多宝山铜矿石高压电脉冲破碎预处理试验研究_左蔚然.pdf

多宝山铜矿石高压电脉冲破碎预处理试验研究 左蔚然 1， 2， 3 贺泽铭 1 印万忠 1， 2， 3 刘伟超 1 黄烈凤 1 余锋 1 （1. 福州大学紫金矿业学院， 福建 福州 350108； 2. 福州大学-紫金矿业集团矿产资源综合利用联合研发中心， 福建 福州 350108； 3. 低品位难处理黄金资源综合利用国家重点实验室， 福建 龙岩 364200） 摘要通过对比高压电脉冲破碎和机械破碎对多宝山铜矿石性质和浮选指标的影响， 探索了高压电脉冲破 碎预处理对矿石的促进解离、 预弱化和预富集等作用效果。采用自制高压电脉冲处理系统在140 kV下对26.5～ 31.5 mm粒级多宝山铜矿石进行了预处理， 并与同条件下的机械破碎产品对比。分别测定了高压电脉冲破碎产品 和机械破碎对比样品的硬度指标Ab值、 邦德球磨功指数、 Cu品位分布、 单体解离度和可浮性。结果表明， 相比机 械破碎产品， 高压电脉冲破碎产品的硬度指标Ab值提高了33.9～39.8， 邦德球磨功指数降低了3.6 kWh/t； 高压 电脉冲破碎产品的Cu品位随粒度减小而快速增大， 能够将69.2的Cu元素预富集到产率为36.1的-13.2 mm粒级 破碎产品中； 通过促进矿物单体解离， 高压电脉冲破碎能够将Cu的浮选回收率提高2.33个百分点， 精矿铜品位提 高约1个百分点。试验结果可以为低品位铜矿石的高效低耗回收提供参考。 关键词高压电脉冲破碎预处理铜矿石预弱化预富集促进解离 中图分类号P611文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -08-071-07 DOI10.19614/ki.jsks.201908013 Experiment Study on High Voltage Pulse Pretreatment of Duobaoshan Copper Ore Zuo Weiran1， 2， 3He Zeming1Yin Wanzhong1， 2， 3Liu Weichao1Huang Liefeng1Yu Feng12 （1. College of Zijin Mining， Fuzhou University， Fuzhou 350108， China； 2. Fuzhou University-Zijin Mining Group Joint Research and Development Centre of Comprehensive Utilization of Mineral Resources， Fuzhou 350108， China； 3. State Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Low Grade Refractory Gold Resources， Longyan 364200， China） AbstractThe effect of high voltage pulse breakage（HVPB）pre-treatment on Duobaoshan copper ore in terms of liber- ation improving， pre-weakening and pre-concentration were investigated by comparing the ore properties and flotation perfor- mance between products of high voltage pulse breakage and mechanical breakage. Duobaoshan copper ore particles of 26.5～ 31.5 mm were pre-treated by a self-made high voltage pulse processing system at 140 kV. Comparative