工業(yè)浮選過程測試新進展

劉國蓉，劉承帥，孟 瑋，萬 磊

（北礦機電科技有限責(zé)任公司，北京 100160）

1 引言

浮選是氣、液、固三相體系中完成的復(fù)雜的物理化學(xué)過程。為揭示浮選過程，實驗室的檢測手段發(fā)展迅速多樣，將選礦由一門工程技術(shù)發(fā)展成為一門理論豐富、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)技術(shù)。浮選實驗室檢測手段主要針對礦石、藥劑、礦漿體系的物理化學(xué)性質(zhì)以及浮選藥劑和礦物的相互作用。如礦物解離度、表面潤濕性、接觸角、表面電位的測定；藥劑吸附量、表面張力的測定；紅外光譜、原子吸收光光度法的應(yīng)用、原子力顯微鏡的應(yīng)用；礦漿體系pH、電導(dǎo)率以及氧化還原電位的測定等實驗室測試方法。浮選研究過程中，每一種新的測試方法的出現(xiàn)或者引入，都將顯著推進科研工作者對浮選機理的理解。

相比而言，工業(yè)規(guī)模浮選過程檢測手段研究較少。然而，此類檢測手段一旦成熟，更容易獲得浮選過程中出現(xiàn)的問題，找到優(yōu)化改進突破口。例如，澳大利亞礦物工業(yè)研究協(xié)會（AMIRA）P9項目［1］，Power等［2］等多方面長時間對不同類型的浮選槽中決定流 體動力學(xué)條件的主要因素，如氣泡尺寸、礦漿含氣量及氣體橫截面速度等進行了測量，建立了數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫包含800個浮選槽的相關(guān)測試信息。800個浮選槽來自不同國家和地區(qū)（澳大利亞、南非、加拿大等）、不同浮選設(shè)備制造商（奧圖泰、威姆克、美卓等）、不同浮選作業(yè)（粗選、精選、掃選等）、不同礦石種類（銅、鉛、鋅、金等），不同浮選槽規(guī)格（20m3-150m3）。該數(shù)據(jù)庫主要用于指導(dǎo)浮選操作的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化，盡可能早的發(fā)現(xiàn)浮選過程中出現(xiàn)的設(shè)備/工藝問題，使選廠效益最大化。

國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中一般通過液位、充氣量測量與控制來控制浮選過程，通過給礦、泡沫和尾礦的取樣來分析品位和回收率來評價分選效果；對粒級回收率、充氣量、浮選機槽內(nèi)礦漿濃度分布、氣泡分散性、氣泡直徑分布分析浮選設(shè)備性能對浮選工藝的匹配性。然而，這些都是一定程度上反映出浮選過程的條件優(yōu)劣，而泡沫浮選的本質(zhì)是通過氣泡的礦化攜帶在其上的礦物顆粒進入泡沫層實現(xiàn)回收。穩(wěn)定、可靠直接測試氣泡礦化功能、影響氣泡礦化因素的表征和測試等對指導(dǎo)、優(yōu)化工業(yè)現(xiàn)場操作參數(shù)有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值，本文總結(jié)了近年來工業(yè)浮選過程中常用的測試方法以及相關(guān)的展望。

2 典型的浮選過程參數(shù)檢測方法

2.1 浮選氣泡尺寸檢測

John Palston［3］， HJ Schulze［4］等建立的浮選微觀模型認(rèn)為：礦物浮選分離可用概率表示，浮選概率可分為顆粒與氣泡的碰撞、顆粒與氣泡的吸附、顆粒隨氣泡上浮過程中沒有脫落并成功進入精礦的概率。Yoon［5］計算中等雷諾數(shù)條件下的顆粒流經(jīng)氣泡周圍的繞流方程，得出顆粒與氣泡的碰撞概率與氣泡直徑的平方成反比。Nguen［6］分析了顆粒在氣泡表面的運動軌跡，發(fā)現(xiàn)吸附概率與氣泡直徑和顆粒表面性質(zhì)均有影響。實際礦石浮選方面，覃文慶等［7］對用電解氫氣對不同粒級的細(xì)粒錫石進行了浮選試驗，通過改變陰極孔徑大小調(diào)節(jié)氣泡大小，通過改變電流強度調(diào)節(jié)氣量，研究表明氣泡大小與礦物顆粒之間有最佳的匹配范圍。在此范圍內(nèi)，回收率最高。任瀏祎［8］系統(tǒng)研究了顆粒大小、氣泡大小、氣泡量、pH等對錫石浮選回收率的影響，研究表明，要得到最高的回收率，不同粒級錫石分別有最佳的氣泡尺寸相匹配。這些研究都表明，氣泡直徑對顆粒與氣泡的碰撞和吸附過程有重要影響。

