Flotația cuprului explicată: Ghid de proces, echipamente și optimizare

Intrați în orice topitor de cupru și priviți concentratul care ajunge la poarta acestuia; de cele mai multe ori, acel concentrat există din cauza flotației. Flotarea cuprului este o metodă de prelucrare a mineralelor care separă mineralele purtătoare de cupru de roca sterilă prin exploatarea diferențelor de hidrofobicitate la suprafață. În loc să topească un întreg munte de minereu, flotația produce un concentrat de calitate superioară care conține 20–30% cupru din minereu ROM cu doar 0,3–1% cupru. Este cel mai important pas de modernizare dintre mină și topitorie.

Procesul este simplu din punct de vedere conceptual: minereul este măcinat în pulbere, amestecat cu apă și reactivi și aerat în celule de flotație. Particulele de cupru sunt rezistente la apă de un colector, se atașează la bulele de aer, se ridică la suprafață și sunt colectate sub formă de spumă. Ganga rămâne în pulpă și devine steril. În spatele acestei descrieri simple se află un sistem complex de chimie, selecția echipamentelor și controlul procesului, și asta explică acest articol în termeni practici.

De ce funcționează flotația: principiul chimiei suprafeței

Flotația nu se referă la densitate sau dimensiunea particulelor; este vorba de chimia de suprafață. Majoritatea mineralelor de cupru sunt în mod natural hidrofile, ceea ce înseamnă că sunt umezite de apă. Majoritatea mineralelor gangue, cum ar fi cuarțul și silicații, au și suprafețe hidrofile. Pentru a le separa, procesul de flotație modifică chimic suprafața minerală de cupru, astfel încât aceasta devine suficient de hidrofobă pentru a se atașa de bulele de aer.

Această modificare se face cu colectori, în mod obișnuit molecule de xantat, cum ar fi etil xant de sodiu sau amil xant de potasiu. Molecula colector are două capete funcționale: un capăt se adsorbe pe suprafața minerală de cupru, iar celălalt se proiectează în exterior ca un lanț hidrocarburic hidrofug. După condiționare, particulele minerale de cupru poartă o acoperire subțire nepolară care permite unei bule de aer să deplaseze apa de la suprafața sa și să formeze un contact trifazat stabil. Agregatul bule-particule se ridică apoi prin pulpă și se raportează la stratul de spumă din partea superioară a celulei de flotație.

Trei forțe decid dacă o particulă va pluti: probabilitatea de coliziune între o particulă și un balon, probabilitatea de atașare după ciocnire și probabilitatea de detașare în timp ce se ridică. Ciocnirea depinde de turbulență, dimensiunea bulelor și dimensiunea particulelor. Atașarea depinde de hidrofobicitatea suprafeței și timpul de inducție. Detașarea depinde de mărimea bulei și de intensitatea turbulenței. Un circuit de flotație bine conceput echilibrează acești factori, astfel încât mineralele de cupru să se recupereze rapid în timp ce ganga rămâne în pulpă.

Acesta este motivul pentru care spuma, care inițial pare a fi un detaliu minor, este de fapt un punct critic de control. Spuma trebuie să fie suficient de stabilă pentru a transporta particulele din celulă, dar nu atât de stabilă încât ganga să fie prinsă. Înălțimea spumei, debitul de aer și doza spumantului sunt ajustate constant în timp real pentru a menține echilibrul potrivit. Într-o instalație de flotație de cupru, operatorii urmăresc culoarea și textura spumei pentru a aprecia dacă procesul este sănătos înainte ca testele de laborator să o confirme.

Tipuri de minereu de cupru și flotabilitatea lor

Nu toate minereurile de cupru se comportă la fel într-o celulă de flotație. Tipul de minereu determină selecția reactivului, proiectarea circuitului și recuperarea așteptată. Cele mai comune minerale de cupru se împart în două categorii: minerale sulfurate și minerale oxidice. mineraleele sulfurate de cupru sunt în mod natural buni candidați pentru flotație; mineralele oxidice sunt mult mai greu de plutit și adesea necesită sulfidizare înainte de flotație.

