一种提高矿浆流动性和浓度的方法
技术领域
本发明涉及矿物加工和矿浆输送领域，具体为一种提高矿浆流动性和浓度的方法。
背景技术
在矿山行业经常有矿物质进行近距离管道输送，比如黄金尾矿、白银尾矿、铁矿石、磷矿石、煤以及其他矿物质需要从坑道输送到加工场地。如果采用车辆运输，需要人工装车、卸车、运输等环节，但是矿山开采区一般道路状况较差，车辆运输受限，为此采用管道输送可以减少很多困难，性价比较高，能耗较低。
矿浆采用管道输送传统工艺是将矿物质进行加工，用球磨机或棒磨机与水、分散剂一起进行研磨制取一定浓度矿浆(研磨后颗粒粒径＜1mm)，之后采用矿浆泵加压，管道输送到用户。
采用传统工艺存在一定弊端，一是矿浆浓度较低。为了减少输送中沉淀问题，一般制取的矿浆浓度较低(为了降低运动粘度)，通过提高流速和压力来缓解沉淀现象(相当于水力输送矿物质)，从而造成因流速过快，矿物质对管道和设备磨损严重；二是由于矿浆浓度低，矿浆制取就需要大量的水，矿区和工厂水互相不平衡，造成大量水资源浪费；三是由于浓度较低，后续工厂加工处理能耗非常巨大。
为了减少流速，减少磨损、减少能耗，急需对传统工艺进行改造，提高矿浆浓度和流动性，以减少系统能耗和后续加工费用问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于一种提高矿浆流动性和浓度的方法，该方法通过向现有制取矿浆设备的矿浆中添加具有很强润滑性的该矿物质组分A，来提高矿浆的流动性；同时通过对制取的矿浆进行高频震动以达到提高堆积密度从而提高浓度。通过将上述两种手段进行结合的方式，可以对现有传统制浆工艺进行改造，从而达到可以提高传统矿浆的流动性和浓度的效果，该方法工艺简单，流程短，对原制浆系统不产生任何干扰，操作条件温和，绿色环保，成本低。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种提高矿浆流动性和浓度的方法，包括如下步骤：
在矿浆中添加微米级别的组分A后，和/或高频震动，其中所述组分A的粒径dA在20μm以下。
本发明的提高矿浆流动性和浓度的方法，一是通过向现有传统矿浆中添加具有润滑性的组分A，以进一步提高矿浆流动性；二是对现有矿浆进行高频震动以提高颗粒物的堆积密度，释放矿物质“外水”和“内水”，进一步使矿浆“变稀”，从而可以进一步提高矿浆的浓度。
其实，如果要得到高浓度的矿浆，需要解决颗粒物的高密度堆积和高流动性两个主要因素，只有高密度堆积才能实现高浓度，良好的流动性才能保障高密度堆积物具有良好流动性，否则再高的浓度没有流动性只能称之为“固体”，而不能称为“浆”，若是固体也就失去了其可以泵送的意义。所以本发明也是基于上述原因，对矿浆的流动性以及浓度进行改善。
高频震动与添加组分A二者之间可以同时进行，也可以分别进行。一般是添加完A后进行震动，属于二者叠加效果，如果不添加A组分也可以震动，同样可以提高流动性，所以最好的操作方式是添加完组分A进行高频震动。
优选地，作为进一步可实施的方案，所述组分A的粒径dA在5-10μm之间。
矿浆的流动性高低与A的多少和粒径dA大小有直接关系。研究表明矿物质颗粒接近亚纳米级时，具有一定润滑作用，不同矿物质起到润滑作用的粒径dA不同，通过实验找到最佳润滑作用直径的dA(直径dA过大或过小都不利于提高流动性)即可大幅度提高矿浆流动性。矿浆在管道输送和流动过程中，流动阻力主要来自颗粒物相互之间滚动摩擦所致，如果加入具有润滑作用A组分，颗粒物滚动摩擦力就会减少(类似轴承加油润滑一样)。
更优选地，组分A的粒径dA可以为18μm、17μm、16μm、15μm等等。