對于不同氣泡尺寸的測量，主要有圖像分析法、電阻率法、光學(xué)傳感器法、多孔板法、漂移量分析法等。Wei Zhang［9］對半工業(yè)（0.8m3）浮選槽內(nèi)氣泡尺寸進行了測量，總結(jié)了礦漿性質(zhì)---氣泡尺寸之間的關(guān)系。張世杰等［10］對實驗室（2L）浮選槽內(nèi)氣泡尺寸進行了測量，研究了起泡劑對氣泡粒度分布的影響。目前國內(nèi)較成熟工業(yè)測量氣泡尺寸及分布的設(shè)備是北京拓金科技有限責(zé)任公司研發(fā)的BubbleSizeAnalyzerTM氣泡分析儀。目前已在江西銅業(yè)集團德興銅礦取得成功應(yīng)用，簡圖如圖1。

圖1 BubbleSizeAnalyzerTM氣泡分析儀示意圖

2.2 氣泡在礦漿體系中的負(fù)載率檢測

氣泡負(fù)載是直接在浮選過程中對礦化氣泡取樣，考察礦物顆粒在浮選氣泡吸附情況的參數(shù)，對優(yōu)化浮選參數(shù)、指導(dǎo)提高目的礦物可浮性和與脈石礦物的分離有重要作用。1992年，F(xiàn)alutsu and Dobby［11］研究了從浮選柱礦漿中分離被氣泡吸附的固體顆粒的方法和儀器，被認(rèn)為是最早直接測量氣泡負(fù)載的裝置之一。1995年，Dyer［12］首次根據(jù)實際位移（容積式）原理，設(shè)計發(fā)明了裝置測量氣泡負(fù)載，該裝置通過插入礦漿中的立管，收集礦化氣泡，礦化氣泡升入收集倉中破裂后吸附的礦物顆粒脫落，通過計算氣泡體積和礦物顆粒的質(zhì)量便可得到浮選氣體的負(fù)載特性（g/L）。2004年，Seaman［13］完善了該形式測量氣泡負(fù)載特性的裝置，改進了立管和收集倉內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，使取樣變得更加簡化和準(zhǔn)確。2010年，Moys［14］系統(tǒng)的總結(jié)了上述兩種不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式的測試裝置，總結(jié)了理想的測量氣泡負(fù)載特性裝置具備的8條標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)的完善了氣泡負(fù)載測試方法的可靠性和工業(yè)可行性。

之后出現(xiàn)了大量關(guān)于實驗室或工業(yè)規(guī)模浮選氣泡負(fù)載測試的報道，2008年，Yianatos［15］通過建模分析，通過結(jié)合礦化氣泡表面礦物覆蓋率、浮選截面氣體表面積通量、充氣量和氣泡負(fù)載率等參數(shù)研究浮選過程中通過礦漿-泡沫層截面的質(zhì)量通量，最終通過理論計算求得浮選回收率。并在智利銅業(yè)某選廠130m3浮選機試驗，具有較好的相關(guān)性。該研究中浮選回收率計算公式為：其中，C為泡沫產(chǎn)品的流量（tph），XC為精礦品位，λB為氣泡負(fù)載率，JG為氣體表面積通量，AC為浮選機橫截面積，XB為氣泡負(fù)載的礦石品位。

氣泡負(fù)載率測試設(shè)備簡圖如圖2。

圖2 氣泡負(fù)載率設(shè)備簡圖

由此，浮選回收率可以由一系列的浮選過程參數(shù)表示，該方法指導(dǎo)工業(yè)現(xiàn)場操作參數(shù)（如浮選藥劑、充氣速率、泡沫層厚度、礦漿濃度、磨礦細(xì)度等）的控制策略，具有很強的應(yīng)用價值。

圖3 改進后的氣泡負(fù)載率測量裝置簡圖

北礦機電科技有限責(zé)任公司于2016年優(yōu)化了測量氣泡負(fù)載率的系統(tǒng)（專利號：CN 106501033 A），見圖3。該系統(tǒng)增加了浮選充氣量的測量功能，將氣泡負(fù)載率和充氣量結(jié)合起來探索礦物粒群的浮選過程。韓登峰［16］利用優(yōu)化后的氣泡負(fù)載率測試系統(tǒng)檢測了江西某銅礦的浮選過程，發(fā)現(xiàn)了粗粒級硫鐵礦在掃選作業(yè)易脫落現(xiàn)象，提出了相關(guān)解決方案。據(jù)了解，該系統(tǒng)在攀枝花地區(qū)鈦鐵礦浮選、江西多地銅硫浮選中得到了廣泛的應(yīng)用，對浮選過程提出了很多切實可行的優(yōu)化方案。