sample were prepared by mechanical breakage with the same conditions. The product of HVPB and mechanical breakage were tested in terms of hardness index Ab value， Bond Ball Work Index（BBWI） ， Cu grade distribution， liberation degree and flotation properties. Results indicated that the hardness index Ab value and BBWI of HVPB product were increased by 33.9～39.8 and de- creased by 3.6 kWh/t respectively， comparing to mechanical breakage product. The Cu grade of HVPB product increased rap- idly with the decrease of particle size. Therefore 69.2 of Cu element could be pre-concentrated into the -13.2 mm product of which the yield is 36.1. By improving the liberation of minerals，HVPB could increase the flotation recovery of Cu by 2.33 percent points and increase the concentrate grade by about 1 percent point. The testing results will provide reference for the high efficient and low costing recovery of low-grade copper ore. KeywordsHigh voltage pulse breakage， Pre-treatment， Copper ore， Pre-weakening， Pre-concentration， Liberation im- provement 收稿日期2019-06-30 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51604084） ， 福建省自然科学基金项目 （编号 2017J05081） ， 福建省杰出青年科研人才计划项目 （编号 ZJ2017-7） 。 作者简介左蔚然 （1983） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。通讯作者印万忠 （1970） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 518 期 2019 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 518 August 2019 高压电脉冲破碎技术近年来在矿物加工 ［1］、 钻 井 ［2］、 电子废弃物回收［3］、 采油［4］、 煤层气开采［5］等领 域得到了广泛的应用和研究。该技术利用脉冲发生 装置在浸泡在水中的矿石内部引发电击穿， 从而将 71 ChaoXing 金属矿山2019年第8期总第518期 数百焦耳的能量在几微秒内释放到矿石颗粒内部。 电击穿的放电通道的温度能够在极短的时间内迅速 上升至104K， 同时产生高达109～1010Pa的压力， 使初 始宽度仅有几十微米的放电通道迅速膨胀， 在放电 通道周围的材料内部产生强大的压力波， 导致矿石 颗粒解体 ［6］。