优选地，所述组分A的质量百分比为所述矿浆量的5-15％，优选地组分A的质量百分比为矿浆量的8-10％。
通过实践发现，组分A的添加量无需加量太大，因为加量太大其效果也不会有更为明显的提升，还会增加成本。
优选地，作为进一步可实施的方案，所述的组分A的休止角≤30°。
在上述的矿物质组分A主要作用是起到润滑作用，润滑作用越强流动性就越高，衡量润滑性高低一般采用休止角指标，休止角越小润滑作用越强，一般矿物质堆积休止角小于30°时就表现很强润滑性，所以为了提高润滑性需要对组分A的休止角进行限定，当休止角不控制在本发明方案要求的范围内，可能会影响到整个矿浆的流动性。
优选地，对于组分A的休止角来说，其也不能一味的降低，因为当休止角太低的情况下，其容易飞尘不能正常的流动，也会造成原料损失，成本也会提高，所以最优的组分A的休止角为10°-20°。
更优选地，所述组分A的休止角还可以为25°、22°、21°、15°等等。
优选地，为了达到更为良好的高频震动效果，作为进一步可实施的方案，破碎震动的方式采用频率15-70kHz，功率≥0.5w/cm2的超声波。
优选地，作为进一步可实施的方案，所述频率为17-30kHz，功率为1-2w/cm2。超声波引起的高频震动在实施中，一般希望功率和频率越大越好，但是二者实施时存在成本上的矛盾。通过研究，多数矿物质在频率17-30KHz，功率1-2w/cm2时可以达到本发明所要效果，性价比最佳。
上述所述的高频震动，是指采用高频大功率超声波对矿浆中液体分子和颗粒产生高频震动，振幅小到几微米，高强度大功率高频率震动，可以在矿浆中瞬间产生高达100bar压力和真空，二者高频率交替变化进行，从而可以使矿浆中固体颗粒之间“压实”，释放颗粒之间水分(有时叫外水)，相当于瞬间矿浆“变稀”。同时，由于分子间高频震动产生局部热量，矿物质分子结构内部的分子水(有时叫内水)瞬间汽化溢出，从而从矿物质颗粒内部释放出来。分子间高频震动带来矿物质颗粒物“外水”和“内水”同时释放出来，虽然矿浆浓度未变，但是颗粒物矿物质堆积密度提高，总体上矿浆“变稀”了，流动性增强，打开了进一步提高浓度空间，那么可以在保证合格流动性条件下加入更多的矿物质进一步提高浓度。
这里需要说明的是，本身矿浆是指矿物质所加工成的浆体，是所有矿物质的统称。如果矿物质需要做成浆体，那么势必都需要追求堆积密度，主要也是为了矿浆能够具有高浓度和高流动性，因此为了提高矿浆的流动性和浓度，特采用上述方法来进行操作，该方法本身操作性强，操作也比较简便。
实际操作时，安装高频震动的设备可以直接对接到传统的制浆设备上，比如可以放到研磨设备中，也可以是缓冲罐、管道等矿浆过流的设备与管件等。
现提供两种方法的实际操作情形，第一种方法包括：
(A)将现有矿浆引出10％左右加水稀释，然后送入砂磨机进行超细研磨，使其平均粒径达到要求的A组分粒径dA；
(B)将研磨后粒径达到dA要求的矿浆用泵送入现有生产线磨机前端与原料矿物质和水一起研磨。
另外一种方法包括：
(A)将高频震动发生器安装在原有生产线的水源缓冲罐、研磨设备外壁、矿浆缓冲罐以及矿浆过流的管道、管件等处；
(B)将频率调至该矿物质合适的频率和功率。
通过采用上述两种方法均可以提高矿浆流动性和浓度，二种方法协同工作后，发现能够得到比较显著的效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的方法提供了提高矿浆流动性组分A的规律和指标，从而大幅度提高了矿浆流动性。
(2)本发明的高频震动方法，将矿物质分子水从矿物质内部“赶出”，同时将矿物质“压实”，提供了另外一种从分子结构层面提高矿浆流动性和浓度方法。