Calcopirită (CuFeS ₂ ) este de departe cel mai abundent mineral de cupru și principala țintă a flotației cuprului la nivel mondial. Răspunde rapid la colectorii de xantați și este relativ ușor de deprimat din pirita cu var. Calcocit (Cu ₂ S) este un mineral de îmbogățire secundar care este și mai ușor de plutit, dar consumă mai mult colector datorită gradului său ridicat de cupru. Bornitul și covellita răspund, de asemenea, bine la flotația convențională. Mineralele oxidice precum malachitul, azuritul și crisocola nu răspund doar la xantați. Acestea necesită o etapă de sulfidizare cu sulfură de sodiu sau hidrosulfură de sodiu, care creează o peliculă subțire de sulfură pe suprafața minerală, permițând adsorbția xantatului.

Pentru un proiectant de fabrică, distincția contează cu mult înainte de începerea producției. Un corp de minereu de cupru cu o fracție mare de oxid are nevoie de un flux mult mai complex decât un minereu pur sulfurat, iar echipamentul de flotație trebuie să ofere timpi mai lungi de condiționare și un control diferit al aerării. Tabelul de mai jos rezumă mineralele comune de cupru și răspunsul lor la flotație.

Minereurile amestecate care conțin atât sulfură, cât și oxid de cupru sunt frecvente în depozitele meteorizate. O strategie tipică este să plutiți mai întâi porțiunea de sulfură, apoi să sulfurați și să plutiți porțiunea de oxid într-o etapă de flotare separată. Unele plante folosesc un circuit hibrid gravitație sau gravitație-flotație pentru particulele de oxid eliberate grosier. În practică, granița dintre cele două circuite este definită printr-o analiză diagnostică a recuperării cuprului în stadiul de sulfură.

Schema de flux completă a flotației de cupru: de la minereu ROM la concentrat

O instalație de flotație din cupru nu este doar un rând de celule de flotație; este un sistem atent secvențial de reducere a dimensiunii, clasificare, preparare a pulpei, flotare și deshidratare. Fiecare etapă pregătește minereul pentru următoarea, iar un blocaj în orice moment trage imediat în jos recuperarea. Înțelegerea întregii scheme este primul pas către selectarea echipamentului potrivit.

Această fișă de flux este un cadru general, nu o rețetă fixă. Un minereu de cupru porfir cu conținut scăzut de argilă poate avea nevoie de doar două etape mai curate. Un minereu cu conținut ridicat de pirită poate necesita depresiune de var și o etapă de flotare a piritei pentru recuperarea sulfului în aval. Minereul cu oxid de cupru semnificativ necesită rezervoare suplimentare de condiționare și o unitate de sulfidizare. Schema de flux începe întotdeauna cu caracterizarea minereului.

Selectarea echipamentului potrivit de flotare și măcinare este esențială pentru proiectarea schemei de flux. Într-o proiectul fabricii de sortare a cuprului din Vietnam , combinația dintre o moară cu bile cu grilă umedă, un clasificator și un rând de celule mecanice de flotație a atins gradul necesar de concentrat, menținând în același timp consumul de energie în bugetul proiectului. Acesta este genul de rezultat practic pe care îl face sau îl întrerupe proiectarea schemei de flux.

Reactivi de flotație: cutia de instrumente chimice

Reactivii sunt cei care fac posibilă flotația. Ele sunt consumate continuu în timpul funcționării, iar doza și combinația lor au de obicei un impact mai mare asupra recuperării decât orice alt factor. O instalație de flotație a cuprului folosește cinci tipuri de bază de reactivi, fiecare cu un rol distinct.

Colecționarii sunt cea mai importantă clasă. Xantații sunt încă standardul industrial pentru flotarea cu sulfură de cupru. Xantații cu lanț scurt, cum ar fi etil xantatul de sodiu și xantatul de izopropil de sodiu, sunt selectivi și potriviți pentru minereurile cu granulație fină, în timp ce xantații cu lanț lung, cum ar fi xantatul de amil de potasiu, oferă o putere de colectare mai puternică pentru particulele mai grosiere și minereurile de calitate inferioară. Ditiofosfații și tionocarbamații sunt uneori amestecați cu xantați pentru a îmbunătăți selectivitatea împotriva piritei. Doza colectorului într-un circuit de cupru variază în mod obișnuit între 20 și 100 de grame pe tonă de minereu, în funcție de calitatea minereului și de mineralogie.