2.3 礦物顆粒在浮選槽內(nèi)的運動參數(shù)

粒子圖像測速技術(shù)（PIV）被廣泛應(yīng)用于實驗室浮選機的流場模擬，由于其是非侵入式測量，在真實礦漿中（或者非透明液體中）使用受限。目前僅在實驗室條件下測試實驗室浮選機的流場狀態(tài)。

圖4 3D-PIV測試系統(tǒng)

圖5 礦物顆粒運行軌跡實測圖［17］

在實際浮選體系中，礦漿是氣-液-固三相復(fù)雜體系，浮選礦漿內(nèi)部不透明性使得幾乎所有的光學(xué)測量手段均不能使用。英國伯明翰大學(xué)最早將正電子發(fā)射示蹤技術(shù)（PEPT）從醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用到工程領(lǐng)域。2008年，Waters在浮選領(lǐng)域成功應(yīng)用該技術(shù)［18］。PEPT技術(shù)可以在不透明的、三相體系礦漿中定量的研究流體性質(zhì)（速度分布、流場分布等）。北京礦冶研究總院研究總院在江西銅業(yè)集團德興銅礦680m3浮選機工業(yè)試驗過程中也用到該技術(shù)，考察礦漿停留時間、浮選槽內(nèi)“死區(qū)”，進一步優(yōu)化浮選槽內(nèi)流場分布，為680m3超大型浮選機的成功研制提供了較好的測試手段。

2.4 浮選槽內(nèi)礦漿湍現(xiàn)象的檢測［19］

礦漿湍流是浮選過程的關(guān)鍵現(xiàn)象，它決定礦物顆粒的懸浮、空氣的分散、顆粒-氣泡碰撞、吸附和脫落。大多數(shù)傳統(tǒng)浮選機浮選過程中，通過葉輪將能量傳遞給礦漿，礦漿湍流強度在葉輪區(qū)附近最大，上層懸浮區(qū)湍流強度較小。湍流由不同尺寸和速度的旋渦組成，按照浮選機的分區(qū)（強攪拌區(qū)、懸浮區(qū)、分離區(qū)、泡沫區(qū)），湍流強度不斷變小，最終實現(xiàn)有用礦物和目的礦物的分離。

葉輪攪拌產(chǎn)生的大湍流使得礦石顆粒分散和懸浮，大湍流中的微湍流控制氣泡與礦物顆粒的碰撞、吸附和脫落。同時，湍流也能影響礦物的夾帶、泡沫的二次富集等微細(xì)過程，從而宏觀上影響浮選指標(biāo)。

浮選槽中湍流強度和分布受輸入功率、充氣量、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪形式、槽體尺寸等影響。在浮選機大型化中，為保持大型浮選機分選性能，各浮選設(shè)備廠家核心技術(shù)就是各自的放大理論，這些理論都是為了保障浮選機湍流（流場）分布的合理，確保浮選機的分選性能。

目前常用的檢測浮選機槽內(nèi)礦漿湍流（流場）特性的方法主要可分為光學(xué)技術(shù)、壓力測量技術(shù)、導(dǎo)電性/電阻檢測技術(shù)、放射性顆粒跟蹤技術(shù)、電信號檢測技術(shù)等，通過測量顆粒-氣泡以及礦漿體系自身的濃度、分布、速度等特征，賴表征礦漿的湍流信息，通過和以往成功經(jīng)驗/理論模擬對比，優(yōu)化浮選流程。部分能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)浮選過程中復(fù)雜的氣-液-固三相體系的檢測，部分還停留在二相流或單相流的檢測。

3 總結(jié)與展望

浮選過程是浮選藥劑、工藝和設(shè)備共同完成，在多維的空間和時間實現(xiàn)目的礦物與氣泡按約束條件運動，次序?qū)崿F(xiàn)浮選回收的過程。涉及復(fù)雜的物理化學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科。人們對資源綜合高效利用的追求不斷提升，浮選過程精細(xì)化控制顯得尤為重要。探尋準(zhǔn)確表征、檢測浮選過程特性的參數(shù)以及優(yōu)化檢測技術(shù)，成功應(yīng)用到工業(yè)實踐、指導(dǎo)生產(chǎn)是提升浮選指標(biāo)的必由之路。

本文總結(jié)了目前工業(yè)浮選過程測試進展，浮選氣泡尺寸和分布測量、氣泡負(fù)載率測試、礦物顆粒在浮選槽中運動特性以及浮選過程湍流特性測試，大大加深我們對浮選過程的探討和理解。這些測試手段的引入，將浮選工藝和設(shè)備的實驗室研究與工業(yè)實踐緊密聯(lián)系起來，對優(yōu)化浮選設(shè)備設(shè)計和操作有重要意義。