功应用,原理如下图所示, 主要采用可见光,红外线,紫外线和埃克斯射线与导电性和磁性结合的原理,锁定目标矿物,再用气流枪分选。该技术近年来在铂族金属矿的预分选上获得了商业成功, 小时处理量高达 250 吨的中试预先选矿厂可以对来自铂金矿山的原矿通过有价矿石和废石之间微小的反光差别, 将 40%的原矿作为废石剔出。


金刚石自动分类选矿


预先选矿在铀矿分选上的应用是建立在有价矿与废石间对伽马射线的反射差别上的来完成的。在实际作业设备上,当矿块通过伽马射线探头时,同时被激光照射,对其体积进行估算。两者的结合可得出矿块的大致含铀品位, 再根据设定值决定取舍。


利用爱克斯射线取代可见光分选矿物在含镍矿石的预处理上采用了下图所示的流程。利用可见光分选矿石的主要缺点是受制于矿石表面的清洁度, 而爱克斯射线可以穿透矿石表面,并且对矿石中有价矿物的重量进行递加估算, 决定取舍。爱克斯射线分选对含有纹理结构矿物的探测尤为有效, 而且对给矿条件的要求极为宽松。该技术还可以用于其它含金属元素的矿石,比如钨,钼,钒,锰,和铬等。


爱克斯射线分类选矿流程


预先选矿传统上来讲只限于大块矿石,当有价矿物以纹理状态存在时选择性很难控制。目前分类选矿技术的开发重点集中在对小于 5 毫米的矿石的处理之上, 技术方向包括筛分,重介质分选,图片分类,电磁能谱,粗粒浮选等等。分类选矿已经成为世界各国目前选矿研究的重点之一。昆士兰大学 JK 矿物研究中心与力拓公司专门成立了“预先选矿研究所”。 南非的MINTEK 矿冶研究所在这方面已经从事多年工业项目,英美公司研究所也在重金投入开发新的专利。


全自动矿物定量分析 AUTOMATED MINERALOGY全自动矿物定量分析仪是由澳大利亚联邦科学与工业组织(CSIRO)和昆士兰大学 JK 矿物研究中心分别开发的,目前由英国的 FEI 公司统一经营销售。该系统由配有一到四个 EDAX 能谱仪的扫描电镜构成, 利用背散射电子图像区分不同物相,利用能谱分析快速而准确地鉴定矿物,利用图像分析技术获取工艺矿物学统计参数。下图所示是在工作中的 MLA 系统。所能给出的工艺矿物学参数包括矿物种类,组成及含量, 矿物粒度分布, 矿物嵌布图像, 目标矿物解离度, 目标矿物与其它矿物连生程度, 元素赋存状态, 目标矿物的品位等等。下图是其利用能谱分析成像得到的原始分析结果,其分析粒度可小至几微米。 如果对选厂的原精尾三个产品进行分析,可按矿物进行回收率,精矿含杂程度,尾矿损失率的计算。



工作中的全自动矿物定量分析 MLA 系统



能谱分析成像得到的 MLA 原始分析结果


全自动矿物定量分析仪的开发使用完全改变了传统工艺矿物学的范围和深度,在过去 20 年中,在西方矿山的勘探开发,生产管理,选矿新技术推进,以及选矿厂指标优化上发挥了极大的作用。西方一家国际跨国公司的研究中心现安装有 25 台全自动矿物定量分析仪系统,每天分析近千个生产样品。中国几家大型企业也于近几年前后引进了该技术,包括金川公司,北京矿冶研究总院,北京有色金属研究总院,广州有色金属研究院和中铝郑州研究院。


