评估Falcon离心机用于从历史尾矿中回收超细白钨矿颗粒的可行性

《Minerals》：Assessing the Feasibility of a Falcon Concentrator for the Recovery of Ultrafine Scheelite Particles from Historical Tailings

　　

本研究调查了Falcon超细（UF）离心机用于从历史白钨矿矿山的风化尾矿堆中回收超细白钨矿（scheelite）颗粒的潜力，因为它可能代表一种有价值的二次钨（tungsten）资源。尾矿的特征是P₈₀为17.2 μm，白钨矿颗粒表现出更细的粒度分布（P₈₀ = 9.3 μm）和高解离度（82 wt%）。研究人员测试了三级Falcon浓度回路，在变化的操作条件下，包括给料槽（feed tank）设计、固体浓度、粒度分级、G力（G-force）和处理阶段数。结果表明，分离效率主要受槽设计和给料粒度分布的控制，而G力和固体浓度的变化仅产生微小影响。在浓度前使用水力旋流器（hydrocyclone）脱泥（desliming）去除小于10 μm的颗粒，增强了基于Falcon的浓度流程的分离选择性。然而，这种材料的预处理将需要实施一个专门的过程来从溢流（overflow）中回收白钨矿以限制损失。这些发现突出了由于这些尾矿的细度而有效分离白钨矿的挑战。

**论文解读：评估Falcon离心机用于从历史尾矿中回收超细白钨矿颗粒的可行性**

**研究背景与问题**
钨（tungsten, W）被欧盟列为关键材料，因其高经济重要性和供应链风险，主要用于工业、航空航天和军事领域，且中国主导全球供应（2023年占约81%）。历史尾矿（historical tailings）因过去低效提取技术而含有残留有价金属，再处理可提供二次原材料并降低储存风险。然而，尾矿细度（fineness）对重力分离（gravity separation）效率构成挑战，尤其对于脆性钨矿物（如白钨矿（scheelite）和黑钨矿（wolframite）），它们在破碎过程中易过磨进入细粒级。增强重力分离（Enhanced Gravity Separation, EGS）技术，特别是Falcon离心机（Falcon concentrator），常用于回收细粒钨矿物，但针对超细粒级（ultrafine）尾矿的研究有限。本研究旨在评估Falcon超细（UF）离心机从法国历史白钨矿矿山风化尾矿中回收超细白钨矿的可行性，重点关注操作条件对分离性能的影响，为优化二次钨资源回收提供依据。论文发表在《Minerals》。

**关键技术与方法**
研究人员采用以下关键技术：使用Falcon UF离心机（L40型，Sepro Mineral Systems Corp.）构建三级浓度回路，测试不同操作条件（给料槽设计（锥底/平底）、固体浓度（8 wt%和16 wt%）、粒度分级（全样与水力旋流器底流（underflow））、G力（300-650 G）和处理阶段数（3-6级））。原料来自法国历史白钨矿尾矿堆风化层，经磨蚀（attrition）和分散（dispersion）预处理后，取<40 μm粒级用于测试。性能评估基于便携式X射线荧光光谱（pXRF）测定WO₃含量，并利用扫描电镜-自动矿物学（SEM-AM，包括GXMAP和SPL-GXMAP程序）进行矿物学表征（包括解离度、矿物共生和粒度分布）。样本队列来源明确为法国某关闭白钨矿的尾矿堆。

**研究结果**
**3.1 给料材料的表征**
- **3.1.1 化学和矿物组成**：给料WO₃品位为6990 mg/kg（pXRF测得）。SEM-AM（GXMAP）显示矿物组成为：硅酸盐矿物（石英、长石、白云母、绿帘石、角闪石等）占76.3 wt%，水合铁氧化物（Hydrous Ferric Oxides, HFOs）占14.3 wt%（源于硫化物氧化）。白钨矿密度（6 g·cm^?3）高于脉石矿物（2.6-3.6 g·cm^?3），具备分离潜力。
- **3.1.2 白钨矿颗粒的矿物学表征**：白钨矿颗粒解离度（按颗粒组成）为82 wt%（解离类），非解离颗粒主要与HFOs（43 wt%）和硅酸盐（长石、石英、绿帘石）共生。白钨矿晶粒粒度分布（Grain Size Distribution, GSD）的P₈₀为9.3 μm，显著细于给料粒度分布（Particle Size Distribution, PSD）的P₈₀（17.2 μm），解释了高解离度。