Spumatoarele stabilizează bulele de aer din pulpă. MIBC este cel mai utilizat spumant în flotația cuprului, favorizat pentru calitatea spumei și controlul ușor. Spumatoarele cu ulei de pin și alcool alifatic sunt, de asemenea, utilizate în plantele care generează o spumă naturală cu o suprafață mare de bule. Doza de spumă este mică, de obicei de 10 până la 50 de grame pe tonă, dar efectul său asupra comportamentului de preaplin este imediat și vizibil în câteva secunde de la schimbarea dozei.

Modificatorii controlează chimia pulpei și încărcarea de suprafață a mineralelor. Varul este cel mai economic regulator de pH din circuitele de cupru, menținând pH-ul pulpei în intervalul 9,5-11,5 pentru a reduce pirita și a reduce riscul recuperării nedorite a fierului. Carbonatul de sodiu este preferat pentru unele minereuri de oxizi unde varul ar precipita cationi speciali. Acidul sulfuric este utilizat în circuitele acide, în special în flotarea cu oxizi cu sulfidizare.

Depresivele și activatorii reglează selectivitatea. Cianură de sodiu sau sulfat de zinc este adăugată pentru a deprima sfalerita în minereurile de cupru-zinc, în timp ce sulfatul de cupru poate activa sfalerita în cazul invers. Sulfitul de sodiu sau dioxidul de sulf deprimă pirita în circuitele alcaline. Tabelul de mai jos prezintă intervalele tipice de reactivi într-un circuit convențional de sulfură de cupru.

Optimizarea reactivilor nu este o activitate de inginerie unică. Trebuie repetat atunci când amestecul de minereu se schimbă, când sezonul schimbă calitatea apei sau când se întâlnește argilă neașteptată. O instalație de flotație bine condusă păstrează un jurnal al reactivilor și o revizuire zilnică a dozelor față de rezultatele testului.

Echipament de bază într-o instalație de flotație de cupru

Linia de echipamente determină în mod direct cât de bine sunt executate etapele chimice și fizice ale flotației. Echipamentele de măcinare, amestecare, flotare și deshidratare trebuie să se potrivească atât cu caracteristicile minereului, cât și cu capacitatea de producție planificată. Utilizarea echipamentelor supradimensionate crește costul de capital; utilizarea echipamentelor subdimensionate creează pierderi de recuperare care sunt greu de eliminat ulterior.

Echipament de măcinat

Moara cu bile de tip grilă umedă este mașina de măcinat primară standard în concentratoarele de cupru. Se macină un furaj zdrobit de aproximativ 10–15 mm până la un furaj de flotație de 60–75% trecând 200 de ochiuri în una sau două etape. Grila de la capătul de descărcare controlează nivelul pulpei din interiorul morii și reduce supramăcinarea. Pentru o fabrică de cupru, măcinarea excesivă este un inamic ascuns, deoarece slim-urile rezultate consumă reactivi și reduc selectivitatea de flotație.

Moara cu bile de tip grilă umedă pentru măcinarea primară a minereului de cupru Această moară macină minereu de cupru zdrobit până la dimensiunea de alimentare prin flotație în una sau două etape, cu o rețea de descărcare care minimizează supra-măcinarea și mărește debitul în comparație cu morile de preaplin. Vizualizare produs →

Măcinarea umedă este preferată față de măcinarea uscată, deoarece elimină praful, reduce riscul de oxidare a suprafețelor de cupru proaspăt eliberate și pregătește o suspensie direct pentru flotație. Moara cu bile funcționează de obicei într-un circuit închis cu un clasificator spiralat sau hidrociclon. Modernizarea unei mori existente cu un design de căptușeală mai eficient sau un sistem de acționare cu viteză variabilă este o modalitate eficientă din punct de vedere al costurilor de a câștiga capacitate fără a cumpăra o moară nouă completă.

