بررسی تاثیر شرایط عملیاتی فرآیند فلوتاسیون روی ساختار کف مس با استفاده از روش آنالیز تصویر

[XMEHRDADX 7,514]

چكيده

 

در فرآوري مواد معدني از طريق فرآيند فلوتاسيون، يكي از روش‌هاي مرسوم براي كنترل عملكرد متالورژيكي (عيار، بازيابي كنسانتره) سلول فلوتاسيون، نظارت مداوم اپراتور بر مشخصه‌هاي كف (ساختار و رنگ كف) توليد شده است. بدين ترتيب، بر مبناي ظاهر كف اپراتور اقدام به كنترل پارامترهاي عملياتي مي‌كند تا عملكرد سلول را بهبود بخشد. پيچيدگي بافت كف و بر هم كنش عوامل متعدد عملياتي روي ساختار كف، سبب شده تا اين شيوه كنترل نظارتي (نگاه چشمي)، چندان موفق نباشد و سيستم همواره زير سطح بهينه عمل كند. در اين پژوهش، رابطه بين مشخصه‌هاي كف و عملكرد سلول بصورت علمي مطالعه شده و سپس رابطه بين اين مشخصه‌ها و پارامترهاي عملكرد سلول با عيار و بازيابي از طريق مشخصه‌هاي كف بيان شده است. نتيجه آناليز تصاوير نشان مي‌دهد كه با تغيير مقدار كف‌ساز، سرعت هوادهي و همچنين عمق كف مي‌توان كف‌هايي با ساختار متفاوت توليد كرد، بدين معني كه عوامل ياد شده، تاثير مهمي روي ساختار كف توليدي داشته‌اند.

 

واژه‌هاي كليدي: كف فلوتاسيون، كنترل فرآيند، آناليز تصاوير، سطح بهينه، مقدار كف‌ساز، سرعت هوادهي

 

 

1. مقدمه

 

كارآيي فلوتاسيون به مقدار زياد تحت تاثير فرآيندهاي اغتشاش‌زا است. بعضي از آنها به تغييرات در خواص خوراك (تركيب، خواص سطحي، توزيع اندازه و شكل ذرات معدني) مربوط مي‌شود و بعضي ديگر، عوامل عملياتي را شامل مي‌شود (دانسيته‌ها و شدت جريان‌ها). در هر حال، چنانچه تاثير اين عوامل روي كارآيي فلوتاسيون شناسايي شود، مي‌توان با تنظيم متغيرهاي كنترل‌كننده، بازيابي را بهبود بخشيد.

 

ساختار و رنگ كف‌هاي توليد شده در سطح پالپ سلول فلوتاسيون با عيار و بازيابي سلول ارتباط دارد. بنابراين كارآيي فرآيند به مقدار قابل‌توجهي توانايي، تجربه و نيز هنر شخص اپراتور در ارزيابي مشخصه‌هاي كف توليد شده مربوط مي‌شود. زمان زيادي طول مي‌كشد تا يك اپراتور كم‌تجربه ياد بگيرد كه چگونه ماهرانه تفاوت موجود در مشخصه كف‌هاي مختلف را تشخيص دهد و از طريق آن، توانايي لازم در كنترل فرآيند را كسب كند. اغلب بدليل بي‌دقتي و اختلاف سليقه افراد در ارزيابي مشخصه‌هاي كف، كنترل فرآيند به روش دستي، بصورت بهينه انجام نمي‌گيرد. براي اين منظور، چند سالي است تحقيق و توسعه سيستم‌هاي كنترل بينايي خودكار براي فرآيند كف فلوتاسيون آغاز شده است. اولين‌بار مشاهده فاز كف بصورت بلافاصله توسط (Woodburn,Stockton,Robbins1989) صورت گرفت. اولين مرحله در طراحي يك سيستم بينايي مناسب در كنترل عمليات فلوتاسيون، تعيين و استخراج شاخص‌هاي ساختار كف است. سودمندي استفاده از معيار سطح خاكستري در استخراج بعضي از شاخص‌هاي كف فلوتاسيون زغال‌سنگ نيز مشاهده شده است. از اين شاخص‌ها مي‌توان در پيش‌بيني كارآيي فلوتاسيون استفاده كرد (Hargrave,Miles,Hall) (1996).

