浮选设备的新进展

殷 武

(北京矿冶研究总院)

浮选设备的新进展

殷 武

(北京矿冶研究总院)

介绍了近年来我国浮选设备发展概况，并分别从设备大型化、精细化、专业化、自动化、节能化等方面介绍了浮选设备的研究进展，指出今后浮选设备应朝着大型、节能高效、操作维护方便的方向发展。

浮选设备 大型化 精细化 专业化 自动化 节能化

浮选是根据矿物颗粒表面物理化学性质的不同，从矿石中分离有用矿物的技术方法。浮选可分为泡沫浮选和非泡沫浮选两种，其主要用于对细粒嵌布的金属矿物、非金属矿物、化工原料矿物进行分选。目前，为大家所熟知的为泡沫浮选，已成为矿物选别的最重要的方法之一，在选别有色金属矿物领域应用所占比例达90%，在黑色金属矿物领域应用所占比例为50%，在选煤领域应用比例也达到10%以上。

从1904年Elmorf真空浮选机获得专利，浮选技术的研究已经历了100多年的发展，浮选设备研发也取得了令人瞩目的成就。目前，世界上使用广泛且应用效果较好的浮选设备有F.L.Smidth公司的Wemco浮选机，Outotec公司的OK-Tankcell浮选机，Mesto公司的Reactor Cell System浮选机，俄罗斯国立有色金属研究所的φⅡ型浮选机，北京矿冶研究总院的XCF/KYFII型浮选机。

我国在浮选设备的研发方面起步较晚，从20世纪60年代开始对浮选设备进行研发与推广，现有的浮选设备主要有机械搅拌式浮选机和充气搅拌式浮选机。近年来，浮选设备的研究方向主要有大型化、精细化、专业化、自动化、节能化等。

1 设备大型化

随着经济的快速增长，对矿产资源的需求量不断增大，而矿产资源的不断开发利用使得高品位、易选矿不断减少，因此低贫矿的开采量将随之增大，浮选设备的大型化已成为必然趋势。

机械搅拌式浮选机工作性能良好，在浮选设备中占据着绝对主导地位。沈政昌等针对机械搅拌式浮选机的放大设计作了大量的研究工作。浮选机在进行放大设计时，首先应保证浮选机形状相似，具体表现在槽体相似、叶轮搅拌机构的几何尺寸相似，这是保证浮选机流体动力学相似的前提；其次，要保证浮选机浮选动力学相似，用雷诺数Re来表征其流体特性，当浮选机容积较小时，叶轮设计可依据叶轮平均搅拌雷诺数Re相等的原则，但当浮选机容积较大时，Re应遵循相应的放大规律。该类型浮选机放大设计方法同样适用于充气式机械搅拌式浮选机[1-2]。

目前，工业应用的最大浮选机容积为320 m3，2009年，北京矿冶研究总院在原有浮选机技术的基础上，开展了单槽容积为600 m3的外充气机械搅拌式浮选机的研究，2013年，已完成理论研究；Outotec于2012年开展了Tankcell 500 m3的研究。

2 设备精细化

随着设备大型化的发展，浮选设备各项性能的提高和细节的优化变得越来越重要。针对以工程经验和相似放大理论为核心手段在浮选机大型化、系统化的设计过程当中存在的设计周期长、经济成本高的问题，国内以北京矿冶研究总院为代表的研发机构引入了计算机流体模拟仿真技术CFD，其能够模拟浮选机研发设计、结构优化及运行全过程，快速高效地完成设备优化设计，根据矿石的不同性质特点开展专门的有针对性地设计，保证设备性能可靠，细化支撑设备的开发。同时，引进了3D-PIV测速技术，能够测得浮选机内各矿粒的运动状态，针对不同分选环境，分析浮选机内部矿浆的全局流动和局部关键结构的流体动力学特性，提高了设备的研发水平。

3 设备专业化

由于不同矿山矿石性质、矿物组成、有用矿物嵌布粒度不同，矿物可浮性不同。按入选矿石的性质差异，可分为粗颗粒浮选设备、细粒浮选设备、氧化矿专用浮选设备、选煤用浮选设备等。

3.1 粗粒浮选设备

一般浮选机的最佳给料粒度为10～100 μm，当入选的矿石粒度大于或小于此粒度范围时，浮选的选别指标会大幅降低。然而很多入选的矿物存在密度大，嵌布粒度不均匀，呈现粗、细粒级分布较多，中间粒级分布较少等特点，对于此类矿物若能提高浮选机的入选粒度范围，对浮选意义重大。

