Badania wpływu gęstości zawiesiny flotacyjnej oraz prędkości obrotowej wirnika na wzbogacalność urobku w KGHM Polska Miedź S.A.

(1)

___________________________________________________________________________

Badania wpływu gęstości zawiesiny flotacyjnej oraz

prędkości obrotowej wirnika na wzbogacalność urobku

w KGHM Polska Miedź S.A.

Andrzej Konieczny1), Witold Pawlos1), Katarzyna Księżniak2), Małgorzata Krzemińska1), Ewelina Kasińska-Pilut1), Paweł Piwowar1)

1)

KGHM Polska Miedź S.A. Oddział Zakłady Wzbogacania Rud, Polkowice 2)

Politechnika Gdańska, Wydział Chemiczny, Katedra Technologii Chemicznej, Gdańsk e-mail: katarzyna.ksiezniak@gmail.com

Streszczenie

W artykule przedstawiono wyniki testów laboratoryjnych nad flotowalnością nadawy o różnych gęstościach, jak i w funkcji różnych prędkości obrotowych wirnika. Eksperymentowi poddano nadawę na flotację wstępną II ciągu technologicznego Rejonu ZWR Polkowice. W czasie testu opróbowaniu podlegała jakość nadawy oraz wszystkich produktów pod wzglę-dem zaw. Cu [%], składu ziarnowego wraz z zawartością Cu w klasach ziarnowych. Na pod-stawie wykonanych badań daje sie zaobserwować liniowy wzrost wychodu wraz ze wzrostem gęstości i prędkości obrotowej wirnika. Najwyższą zawartość miedzi w koncentracie otrzyma-no w wyniku flotacji laboratoryjnej przy gęstości nadawy 1100 g/dm3 oraz przy prędkości obrotowej wirnika 2190 obr/min, uzysk w tym przypadku wynosi 90,32%. Natomiast przyjmu-jąc wartość uzysku jako główny wyznacznik efektywności flotacji, dla gęstości 1200 g/dm3 oraz przy 2170 obr/min otrzymujemy wartość najwyższą – ponad 92,56%. Rozpa-trując jednocześnie zawartość miedzi w koncentracie oraz uzysk, optymalne warunki procesu flotacji obserwujemy przy gęstości 1200 g/dm3 oraz przy 2450 obr/min, gdzie przy uzysku ԑ=91,97% jakość koncentratu jest na poziomie 10,31%. Biorąc pod uwagę wychód, uzysk oraz zaw. Cu w koncentracie można wnioskować na podstawie otrzymanych wyników, że flotacja prowadzona przy gęstości nadawy 1200 g/dm3oraz przy 2710 obr/min daje najlepsze rezultaty (ԑ=92,56%, β=9,65%, γ=30,81%).

Słowa kluczowe: flotacja, prędkość obrotowa wirników, gęstość zawiesiny flotacyjnej, efek-tywność, ruda miedzi

Investigation of an effect of flotation slurry density and rotor

rotational speed on ore concentrability in KGHM Polska

Miedz S.A.

Abstract

The article presents laboratory tests results concerning comparison of flotation efficiencies with different feed densities and as a function of varying rotor speeds. The material used in the experiments was rougher flotation feed from the second technological line of ZWR Pol-kowice Plant. In the study feed and flotation products were subjected to Cu content [%] anal-ysis, particle composition and Cu content determination in particle classes. Performed analy-sis shows a linear increase of concentrate yield with an increase of feed density and rotor

(2)

88

A. Konieczny i in., Badania wpływu gęstości zawiesiny flotacyjnej...

___________________________________________________________________________

speed. The highest Cu concentration was obtained in laboratory flotation with feed density of 1100 g/dm3 and rotor speed of 2190 rpm, obtaining a recovery approx. 90%. However, tak-ing the recovery value as the major flotation effectiveness determinant, havtak-ing density of 1200 g/dm3 and rotor speed of 2170 rpm, the highest recovery of 92% was obtained. When considering copper content in the concentrate and at the same time the optimal flotation conditions, the density of 1200 g/dm3 and 2450 rpm were applied, giving concentrate grade at level 10,31% and recovery of 91,97%. According to obtained results, when taking into account the yield and Cu content and recovery, the best results are gained with feed density of 1200 g/dm3 and rotor speed of 2710 rpm (92,56%, =9,65%, =30,81%).