با بررسي تاثير عوامل مختلف روي ساختار كف مشاهده كرد كه يك رابطه كيفي و كمي نسبتا خوبي بين ساختار كف و كارآيي فرآيند مي‌تواند وجود داشته باشد.

 

 

2. روش كار

اصول فلوتاسيون مربوط به مس بوده و مطالعات روي ساختار كف در يك مدار آزمايشگاهي فلوتاسيون انجام گرفته، عمل فلوتاسيون در يك سلول به حجم تقريبي 2 ليتر صورت پذيرفته و شرايط براي همه آزمايش‌ها تنظيم شده است. هدف اصلي از اين مدار، توليد كف فلوتاسيون و تصويربرداري از سطح كف به كمك يك دوربين ديجيتال هندي‌كم (SONY HDRـ CX150E) در شرايط نوردهي مناسب بوده است. شرايط عملياتي و پارامترهاي كنترل عمليات فرآيند در جدول يك نشان داده شده، همچنين در جدول 2 مواد شيميايي مورد استفاده همراه با خواص فيزيكي آنها نشان داده شده است.

 

 

3. تاثير عوامل مختلف روي ساختار حباب‌ها

 

با توجه به اينكه بين اندازه حباب‌ها درون فاز پالپ و اندازه حباب‌ها درون فاز كف رابطه وجود دارد، انتظار مي‌رود فاكتورهايي كه روي اندازه حباب درون فاز پالپ موثر باشند، روي ظاهر كف نيز تاثير بگذارند. بنابراين كنترل اندازه و شكل حباب‌ها در سطح كف مي‌تواند در مقدار محصول بدست آمده با اهميت باشد. به‌طور كلي، با تغيير مقدار مواد شيميايي، بويژه كف‌ساز، سرعت هوادهي، عمق كف و درصد جامد خوراك، مي‌توان كف‌هاي تقريبا مختلف به لحاظ ساختاري (اندازه و شكل حباب‌ها) توليد كرد.

 

 

3ـ 1ـ تاثير غلظت كف‌ساز

 

اندازه و شكل حباب توليد شده تحت تاثير غلظت كف‌ساز بوده، به‌طوري كه كاهش يا افزايش غلظت كف‌ساز، كف‌هايي با ساختار متفاوت توليد مي‌كند. افزايش كف‌ساز در كف‌هاي كم عمق، بيشتر سبب افزايش تحرك‌پذيري كف مي‌شود كه نتيجه آن كاهش اندازه حباب‌ها در سطح كف، افزايش شدت جريان جامد، آب كنسانتره و بازيابي، در مقابل كاهش عيار و توزيع نسبتا كم اندازه حباب‌ها مي‌شود. اين حالت مي‌تواند بدليل كم بار بودن حباب‌ها باشد كه سبب تحرك بيشتر آنها در سطح كف نيز مي‌شود. افزايش كف‌ساز، باعث نزديك شدن شكل حباب‌ها به حالت كروي مي‌شود (به عبارت ديگر ضريب گردي حباب به يك نزديك مي‌شود).

در شكل 3ـ الف) اندازه حباب‌ها نسبتا بزرگ، ميزان توزيع اندازه حباب‌ها بسيار متغير و شكل آنها از حالت كروي متمايل به بيضي است، اما در شكل 3ـ ب) اندازه حباب‌ها كوچك و ضريب توزيع آنها نسبتا كم است، همچنين با افزايش غلظت كف‌ساز تا حدودي به پايداري شكل حباب‌ها (كروي بودن) كمك مي‌كند.

