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氧化铜湿法冶金堆浸

    到目前为止,铜湿法冶金主要以处理低品位矿石为主。堆浸(heap leaching)是低品位氧化铜矿的最重要浸取方法,通常是指用专门开采的矿石筑堆进行浸取的作业,堆浸有一套严格的作业程序。而对开拓矿山等过程产生的废矿石进行浸取,一般称作废石堆浸(dump leaching),它的作业程序要简单、粗放得多。不过,有的学者把含有黄铜矿,浸取周期很长的矿石堆浸,也称为dump leaching。

         筑堆前的预备试脸

         为了正确掌握堆浸的技术和经济指标,在实施堆浸工程前需进行充分的浸取化学和工程的试验,通常包括:矿石的矿物组成、成分、化学和物理性质测定,如总铜和酸溶铜的品位、可浸取性、渗透性、浸出速度、耗酸量等。需要确定的堆浸主要参数有矿石的粒度、喷淋浸取液速度及堆高。试验的方法主要有柱浸和试验堆浸出。但在进行柱浸之前还要做一些预备试验。

         为了测定矿石中酸溶铜的可浸性和耗酸量,常采用将矿石磨细至90%-200目,用滚瓶或搅拌槽在各种加酸量下进行浸取试验,以获得矿石的最大浸出率。

         矿块浸出过程中,浸取液通过矿石的孔洞和孔隙向矿块内渗透,溶解的金属也要经由孔洞和孔隙向外扩散。因此,矿块的孔洞和孔隙决定了矿块的渗透性和浸取速度。渗透速度不是恒定的,而是随时间成指数下降,即越向矿块内越慢。用硫酸浸矿块,起始的速度可达0.2mm/h,在离表面50mm处仅为0.03mm/h,而在l00mm处为0.005 mm/h。浸透一块直径200mm、孔隙率1%的矿块约需一年时间。

         柱浸试验

         柱浸试验的方法是将矿块填装在空心的柱中,浸取液从柱顶淋下,流经矿块,从下面出口收集浸出液。这与堆浸时十分相似,因此常用这种方法来获取堆浸的设计参数以及对未来生产厂进行预测评估。柱浸应由小而大,逐渐放大。

         柱浸考察的内容有矿石品位、粒度、浸取液的酸浓度及布洒速度、柱高及温度等对浸取结果的影响。浸取结果除铜外,还要注意铁(II)、铁(III)及钴等金属的浓度以及浸出液的酸度。如矿石中有硫化铜矿物还应对溶液的氧化电位进行监控。

         曼托伏德矿(Mantovorde)[1]通过柱浸最后确定矿块粒径小于13 mm,堆密度1.5t/m3,实验的布洒速度为10、15、20L/(h·m2),最终选用10L(h·m2)[相当柱中的线速度为10mm/h〕。实验的柱高为4、5 、5.5m,建议堆高5m。实验还确定了酸耗和矿石中碳酸盐含量的关系及铜回收率和品位的关系:


                          铜浸取率wex(Cu)/% = 89.1%+24.6ln[wt(Cu)/%]

 

                              耗酸量A/(kg·t-1)= 215.3+6.8w(CaCO3)%

         堆浸工程设计

          A 堆的规模

         堆的整体大小完全取决于厂的总体生产规模。但为保证稳定地供应浸取液,一般应筑十个左右的堆,分为若干组,分别处于筑堆、初始浸取、后期浸取各个运行阶段。

         B 矿石粒度

         虽然通过柱浸试验已经确定了最佳粒径范围、堆高、堆的运行周期、耗酸和富浸取液浓度等主要参数,但在设计时,必须对这些参数引人一定的放大修正系数,以求稳妥。此系数可在0.93-0.96%之间,第一年小一些,以后逐年加大。

         对于矿石粒径宜取实验建议值的上限,粒径和铜回收率的关系大致如下图[2]。智利大型铜厂圣曼纽尔采用90%-10cm,而另一规模相近的美国青诺(Chino)矿山采用60%-5cm。


         C 堆高

         堆高以取实验建议值的下限为好,以缩短堆的运行周期,在开工初始缺少经验时,可以较快得到实际运行经验,有利于以后堆的设计和施工。圣曼纽尔采用堆高3m,而青诺为9m.

         D 喷琳速度

         喷淋速度决定了总的浸出液的产出量,从而决定了萃取厂的规模。喷淋速度当然是取较低的速度有利,减少总流量可以减少投资,因此可在柱浸结果的基础上略留些余地。一般在5-lOL/m2 h左右[3]。

         堆漫的工程实施

         按设计要求,破碎过的矿石用装载车或翻斗车从一边向另一边依次堆放,达到规定的高度。然后用履带式推土机平整顶部。堆的边坡约为30°左右。由于车辆在顶部行驶会使矿堆变得密实,减少堆内的空隙,逐渐破坏堆层结构,不利于溶液的均匀渗透和空气流动。因此,许多矿山采用皮带输送机,输送到堆场顶部,而后用推土机平整。智利依尔·阿伯拉矿(El Abra,年产铜21.5万t)和雷多米俏·托米克矿(Radomitro Tomic.年产铜15万t)等大型厂矿专门设计制造了一种特大型输送机,可以在纵横两方向运动,将矿均匀地输送到堆场上。由于堆场巨大,采用了卫星定位系统来指挥矿石的卸载位置,生产效率非常高,而且费用低。下图是浸堆结构的示意图。         堆浸的运行