Key words: flotation, rotor speed, flotation pulp density, effectiveness, copper ore

Wstęp

W ostatnim czasie obserwuje się wzrost zainteresowania tematyką związaną z flo-towalnością ziaren grubych. Dotychczas uwagę skupiano w głównej mierze na flota-cji ziaren najdrobniejszych, jednak coraz częściej pojawiająca się potrzeba redukflota-cji zużycia energii ze względów ekologicznych, jak również ekonomicznych wymusiła poszukiwanie nowych rozwiązań w przedmiotowym zakresie [4, 2]. Jednym z pierw-szych, którzy naświetlili problem flotowalności ziaren grubych jej wpływu na zużycie energii w procesie mielenia, był prof. Graeme Jameson podczas konferencji Met-plant’13. Według Jamesona zbyt dużą uwagę badawczo-naukową skupia się na flotacji ziaren najdrobniejszych, podczas gdy można byłoby rozwiązać wiele proble-mów w procesie wzbogacania poprzez efektywne flotowanie ziaren najgrubszych [1]. Obecny układ technologiczny oraz parametry pracy maszyn flotacyjnych są przystosowane do efektywnej pracy z materiałem stanowiącym drobne i średnie klasy ziarnowe. Jednakże przy wprowadzeniu do układu ziaren grubych, rozumia-nych w niniejszym referacie jako grubsze niż 75 μm, obserwowany jest spadek efek-tywności flotacji ziaren drobnych, co jest spowodowane ograniczeniem pływalności cząstek oraz odrywaniem pęcherzyków powietrza od powierzchni. Jednym z rozwią-zań jest konfiguracja procesu pod kątem maksymalizacji wzbogacania ziaren więk-szych niż 75 μm, co w rezultacie pozwoliłoby na ograniczenie zużycia energii przez układy mielące oraz domielające. Podwyższenie górnej granicy wielkości ziaren zdolnych do flotowania stanowi duże wyzwanie dla ekspertów. Wynika to z faktu, że straty we wzbogacaniu minerałów równie często są związane z problemem flotowal-ności ziaren ultradrobnych, jak również ziaren grubych, które nie mają odpowiednich warunków, aby wyflotować [3]. Podczas konferencji Flotation’13 przedyskutowano kilka możliwych rozwiązań technologicznych, dotyczących zwiększenia flotowalności ziaren grubych. Tabosa i Runge [6] zaprezentowali przykładowe wyniki testów, wy-konanych na rudzie miedzi w skali pilotowej w maszynie flotacyjnej. Przyjęta meto-dyka badań zakładała, że turbulencje związane z flotacją materiału były regulowane poprzez zmianę prędkości wirnika, jego rozmiar oraz gęstość zawiesiny flotacyjnej. Analiza wyników testów przeprowadzonych przez zespół badawczy Metso jedno-znacznie pozwala stwierdzić, że wzbogacanie frakcji ziaren grubych jest bardzo wrażliwe na zjawiska międzyfazowe, występujące w pianie flotacyjnej. Zwrócono uwagę, że optymalny poziom wzbogacania minerałów osiągany jest przy niskim poziomie piany oraz gdy wahania parametrów, występujące na styku powierzchni piany i zawiesiny, są zminimalizowane.

(3)

Postępujący światowy rozwój wielkogabarytowych komór flotacyjnych miał zna-czący wpływ na zrozumienie zjawisk związanych z migracją ziaren z warstwy piany do zawiesiny flotacyjnej, co wynika z faktu, że większość agregatów ziarno- -pęcherzyk powietrza ma wystarczającą pływalność, aby wznosić się w warstwie zawiesiny mimo niskiego stopnia jej napowietrzenia. Jednak należy mieć na wzglę-dzie, że jeśli wielkość ziaren/gęstość zawiesiny jest wysoka, agregaty mogą nie być w stanie wznosić się przez piany o wysokim stopniu napowietrzenia. Zjawisko to może mieć ogromny wpływ na flotowalność grubych ziaren. Jednym ze sposobów zapobiegania wystąpieniu niepożądanego zjawiska jest prowadzenie procesu flota-cji, tak by warstwa piany była jak najcieńsza. Trzeba jednak zwrócić uwagę, że mo-że to prowadzić do niepożądanego porywania drobnego materiału skały płonnej, a następnie przenoszenia go do koncentratu [5].

