冯建伟

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

红土镍矿成分复杂，按照化学成分的不同大体可以分为褐铁矿型和硅镁镍矿型(残积矿)两大类；按照含水率多少的不同又分为“湿式矿”和“干式矿”两类；按照红土镍矿生产镍的冶炼工艺可分为火法冶炼和湿法冶炼两类。红土矿选矿工艺主要是为冶炼制备合格的矿石或矿浆，根据火法冶炼或湿法冶炼对物料要求的不同，以及处理红土矿性质的不同，其矿石制备方法也差别较大[1]。

大部分湿式红土镍矿有含水率较高、粘度较大、砾石含量不稳定及砾石尺寸较大等特点[2]。使得湿式红土矿的选矿成为红土矿开发利用的难点之一。

某湿式红土镍矿采、选、冶联合项目，选矿厂需要为湿法冶炼厂提供矿浆粒度、浓度、有用元素和有害元素含量满足冶炼要求的合格矿浆，需要进行洗矿除大块砾石等作业。对于湿式红土镍矿的洗矿，国际上一般采用进口圆筒擦洗机或半自磨机作为洗矿设备，但存在设备投资多、装机功率高、洗矿容易产生粘土球、需要添加洗矿介质等缺点。中国恩菲工程技术有限公司以多年积累的工程经验为基础，通过对国外红土矿洗矿和国内相关选矿实践的深入研究和对比，拟采用之前从未在红土矿洗矿使用过的国产圆筒洗矿机作为主要洗矿设备。为了验证该设想的正确性，中国恩菲工程技术有限公司委托某试验单位进行了选矿扩大验证试验，对湿式红土镍矿采用圆筒洗矿机的可行性、圆筒洗矿机主要设备参数等进行了试验研究。

1 湿式红土镍矿的特性分析

大部分红土矿由6层组成，分别为腐殖土层、红色褐铁矿层、黄色褐铁矿层、残积层、含砾石的残积层及基岩，矿层的结构和特征如图1所示[3]。

根据地质取样化验结果，腐殖土层的镍钴品位在边界品位以下，采矿时作为表土剥离，实际送到选矿厂镍红土矿的矿石类型为含镍褐铁矿(含红色褐铁矿和黄色褐铁矿)、残积矿和含砾残积矿三类，工艺矿物学及筛析研究结果表明：

图1 瑞木红土矿示意剖面

(1)矿石的粒度范围大

该红土矿粒度很细，尤其是含镍褐铁矿类型的矿石，+100 mm约占0.13%，-12.5 mm～+0.038 mm约占11.94%，-0.038 mm的粒级含量高达87.93%。

残积矿相对粗些，+100 mm约占6.47%，-12.5 mm～+0.038约占28.06%， -0.038 mm约占65.47%。

含砾残积矿较粗，其中+450 mm约占13%，-450 mm+100 mm约占35%，-100 mm+2 mm约占3%，-2 mm+0.053 mm约占18%，-0.053 mm约占31%。

(2)有用元素分布复杂

有用元素Ni、Co绝大部分集中在-2 mm粒级的细粒原矿中，其中75%的Ni富集在-150 μm粒级中且品位高；+2 mm以上粒级的砾石中，Ni、Co品位较低，可以直接抛废。这为制定简单有效的洗矿脱废工艺提供了重要的设计依据。

(3)矿石含水较大

矿石含水随降水量多少而变化，旱季时矿石含水约35%，雨季时矿石含水约47%。

(4)矿石属于难洗矿石

评价矿石是否难洗，可以通过塑性指数来判断，通常将塑性指数大于10的矿石定义为难洗矿石[4]。该红土镍矿的塑性指数为29.9，属于湿式粘土型难洗矿石。

另外，从塌落度试验来看，普通的硫化镍矿浓度50%时也能流动，而红土镍矿20%时流动性很差，32%时可以堆积起来，也从侧面反映出该矿比较难洗。该红土镍矿浓度25%和32%时的塌落度试验照片如图2、图3所示。