Echipamente de amestecare și condiționare

Etapa de condiționare este adesea subestimată în proiectarea plantelor, dar este locul în care are loc de fapt contactul reactiv-mineral. Un rezervor de amestec mare, cunoscut și sub denumirea de rezervor de condiționare, oferă energia și timpul de rezidență necesar pentru adsorbția colectorului și distribuția spumantului. În flotația cu cupru, rezervorul de condiționare reține celuloza timp de două până la zece minute înainte ca celuloza să intre în prima celulă de flotație. Rotorul trebuie să fie suficient de puternic pentru a suspenda particulele grosiere, dar suficient de blând pentru a nu tăia aerul care este antrenat în mod natural în suspensie.

Rezervor mare de amestecare pentru condiționarea pulpei în flotație Acest rezervor de condiționare oferă timpul de rezidență și amestecarea blândă necesare pentru contactul reactiv-mineral în flotația cupru, cu modele de până la diametre mari pentru șlam uniform. Vizualizare produs →

Pentru plantele care trebuie să pregătească reactivii separat, se folosește un rezervor de amestecare a reactivilor pentru a dizolva și a dilua colectoarele și spumatoarele la concentrația dorită înainte de a le introduce în pulpă. Rezervoarele de amestec de mare concentrație sunt, de asemenea, utilizate în circuitele de leșiere și pentru aplicații speciale, cum ar fi pregătirea sterilului de flotație pentru umplere. Intensitatea amestecării, volumul rezervorului și designul rotorului trebuie dimensionate împreună, astfel încât distribuția timpului de rezidență să se potrivească cu cinetica de flotație a minereului.

Mașini de flotație

Mașinile mecanice de flotație sunt nucleul oricărui concentrator de cupru. Acestea constau dintr-un rezervor, un mecanism rotor/stator și un sistem de alimentare cu aer. Rotorul creează un model de recirculare în interiorul rezervorului, menținând solidele suspendate în timp ce dispersează alimentarea cu aer în bule fine. Spuma formată la suprafață este îndepărtată cu raclete sau prin preaplin natural într-o spălătorie.

Mașină de flotație de tip BF pentru degroșarea și curățarea cuprului O mașină de flotație mecanică cu auto-ventilație, cu circulație puternică a șlamului și aspirație a aerului, potrivită pentru circuite de cupru în care sunt apreciate un aspect simplu și un consum redus de energie. Vizualizare produs →

Diferitele geometrii de rezervor și stiluri de rotor sunt potrivite pentru diferite sarcini. Mașina de flotație de tip BF este o alegere populară pentru circuitele de degroșare și curățare a cuprului datorită mecanismului său de auto-ventilare și designului rezervorului de mică adâncime. Tipul XCF/KYF este o mașină cu aer forțat folosit atunci când este nevoie de un debit mare de aer pentru producția la scară largă, în special într-o fabrică cu mai multe linii mari de flotație. Tipul JJF, cu designul său de mare capacitate, este adesea selectat pentru etapa finală de curățare în care este necesar un volum limitat de spumă, dar selectivitatea este critică. Tipul CLF este proiectat pentru flotarea cu particule grosiere, făcându-l util pentru minereurile în care mineralul de cupru este cu granulație grosieră și trebuie recuperat fără măcinare excesivă.

Dimensiunea celulelor de flotație a crescut semnificativ în ultimele două decenii. O fabrică modernă de cupru poate folosi celule de 100 m³ sau 200 m³ în circuitul mai brut. Celulele mai mari reduc numărul de unități, simplifică instrumentarea și scad consumul de energie pe tonă de minereu. Dar celulele mai mari sunt, de asemenea, mai puțin îngăduitoare pentru controlul slab al spumei și necesită supape dart bine proiectate și sisteme de control al nivelului. Alegerea dintre mașinile autoaerate și cele cu aer forțat se bazează pe consistența alimentării cu minereu și pe gradul de control pe care uzina dorește să-l mențină.