在矿物加工领域， 高压电脉冲破碎可用 于促进矿物解离、 预弱化矿石和预富集金属矿物等， 对后续磨矿、 浮选等下游工艺环节生产效率的提高 有重要意义。 自上世纪70年代以来， 各国学者对钻石、 铁矿、 铂族金属矿、 铜矿、 金矿、 银金矿等多种矿石进行了 高压电脉冲破碎研究， 发现高压电脉冲破碎能够使 矿石发生晶粒间解离， 从而改善矿物的解离效果， 并 能够显著提高浮选、 重选、 磁选或浸出的回收率 ［7-13］。 前苏联科学家Usov和Rakaev发现高压电脉冲破 碎的产物上会产生大量的裂缝， 提出了可以应用高 压电脉冲破碎技术对矿石进行预弱化， 从而降低其 破碎产物在后续细磨作业中的能量消耗 ［14］。对多种 铜矿、 铅锌矿、 磷酸盐矿、 赤铁矿、 银矿和花岗岩的破 碎对比试验证明， 高压电脉冲破碎在矿石颗粒中产 生的裂缝可以明显改善矿石的可磨性［15- 18］。Shi Fengnian等采用JK SimMet磨矿流程模拟软件的仿真 结果表明， 高压电脉冲破碎预弱化处理能够明显降 低半自磨机磨矿系统的单位能耗 ［19］。 对水泥基人造样品和天然矿石的高压电脉冲破 碎试验发现， 在相同条件下金属矿物品位高的样品 的破碎产物比品位低的样品的破碎产物具有更细的 粒度分布 ［20-21］。根据这一发现， Zuo Weiran等提出可 以通过对经过高压电脉冲破碎处理的矿石进行筛分 来获得具有不同品位的筛上/筛下产品， 从而实现矿 物的预富集 ［22］。随后， Huang Wei等［23］和Yan Guang- hui等 ［24］采用高压电脉冲破碎技术实现了对多种铜矿 石的预富集。 尽管不同研究人员针对促进解离、 预弱化和预 富集等3项作用对高压电脉冲破碎进行了大量试验 研究， 但大多数研究都只针对其中一项作用进行试 验研究， 未能全面揭示高压电脉冲破碎对同一种矿 石的综合作用。本试验以黑龙江多宝山铜矿石为研 究对象， 全面考察了高压电脉冲破碎技术对矿石颗 粒的促进解离、 预弱化和预富集作用。 1试验原料及试验设备 1. 1试验原料 试验原料取自黑龙江多宝山铜矿。原矿经烘 干、 混匀、 筛分后取 26.5～31.5mm粒级颗粒进行试 验。试样主要化学成分分析结果见表1。 注 Au含量的单位为g/t。 由表 1 可知， 试样 Cu 品位为 0.38， Mo 品位约 0.012， Au品位为0.06 g/t， 属于含金、 钼的低品位铜 矿。 物相分析表明试样的主要含铜矿物为黄铜矿和 斑铜矿， 另外含有少量自然铜、 辉铜矿和孔雀石等其 他铜矿物。试样其余金属矿物为黄铁矿， 以及少量 辉钼矿、 磁铁矿、 赤铁矿， 微量的闪锌矿、 方铅矿。主 要脉石矿物为石英、 白云母、 斜长石及绿帘石等。 1. 2试验设备 试验使用的主要仪器设备如表2所示。 高压电脉冲破碎采用如图1所示的自制高压电 脉冲处理系统完成。该系统由控制器、 高压电源、 高 压电脉冲发生器和棒-板式电极对组成。通过高压 电源向高压脉冲发生器充电， 可以将220 V三相交流 电转变为直流高压电脉冲并释放到电极对间的负载 上。直流高压电脉冲的充电电压可以在80～200 kV 之间调节， 电极对的间距调整范围为0～50 mm， 脉冲 释放频率为0.2～5 Hz。 在对矿石进行高压电脉冲破碎时， 首先在棒-板 电极对之间放入500 g粒度为26.5～31.5 mm的试验样 品， 然后在140 kV的充电电压下， 对试验样品释放首 批30次高压电脉冲。在进行开路破碎时， 首批电脉 冲放电结束后直接将破碎产品取出并更换去离子水 72 ChaoXing 左蔚然等 多宝山铜矿石高压电脉冲破碎预处理试验研究2019年第8期 介质， 加入下一份质量为500 g的26.5～31.5 mm试验 样品， 然后重复以上破碎操作， 直到获得足够的高压 电脉冲破碎产品为止。在进行闭路破碎时， 首批电 脉冲放电结束后通过筛分分离出样品中的-3.35 mm 粒级破碎产品； 然后向3.35 mm粒级破碎产品中加 入新鲜的26.5～31.5 mm试验样品， 使二者总质量仍然 为500 g， 并将其放回到处理室中重新在140 kV的充 电电压下接受30次高压电脉冲的处理； 接下来重复 以上操作， 直到获得足够的-3.35 mm粒级高压电脉 冲破碎产品为止。 