1. Parametry procesu flotacji

Powszechnie znana z literatury zależność flotowalności ziaren od ich wielkości, charakterystyki rudy oraz możliwości technologicznej parku maszynowego była pod-stawą do przeprowadzenia badań laboratoryjnych w warunkach KGHM Polska Miedź S.A. Oddział Zakłady Wzbogacania Rud. Metodyka, którą przyjęto, jest zgod-na ze światowym doświadczeniem w tym zakresie, a mianowicie, oparta jest zgod-na założeniu, że zmiany wzbogacania poszczególnych klas ziarnowych są zależne od zmian prędkości obrotowej wirnika oraz gęstości zawiesiny flotacyjnej.

Na podstawie analizy wyników wcześniejszych badań prowadzonych w warun-kach O/ZWR (analiza produktów w węźle domielania II ciągu technologicznego w Rejonie ZWR Polkowice) pod kątem uziarnienia oraz stopnia uwolnienia minera-łów siarczkowych stwierdzono, że odpady flotacji wstępnej oraz flotacji I czyszcze-nia, po wcześniejszej klasyfikacji w hydrocyklonach są kierowane do wspólnego obiegu domielania. Punktem wyjścia do optymalizacji II ciągu technologicznego (a w szczególności wspomnianego obiegu domielania) jest dokładna charakterysty-ka produktów flotacji wstępnej oraz flotacji I czyszczenia, jak również określenie optymalnych parametrów procesu flotacji na tym etapie pod kątem flotowalności pożądanej frakcji ziarnowej.

Według doniesień literaturowych rozkład prędkości obwodowej na całej długości strumienia powinien być różny, a ich wielkości powinny wzrastać wraz z kolejnym stadium flotacji. Tak więc prędkość liniowa na etapie flotacji wstępnej powinna być najniższa (przy założeniu, że gęstości zawiesiny flotacyjnej są prawidłowo dobrane). Jej wielkość wynika z faktu, że pożądanym efektem na etapie flotacji wstępnej jest przejście do koncentratu w jak największym stopniu uwolnionych ziaren grubych. Ich obecność w odpadzie, stanowiącym nadawę do procesu domielania, sprawi, że zostaną niepotrzebnie zmielone [7].

1.1. Eksperyment

Metodyka badań laboratoryjnych została tak przygotowana, aby móc porównać flo-towalności materiału o różnych gęstościach, przy różnych prędkościach obrotowych wirnika. Eksperymentowi poddano materiał (tabela 1), stanowiący nadawę na flotację wstępną II ciągu technologicznego Rejonu ZWR Polkowice. Pobrana próbka zawiesiny

(4)

90

___________________________________________________________________________

została podzielona na 18 reprezentatywnych części. Z tak przygotowanym materia-łem przeprowadzono testy flotacji laboratoryjnych. Wykonano 9 doświadczeń, każde po dwa powtórzenia w warunkach określonych w tabeli 2.

Tabela 1. Charakterystyka nadawy na flotację wstępną

Frakcja [mm]

Nadawa na flotację wstępną O/ZWR Polkowice

(NA)

wychód masowy [g] udział %

0,071 240,15 48,3

0,045 60,68 12,2

-0,045 195,90 39,5

∑ 496,73 100,00

Tabela 2. Warunki prowadzonych badań z nadawą na flotację wstępną

Gęstość zawiesiny [g/dm3] 1100 1200 1300 Prędkość obrotowa wirnika [obr/min] 2190 2450 2710 2190 2450 2710 2190 2450 2710 Prędkość obwodowa wirnika [m/s] 6,3 7,0 7,8 6,3 7,0 7,8 6,3 7,0 7,8

*W każdej z przeprowadzonych flotacji laboratoryjnych dalszej analizie poddano jeden koncen-trat zebrany po 7' trwania procesu

**Odczynniki flotacyjne: 60 – g/Mg odczynnik zbierający (ksantogenian Polkowice) i 30 g/Mg – odczynnik pianotwórczy (Nasfroth 245), odczynniki dozowano jednorazowo podczas agitacji

W trakcie testu badano jakość nadawy oraz powstających produktów pod wzglę-dem zawartości miedzi (%,Cu) oraz składu ziarnowego (wraz z zawartością Cu w klasach ziarnowych). Na podstawie otrzymanych wyników badań laboratoryjnych sporządzono bilanse dla poszczególnych flotacji, co przedstawiono w tabeli 3 i 4.