有色金属矿的入选品位越来越低的局面为超大型选矿设备的发展提供了必要条件。譬如澳洲的蒙苔艾萨铜选厂在 1973 年建厂时,目标是生产 10 万吨铜金属。 在原矿铜品位为 3.5%的条件下,设计原矿处理量只需每年 600 万吨。澳洲凯迪尔(CADIA)铜金选厂于 1998 年投产,目标是生产 3 万吨铜金属。由于原矿含铜只有 0.17%, 设计原矿处理量每年高达 2000 万吨, 为此最先使用了直径为 12.2 米,安装电机功率 2 万千瓦, 单机处理量高达每小时 2000 吨的大型半自磨机 (Hart, S., Valery, W., Clements, B., Reed, M., Song, M., Dunne, R., 2001)。 该磨机给矿为 100 毫米极为坚硬的石英石,邦德功指数高于 25,产品粒度小于 12 毫米。 该项目的投产成功,在半自磨机比例放大方法,自动控制,工艺最优条件,材料磨损,机体结构,电机配套,回路设计,土建安装等方面积累了大量的第一手资料, 带出了一批世界级专家。



澳洲凯迪尔(CADIA)铜金选厂的 2 万千瓦半自磨机



大型浮选机 LARGE FLOTATION CELLS


选矿设备大型化的另一个标志是大型浮选机。澳洲的难选有色金属矿的开发对浮选机大型化也起到了极大的推动作用。比如澳洲世纪锌矿的设计年产 50 万吨金属锌, 原矿含锌品位 13%,设计原矿处理量 650 万吨。虽然有着原矿品位高的优良条件,但是由于锌的精选回路给矿平均粒度为 3 个微米,设计浮选时间大大地超过了常规流程的设计标准,该项目在浮选流程的设计和设备选型上颇费脑筋。为了缩短流程,不得不在世界上首次采用了多台 200 立方米的大型浮选机进行微米粒级的锌硫化矿浮选,1998 年投产,取得了技术和商业上的成功(Burgess,F., Reemeyer, L., Spagnolo, M., Ashley, M., Brennan, D., 2003)。


世纪锌矿的浮选车间


搅拌磨加工金属矿物起始于 1950 年代由日本开发的立式塔式磨机, 该设备在世界各地的矿山取得了广泛的应用 (Gao, M., Lane, G., Schwarz, P. and Holmes R., 2004)。最大的投入使用的塔磨机配有 2200 千瓦的电机。下图是塔式磨机的结构原理示意图。该磨机采用垂直静止的筒体,内部装有螺旋转子。磨矿介质通常为十二毫米的铁球。塔式磨机通常与水力旋流器组成封闭回路。塔式磨机的最大优点是运行稳定,维修简单,单机处理量大,并可在二十到五千个微米的宽粒度范围内接受给矿。



塔式磨机


以艾萨磨机为代表的大型卧式搅拌磨机是由澳洲蒙苔艾萨矿山公司开发的一种高效细磨技术,在生产小于 10 微米的磨矿产品时,同球磨机相比可节约几到十几倍的能量(Gao, M., Young, M.and Allum, P., 2002)。如下图所示,艾萨磨机的机壳在作业期间是静止的, 主要利用高速搅拌器把磨矿能量通过 1 到 3 毫米的磨矿介质直接地传入磨机中,进行磨矿作业。搅拌器是由七到八个橡胶盘组成,由中心孔固定在一端空悬的传动轴上。



艾萨磨机结构图


艾萨磨机的另一独到特点是成功地采用了小颗粒天然磨矿介质,譬如河砂,熔炼炉渣或矿石本身。这些天然介质除了成本低廉,本身与被磨矿物无任何化学反应,其磨矿产品具有良好的浮选选择性,尤其是用于难选矿物譬如微细粒铅锌混合矿,铂族金属和镍金属矿物。其它类型的磨机大都使用铁质介质进行细粒磨矿。铁离子在矿物表面形成氧化层后使浮选作业的选择性大大下降。


艾萨磨机于 1994 年在澳大利亚蒙特艾萨矿山首次应用成功。澳大利亚的麦卡瑟河铅锌矿于1995 年开工,采用了 5 台艾萨磨机。该矿山在上世纪 40 年代就已发现,含铅锌综合品位百分之二十以上,金属储量达几百万吨。但为了将有害硅石与含铅锌矿物分开,原矿要磨到平均粒度 3 微米以下。艾萨磨机的使用不但低成本的产出了微米粒级的磨矿产品,并成功地使用了 1到 3 毫米的原矿矿石作为惰性磨矿介质,大大提高了后续浮选作业的选择性,取得了世界首创的微米浮选商业成功的业绩,选矿厂年处理量原矿量高达 140 万吨。