**3.2 操作条件对白钨矿颗粒回收的影响**
- **3.2.1 固体浓度的影响**：对比8 wt%（Test A）和16 wt%（Test C），提高固体浓度对质量产率无影响，但WO₃品位从14,307 mg/kg降至11,869 mg/kg，回收率从60.5 wt%降至52.5 wt%。该效应在+0–20 μm粒级中更明显，可能与高固体浓度下轻重颗粒的差异沉降干扰有关。
- **3.2.2 给料槽设计的影响**：平底槽（Test B）相比锥底槽（Test A）产生更高WO₃品位（富集比更高），但质量产率和回收率更低。平底槽因固体沉降（即使有搅拌）导致给料浆体中固体含量低且不均匀，虽提高了+20–40 μm粒级回收，但+0–20 μm粒级质量产率下降，总体回收率降低。
- **3.2.3 粒度分布的影响**：采用水力旋流器脱泥（去除<10 μm颗粒）后，底流P₈₀从17.2 μm升至32 μm。脱泥预处理（Test D）使富集比从1.8（Test A）升至2.6，WO₃回收率因质量产率降低约30%而未变。脱泥显著提升了+0–20 μm粒级的WO₃回收，因消除了低于Falcon UF技术回收极限（约5 μm）的颗粒。但溢流（<10 μm）含有58.5 wt%的WO₃，需额外回收工艺以防止损失。
- **3.2.4 G力的影响**：对比300-500-500 G（Test A）和650-650-650 G（Test E），更高G力提高了第一步富集比，但后续步骤效果减弱，且对质量产率和最终WO₃回收率影响甚微。G力主要影响>20 μm粗粒级，因床层侵蚀（bed erosion）增强，但该粒级仅占给料16 wt%。
- **3.2.5 Falcon处理阶段数的影响**：从3级（Test E）增至6级（Test F），WO₃回收率从约60 wt%升至76.1 wt%，但富集比在第三级后下降，WO₃品位降至10,762 mg/kg，显示收益递减。
- **3.2.6 操作条件的比较分析**：综合性能评估表明，Test B（平底槽）获得最高富集比但最低回收率；Test A、D、E具有相似回收率（排除6级Test F）。Test D在+20–40 μm粒级回收率最低，因给料较粗导致更多中矿（middling）颗粒。关键发现：给料槽设计和粒度分布是分离效率的主要控制因素，而G力和固体浓度影响有限。

**讨论与结论**
研究人员指出，由于尾矿细度（P₈₀=17.2 μm，白钨矿GSD的P₈₀=9.3 μm），Falcon UF浓度回路的性能受限。分离效率主要受给料粒度分布和槽设计影响，脱泥预处理可提高选择性，但导致大量WO₃（58.5 wt%）损失于溢流，需开发专用回收工艺。总结结论部分：本研究评估了多级Falcon UF浓度流程回收历史尾矿中超细白钨矿的可行性。尾矿特征为P₈₀=17.2 μm，白钨矿晶粒更细（P₈₀=9.3 μm）且解离度高（82 wt%）。在三级浓度回路上测试不同操作条件，重点关注+0–20 μm和+20–40 μm两个粒级。结果表明，再处理回路的性能因尾矿细度而受限，主要受给料粒度分布和槽设计影响，G力和固体浓度增加仅产生微小影响。特别是，在水力旋流器脱泥去除<10 μm颗粒后，分离选择性一致增强，实现WO₃回收率超过60 wt%且富集比为2.6。各粒级WO₃回收率分析显示，脱泥预处理显著改善了+0–20 μm粒级的WO₃回收，因为消除了低于Falcon UF技术回收极限（约5 μm）的颗粒。然而，尽管添加水力旋流器脱泥提高了选择性，但由于白钨矿晶粒极细，溢流（<10 μm）含有约58.5 wt%的WO₃，导致整体WO₃回收率急剧下降。因此，这种预处理需要实施专门的溢流回收工艺以避免白钨矿损失。未来工作需通过实验设计方法（design-of-experiments）系统研究操作条件及其交互作用，以优化流程，同时实现高白钨矿回收率和良好富集比。