某铁矿尾矿分级浓缩及流变特性研究

陈洪彬，英培壮，吕宪俊

（1. 鞍山钢铁集团有限公司齐大山选矿厂，辽宁 鞍山 114043；2. 鞍钢集团矿业有限公司齐大山分公司，辽宁 鞍山 114043；3. 山东科技大学 化学与生物工程学院，山东 青岛 266590）

我国矿产资源以低品位为主，选矿后大量尾矿外排使得尾矿库库容逐年降低，部分矿山企业尾矿库服务年限仅剩1年～2年。因此，尾矿安全处置成为目前众多矿山企业面临的主要难题。采用旋流器、脱水筛、压滤机和浓密机等设备对尾矿进行浓缩，不仅能够有效减少尾矿排放量，还可将尾矿中的大部分水回收利用，对降低矿山企业尾矿库运行风险和管理成本具有重大的实际意义[1]。

目前，尾矿分级浓缩干排技术在诸多矿山企业得到了广泛应用。李琳等[2]采用旋流器和柱式无耙高效浓密机等设备，成功实现了吉林某金矿尾矿的高效分级浓缩。胡术刚等[3]同样采用旋流器和浓密机分级浓缩技术对某铁矿尾矿进行了半工业浓缩试验，成功将尾矿浓度由19.62%浓缩至54.32%。杨超等[4]通过旋流器分级试验，确定了某铜矿尾矿分级用旋流器的规格尺寸和尾矿库中线法筑坝工艺的技术参数。陈晗[5]采用水力旋流器对某铅锌尾矿进行了分级浓缩，在给料浓度10%的条件下，成功将尾矿浓度提高至70%。

以上研究充分说明了矿山尾矿分级浓缩的优势和必要性，但未对高浓度浓缩尾矿流变特性做出相应研究。因此，本研究采用旋流器分级技术，针对某铁矿尾矿进行了分级浓缩试验，同时以塌落度和粘度等指标为依据，对高浓度尾矿的流变特性进行了研究，为该矿山企业尾矿的安全处置提供了技术保障和理论依据。

1 试验原料及方法

1.1 尾矿粒度组成

采用筛分和激光粒度分析了该尾矿的粒度组成，分析结果见表1。

表1 尾矿粒度组成分析结果

从粒度分析结果可知，该尾矿粒度较细，-0.074mm和-0.01mm颗粒含量分别达到84.80%和29.74%。

1.2 试验方法及流程

以现场尾矿浓度为依据，采用长锥型水力旋流器对尾矿进行分级浓缩试验，重点考察沉砂口直径和给料压力对旋流器分级浓缩效果的影响。

以旋流器分级浓缩产品浓度为依据，参照《普通混凝土拌合物性能试验方法》（GBJ80-85）测定不同浓度尾矿的塌落度和扩展度。同时，采用NXS-11A型旋转粘度计测定高浓度尾矿的剪切应力，并通过线性拟合计算不同浓度尾矿的粘度和屈服应力值。

2 结果分析与讨论

2.1 尾矿分级浓缩试验

为确定旋流器最佳作业参数，采用Φ100长锥型旋流器对尾矿分级浓缩试验，重点考察了沉砂口直径及给料压力对尾矿分级浓缩效果的影响。试验结果见表2。

表2 Φ100长锥型旋流器试验结果

由表2可以看出，在相同给料压力条件下，随着沉砂口直径的增大，旋流器底流产率逐渐提高，底流浓度逐渐降低，当给料压力为0.25MPa时，沉砂口由15mm增大至22mm，旋流器底流浓度由74.71%降至70.16%，底流产率由56.61%提高至65.16%。在沉砂口相同条件下，随着给料压力的提高，旋流器底流产率逐渐提高，底流浓度也随之提高，当沉砂口为18mm时，给料压力由0.20MPa提高至0.30MPa，底流浓度由70.57%提高至73.97%，底流产率由61.15%提高至63.11%。

2.2 高浓度尾矿流变特性研究

2.2.1 塌落度和扩展度

为考查不同浓度尾矿料浆流动性的差异，本研究测定了不同浓度尾矿的塌落度和扩展度。测定结果见图1。

试验结果表明，尾矿浓度对料浆塌落度和扩展度影响显著，随尾矿浓度的增加，塌落度和扩展度呈逐渐减小的趋势。当尾矿浓度由65%增加至74%时，随着浓度增加，塌落度和扩展度的降低较为缓慢；但当尾矿浓度大于74%时，随着浓度的增加，塌落度和扩展度急剧降低，说明该尾矿料浆塌落度和扩展度的突变临界浓度在74%左右。

图1 不同浓度尾矿的塌落度和扩展度测试结果

2.2.2 粘度和屈服应力

根据尾矿样品的特性，将尾矿浓度分为高浓度区（76%～78%）、 中 浓 度 区（70%～74%）、 低 浓 度 区（65%～68%）。各浓度区流态变化规律见图2～图4。

图2 高浓度区尾矿料浆流变性及线性拟合示意图

图3 中浓度区尾矿料浆流变性及线性拟合示意图

图4 低浓度区尾矿料浆流变性及线性拟合示意图

由尾矿料浆流变特性数据可知，尾矿料浆在高、中、低浓度区的流变特性均服从屈服假塑性体的流变规律，当剪切速率达到一定程度后，尾矿料浆流变特性开始服从宾汉体流变规律，剪切应力随剪切速率增大而增加。对流变特性服从宾汉体流变规律的点进行拟合，得到剪切应力与剪切速率之间的线性方程，由此方程计算的截距和斜率即为尾矿料浆对应的屈服应力和粘度。不同浓度下尾矿料浆的粘度及屈服应力变化规律见图5。

图5 不同浓度下尾矿浆粘度及屈服应力变化规律

粘度和屈服应力值越大，尾矿料浆的流动性就越差。拟合数据表明，随着浓度的增加，尾矿料浆的粘度和屈服应力逐渐增大。当尾矿浓度达到74%以上时，其粘度和屈服应力值均急剧增大。这一结果与塌落度和扩展度的变化规律相近，说明尾矿料浆流动性存在一个急剧变化的临界浓度，该临界浓度约为74%。

因此，从降低输送阻力的角度，尾矿料浆的浓度应控制在74%以下。

3 结论

采用Φ100mm长锥型旋流器，在给料浓度41.10%条件下，实现了某铁矿尾矿的高效分级浓缩。适宜的给料压力和沉砂口直径分别0.25MPa和18mm，旋流器底流浓度和产率分别达到73.03%和62.18%。

尾矿料浆流变特性研究表明，为保证良好的输送性能，尾矿浓度应控制在74%以下。