(3)本发明的矿浆相对于传统制取矿浆浓度的浓度可提高4-8个百分点。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
步骤一、以山西某磷矿石厂现有生产矿浆生产线进行实验，具体操作过程如下：
通过实验室研究，该磷矿石最佳润滑颗粒粒径为15μm，既该磷矿石制取矿浆所需要的A组分平均粒径dA为15μm，那么研磨平均粒径dA为15μm磷矿粉(干基)，将其直接加入到现有矿浆中进行实验。
实验过程如下：
(1)组分A的制备：将原料磷矿石进行破碎并研磨，使其平均粒径dA达到15μm，测试其休止角26°。
(2)将平均粒径dA＝15μm的组分A先少量(3wt％)加入到现有矿浆(粘度1156mPa.s)中并进行搅拌均匀，矿浆出现“变稀”现象(由于A组分润滑作用才变稀，粘度856mPa.s)，在保证原流动性不变情况下逐步加大剂量(9wt％)，这时矿浆浓度相对原来提高了3个百分点，粘度保持在1128mPa.s。
本实施例制备的高浓度高流动性矿浆相对于传统制取方法提高了3个百分点，稳定性大于8h不产生硬沉淀，表观粘度为1128mPa.s，满足管道输送要求。
步骤二、以山西某磷矿石厂现有生产矿浆生产线进行实验，具体操作过程如下：
在现有生产线的矿浆缓冲罐、研磨设备外壁、原料水缓冲罐上、过流管道上分别加装高频震动发生器，在不改变原生产工艺条件下测试浓度和流动性变化。
实验过程如下：
(1)通过多次实验研究寻找最佳频率和功率：频率17.13-17.93kHz，功率1.3-1.5w/cm2。
(2)在原料水缓冲罐、研磨设备外壁、矿浆缓冲罐，过流管道四处分别安装高频震动发生器并开启。
(3)保持原生产线物料(矿物质和水比例)不变，原矿浆粘度由原来的1156mpa.s降低到876mpa.s，矿浆出现明显“变稀”(其实浓度没有变化，矿物质“外水”和“内水”部分溢出以及颗粒物之间“压实”所致)。
(4)调整生产线物料配比，逐步减少水加入，保持矿物质加入量不变，当矿浆粘度与原矿浆粘度保持一致时，停止物料比例调整，测试浓度比原来矿浆浓度提高4个百分点。
步骤三、在以上步骤一、步骤二的基础上，同时将两种措施实施进行测试叠加效应。具体操作过程如下：
实验过程如下：
(1)按照步骤一进行，生产线矿浆浓度提高3个百分点。
(2)再按照步骤二进行，最终测试矿浆浓度相对与实施前矿浆浓度提高了7个百分点，粘度保持1140mpa.s左右。
从该实施例的数据可以看出，向原有生产线加入组分A可以提高流动性和提高浓度，采用高频震动发生器也可以提高流动性和浓度，将二者方法同时实施，效果更佳，二者有叠加的效应。
以实施例1为基础，通过设置以下组别1-组别7以对实施例1的诸多参数变换进行对比，具体设置方式以及检测结果如下组别1-组别7的具体实施方式以及表1所示。
组别1
具体操作步骤与上述实施例1一致，只是组分A的dA＝30μm。
组别2
具体操作步骤与上述实施例1一致，只是组分A的休止角为40°。
组别3
具体操作步骤与上述实施例1一致，只是组分A的添加量控制在4wt％。
组别4
具体操作步骤与上述实施例1一致，只是组分A的添加量控制在20wt％。
组别5
具体操作步骤与上述实施例1一致，只是频率在80KHz。
组别6
具体操作步骤与上述实施例1一致，只是频率在60KHz。
组别7
具体操作步骤与上述实施例1一致，只是功率为0.2w/cm2。
表1检测结果
通过以上实验数据分析，实施例1与各个组别对比分析，可以得出以下结论：