În afară de echipamentele de flotație, o fabrică de cupru are nevoie și de echipamente de clasificare, îngroșare și pompare. Clasificatorul asigură o alimentare stabilă, fină la flotație, în timp ce agentul de îngroșare controlează atât echilibrul concentrat, cât și echilibrul apei din steril. The rolul echipamentului minier prin flotație în hidrometalurgia modernă depășește simpla separare; include furnizarea unui flux de alimentare consistent de care depind circuitele de leșiere din aval pentru o recuperare stabilă.

Parametri cheie în optimizarea flotației

Proiectarea determină de ce este capabilă o instalație de flotație; operațiunea determină ceea ce realizează de fapt. Parametrii de funcționare tratați în această secțiune controlează zilnic rezultatele metalurgice. Pentru un inginer sau un cumpărător care evaluează un proiect de flotație a cuprului, cunoașterea acestor parametri este cea mai rapidă modalitate de a aprecia dacă un proces propus este rezonabil.

Finete de măcinare

Finețea de măcinare este măsurată ca procent de material care trece de 200 de ochiuri. Dacă minereul este măcinat prea gros, unele particule de mineral de cupru rămân blocate cu gangă și nu pot pluti. Dacă este măcinat prea fin, suprafața mare creată consumă reactivi și particulele fine sunt transportate mecanic în spumă, diluând concentratul. Un minereu de cupru tip porfir este cel mai bine plutit la 60–70% care trec de 200 de ochiuri, dar un minereu de filon de înaltă calitate poate necesita 75–80% care trece de 200 de ochiuri pentru o eliberare adecvată. O curbă care arată relația dintre finețe și recuperare are de obicei un vârf clar; găsirea acelui vârf este prima sarcină a unui program de optimizare a procesului.

Densitatea pulpei

Raportul solid-lichid în alimentarea prin flotație este de obicei menținut la 30-45% solide din greutate. O pastă mai densă transportă mai mult mineral de cupru pe unitate de volum, ceea ce crește eficiența timpului de retenție, dar crește și riscul efectelor de vâscozitate și transport slab al bulelor. O pulpă mai subțire oferă o selectivitate și o calitate mai bună a spumei, dar un randament mai mic pentru același volum de celule. În practică, circuitele mai aspre funcționează la densitate mai mare, în timp ce circuitele mai curate sunt diluate la 30-40% solide pentru a maximiza gradul.

pH și adaos de var

Varul este cel mai comun modificator de pH în circuitele din cupru. PH-ul țintă în cel mai grosier este de obicei între 9,5 și 11,5, unde pirita este deprimată și mineralele de cupru încă plutesc eficient. Prezența pirotitei sau a altei gange care consumă acid modifică cererea de var, astfel încât bucla de control al pH-ului trebuie să fie strânsă și receptivă. O instalație bine instrumentată folosește un analizor de pH online pe alimentarea balsamului și o supapă de control pe linia de var pentru a menține punctul de referință în ±0,2 unități de pH.

Debitul de aer și viteza rotorului

Rata de aerare controlează numărul și dimensiunea bulelor din celula de flotație. Prea puțin aer reduce suprafața superficială a bulelor și scade recuperarea; prea mult aer determină un flux descendent care transportă particulele înapoi în partea de jos și poate rupe spuma. Pentru o mașină cu aerare automată, viteza rotorului controlează direct cantitatea de aer aspirată. Pentru o mașină cu aer forțat, puterea suflantei este reglată separat. Un circuit obișnuit de cupru brut utilizează un debit de aer de 0,8–1,5 m³/m²/min, în funcție de sarcina celulei.

Adâncimea spumei și viteza racletei

Menținerea unui strat de spumă stabil este esențială pentru producerea unui concentrat curat. O spumă mai adâncă (300–600 mm) asigură un drenaj mai mare a ganguei antrenate și oferă un grad mai mare, în timp ce o spumă mai mică crește recuperarea, dar scade gradul. Viteza racletei guvernează viteza cu care spuma este îndepărtată; dacă racletele merg prea repede, ele trag spumă încărcată de gangă în spălătorie; dacă rulează prea încet, spuma se poate prăbuși și se poate întoarce în pulpă.