适用于较宽入选粒度范围的浮选机应具有以下特点，一是在搅拌区具有强有力的搅拌力，使得高密度矿粒不沉槽；二是需要较平稳的分离区和稳定的泡沫区，这样被矿化的颗粒不易脱落；三是要有较大的充气量和较短的浮选上升距离；四是通过叶轮的矿浆量要大[3]。为此，北京矿冶研究总院研制了宽粒级浮选机，对浮选机的槽体、叶轮和定子结构进行了有针对性地设计，将浮选入选粒度范围提升到0～400 μm。

宽粒级浮选机槽体采用内外双循环通道，且装有假底，能够增加循环量，使得在叶轮搅拌力不强条件下高密度矿物能够充分悬浮，从而使搅拌区循环量增大，分离区和泡沫区较为稳定。浮选机槽内装有格子板，在槽体内形成一层悬浮层，它能够使得高密度矿物在浅槽状态下浮选，减小高密度矿物的上升距离，且将分离区与搅拌区隔离开来，形成稳定的分离区和泡沫区。叶轮采用中比转速后倾式叶片，定子采用下盘封闭式径向短叶片定子，保证了矿浆在搅拌力较弱的情况下能够充分悬浮。

3.2 细粒浮选设备

细粒矿物由于质量小，比表面积大，表面能较高，导致疏水性目的矿物难于附着在气泡上，不易被矿化，浮选回收率低，且矿物与脉石间夹杂严重，影响精矿品位。因此，细粒浮选主要的研究方向为：一是提高目的矿物与气泡的碰撞机率，增强矿化作用，从而提高欲浮选矿物的回收率；二是减少矿化气泡中脉石矿物的夹杂，提高精矿品位。

针对细粒矿的浮选，浮选设备应具有以下特点：充气量大、气泡小，以增强细粒目的矿物与气泡的碰撞接触概率；具有较厚的泡沫层；气泡中的夹杂量少等。目前研制成功且应用广泛的细粒浮选设备主要为浮选柱。浮选柱种类多，但各类浮选柱外形结构和工作原理相似，一般无搅拌装置，圆柱形或者方形槽体，具有较大的高径比，空气从浮选柱的底部给入产生气泡，矿浆从浮选柱的上部给入，与从下而上的气泡在静态环境下发生碰撞，被矿化的气泡在浮力作用下向上运动到达泡沫区，在冲洗水的作用下，进行二次富集，最终从溢流堰排出[4]。用于细粒浮选的浮选柱主要有高效射流型浮选柱、充气填充式浮选柱、旋流-静态微泡浮选柱、磁浮选柱等。

高效射流型浮选柱关键部件为充气搅混装置，喷嘴将给入的矿浆喷射到吸气室内，并形成负压，吸入空气，使得矿浆与空气混合均匀，在卷吸效应下，矿浆在下导管内很快被矿化，并进入扩大管，此时矿浆的动能转化为势能，由分散器将矿浆均匀分散到槽底，在槽内被再次矿化，此时矿浆压力减小，在槽底形成的气泡携带目的矿物上升形成泡沫层，矿粒的多次矿化提高了细粒矿物浮选品位和回收率。

充气填充式浮选柱在柱体内部添加介质，使得柱内形成了许多狭窄曲折的通道，气泡被连续分割，形成大量微小气泡，且气泡上升的线路延长，增大了气泡与矿粒碰撞几率和粘附效率，从而提高细粒矿物浮选精矿品位和回收率。

旋流-静态微泡浮选柱，其主要特点是采用自吸射流成泡方式形成微泡，三相旋流分选与柱浮选相结合，使得矿物产生按密度分离与表面浮选的叠加效应，提高了细粒矿物的浮选效率。

3.3 氧化矿浮选设备

氧化矿在进行浮选时存在矿粒在气泡上附着不强、浮选泡沫细而黏、微细气泡上升速度小、矿浆中含有大量气泡、从槽内排出的泡沫不易破碎等特点，因此用于氧化矿浮选的设备应具有充气量大小可任意调节、浮选机槽内搅拌力要适中的特点。搅拌力太强会影响矿化，搅拌力太弱容易产生沉淀，需要叶轮-定子系统在槽内产生的流体能够满足槽内含有大量微细气泡的浮选动力学要求，且泡沫的返回不能采用泡沫泵，必须采用能够自吸矿浆的浮选机。