图2 浓度25%时塌落度试验

图3 浓度32%时塌落度试验

2 初步拟定的洗矿流程及主要洗矿试验设备

根据难洗矿石特点，中国恩菲工程技术有限公司拟定了“圆筒洗矿机+槽式擦洗机+振动筛”的洗矿试验工艺流程，如图4所示。

图4 洗矿试验工艺流程图

为了验证该流程的正确性，中国恩菲工程技术有限公司委托某试验单位进行了选矿扩大验证试验，试验规模1 t/h，洗矿试验相关设备规格如下：

(1)皮带运输机：宽度500 mm；

(2)圆筒洗矿机：Φ600×2 800 mm(造浆筒长2 000 mm、圆筒筛长800 mm)；

(3)槽式擦洗机：800×3 450 mm双螺旋槽式擦洗机；

(4)振动筛：800×1 000 mm。

3 圆筒洗矿机构造及洗矿原理

试验单位所用的圆筒洗矿机主要由给料漏斗、筒体、托轮圈、齿轮圈、托辊、传动装置及冲洗水管等构成[5]。筒体由造浆筒和圆筒筛两部分组成，筒体内呈放射状焊接着能打散矿泥的刀板，如图5、图6所示。

圆筒洗矿机的洗矿原理是：矿石及前冲洗水由圆筒洗矿机的给料漏斗给入，在造浆筒内经过水的浸泡及筒体的刀板(或衬板)与矿石的摩擦或矿石之间的互相冲击、擦洗，使砾石与细粒矿泥(粘土)分离，同时打散粘土球。从筒体排矿端引入冲洗水管，冲洗水管侧面喷出高压水冲洗矿石，砾石从圆筒筛的筛上排出，细粒矿泥从圆筒筛的筛下排出，然后进入下一段洗矿作业(槽式擦洗机)。

1.给料漏斗 2.造浆筒 3.圆筒筛 4.托轮圈 5.齿轮圈 6.冲洗水管 7.托辊 8.传动装置 9.刀板图5 圆筒洗矿机示意图

图6 圆筒洗矿机排矿端照片

4 未改进前的圆筒洗矿机洗矿中存在的问题

试验初期，出现问题较大的是圆筒洗矿机筛上砾石(+50 mm)表面附着的细粒矿泥较多，而细粒矿泥的镍钴含量较高，说明此时的洗矿效果不佳。试验中，发现当处理细粒料较多、塑性指数较大的难洗矿时，圆筒洗矿机的造浆筒对原矿的浸泡效果不足、擦洗作用不强，圆筒洗矿机筛上的砾石表面附着的细粒矿泥较多，形成粘土球，同时由于粘土球没有被打散，大于筛孔的粘土球从圆筒筛筛上排出，造成高品位细粒矿泥丢弃严重。圆筒洗矿机未改进前的洗矿效果如图7所示。

图7 圆筒洗矿机未改进前的洗矿效果

5 相关优化措施及研究

圆筒洗矿机的洗矿效果取决于矿石的洗矿特性、洗矿时间、洗矿浓度(冲洗水量)、冲洗水压、设备或介质对矿石的擦洗强度。该红土镍矿的塑性指数平均为29.9，属于难洗矿石。在矿石的洗矿特性难于改变的状况下，可通过延长矿石的洗矿时间、降低洗矿浓度(提高冲洗水量)、提高冲洗水压、增强设备对矿石的擦洗强度、适当增加擦洗介质等方法来达到提高洗矿效果的目的。

5.1 调整圆筒洗矿机尾部筛网尺寸

本项目洗矿设备由圆筒洗矿机和槽式擦洗机组成，圆筒洗矿机的圆筒筛网尺寸主要是保证进入槽式擦洗机的粒径不大于槽式擦洗机的最大允许粒径(50 mm)，同时减少圆筒筛的筛上排料砾石表面附着的细粒矿泥的含量。适当增加筛网尺寸，因筛上物料量减少，相当于增加了筛上物料的洗矿时间。在本次试验未进行之前，圆筒洗矿机尾部筛网尺寸为25 mm×25 mm,试验单位按照中国恩菲的要求重新制作了筛孔为50 mm×50 mm的筛网，两种筛孔尺寸条件试验对比结果如表1所示。

表1 圆筒洗矿机筛孔尺寸条件试验结果

从表1对比结果可以看出：圆筒洗矿机筛孔尺寸为25 mm×25 mm时,镍钴在砾石中的损失较高,比50 mm×50 mm筛孔时分别高3.64%(镍)、2.41%(钴)。从试验现象观察可看到,筛孔尺寸为25 mm×25 mm时,筛上仍有较多的泥团。而当筛孔尺寸50 mm×50 mm时,筛上砾石已基本不含泥团，所以圆筒洗矿机筛孔尺寸以50 mm×50 mm为好。因试验用的槽式擦洗机规格所限,-75 mm砾石给入槽式擦洗机,可能会卡死槽式擦洗机螺旋叶片,所以未能进行75 mm×75 mm筛孔的试验对比。