(1)实施例1与组别1对比，只是组分A的dA＝30μm。在保持相同流动性或相近粘度情况下得到矿浆粘度1158mpa.s，浓度只提高了4.10个百分点(这4个百分点是震动所贡献的)，说明组分A的dA＝30μm对矿浆浓度提高和流动性提高没有起到帮助，可见如果组分A的粒径不控制在设定的范围内，其并不能达到提高流动性的效果。
(2)实施例1组别2对比，只是组分A的休止角为40°。在保持相同流动性或相近粘度情况下得到矿浆粘度1150mpa.s，浓度提高了4.5个百分点(有4个百分点是震动所贡献的)，说明组分A的休止角如果较大，润滑性欠佳，对矿浆浓度提高也有一定的帮助，但是如果组分A的休止角在设定范围之内其效果更为优异。
(3)实施例1与组别3对比，只是组分A的添加量控制在4wt％。在保持相同流动性或相近粘度情况下得到矿浆粘度1145mpa.s，浓度提高了5.5个百分点(有4个百分点是震动所贡献的)，说明组分A的添加量没有达到最佳状态，对矿浆浓度提高有帮助，但是添加量如果太少可能也会有一定的影响。
(4)实施例1与组别4对比，只是组分A的添加量控制在20wt％。在保持相同流动性或相近粘度情况下得到矿浆粘度1140mpa.s，浓度提高了7.4个百分点，说明组分A的添加量超过最佳需求，达到了最佳提高7.30个百分点要求，但是加入过多A组分后并没有出现大幅度提高结果，反而增加了成本，所以也应该“适可而止”。
(5)实施例1与组别5对比，只是频率在80KHz。在保持相同流动性或相近粘度情况下得到矿浆粘度1150mpa.s，矿浆浓度提高3.10个百分点(有3个百分点是添加A组分贡献的)，说明超出规定需求频率的震动对浓度帮助不大。
(6)实施例1与组别6对比，只是频率在60KHz。在保持相同流动性或相近粘度情况下得到矿浆粘度1148mpa.s，矿浆浓度提高4.8个百分点(有3个百分点是添加A组分贡献的)，说明越接近最佳频率效果最佳。
(7)实施例1与组别7对比，只是功率为0.2w/cm2。在保持相同流动性或相近粘度情况下得到矿浆粘度1155mpa.s，矿浆浓度提高3.22个百分点(有3个百分点是添加A组分贡献的)，说明虽有震动，但是功率不够时作用不大。
实施例2
以贵州某贵金属尾矿矿浆生产线进行实施，具体操作过程如下：
步骤一、通过实验室研究，该尾矿最佳润滑颗粒粒径为7μm，既该尾矿制取矿浆所需要的组分A平均粒径dA为7μm，休止角18°，添加比例10wt％。
该矿浆生产线每小时处理原矿石30吨，采用直径6米，长度12米球磨机，改造前浓度72.5％，粘度979mpa.s。改造现有生产线，将现有产品矿浆引出8％，加水稀释到50％浓度，进砂磨机研磨，研磨后平均粒径达到7um，之后将研磨后的组分A用泵送到原生产线的水管线里，与水和尾矿石一起进入原生产线的球磨机混合研磨。
改造完成后，保持生产原物料比不变进行测定，分别将系统调整到最佳指标，在保持原来矿石与水比例不变情况下(物料：水＝72:18)，矿浆明显“变稀”，测定浓度还是72.5％，粘度下降到456mpa.s，说明具备再次提高浓度条件；第二步，对原生产系统物料比进行调整，减少水量加入，提高矿物质比例，保持原矿浆粘度979mpa.s左右，测试浓度。经过系统稳定后测试，粘度970mpa.s，浓度77.0％，相对于改造前浓度提高了4.5个百分点。
步骤二、以上述步骤一的生产线进行实施，具体操作过程如下：
通过实验室研究，该矿浆高频震动频率在25.6KHz，功率1.5w/cm2作用最佳。
改造在原生产线的球磨机出口矿浆的收集罐中安装高频震动器5个，频率设定在25.6KHz，功率1.5w/cm2。
