浮選設備的新進展

殷 武

(北京礦冶研究總院)

浮選設備的新進展

殷 武

(北京礦冶研究總院)

介紹了近年來我國浮選設備發(fā)展概況，并分別從設備大型化、精細化、專業(yè)化、自動化、節(jié)能化等方面介紹了浮選設備的研究進展，指出今后浮選設備應朝著大型、節(jié)能高效、操作維護方便的方向發(fā)展。

浮選設備 大型化 精細化 專業(yè)化 自動化 節(jié)能化

浮選是根據(jù)礦物顆粒表面物理化學性質的不同，從礦石中分離有用礦物的技術方法。浮選可分為泡沫浮選和非泡沫浮選兩種，其主要用于對細粒嵌布的金屬礦物、非金屬礦物、化工原料礦物進行分選。目前，為大家所熟知的為泡沫浮選，已成為礦物選別的最重要的方法之一，在選別有色金屬礦物領域應用所占比例達90%，在黑色金屬礦物領域應用所占比例為50%，在選煤領域應用比例也達到10%以上。

從1904年Elmorf真空浮選機獲得專利，浮選技術的研究已經(jīng)歷了100多年的發(fā)展，浮選設備研發(fā)也取得了令人矚目的成就。目前，世界上使用廣泛且應用效果較好的浮選設備有F.L.Smidth公司的Wemco浮選機，Outotec公司的OK-Tankcell浮選機，Mesto公司的Reactor Cell System浮選機，俄羅斯國立有色金屬研究所的φⅡ型浮選機，北京礦冶研究總院的XCF/KYFII型浮選機。

我國在浮選設備的研發(fā)方面起步較晚，從20世紀60年代開始對浮選設備進行研發(fā)與推廣，現(xiàn)有的浮選設備主要有機械攪拌式浮選機和充氣攪拌式浮選機。近年來，浮選設備的研究方向主要有大型化、精細化、專業(yè)化、自動化、節(jié)能化等。

1 設備大型化

隨著經(jīng)濟的快速增長，對礦產(chǎn)資源的需求量不斷增大，而礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)利用使得高品位、易選礦不斷減少，因此低貧礦的開采量將隨之增大，浮選設備的大型化已成為必然趨勢。

機械攪拌式浮選機工作性能良好，在浮選設備中占據(jù)著絕對主導地位。沈政昌等針對機械攪拌式浮選機的放大設計作了大量的研究工作。浮選機在進行放大設計時，首先應保證浮選機形狀相似，具體表現(xiàn)在槽體相似、葉輪攪拌機構的幾何尺寸相似，這是保證浮選機流體動力學相似的前提；其次，要保證浮選機浮選動力學相似，用雷諾數(shù)Re來表征其流體特性，當浮選機容積較小時，葉輪設計可依據(jù)葉輪平均攪拌雷諾數(shù)Re相等的原則，但當浮選機容積較大時，Re應遵循相應的放大規(guī)律。該類型浮選機放大設計方法同樣適用于充氣式機械攪拌式浮選機[1-2]。

目前，工業(yè)應用的最大浮選機容積為320 m3，2009年，北京礦冶研究總院在原有浮選機技術的基礎上，開展了單槽容積為600 m3的外充氣機械攪拌式浮選機的研究，2013年，已完成理論研究；Outotec于2012年開展了Tankcell 500 m3的研究。

2 設備精細化

隨著設備大型化的發(fā)展，浮選設備各項性能的提高和細節(jié)的優(yōu)化變得越來越重要。針對以工程經(jīng)驗和相似放大理論為核心手段在浮選機大型化、系統(tǒng)化的設計過程當中存在的設計周期長、經(jīng)濟成本高的問題，國內(nèi)以北京礦冶研究總院為代表的研發(fā)機構引入了計算機流體模擬仿真技術CFD，其能夠模擬浮選機研發(fā)設計、結構優(yōu)化及運行全過程，快速高效地完成設備優(yōu)化設計，根據(jù)礦石的不同性質特點開展專門的有針對性地設計，保證設備性能可靠，細化支撐設備的開發(fā)。同時，引進了3D-PIV測速技術，能夠測得浮選機內(nèi)各礦粒的運動狀態(tài)，針對不同分選環(huán)境，分析浮選機內(nèi)部礦漿的全局流動和局部關鍵結構的流體動力學特性，提高了設備的研發(fā)水平。