5.2 增加冲洗水水压及水量

将圆筒洗矿机的冲洗水压由原来的0.13 MPa分别提高到0.14 MPa、0.15 MPa，并且冲洗水由原来较分散喷射改为在出矿端集中喷射，三种冲洗水水压及水量条件试验对比结果如表2所示。

从表2对比结果可以看出，冲洗水压及水量的提高有利于砾石表面附着的粘土与砾石的分离，减少了砾石表面的细粒矿泥量，提高了洗矿效果。

5.3 调整圆筒洗矿机筒体刀板高度

在试验过程中，发现圆筒洗矿机筒体内原来的刀板由于长时间的磨损，高度比较短，其表面比较平滑，刀板与矿石之间的摩擦力较小，矿石随筒体转动作用而提升的高度过低，不利于矿石互相碰撞、擦洗，使入洗的矿石在造浆筒的有效造浆时间过短，矿石得不到充分的浸泡和擦洗，造成圆筒洗矿机造浆作用不足。为了延长矿石在造浆筒的洗矿时间，增强矿石与刀板之间的摩擦效果，重新焊接增加了刀板的高度，经对比洗矿排出砾石中的含细泥量有了较明显的减少，改造完筒体内刀板后的洗矿效果照片如图8所示。

5.4 调整圆筒洗矿机出矿端挡板高度及挡板安装方向

由于圆筒洗矿机在处理含细粒率高、矿石塑料性指数大的难洗矿石时，对砾石表面的泥团的打散作用不强，圆筒筛上的砾石附着的细粒矿泥较多。为了延长砾石的有效洗矿时间，使砾石得到充分的擦洗，对圆筒洗矿机筛分段出矿挡板由原来的80 mm高加至150 mm高，同时将挡板安装方向调整为与筒体运转方向相反的方向，这样使砾石在圆筒洗矿机内的有效洗矿时间延长了约8～12 s，减少了砾石表面附着细粒矿泥的含量。调整圆筒洗矿机出矿端挡板高度及挡板安装方向之前的照片如图9所示，圆筒洗矿机挡板调整后洗矿效果如图10所示。

表2 圆筒洗矿机冲洗水水压和水量条件试验结果

图8 圆筒洗矿机增加刀板高度后的洗矿效果

图9 出矿端挡板调整之前的洗矿效果

图10 出矿端挡板调整之后的洗矿效果

5.5 改变圆筒洗矿机转速的试验研究

圆筒洗矿机转速条件试验进行了16 r/min及22 r/min的对比。其结果如表3所示。

从表3结果看：圆筒洗矿机转速16 r/min及22 r/min洗矿指标相差不明显,转速16 r/min稍好。从洗矿现象观察，降低圆筒洗矿机转速，能延长砾石在圆筒洗矿机内的浸泡和擦洗时间，改善了砾石的洗矿效果，在其它洗矿条件不变的情况下(如相同的给矿速度下)，随着圆筒转速的降低，砾石表面附着的细粒矿泥的含量也不同程度地下降。

同时应当注意的是：当降低圆筒洗矿机转速时，会对下一个作业槽式擦洗机的洗矿效果产生较大的负面影响，随着给矿量的增大，下一个作业槽式擦洗机返砂中含细粒矿泥率剧增。其主要原因是由于降低圆筒洗矿机转速时，造浆筒对矿石的提升和擦洗作用力减弱，未被充分打散的细粒矿泥进入圆筒洗矿机圆筒筛后，即从筛条间落下进入槽式擦洗机，大大缩短了细粒矿泥团在圆筒洗矿机内的擦洗时间，严重影响了洗矿效果。

表3 圆筒洗矿机转速条件试验结果

6 结语

(1)适当的放大圆筒洗矿机圆筒筛网尺寸、增加冲洗水水压及水量，能减少圆筒洗矿机排出砾石表面附着的细粒矿泥的含量。

(2)适当调整筒体刀板高度，能增大设备的擦洗强度，提高洗矿效果，降低砾石表面附着的细粒矿泥的含量。

(3)调整圆筒洗矿机出矿端挡板高度及挡板安装方向、适当降低圆筒洗矿机的转速，能延长矿石在圆筒洗矿机的洗矿时间，改善砾石的洗矿效果，但并不能改善细粒矿石的洗矿效果。

(4)提高圆筒洗矿机的洗矿效果所取得的经验对今后该项目红土镍矿洗矿设备的设计及生产具有指导意义。