为了制备与高压电脉冲开路破碎产品粒度分布 接近的机械破碎产品， 在选定的单位破碎能量组合 下采用落重锤测试仪对26.5～31.5 mm粒级的试验样 品进行单颗粒破碎。 为了制备与高压电脉冲闭路破碎产品粒度分布 接近的机械破碎产品， 采用实验室颚式破碎机在筛 孔尺寸为 3.35 mm 的闭路分级粒度下对 26.5～31.5 mm的试验样品进行闭路破碎。 在获得高压电脉冲破碎或机械破碎的开路破碎 产品后， 将其烘干、 混匀、 缩分后分成2份， 分别采用 落重锤测试仪和电感耦合等离子体质谱仪测定不同 粒级颗粒的硬度和Cu品位。 在获得高压电脉冲破碎或颚式破碎的闭路破碎 产品后， 将其烘干、 混匀、 缩分后分成3份， 分别采用 磨矿功指数球磨机、 反光显微镜和实验室单槽1 L浮 选机考察矿石的可磨性、 解离度和浮选效果。 2试验结果与讨论 2. 1不同破碎方式产品的硬度和可磨性对比 2. 1. 1破碎产品硬度指标 高压电脉冲破碎或机械破碎产品的硬度采用自 制落重锤测试仪来测定。落重锤测试仪的产品细度 采用单一指标t10来表示， t10代表产品中粒度小于入料 颗粒粒度1/10的那部分物料所占的质量百分数， 。 例如， 当初始粒度为26.5～19 mm， t1015代表产品中 小于2.24 mm （26.519 10mm） 的物料的质量百 分比为15。t10越大表示产品越细。 碎磨回路模拟软件JKSimMet所使用的Ab值 被广泛应用于碎磨设备的选型和回路优化当中。其 中A和b是式 （1） 所示的矿石破碎模型的参数 ［25］。 t10A■ ■ ■ ■ 1-e -b∙Ecs ，（1） 式中， Ecs为单位破碎能量， kWh/t。 不同矿石的Ab值会在20至300之间分布。Ab 值小于40表示矿石非常硬， 大于100表示矿石非常 软。 式 （1） 中的A和b值是在假设不同粒度的同种矿 石具有相同的t10-Ecs关系的前提下确定的。然而， 通 常情况下粒度对矿石颗粒的t10-Ecs关系均具有较明显 的影响。2015年， Shi Fengnian等对式 （1） 做了较大改 进 ［25］， 建立了如下模型 t10M{ } 1-e -3.6p∙d 1-q∙k Ecs-Emin ，（2） 式中， M与A的含义类似， 都表示t10所能达到的最大 值， ； d代表入料矿石粒度， mm； p和q为模型参数； k 为连续发生的破碎事件次数 （在一般落重锤测试中 通常取1） ； Emin为使颗粒发生破碎的最低临界单位破 碎能量 （在本文中其值设为0） 。此时， Ecs和Emin的单 位为J/kg， 常数3.6用于单位换算。 式 （2） 具有与式 （1） 类似的模型形式， 其进步之 处在于引入了入料粒度d和模型参数q来精确描述颗 粒破碎时的粒度效应。式 （1） 和式 （2） 中的参数可以 互相换算， 由式1得到的Ab值也可以用式 （2） 中的 参数表达 Ab3.6∙M∙p∙d 1-q .（3） 式 （3） 给出了特定粒度颗粒所具有的硬度指标 Ab值。 图2给出了高压电脉冲破碎和机械破碎产品的 落重锤试验结果的实验值和采用式 （2） 计算得到的 预测值。决定系数R2是相关系数R的平方， 其取值范 围为0～1。决定系数R2越接近于1， 表明模型预测效 果越好。采用式 （2） 预测高压电脉冲破碎和机械破 碎产品的落重锤试验结果的决定系数R2分别为0.995 和0.998， 表明式 （2） 能够很好地预测t10与Ecs的关系。 2. 1. 2不同破碎方式产品的硬度对比 根据式 （2） 和式 （3） 可以得到具有特定粒度的颗 粒的 Ab 值。对 26.5～19 mm、 19～13.2 mm、 13.2～9.5 mm和9.5～6.7 mm这4个粒级的高压电脉冲破碎产品 和机械破碎产品的Ab值进行对比， 图中横坐标为 各粒级的几何平均粒度。 73 ChaoXing 金属矿山2019年第8期总第518期 从图3可以看出， 不同粒级高压电脉冲破碎产品 均具有比机械破碎产品更大的Ab值。