 

 

3ـ2ـ تاثير ميزان سرعت هوادهي

 

بين ميزان سرعت هوادهي و اندازه حباب‌ها رابطه نزديكي وجود دارد. در ضمن سرعت هوادهي روي عيار و بازيابي تاثير خواهد داشت، به‌طوري كه افزايش سرعت هوادهي سبب افزايش غلظت جامد و كاهش عيار كف مي‌شود. نتايج همچنين نشان مي‌دهد كه افزايش سرعت هوادهي، سبب كاهش ناچيزي در اندازه حباب‌ها شده، اما كاهش توزيع اندازه حباب‌ها در سطح كف محسوس‌تر به نظر مي‌رسد. افزايش سرعت هوادهي، سبب افزايش سرعت بالا رفتن حباب‌ها شده، لذا زمان ماندن حباب‌ها در فاز كف كاهش يافته، در نتيجه پايداري حباب‌ها بخصوص حباب‌هاي بزرگ و كم بار در فاز كف كاهش يافته است (زيرا زمان لازم براي تخليه فيلم مايع بين حباب‌ها كاسته شده است)، اين حباب‌هاي بزرگ به حباب‌هاي كوچكتري تقسيم شده كه در نتيجه باعث به‌وجود آمدن كف پرتحرك حاوي شدت جريان جامد و آب كنسانتره بيشتر نسبت به كف‌هاي كم تحرك شده است. در كف‌هاي كم تحرك، اندازه حباب‌ها بزرگ‌تر و شكل حباب‌ها كشيده‌تر است، از اين رو، عيار آنها بالا و ميزان شدت جامد و آب كنسانتره آنها تا حدودي پايين است. به‌طور كلي، با مشاهده نتايج بدست آمده، چنين استنباط مي‌شود كه در كف‌هاي كم تحرك با حباب‌هاي ريزتر، چنانچه حباب‌ها از پوشش كاملي برخوردار باشند، ميزان عيار كف بيشتر از كف حباب‌هاي درشت است و تمايل به كروي بودن در آنها نيز بيشتر به نظر مي‌رسد.

 

 

3ـ3ـ تاثير ميزان كلكتور

 

در شرايطي كه مقدار مصرف كلكتور زياد شود، توزيع اندازه حباب‌ها و گستردگي اندازه آنها روي سطح، يكنواخت نيست و به خوبي مشاهده مي‌شود كه تاثير كلكتور در مقايسه با تاثير ميزان كف‌ساز و سرعت هوادهي قابل اغماض است. افزايش مقدار كلكتور بتدريج سبب افزايش اندازه حباب‌ها و بدنبال آن افزايش عيار مي‌شود، البته اين افزايش ناچيز است. افزايش بيشتر كلكتور همراه با كاهش عيار خواهد بود، بعبارت ديگر، بدليل اينكه حباب‌ها نسبتا پربار هستند، كف با حباب‌هاي ريزتر و عيار بالاتري حمل مي‌شوند.

 

 

3ـ4ـ تاثير عمق كف

تاثير عمق كف، يكي از فاكتور‌هاي مهم در تغيير ساختار كف است، به‌طوري كه بصورت مستقيم روي زمان ماندن حباب و ذرات متصل به آنها در فاز كف مربوط است. با افزايش عمق كف، توزيع اندازه حباب‌ها در سطح كف افزايش يافته (بدليل درهم ادغام‌شدگي حباب‌ها) و كف حالت كم تحرك به خود گرفته، لذا عيار افزايش يافته و در حالتي كه عمق كف كاهش يابد شرايط عكس همچون حالت قبل شده است.

 

 

4. اهداف و نتايج

 

با تغيير مواد شيميايي، بويژه كف‌ساز، سرعت هوادهي، عمق كف و درصد جامد خوراك مي‌توان كف‌هاي تقريبا مختلف به لحاظ ساختار ظاهري (اندازه و شكل حباب‌ها) توليد كرد. با تغيير عمق كف مي‌توان عيار كف را نيز تغير داد. در عمق‌هاي زياد از كف، اندازه حباب‌ها و ميزان كشيدگي آنها (از حالت كرويت به حالت چند ضلعي و بيضي) در ساختار ظاهري كف در مقايسه با عمق كمتر، بزرگ‌تر و عيار نيز بيشتر است، زيرا ساختار كف، كم تحرك و چسبنده شده است.

