石英砂渦流自循環(huán)非金屬浮選提純裝備的研究

袁 揚(yáng)

（吉林省地質(zhì)技術(shù)裝備研究所，長(zhǎng)春 130103）

高純石英砂廣泛用于光伏、電子、高端電光源、薄膜材料以及國(guó)防科技等領(lǐng)域，是高端制造行業(yè)不可替代的原輔材料。浮選是石英砂提純過(guò)程中重要的工藝過(guò)程。然而，高純石英對(duì)于粒度有嚴(yán)格要求（40 ～70 目、70 ～140 目），導(dǎo)致被浮選的石英砂礦漿具有濃度高、粒度大的特點(diǎn)?，F(xiàn)有浮選機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高濃度、大粒徑石英砂礦物的有效提純。此外，浮選槽材料為金屬，會(huì)造成浮選后的精礦被污染，影響后續(xù)的工藝過(guò)程。因此，提出研發(fā)具有渦流自循環(huán)非金屬浮選機(jī)構(gòu)的高純石英砂浮選樣機(jī)，為石英砂資源的高效開(kāi)發(fā)利用提供技術(shù)支撐[1]。

1 研究現(xiàn)狀

浮選技術(shù)廣泛應(yīng)用于細(xì)粒嵌布的金屬礦物、非金屬礦產(chǎn)以及化工原料礦物等的分選。利用晶體表面的晶格缺陷，使向外的疏水端部分插入氣泡，這樣在浮選過(guò)程中氣泡可以將指定的礦粉帶走，達(dá)到選礦的目的。浮選是石英砂提純過(guò)程中重要的工藝過(guò)程，但現(xiàn)有的浮選技術(shù)不適用于石英砂礦物的提純。一方面，浮選后的微生物浸出工藝主要是用微生物浸除石英砂顆粒表面的薄膜鐵或浸染鐵，因此普通浮選機(jī)的金屬機(jī)體容易對(duì)礦物造成二次污染。另一方面，普通浮選機(jī)不適用于石英砂礦漿的濃度和粒度，浮選效率較低。因此，需要針對(duì)石英砂礦漿的性質(zhì)特點(diǎn)和后續(xù)工藝的技術(shù)要求，研制具有防止二次污染、壽命長(zhǎng)、效率高的石英砂專用設(shè)備[2]。

2 要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

2.1 氣-液-固三相流體渦流自循環(huán)高效攪拌技術(shù)

石英砂礦漿在浮選槽內(nèi)能否被充分?jǐn)嚢?，是石英砂高效提純的關(guān)鍵。通過(guò)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用渦流自循環(huán)實(shí)現(xiàn)包含石英砂礦物的氣-液-固三相流體在浮選槽內(nèi)充分循環(huán)攪拌是要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

2.2 非金屬浮選槽無(wú)污染浮選技術(shù)

金屬浮選槽對(duì)石英砂精礦的二次污染問(wèn)題是影響石英砂高效提純的瓶頸問(wèn)題，直接影響后續(xù)提純工藝的運(yùn)行。采用非金屬材料制作浮選槽結(jié)合渦流自循環(huán)高效攪拌機(jī)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)高效攪拌的同時(shí)減少礦漿對(duì)浮選槽內(nèi)壁的磨損，是要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

3 采取的技術(shù)路線

3.1 渦流自循環(huán)攪拌機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有礦物浮選機(jī)攪拌機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合渦流自吸機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)針對(duì)礦物浮選的渦流自吸結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)礦漿的自循環(huán)攪拌。

設(shè)計(jì)葉輪、定子、槽體以及中心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式要具備以下能力[3]。

第一，葉輪能滿足大礦漿流量下礦粒充分懸浮，提高礦粒和氣泡混合效率；第二，定子結(jié)構(gòu)要能將葉輪產(chǎn)生的礦漿流轉(zhuǎn)化為徑向礦漿流，形成穩(wěn)定泡沫層；第三，中心筒結(jié)構(gòu)要具備礦漿再循環(huán)功能，增加礦粒和氣泡的結(jié)合率。

通過(guò)數(shù)值模擬研究能夠形成氣-液-固三相流體渦流自循環(huán)的葉輪、定子、槽體、中心筒結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)加工渦流自循環(huán)攪拌機(jī)構(gòu)。

石英砂浮選設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要攪拌循環(huán)結(jié)構(gòu)的布置如圖2 所示。

圖1 石英砂浮選設(shè)備

圖2 主軸部件結(jié)構(gòu)