3 設備專業(yè)化

由于不同礦山礦石性質、礦物組成、有用礦物嵌布粒度不同，礦物可浮性不同。按入選礦石的性質差異，可分為粗顆粒浮選設備、細粒浮選設備、氧化礦專用浮選設備、選煤用浮選設備等。

3.1 粗粒浮選設備

一般浮選機的最佳給料粒度為10～100 μm，當入選的礦石粒度大于或小于此粒度范圍時，浮選的選別指標會大幅降低。然而很多入選的礦物存在密度大，嵌布粒度不均勻，呈現(xiàn)粗、細粒級分布較多，中間粒級分布較少等特點，對于此類礦物若能提高浮選機的入選粒度范圍，對浮選意義重大。

適用于較寬入選粒度范圍的浮選機應具有以下特點，一是在攪拌區(qū)具有強有力的攪拌力，使得高密度礦粒不沉槽；二是需要較平穩(wěn)的分離區(qū)和穩(wěn)定的泡沫區(qū)，這樣被礦化的顆粒不易脫落；三是要有較大的充氣量和較短的浮選上升距離；四是通過葉輪的礦漿量要大[3]。為此，北京礦冶研究總院研制了寬粒級浮選機，對浮選機的槽體、葉輪和定子結構進行了有針對性地設計，將浮選入選粒度范圍提升到0～400 μm。

寬粒級浮選機槽體采用內(nèi)外雙循環(huán)通道，且裝有假底，能夠增加循環(huán)量，使得在葉輪攪拌力不強條件下高密度礦物能夠充分懸浮，從而使攪拌區(qū)循環(huán)量增大，分離區(qū)和泡沫區(qū)較為穩(wěn)定。浮選機槽內(nèi)裝有格子板，在槽體內(nèi)形成一層懸浮層，它能夠使得高密度礦物在淺槽狀態(tài)下浮選，減小高密度礦物的上升距離，且將分離區(qū)與攪拌區(qū)隔離開來，形成穩(wěn)定的分離區(qū)和泡沫區(qū)。葉輪采用中比轉速后傾式葉片，定子采用下盤封閉式徑向短葉片定子，保證了礦漿在攪拌力較弱的情況下能夠充分懸浮。

3.2 細粒浮選設備

細粒礦物由于質量小，比表面積大，表面能較高，導致疏水性目的礦物難于附著在氣泡上，不易被礦化，浮選回收率低，且礦物與脈石間夾雜嚴重，影響精礦品位。因此，細粒浮選主要的研究方向為：一是提高目的礦物與氣泡的碰撞機率，增強礦化作用，從而提高欲浮選礦物的回收率；二是減少礦化氣泡中脈石礦物的夾雜，提高精礦品位。

針對細粒礦的浮選，浮選設備應具有以下特點：充氣量大、氣泡小，以增強細粒目的礦物與氣泡的碰撞接觸概率；具有較厚的泡沫層；氣泡中的夾雜量少等。目前研制成功且應用廣泛的細粒浮選設備主要為浮選柱。浮選柱種類多，但各類浮選柱外形結構和工作原理相似，一般無攪拌裝置，圓柱形或者方形槽體，具有較大的高徑比，空氣從浮選柱的底部給入產(chǎn)生氣泡，礦漿從浮選柱的上部給入，與從下而上的氣泡在靜態(tài)環(huán)境下發(fā)生碰撞，被礦化的氣泡在浮力作用下向上運動到達泡沫區(qū)，在沖洗水的作用下，進行二次富集，最終從溢流堰排出[4]。用于細粒浮選的浮選柱主要有高效射流型浮選柱、充氣填充式浮選柱、旋流-靜態(tài)微泡浮選柱、磁浮選柱等。