 

افزايش مقدار كف‌ساز و سرعت هوادهي در كف‌هاي كم‌عمق، بيشتر سبب افزايش تحرك‌پذيري كف شده كه نتيجه آن، كاهش اندازه حباب‌ها در كف، افزايش شدت جريان جامد و آب كنسانتره است كه در نهايت، باعث افزايش بازيابي و كاهش عيار كف شده است. اين حالت، بدليل كم بار بودن حباب‌ها مي‌تواند باشد كه سبب تحرك بيشتر آنها در سطح كف شده است. با افزايش كف‌ساز، شكل حباب‌ها به حالت كروي نزديكتر شده كه گوياي تاثير بارزتر كف‌ساز نسبت بسرعت هوادهي روي ساختار كف است. افزايش سرعت هوادهي سبب افزايش بازيابي و كاهش عيار كف شده كه دلالت بر افزايش سرعت بالا رفتن حباب‌ها و كاهش زمان ماندن آنها در فاز كف داشته است. در عمق‌هاي زياد از كف، اندازه حباب‌ها و ميزان كشيدگي آنها در ساختار كف در مقايسه با عمق كمتر، بزرگ‌تر و عيار نيز بيشتر است.

 

 

منابع:

 

[1] Moolman, D. W., Aldrich, C., Van Deventer, J. S. J. and Stange, W., Minerals Eng., 7(9), 1149 (1994).

 

[2]N.saghatoleslam, H.karimi, R.rahimi and H.H.A.Shirazi., Modelling of texture and color froth characteristics for evaluation of flotation performance in sarcheshmeh copper pilot plant using image analysis and neural networks.2004

 

[3] Van Deventer, J. S. J., Bezuidenhout, M. and Moolman, D. W., Min. Cong., Aachen, Germany, 315 (1997).

 

[4] Bonifazi, G., Serranti, S., Volpe, F. and Zuco, R., Computers & Geosciences, in press, (2000).

 

[5] Klassen, V.I. and Mokrousov, V.I., “An Introduction to Theory of Flotation”, Butter Worth Co., London, (1963).

 

[6] Bonifazi, G., et al, Proc. XXI Int. Min. Proc. Cong., C8a39ـ C8a49 (2001).

 

[7] Moolman, D. W., Ekesteen, J.J., Aldrich, C. and Van Deventer, J.S.J., Int. J. Miner. Process,

48,135 (1996).

 

[8] Woodburn, E.T., Stockton, J.B., and Robbinsons, D.J., Column Flotation 88, 13, 113 (1988).

 

[9] O’Connor, C.T., Randall, E.W., and goodall, C.M., Int. J. Miner. Process, 28, 139 (1990)

 

[10] Moolman, D.W., Aldrich, C., Van Deventer, J.S.j., and Stange, W.W., Minerals. Eng., 7(9), 1149 (1994).

 

[11] Moolman, D.W., Aldrich, C., Van Deventer, J.S.J., Computerـ Aided Chemical Engineering, 6, 129 (1995).

 

[12] Cutting, G.W., Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review, 5, 169 (1989).

 

[13] Glembotskii, V.A., “Flotation Primery Sources”, New York, (1972).

 

[14] Smar, V.D., Klimpel, R.R. and Aplan F.F., Int. J. Miner. Process, 42 (3ـ 4), 255 (1994).

 

[15] Giuseppe Bonifazia , Silvia Serrantia, Fabio Volpeb, Riccardo Zuco , Characterisation of flotation froth colour and structure by machine vision, 2000

 

 

 

 

سيدمحمدرضا حسيني / دانشجوي كارشناسي ارشد فرآوري مواد معدني دانشگاه شهيد باهنر كرمان