这表明高压 电脉冲破碎对试验样品具有预弱化作用， 降低了矿 石颗粒的硬度。此外， 颗粒粒度越大， 高压电脉冲破 碎对Ab值改变越大。对26.5～19 mm和9.5～6.7 mm 粒级， 高压电脉冲破碎产品的Ab值比机械破碎产品 的Ab值分别提高了39.8和33.9。2种破碎产品 的Ab值均随粒度增大而上升， 即粒度越大的颗粒硬 度越小。这一现象与式 （2） 所描述的颗粒破碎的粒 度效应一致。颗粒破碎具有粒度效应的原因是颗粒 粒度越大， 其内部裂缝/微细裂缝的密度就越高， 因此 在相同的单位破碎能量下其产品的t10值就越高。 2. 1. 3不同破碎方式产品的可磨性对比 采用磨矿功指数球磨机分别测定了高压电脉冲 破碎产品和机械破碎产品在闭路分级粒度为150 μm 时的邦德球磨功指数， 其结果分别为14.0 kWh/t和 17.6 kWh/t。这一结果再次表明高压电脉冲破碎对试 验样品具有预弱化作用， 能够有效改善矿石颗粒的 可磨性。 为了探索高压电脉冲破碎产品具有更好的可磨 性的原因， 采用核磁共振成像分析仪检测了高压电 脉冲破碎产品和机械破碎产品3.35～1.18 mm粒级颗 粒的孔隙度。结果表明， 前者的孔隙度为6.5， 而后 者的孔隙度为1.7。这表明高压电脉冲处理能够改 善矿石颗粒可磨性的原因是其能够生成具有更高孔 隙度的产品。 2. 2不同破碎方式产品中Cu品位与粒度的关系 表3给出了高压电脉冲破碎和机械破碎产品的 粒度分布和各粒级的Cu品位。 从表3可以看出 机械破碎产品除最细的2个粒 级Cu品位略有增高外， 其他粒级的Cu品位与入料 相比没有明显变化； 与之相比， 高压电脉冲破碎产品 的Cu品位具有明显的随粒度减小而增大的趋势， 其 中-4.75 mm粒级颗粒的Cu品位 （1.19） 达到了26.5～ 31.5 mm粒级颗粒Cu品位 （0.11） 的10.8倍。图4给 出了高压电脉冲破碎产品和机械破碎产品的筛下累 积产率， 图5对比了2种破碎方式的筛下累积铜回收 率。 从图4可以看出， 尽管机械破碎产品的细颗粒 （-6.7 mm） 含量比高压电脉冲破碎稍高， 但两者的筛 下累积粒度分布曲线基本一致。因此， 使用任一筛 孔孔径对二者进行筛分， 均能得到相近的筛下累积 产率。 图5表明 只有在筛下累积产率在约20以下时 （即筛分粒度不大于9.5 mm） ， 机械破碎产品的筛下 累积Cu回收率会略大于其筛下累积产率； 当筛下累 积产率在约20以上时 （即筛分粒度大于9.5 mm） ， 其筛下累积Cu回收率与筛下累积产率基本一致， 这 74 ChaoXing 2019年第8期左蔚然等 多宝山铜矿石高压电脉冲破碎预处理试验研究 表示机械破碎对试样样品不具备较明显的预富集作 用； 与之相比， 高压电脉冲破碎对试样样品的预富集 作用较为显著， 在不同的筛下累积产率下， 高压电脉 冲破碎的筛下累积Cu回收率均明显大于其筛下累积 产率； 当采用筛孔尺寸为13.2 mm的筛子对高压电脉 冲破碎产品进行筛分时， 产率为36.1的筛下产品将 富集入料中总Cu金属量的69.2。 2. 3不同破碎方式产品的解离度 黄铜矿是多宝山铜矿石最主要的含铜矿物。从 高压电脉冲破碎和机械破碎的-3.35 mm粒级闭路破 碎产品中取-0.3 mm粒级颗粒， 利用反光显微镜进行 黄铜矿的解离度测定。然后， 采用磨矿功指数球磨 机分别将高压电脉冲破碎和机械破碎的-3.35 mm粒 级闭路破碎产品研磨至-75 μm占50的细度， 从磨 矿产品中同样取-0.3 mm粒级颗粒， 利用反光显微镜 进行黄铜矿的解离度测定。 解离度测定结果如表4所示。 