改造完成后，在实施例2步骤一不投用情况下，单独测试高频震动对原生产线影响(保持原矿浆浓度不变情况下，测试粘度)。经过系统稳定后测试，粘度下降到520mpa.s，浓度72.5％保持不变，说明高频震动对矿浆的流动性起到较大作用，打开了进一步提高浓度空间。保持粘度不变，减少系统加水量，测试浓度提高到75.7％，相对没有高频震动时提高了3.2个百分点。
步骤三、以步骤一的生产线进行实施，在步骤一和步骤二的同时作用下，对原生产线起到作用，具体操作过程如下：
按照该实施例的改造方案，同时实施，经测试在保证粘度不变情况下，浓度提高到80.2％，相对于原生产线提高了7.7个百分点，说明步骤一和步骤二可以同时作用矿浆，并提高了7.7个百分点。
以实施例2为基础，通过设置以下组别8-组别19以对实施例2的诸多参数变换进行对比，具体设置方式以及检测结果如下组别8-组别19的具体实施方式以及表2-表3所示。说明：组别8-组别13是在其他条件不变情况下对A组分的参数变化进行对比，组别14-组别19是对震动参数引起的变化进行对比。
组别8
具体操作步骤与实施例2一致，只是A组分dA＝25um。
组别9
具体操作步骤与实施例2一致，只是A组分休止角35°。
组别10
具体操作步骤与实施例2一致，只是A组分休止角30°。
组别11
具体操作步骤与实施例2一致，只是A组分添加比例4％。
组别12
具体操作步骤与实施例2一致，只是A组分添加比例15％。
组别13
具体操作步骤与实施例2一致，只是A组分添加比例20％。
组别14
具体操作步骤与实施例2一致，只是震动频率在20.5KHz。
组别15
具体操作步骤与实施例2一致，只是震动频率在60.0KHz。
组别16
具体操作步骤与实施例2一致，只是震动频率在70.0KHz。
组别17
具体操作步骤与实施例2一致，只是震动频率在80.0KHz。
组别18
具体操作步骤与实施例2一致，只是功率为0.3w/cm2。
组别19
具体操作步骤与实施例2一致，只是功率为2.0w/cm2。
表2检测结果
通过原生产线与实施例2以及组别8、组别9、组别10、组别11、组别12、组别13进行A组分全面比较，可以得出以下结论：
(1)通过原生产线与实施例2比较，可以得出在最佳A组分添加下，矿浆浓度提高了7.7个百分点，达到最佳状态。
(2)通过原生产线与实施例2以及组别8比较，可以得出A组分达不到最佳粒径时候基本对矿浆浓度提高不起作用(有3个百分点是震动所致)。
(3)通过原生产线与实施例2以及组别9、组别10比较，可以得出A组分休止角距离最佳休止角18°越近矿浆浓度提高越多。
(4)通过原生产线与实施例2以及组别11-组别13，进行A组分添加比例全面对比，可以看出少于最佳添加比例时，浓度有所提高，但是未达到最高浓度，添加比例15％大于最佳比例时浓度并未出现大幅度提高，当添加比例提高到20％时候，反而浓度开始下降，增加了成本，浓度却为提高，得不偿失。
表3检测结果
通过原生产线与实施例2以及组别14-组别19进行高频震动全面比较对比，可以得出以下结论：
(1)通过实施例2与组别14-组别17之间比较，可以看出，接近最佳频率浓度提高的越多。
(2)通过实施例2与组别18-组别19之间比较，可以看出，当功率很小，高频震动基本对浓度提高不起作用，功率越接近最佳值效果越好。
上述表1-表3中所指的原生产线是指没有进行过任何改进的原有生产线，相当于空白试验。
实施例3
其他步骤与实施例2一致，只是休止角为10°。
实施例4
其他步骤与实施例2一致，只是组分A的粒径为20μm。
实施例5
其他步骤与实施例2一致，只是A组分添加比例5％。
实施例6
其他步骤与实施例2一致，只是A组分添加比例8％。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。