         A 堆的启动

         向堆上布洒浸取液,开始浸取,堆即启动。对于新厂,所用的浸取剂是稀硫酸溶液,所以要将新堆开始阶段所得的稀溶液返回堆上,直至达到设计期望的浓度。当返回的浸取液的铜含量逐渐稳定,浸出液的成分也达到设计值,此时的浸出液称为富浸出液,其浓度在一定范围内波动。

         B 堆浸的运行

    矿堆在浸取过程中,矿石中的铜不断被浸出,并没有新矿石不断补充进去,因此并不存在真正意义上的稳态。澳大利亚基里朗绷(Gililambone)矿是一家中型矿山,年出矿75万t,产铜7500t。以浸出液计铜回收率随时间变化的曲线,起始40天,为第一阶段,铜回收率几乎呈直线上升,直至约50%。而后进入缓和上升段,在230天内最终回收率升至90%左右。下表列出该厂堆浸的主要参数,同时还列出智利大型铜厂圣曼纽尔(年产铜54000t)的参数。


 


 


    建立一个可以描述浸取堆的数学模型对于控制、预测堆的运行是十分有帮助的。虽然从理论上说,矿块的浸出速度取决于矿石微孔内的扩散速度和矿块体积,应该用收缩核模型描述。在实际运行中,堆的浸出速度与浸取液的流速有关,有的矿山用经验方程的数学模型模拟整个堆的浸取率的变化。下面介绍一种简单的模型形式:

浸取率% = CFv

    式中  C——与矿石中总的可溶铜量相关的一个常数,与堆高有关,堆高4m时C=43.54,6m时C=47.61;

          F——向每吨矿石布施的浸取液的累积流量,单位为kL/t;

          v——F的指数,称为矿石浸取速度变量。对于一种氧化矿v被确定为0.3470。

    应用模型时,可选取堆的一个单元,输入单元的大小,浸取液流量等。下图是该模型对柱浸和不同堆高的浸取寿命估计曲线。


 


  堆浸运行中经常出现的问题是顶部积水,这易导致沟流,而且增高了堆底的水静压头。耕翻顶层矿石,去除结壳,泥浆或盐,可以改善顶部渗液能力,提高浸取速度、富液浓度,从而缩短总的浸取时间。由于布管方式不同应采取不同的翻耕方法。如管距大,可用推土机。管距小,可能要采用人工,或撤去管网再耕翻。

    许多厂矿在实际操作中周期性地布液和休止,一个周期为几天。这不但可以减少积水,而且有利于矿石与空气接触,这对于含硫化矿的矿石堆浸尤其重要。

    堆的复筑

     随着浸取的进行,由于一些矿块的分解、粉化,常导致堆的自然下沉,塌陷。下沉速度和矿石的组成、性质密切相关。当矿石中的可溶铜已极度下降,浸取速度十分缓慢,堆的寿命渐趋终点,但何时终止浸取,应权衡回收率和时间两方面的因素来作出判断。

    堆终止浸取后一般要在上面复筑新堆。圣曼纽尔矿的做法是首先从堆顶撤去管网系统,而后用推土机从纵横两方向重新翻耕至0.8到1.4m深,并推平。而后将新矿石铺在堆顶上,让新堆的浸出液透过旧堆,渗到原来的集液系统。新堆的高度与原堆一样,净高3m.这样不断加高,直至最终总高达91m.基里朗绷(Giliambone)矿的做法是将旧堆压实,在中间纵横开出两条集液沟,以沟为中心,堆面向沟的倾斜度约为1%。沟中铺鹅卵石,堆面上敷设螺旋状排流圈,让新堆底部溶液流动更为顺畅,使浸出液尽量从旧堆顶部经边坡流入集液沟。以上两种方式似各有长处,可根据具体情况进行选择。

    堆浸的技术改进

    A 矿石球团——熟化

    在矿石破碎时不免会产出一些粉矿,直接加到堆上往往会减少堆内空隙,甚至导致沟流及空气不流通。一种解决方法就是球团,用少量黏结剂,如水泥将细碎的粉矿团聚为球团,固化后再堆浸。

    为了提高球团的浸取速度,许多厂矿浆浓硫酸和含高铁的萃余液一起加入矿粉中制球,球团含湿一般在8%~10%。浓硫酸与水反应产生的热有助于铜与酸的反应,高铁也有助于矿石中自然铜、辉铜矿的氧化溶解。球团在筑堆前需放置两三天。这整个过程称之为“熟化”。首先使用这种方法的是美车塞浦鲁斯·迈阿密(Cyprus Miami)铜矿。

    B 表面活性剂

    圣曼纽尔矿在堆浸液中加入表面活性剂,以降低表面张力,促进溶液在矿石微孔内的渗透。选择表面活性剂的难处,一是表面活性剂需要适应浸取液的强酸性环境,又必须对溶剂萃取过程不产生不良影响。该矿在美国矿务局研究人员的帮助下,经多年的研究、比较,最终选定了一种阳离子型氟碳化合物的表面活性剂(3M公司的产品,型号FC1127及L12522)。使用结果表明对提高浸取率有一定帮助。





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