从表4可以看出 高压电脉冲破碎和机械破碎产 品在磨矿前后其各粒级的黄铜矿解离度均随粒度减 小而提高； 相比机械破碎产品， 高压电脉冲破碎在所 有粒级均对黄铜矿的解离有促进作用； 其中， 在0.3～ 0.15 mm粒级， 高压电脉冲破碎产品 （磨矿前） 的黄铜 矿解离度比颚式破碎产品 （磨矿前） 提高了21.89， 当产品粒度降低时， 由于2种破碎方式的产品解离度 均能达到较高程度， 因此高压电脉冲破碎对黄铜矿 解离度的提升幅度相对较小； 在对破碎产品进行磨 矿处理后， 高压电脉冲破碎和颚式破碎产品在各粒 级的解离度均有不同程度的降低； 2种破碎方式的磨 矿产品在0.3～0.15 mm和0.15～0.075 mm粒级的黄铜 矿解离度没有明显区别， 但在0.075～0.038 mm粒级， 高压电脉冲破碎的磨矿产品相比机械破碎提高了 11.76。 2. 4不同破碎方式产品浮选试验 在多宝山铜矿石中， 几乎所有黄铜矿颗粒的粒 度都小于0.3 mm， 其中约75的黄铜矿颗粒粒度小 于0.075 mm。破碎产品中0.3～0.15 mm和0.15～0.075 mm粒级单体解离的黄铜矿颗粒在研磨过程中会逐 渐进入更细的粒级， 同时难以从更粗粒级得到补 充。因此， 高压电脉冲破碎仅在0.075～0.038 mm粒级 上对磨矿产品的解离度表现出了较明显的促进作 用。高压电脉冲破碎和机械破碎的-3.35 mm粒级闭 路破碎产品在进行磨矿处理后进行浮选试验研究。 每次磨矿的入料量为300 g， 磨矿浓度为75， 磨矿细 度为-75 μm占50。研磨后的矿浆全部转移到实验 室单槽1 L浮选机中， 浮选矿浆浓度调整为30。浮 选药剂制度为调整剂石灰用量1 500 g/t、 捕收剂丁基 黄药用量30 g/t、 起泡剂2号油用量10 g/t。进行浮选 试验时， 分别在 0.5 min、 2 min、 4 min、 6.5 min 和 10 min等5个不同时间点更换接取浮选精矿的容器， 并 将不同容器所得的精矿分别干燥、 称重和化验Cu品 位。图6给出了2种不同破碎产品进行浮选试验后 在5个不同时间点的精矿铜回收率和累积铜品位。 从图6可以看出 高压电脉冲破碎对试验样品的 浮选效率有较明显的改善作用， 相比机械破碎产品， 高压电脉冲破碎产品的浮选精矿铜回收率有小幅提 升； 经过10 min的浮选后， 高压电脉冲破碎产品浮选 75 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ 金属矿山2019年第8期总第518期 精矿铜回收率为60.29， 比机械破碎产品浮选精矿 铜回收率 （57.96） 高 2.33 个百分点。在不同时间 点， 高压电脉冲破碎产品的精矿累积铜品位均比机 械破碎产品铜品位高约1个百分点。 3结论 （1） 高压电脉冲破碎预处理对多宝山铜矿石具 有预弱化作用， 能够提高矿石的硬度指标Ab值， 并 降低矿石的邦德球磨功指数。颗粒粒度越大， 预弱 化作用对Ab值的改变越大。对26.5～19 mm和9.5～ 6.7 mm粒级， 高压电脉冲破碎产品的Ab值比机械破 碎产品的Ab值分别提高了39.8和33.9。预弱化 作用还能够将矿石的邦德球磨功指数从17.6 kWh/t 降低到14.0 kWh/t。 （2） 多宝山铜矿石的高压电脉冲破碎产品的Cu 品位具有明显的随粒度减小而增大的趋势， 而其机 械破碎产品不同粒级颗粒的Cu品位区别较小。产率 为36.1的-13.2 mm粒级高压电脉冲破碎产品中预 富集了69.2的Cu元素。 （3） 相比机械破碎产品， 高压电脉冲破碎在所有 粒级均对金属矿物的解离度有促进作用， 这一作用 在 0.3～0.15 mm 粒级比在 0.15～0.075 mm 和 0.075～ 0.038 mm粒级更为明显。高压电脉冲破碎产品经磨 矿处理后， 其对金属矿物解离的促进作用有所降低， 且在0.075～0.038 mm粒级最为显著。 （4） 采用高压电脉冲破碎对低品位铜矿石进行 预处理， 有望在改善矿石破碎、 研磨性质的同时提高 其浮选回收效率， 并能够为通过筛分预富集高品位 Cu矿石的工艺优化提供参考。 参 考 文 献 韩跃新， 余建文， 高鹏， 等.电磁破碎技术在矿物加工中的应用 与展望 ［J］ .矿产综合利用， 2013 （4） 1-4. 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