(5)

___________________________________________________________________________

Tabela 3. Bilans flotacji laboratoryjnych Produkt flotacji Wchód masowy, g Wychód, % Zaw. Cu, % Uzysk, % Wychód masowy, g Wychód % Zaw. Cu, % Uzysk, % Sumaryczny wychód masowy, g Wychód % Zaw. Cu, % Uzysk, %

I powtórzenie II powtórzenie Średnia

1100 g/dm3 2190 obr/min K 47,12 26,90 10,66 90,54 53,28 26,93 10,4 90,12 100,40 26,92 10,52 90,32 O 128,02 73,10 0,41 9,46 144,57 73,07 0,42 9,88 272,59 73,08 0,42 9,68 ∑ 175,14 3,17 197,85 3,11 372,99 3,14 1100 g/dm3 2450 obr/min K 49,84 28,75 10,14 91,91 45,98 28,21 9,45 91,16 95,82 28,49 9,81 91,56 O 123,49 71,25 0,36 8,08 117,02 71,79 0,36 8,84 240,51 71,51 0,36 8,44 ∑ 173,33 3,17 163 2,92 336,33 3,05 1100 g/dm3 2710 obr/min K 51,6 28,25 9,86 91,51 52,07 28,44 10,14 91,80 103,67 28,34 10,00 91,66 O 131,05 71,75 0,36 8,49 131,03 71,56 0,36 8,20 262,08 71,66 0,36 8,34 ∑ 182,65 3,04 183,1 3,14 365,75 3,09 1200 g/dm3 2190 r obr/min K 91,31 27,88 10,23 90,40 94,26 28,49 10,44 92,03 185,57 28,19 10,34 91,23 O 236,18 72,12 0,42 9,60 236,6 71,51 0,36 7,96 472,78 71,81 0,39 8,77 ∑ 327,49 3,15 330,86 3,23 658,35 3,19 9 1 A . K o n ie czn y i in ., B a d a n ia w p ły w u g ę st o ści za w ie s in y flo ta cyj n e j… ________ ______ ______ ______ __ ____ ______ ______ _____ ________ ______ ______ _____

(6)

94

___________________________________________________________________________ Tabela 3. cd. Produkt flotacji Wchód masowy, g Wychód, % Zaw. Cu, % Uzysk, % Wychód masowy, g Wychód % Zaw. Cu, % Uzysk, % Sumaryczny wychód masowy, g Wychód % Zaw. Cu, % Uzysk, %

I powtórzenie II powtórzenie Średnia

1200 g/dm3 2450 obr/min K 100,27 29,87 10,38 92,47 98,33 28,96 10,24 91,45 198,60 29,41 10,31 91,97 O 235,44 70,13 0,36 7,53 241,24 71,04 0,39 8,54 476,68 70,59 0,38 8,03 ∑ 335,71 3,35 339,57 3,24 675,28 3,30 1200 g/dm3 2710 obr/min K 104,03 30,09 9,64 92,02 106,39 31,56 9,65 93,10 210,42 30,81 9,65 92,56 O 241,69 69,91 0,36 7,98 230,75 68,44 0,33 6,90 472,44 69,19 0,35 7,44 ∑ 345,72 3,15 337,14 3,27 682,86 3,21 1300 g/dm3 2190 obr/min K 159,72 30,31 9,9 91,11 164,58 31,17 10 91,88 324,30 30,74 9,95 91,50 O 367,22 69,69 0,42 8,89 363,5 68,83 0,4 8,12 730,72 69,26 0,41 8,50 ∑ 526,94 3,29 528,08 3,39 1055,02 3,34 1300 g/dm3 2450 obr/min K 153,87 29,25 10,01 89,61 159,2 29,90 9,9 90,17 313,07 29,58 9,95 89,90 O 372,01 70,74 0,48 10,39 373,32 70,10 0,46 9,82 745,33 70,42 0,47 10,10 ∑ 525,88 3,27 532,52 3,28 1058,40 3,28 1300 g/dm3 2710 obr/min K 167,29 31,53 9,53 91,65 168,74 31,50 9,74 91,61 336,03 31,51 9,64 91,63 O 363,31 68,47 0,4 8,35 366,95 68,50 0,41 8,39 730,26 68,49 0,41 8,37 ∑ 530,6 3,28 535,69 3,35 1066,29 3,31 9 2 A . K o n ie czn y i in ., B a d a n ia w p ły w u g ę st o ści za w ie s in y flo ta cyj n e j… ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____ ________ ______ ______ _ ____