3.2 多場(chǎng)耦合條件下三相流體渦流自循環(huán)運(yùn)動(dòng)特性研究

通過(guò)小型石英砂浮選實(shí)驗(yàn)?zāi)M，研究不同石英砂粒徑、充氣量和液體流速等參數(shù)條件下石英砂礦漿流場(chǎng)的變化特性，明確三相流體渦流自循環(huán)過(guò)程中礦漿流場(chǎng)對(duì)石英砂浮選效率作用機(jī)制，確定可提高石英砂礦物浮選效率的參數(shù)組合與結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算攪拌機(jī)構(gòu)主要運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，并通過(guò)小型浮選機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整驗(yàn)證[4]。圖3 為專為模擬實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的石英砂實(shí)驗(yàn)室浮選機(jī)。

圖3 石英砂實(shí)驗(yàn)室浮選機(jī)

大量的浮選實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，適合機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的固體完全離底懸浮的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為[5]

式中：nc為臨界轉(zhuǎn)速，r·min-1；Ks為槽體幾何形狀因子，取值為0.8 ～0.9；D槽為浮選機(jī)槽體直徑，m；dp為礦漿中大顆粒直徑，mm；B為浮選機(jī)內(nèi)礦漿固體質(zhì)量與液體質(zhì)量的比值；v為礦漿的運(yùn)動(dòng)黏度，MPa·s；g為重力加速度，m·s-2；ρs為固體顆粒的密度，g·cm-3；ρ1為液體密度，g·cm-3。

3.3 非金屬浮選槽與渦流自循環(huán)攪拌機(jī)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)不同非金屬材料的加工難易程度、耐腐性、耐磨損等基礎(chǔ)物性，初步選擇非金屬材料。開(kāi)展材料磨損試驗(yàn)，研究不同非金屬材料在石英砂礦漿流動(dòng)條件下的磨損程度和礦漿固有成分的演化規(guī)律，優(yōu)選非金屬材料。

設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的非金屬浮選槽，設(shè)計(jì)有兩方面要求：一是槽體結(jié)構(gòu)要具有減少四角礦砂堆積的功能，長(zhǎng)寬要適合葉輪的直徑，降低功耗，減少磨損；二是槽深要使在浮選過(guò)程中形成比較平穩(wěn)的泡沫層和較長(zhǎng)的分離區(qū)，提高精礦質(zhì)量和回收率。

此外，要針對(duì)不同的槽體結(jié)構(gòu)開(kāi)展不同參數(shù)條件下渦流自循環(huán)浮選實(shí)驗(yàn)，結(jié)合浮選效率和槽體磨損程度，優(yōu)化渦流自循環(huán)攪拌機(jī)構(gòu)。

3.4 石英砂專用浮選機(jī)的研制

制造工程樣機(jī)設(shè)計(jì)充氣量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和功率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使石英砂浮選機(jī)具備浮選過(guò)程全程自動(dòng)監(jiān)測(cè)和參數(shù)顯示功能。結(jié)合不同類型石英砂礦物和不同石英砂礦漿濃度，測(cè)試系統(tǒng)各功能。通過(guò)浮選實(shí)驗(yàn)獲得浮選率參數(shù)，基于效率最優(yōu)原則，進(jìn)一步優(yōu)化石英砂浮選機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)。選擇石英砂選礦企業(yè)和科研院所對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)合實(shí)際對(duì)其主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整并最終定型。圖4 為定型后批量生產(chǎn)的石英砂浮選機(jī)。

圖4 連云港某企業(yè)批量生產(chǎn)的石英砂浮選機(jī)

4 結(jié)語(yǔ)

采用渦流自循環(huán)技術(shù)的石英砂浮選機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了石英砂礦漿在浮選槽內(nèi)的充分?jǐn)嚢?，浮選機(jī)在自吸氣條件下通過(guò)新型葉輪定子產(chǎn)生的氣-液-固三相流體可高效浮選石英砂礦物。非金屬材料在石英砂浮選機(jī)上的應(yīng)用不但解決了石英砂精礦二次污染影響石英砂高效提純的問(wèn)題，還實(shí)現(xiàn)了在高效攪拌的同時(shí)減小礦漿對(duì)浮選槽內(nèi)壁的磨損，延長(zhǎng)了浮選機(jī)的使用壽命。實(shí)踐證明，該機(jī)節(jié)能、高效、壽命長(zhǎng)，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。