高效射流型浮選柱關鍵部件為充氣攪混裝置，噴嘴將給入的礦漿噴射到吸氣室內(nèi)，并形成負壓，吸入空氣，使得礦漿與空氣混合均勻，在卷吸效應下，礦漿在下導管內(nèi)很快被礦化，并進入擴大管，此時礦漿的動能轉化為勢能，由分散器將礦漿均勻分散到槽底，在槽內(nèi)被再次礦化，此時礦漿壓力減小，在槽底形成的氣泡攜帶目的礦物上升形成泡沫層，礦粒的多次礦化提高了細粒礦物浮選品位和回收率。

充氣填充式浮選柱在柱體內(nèi)部添加介質，使得柱內(nèi)形成了許多狹窄曲折的通道，氣泡被連續(xù)分割，形成大量微小氣泡，且氣泡上升的線路延長，增大了氣泡與礦粒碰撞幾率和粘附效率，從而提高細粒礦物浮選精礦品位和回收率。

旋流-靜態(tài)微泡浮選柱，其主要特點是采用自吸射流成泡方式形成微泡，三相旋流分選與柱浮選相結合，使得礦物產(chǎn)生按密度分離與表面浮選的疊加效應，提高了細粒礦物的浮選效率。

3.3 氧化礦浮選設備

氧化礦在進行浮選時存在礦粒在氣泡上附著不強、浮選泡沫細而黏、微細氣泡上升速度小、礦漿中含有大量氣泡、從槽內(nèi)排出的泡沫不易破碎等特點，因此用于氧化礦浮選的設備應具有充氣量大小可任意調(diào)節(jié)、浮選機槽內(nèi)攪拌力要適中的特點。攪拌力太強會影響礦化，攪拌力太弱容易產(chǎn)生沉淀，需要葉輪-定子系統(tǒng)在槽內(nèi)產(chǎn)生的流體能夠滿足槽內(nèi)含有大量微細氣泡的浮選動力學要求，且泡沫的返回不能采用泡沫泵，必須采用能夠自吸礦漿的浮選機。

氧化礦浮選應采用外充氣式具有吸漿能力和不具有吸漿能力的組合浮選機組進行浮選，葉輪采用高比轉速后傾式葉輪、懸空式徑向短葉片開式定子[5]。

氧化礦浮選對充氣量變化非常敏感，且泡沫量大而黏，在浮選機槽體截面積較小時，泡沫有爬高的現(xiàn)象。所以，浮選機需設計充氣量調(diào)節(jié)裝置，使充氣量調(diào)節(jié)裝置在全關閉狀態(tài)下能產(chǎn)生一個不超過充氣量調(diào)節(jié)范圍下限所需的氣量且又大于在中空軸產(chǎn)生的風速，使泡沫不能從中空軸流入軸承中去。

3.4 選煤用浮選設備

隨著煤礦長期開放式開采，粗顆粒易選別煤礦越來越少，細粒級煤礦所占比例越來越大，浮選技術作為細粒選煤的核心技術，在煤炭行業(yè)所占比例越來越重要。按照選煤能力統(tǒng)計，應用浮選法的選煤量占入選原煤量的10%以上，且隨著采出煤礦嵌布粒度的降低，浮選法的應用比例提高。選煤浮選機主要設備是XJM-S系列機械攪拌式浮選機，主要發(fā)展方向為設備的大型化、提高設備的處理量和分選粒度上限、強化浮現(xiàn)前的調(diào)漿作用[6-7]。