(7)

Tabela 4. Sumaryczne wyniki flotacji laboratoryjnych Wychód, % obroty gęstość 2190 2450 2710 1100 26,92 28,49 28,34 1200 28,19 29,41 30,81 1300 30,74 29,58 31,51 zaw. Cu, % obroty gęstość 2190 2450 2710 1100 10,52 9,81 10,00 1200 10,34 10,31 9,65 1300 9,95 9,95 9,64 Uzysk, % obroty gęstość 2190 2450 2710 1100 90,32 91,56 91,66 1200 91,23 91,97 92,56 1300 91,50 89,90 91,63 1.2. Omówienie wyników

Uzyskane wyniki wskazują, że w procesie flotacji (przy gęstości nadawy ρ=1100 g/dm3 oraz przy różnych prędkościach obrotowych wirników) wraz ze wzrostem pręd-kości obrotowej (z 2190 obr/min do 2450 obr/min) następuje wzrost wychodu koncen-tratu (o 2 punkty procentowe) oraz wzrost uzysku, przy jednoczesnym, nieznacznym spadku zawartości miedzi w koncentracie. Tego typu sytuacja może wynikać z zależ-ności, że wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wirnika wzrasta efektywność flotacji impregnacji i zrostów. Zwiększając prędkość do wartości 2710 obr/min, obserwujemy wzrost wychodu o ok. 1,4 punktu procentowego w stosunku do prędkości 2190 obr/min, przy jednoczesnym spadku zawartości miedzi. Należy jednak mieć na wzglę-dzie, że w tym przypadku mamy do czynienia z najwyższą wartością uzysku.

Zwiększając gęstość zawiesiny flotacyjnej do poziomu ρ=1200 g/dm3, obserwu-jemy przy obrotach wirnika w zakresie od 2190 do 2710 obr/min liniowy wzrost wy-chodu. Różnica w wychodzie, podobnie jak przy gęstości zawiesiny 1100 g/dm3, jest najwyższa przy porównaniu ze sobą wartości przy prędkości 2190 obr/min oraz 2450 obr/min. Zawartość miedzi przy obrotach 2190 obr/min oraz 2450 obr/min jest porównywalna, jej spadek obserwujemy przy v=2710 obr/min o niecały punkt pro-centowy, jednak przy tych obrotach notujemy najwyższą wartość uzysku.

(8)

94

___________________________________________________________________________

Analizując wyniki flotacji laboratoryjnej uzyskane przy gęstości nadawy ρ=1300 g/dm3, możemy porównać ze sobą jedynie wartości uzyskane przy prędkości 2450 obr/min oraz 2710 obr/min, gdyż przy obrotach równych 2190 obr/min proces flotacji nie zachodził. Tak jak przy wcześniej rozpatrywanych przypadkach, również w tych warunkach procesowych wraz ze wzrostem obrotów wirnika mamy do czynienia ze wzrostem wychodu koncentratu (o 2 punkty procentowe), przy jednoczesnym wzro-ście uzysku (również o ok. 2 punkty procentowe) oraz niewielkim spadku zawartości miedzi w koncentracie.