Probleme operaționale comune și cum să le remediați

Fiecare instalație de flotație a cuprului are zile proaste, iar cauzele nu sunt întotdeauna evidente. Îndrumările de mai jos combină simptomele comune cu cauzele lor tipice și cu acțiunile corective. Timpul de răspuns contează; așteptarea a patru ore pentru un test pentru a confirma o problemă poate costa mai mult decât schimbarea dozei de reactiv în timp real, pe baza observației spumei.

Lista de verificare a achiziției de echipamente pentru o linie de flotație din cupru

Alcătuirea unei linii de flotație pentru un nou proiect de cupru, o extindere a fabricii sau o modernizare completă a procesului implică mult mai mult decât publicarea unei liste de volume dorite și solicitarea de oferte. Achiziționarea echipamentului de flotație este o decizie privind performanța procesului, costul de operare și asistența post-vânzare. O listă de verificare structurată ajută la evitarea celor mai frecvente greșeli de achiziție.

Confirmați tipul de minereu și dimensiunea de măcinare

Echipamentul de flotație trebuie să fie competitiv pentru minereul specific pe care uzina îl va trata. Un minereu sulfurat care este măcinat până la 65% trecând de 200 de ochiuri are cerințe de timp de rezidență diferite față de un minereu care produce o cantitate mare de slimuri primare. Cereți furnizorului de echipamente să calculeze volumul necesar al celulei pe baza cineticii de flotație a proiectului, nu doar pe o regulă aproximativă. O plantă care tratează un minereu cu granulație fină are nevoie de celule mai mari sau mai aspre decât una care tratează un minereu cu granulație grosieră.

Evaluați costurile de energie și întreținere

Consumul de energie al unei mașini de flotație depinde de diametrul rotorului, viteza rotorului și dimensiunea rezervorului. Mașinile cu aerare automată sunt în general mai simple și mai ieftin de operat decât mașinile cu aer forțat, dar mașinile cu aer forțat asigură un control mai direct al aerului, ceea ce îmbunătățește recuperarea în condiții variabile de alimentare. Comparați costul total de proprietate pe o perioadă de cel puțin șapte ani, inclusiv costul înlocuirii rotorului și a statorului, întreținerea motorului și calibrarea instrumentelor. Nu alegeți cea mai ieftină mașină doar din cauza prețului său de achiziție.

Verificați piesele de schimb și asistența locală

Livrarea pieselor de schimb este adesea blocajul care oprește o fabrică. Când evaluați o mașină, solicitați producătorului o listă de stoc recomandată și comparați disponibilitatea depozitului local. Capacitatea de a livra rotoare, statoare, supape dart și senzori de nivel într-un timp scurt contează mai mult decât orice caracteristică de performanță atunci când instalația este oprită.

Insistați asupra unui test pe șantier sau a unui test pilot

Dacă proiectul este un nou zăcământ de minereu sau o schimbare majoră a procesului, insistați asupra unui test de flotație la scară pilot folosind proba de minereu reală. Un test simplu de flotație pe lot pe 1-2 kg de minereu este util, dar nu poate evalua comportamentul spumei pe o perioadă continuă. O instalație pilot de câteva zile pe câteva sute de kilograme de minereu oferă date despre timpul de rezidență, stabilitatea spumei și uzura echipamentului care nu pot fi obținute dintr-un test pe lot.

Verificați capacitatea de producție a furnizorului

Capacitatea se referă la experiența în producție și integrarea ingineriei. O mașină de flotație este o unitate grea care trebuie să funcționeze continuu în condiții de șlam abraziv, cu o durată de viață măsurată în decenii. Ar trebui verificate istoricul furnizorului cu proiecte similare, capacitatea acestora de a respecta termenele de livrare și calitatea proceselor de testare și de fabricație. Se recomandă o vizită la fabrică dacă dimensiunea proiectului justifică efortul.

Pentru cumpărătorii care pregătesc o instalație completă de flotație de cupru, decizia include nu doar celula de flotație în sine, ci și echipamentele de măcinare, amestecare și deshidratare care formează întregul circuit de producție. Comandarea unei linii întregi de la o singură fabrică reduce riscul interfeței, scurtează timpul de punere în funcțiune și face mult mai simplă cooperarea post-vânzare.

Întrebări frecvente despre flotarea cuprului