4 設備自動化

隨著浮選設備的大型化以及人工成本的不斷增加，浮選機自動控制的研究越來越重要，在近幾年得到了快速發(fā)展。目前研制的浮選機自動控制系統(tǒng)包括液位控制系統(tǒng)、充氣量控制系統(tǒng)和軸溫檢測系統(tǒng)。

大型浮選機容積大、槽體深，保持浮選機內(nèi)礦漿的穩(wěn)定有利于提高浮選效果。液位控制系統(tǒng)包括液位測量裝置、液位執(zhí)行機構和液位控制箱3部分。

對于外充氣式浮選機，浮選機充氣量直接影響浮選效果，充氣量過大，葉輪不能使礦漿和空氣充分混合，出現(xiàn)紊流現(xiàn)象，且浮選機有效容積也會減少；充氣量過小，不能使礦粒與氣泡充分作用，降低浮選效果。充氣量控制系統(tǒng)由氣量檢查裝置和氣量控制裝置組成[8]。

浮選機的核心部件是主軸部件，主軸與軸承為運轉傳遞的核心部件，也是日常維護的關鍵部件。因此在浮選機的上、下軸承處安裝溫度測量裝置，能夠時時檢測軸承溫度，并在溫度過高時及時采取措施，延長軸承使用壽命。

5 設備節(jié)能化

目前，浮選法已成為礦物選別的最重要的方法，如何降低浮選能耗，提高經(jīng)濟效益一直是研究的重要課題。葉輪—定子系統(tǒng)為機械攪拌式浮選機的核心，其幾何參數(shù)是否合理，直接關系到浮選機的浮選效果和能量消耗，經(jīng)過大量的試驗論證，采用高比轉速后傾式葉輪、高懸式徑向葉片能夠很好地完成浮選且能量消耗減少20%～30%。在浮選機容積一定情況下，盡量加深槽體，槽體的截面積相應減少，葉輪直徑也隨之減少，能夠降低能耗。長遠考慮，可采用變頻方法來改變浮選機主軸部件的轉速，這樣能夠增加電機的使用壽命，對浮選機起到一定保護作用，也方便浮選機的靈活改造。

6 結 語

近年來浮選設備在大型化、專業(yè)化、精細化、自動化、節(jié)能化等方面取得了巨大的成績，并獲得了成功的工業(yè)應用，推動著選礦技術的進步。但在設備智能化方面的研究還不夠，在某些難選礦、貧化礦方面的研究還存在不足。指出浮選設備今后將朝著低能耗、安全高效、操作簡單、維修方便的方向發(fā)展。

[1] 沈政昌，盧世杰，楊麗君.KYF系列大型浮選機的研制開發(fā)與應用[J].有色金屬，2008，60(4)：115-119.

[2] 沈政昌，楊麗君，陳 東.充氣機械攪拌式浮選機放大方法的研究[J].有色金屬，2007(3)：32-37.

[3] 沈政昌.冶煉爐渣選礦設備研究與實踐[J].銅業(yè)工程，2009(4)：1-4.

[4] 趙培培，曹亦俊.細粒礦物浮選技術和高效浮選柱研究進展[J].金屬礦山，2011(12)：78-81.

[5] 沈政昌，史帥星，盧世杰，等.浮選設備發(fā)展概況[J].有色設備，2004(S1)：21-26.

[6] 王懷法.近三年來浮選技術的進展[J].選煤技術，2006(5)：33-38.

[7] 邱 寧，郝景潤.浮選設備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].煤炭加工與綜合利用，2014(11)：31-33.

[8] 武 濤，楊文旺，李 強，等.大型充氣機械攪拌式浮選機控制系統(tǒng)的設計與應用[J].有色金屬，2012(5)：62-66.

[9] 盧世杰，李曉峰.浮選設備發(fā)展趨勢[J].銅業(yè)工程，2008(2)：1-5.

2015-05-18)

殷 武(1988—)，男，助理工程師，碩士，102600 北京市大興區(qū)北興路東段22號。