微米粒级浮选一直是选矿学术界攻关的难题之一。 从上世纪 60 年代以来,探讨了众多的技术方案,比如载体浮选,强化调制,絮凝浮选,特性药剂等等, 不过都没有在工业上获得突破。


澳大利亚的麦卡瑟铅锌矿于 1995 年在浮选平均粒度 3 微米的粗选精矿获得了首次大规模工业成功, 年处理量 140 万吨原矿,回收率 82%。与麦卡瑟铅锌矿比邻的澳洲世纪锌矿于 1998 年投产,年处理量 650 万吨原矿,回收率 82%,浮选平均粒度同为 3 微米左右。两家矿山的微米浮选作业在设备和药剂上与传统硫化矿浮选相同,采用了常规机械浮选槽,黄药扑收剂。微米浮选成功的关键是将 70%的浮选给矿通过大型搅拌磨机集中在 1 到 10 微米之间(见下图),为微米浮选的成功提供了关键条件 (Gao, M., Reemeyer, L., Obeng, D. and Holmes, R., 2007)。



大型微米浮选作业的给矿粒度分布


【选矿厂数据管理系统 – PI】PI(Plant Information System)是由美国 OSI Software 公司最初为化工企业开发的数据采集、存贮和监视软件。该系统可存贮每个工艺过程点的现时生产数据, 并永久保存;可为选厂提供即时全面的互动操作画面(下图),为现场操作人员,管理人员和远在千里之外的总部提供即时和历史性的工厂信息。PI 的数据库服务器小的可以是一千点,大的可达到数十万点。从 1990 年开始在西方矿山和选矿厂开始使用以来,发挥了巨大的作用, 目前已经成多家大型澳洲矿山不可取代的数据管理系统。



PI 系统的互动控制流程


澳洲有色金属矿选矿的未来发展主要集中在两个方面,一是超大型选矿厂的节能,二是复杂共生矿物的高回收率选矿。


选矿节能目前最有前途的开发重点是开路高压辊磨机和粗粒搅拌磨。高压辊磨机目前必须与筛子构成闭路,对其节能效率大大打了折扣。而高效节能的搅拌磨机传统上局限于微细粒磨矿。如果开路高压辊磨机和粗粒搅拌磨的研发能获得工业成功的话,两者的结合可以取代有着百年历史的效率极低的球磨机, 可在图 20 流程的基础上进一步节能 30%。西方的设备厂家,矿山公司, 科研院所都在投入巨额资金开发这两项技术。


湿法浸出是常规选矿的延伸和扩展, 无疑是未来最有效的选矿手段之一, 尤其是分选复杂共生有色矿。湿法浸出包括浸出槽作业和堆浸,两者在西方近年来都得到了矿业界的极大关注。


选矿是从矿山爆破开始的,因为爆破条件决定了选厂原矿的给矿粒度和能耗基线。而矿山节能是对众多大型选矿厂优化生产的挑战。 澳洲多家矿业公司的优化目标是在现有基础上进一步节能 20%,考虑的节能技术包括预先分选,开路高压辊磨机,粗粒级给矿搅拌磨机回收率的选矿作业是开发复杂共生矿体的前提,而充分达到矿物单体解离又是高回收率选矿的基础。为此,澳洲在过去 20 多年开发应用了微米粒级工业浮选技术, 为多家铅锌铜金等大型复杂共生矿体的经济开发起到了决定性作用。湿法浸出在未来复杂共生矿体的开发上也将起到关键性的作用, 包括槽浸和堆浸。


——高明炜,澳大利亚昆士兰大学 JK 矿业技术公司(m.gao@jktech.com.au;www.jktech.com.au)


——MiningAu工艺研究,敬请传播




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