Biorąc pod uwagę zmianę gęstości z ρ=1100 do ρ=1200 g/dm3 przy stałych obro-tach wirnika, zauważamy, że przy obroobro-tach 2190 obr/min mamy do czynienia z nie-wielkim spadkiem zawartości miedzi w koncentracie (%,Cu), przy jednoczesnym wzroście uzysku. Z kolei porównując uzyskane wyniki przy obrotach 2450 obr/min, można zauważyć, że najwyższą zawartość miedzi w koncentracie (βCu=10,4%) oraz

najwyższą wartość uzysku (ԑ=92%) odnotowujemy przy gęstości ρ=1200 g/dm3. Przy obrotach wirnika na poziomie 2710 obr/min jedynie zawartość miedzi w kon-centracie, w zależności od gęstości zawiesiny flotacyjnej, nieznacznie się waha, a przy ρ=1200 i ρ=1300 g/dm3 wartości są nawet porównywalne. W analizowanym przypadku najwyższą wartość uzysku (ԑ=92,5%) otrzymano przy gęstości ρ=1200 g/dm3.

Podsumowanie

Podsumowując uzyskane wyniki, można zauważyć liniowy wzrost wychodu wraz ze wzrostem gęstości, jak również prędkości obrotowej wirnika. Przy dużej gęstości nadawy mamy do czynienia z obniżeniem się jakości koncentratu, co jest związane z nieselektywnym przechodzeniem materiału do koncentratu. Ponadto warto zwrócić uwagę, że wzrost gęstości nie ma wpływu na uzysk (ԑ=const.), a jedynie obserwo-wany jest znaczny spadek jakości produkowanego koncentratu. Istotne znaczenie ma fakt, że przy zwiększaniu obrotów wirnika (co jest bezpośrednio związane z wprowadzaniem do układu większej ilości energii) mamy do czynienia z poprawą efektywności przechodzenia ziaren użytecznych do produktu pianowego i w konse-kwencji obserwujemy wzrost uzysku. Możemy zakładać, że w tej sytuacji mamy do czynienia z poprawą efektywności flotacji impregnacji i zrostów, co z kolei zaburza selektywność procesu. Przy zwiększonych obrotach wirnika powstają również sprzy-jające warunki do porywania przez pęcherzyki powietrza drobnych ziaren materiału. Dlatego należy mieć na względzie, że efektywność procesu flotacji jest zależna od wielu parametrów fizykochemicznych, które powinny być utrzymywane w należytych zakresach, a omówione w niniejszym referacie badania są punktem wyjścia do zro-zumienia zjawisk zachodzących w procesie i co jest z tym związane określenia op-tymalnych warunków flotacji. Na tym etapie badań można już zauważyć, że najbar-dziej optymalne warunki procesu flotacji obserwujemy przy gęstości 1200 g/dm3 oraz przy obrotach 2450 obr/min, gdzie wychód koncentratu wynosi ponad 29%. Biorąc jednak pod uwagę wszystkie parametry, tj. wychód, uzysk oraz zawartość miedzi w koncentracie, można na podstawie otrzymanych wyników wnioskować, że flotacja prowadzona przy gęstości nadawy 1200 g/dm3 oraz obrotach 2710 obr/min daje najlepsze rezultaty.

(9)

Bibliografia

[1] Jameson G., Delprat G.D., 2013, Distinguished Lecture on Flotation, Conference Met-Plant 2013, July 2013, Pert, Australia.

[2] Kelly J., Kelsey C., 2013, Advanced Media-Free Fine and Ultra-Fine Grinding – The Kelsey Axial Displacement Mill, Conference MetPlant 2013, July 2013, Pert, Australia. [3] Kohmuench J., Thanasekaran H., Seaman B., 2013, Advances in Coarse Particle

Flota-tion – Copper and Gold, Conference MetPlant 2013, July 2013, Pert, Australia.

[4] Murphy B., 2013, Flotation Energy Consumption and Opportunities for Improvement, Conference MetPlant 2013, July 2013, Pert, Australia.

[5] Silva R., Caldwell K., Bell D., Olson T., Vianna S., 2013, FLS Flotation Developments – Dorr Oliver Machines, Conference MetPlant 2013, July 2013, Pert, Australia.

[6] Tabosa E., Runge K., 2013, Strategies for increasing coarse particle flotation in conven-tional flotation cells, Conference Flotation ’13, Novemeber 2013, Cape Town, South Af-rica.

[7] Zhihao Chena, Seher Atab, Graeme J. Jamesona, Behaviour of bubble clusters in a turbulent flotation cell, Powder Technology, volume 269, January 2015, s. 337-344, 2015.

(10)

96