氧化矿浮选应采用外充气式具有吸浆能力和不具有吸浆能力的组合浮选机组进行浮选，叶轮采用高比转速后倾式叶轮、悬空式径向短叶片开式定子[5]。

氧化矿浮选对充气量变化非常敏感，且泡沫量大而黏，在浮选机槽体截面积较小时，泡沫有爬高的现象。所以，浮选机需设计充气量调节装置，使充气量调节装置在全关闭状态下能产生一个不超过充气量调节范围下限所需的气量且又大于在中空轴产生的风速，使泡沫不能从中空轴流入轴承中去。

3.4 选煤用浮选设备

随着煤矿长期开放式开采，粗颗粒易选别煤矿越来越少，细粒级煤矿所占比例越来越大，浮选技术作为细粒选煤的核心技术，在煤炭行业所占比例越来越重要。按照选煤能力统计，应用浮选法的选煤量占入选原煤量的10%以上，且随着采出煤矿嵌布粒度的降低，浮选法的应用比例提高。选煤浮选机主要设备是XJM-S系列机械搅拌式浮选机，主要发展方向为设备的大型化、提高设备的处理量和分选粒度上限、强化浮现前的调浆作用[6-7]。

4 设备自动化

随着浮选设备的大型化以及人工成本的不断增加，浮选机自动控制的研究越来越重要，在近几年得到了快速发展。目前研制的浮选机自动控制系统包括液位控制系统、充气量控制系统和轴温检测系统。

大型浮选机容积大、槽体深，保持浮选机内矿浆的稳定有利于提高浮选效果。液位控制系统包括液位测量装置、液位执行机构和液位控制箱3部分。

对于外充气式浮选机，浮选机充气量直接影响浮选效果，充气量过大，叶轮不能使矿浆和空气充分混合，出现紊流现象，且浮选机有效容积也会减少；充气量过小，不能使矿粒与气泡充分作用，降低浮选效果。充气量控制系统由气量检查装置和气量控制装置组成[8]。

浮选机的核心部件是主轴部件，主轴与轴承为运转传递的核心部件，也是日常维护的关键部件。因此在浮选机的上、下轴承处安装温度测量装置，能够时时检测轴承温度，并在温度过高时及时采取措施，延长轴承使用寿命。

5 设备节能化

目前，浮选法已成为矿物选别的最重要的方法，如何降低浮选能耗，提高经济效益一直是研究的重要课题。叶轮—定子系统为机械搅拌式浮选机的核心，其几何参数是否合理，直接关系到浮选机的浮选效果和能量消耗，经过大量的试验论证，采用高比转速后倾式叶轮、高悬式径向叶片能够很好地完成浮选且能量消耗减少20%～30%。在浮选机容积一定情况下，尽量加深槽体，槽体的截面积相应减少，叶轮直径也随之减少，能够降低能耗。长远考虑，可采用变频方法来改变浮选机主轴部件的转速，这样能够增加电机的使用寿命，对浮选机起到一定保护作用，也方便浮选机的灵活改造。

6 结 语

近年来浮选设备在大型化、专业化、精细化、自动化、节能化等方面取得了巨大的成绩，并获得了成功的工业应用，推动着选矿技术的进步。但在设备智能化方面的研究还不够，在某些难选矿、贫化矿方面的研究还存在不足。指出浮选设备今后将朝着低能耗、安全高效、操作简单、维修方便的方向发展。

[1] 沈政昌，卢世杰，杨丽君.KYF系列大型浮选机的研制开发与应用[J].有色金属，2008，60(4)：115-119.

[2] 沈政昌，杨丽君，陈 东.充气机械搅拌式浮选机放大方法的研究[J].有色金属，2007(3)：32-37.

[3] 沈政昌.冶炼炉渣选矿设备研究与实践[J].铜业工程，2009(4)：1-4.

[4] 赵培培，曹亦俊.细粒矿物浮选技术和高效浮选柱研究进展[J].金属矿山，2011(12)：78-81.

[5] 沈政昌，史帅星，卢世杰，等.浮选设备发展概况[J].有色设备，2004(S1)：21-26.

[6] 王怀法.近三年来浮选技术的进展[J].选煤技术，2006(5)：33-38.

[7] 邱 宁，郝景润.浮选设备现状及发展趋势[J].煤炭加工与综合利用，2014(11)：31-33.

[8] 武 涛，杨文旺，李 强，等.大型充气机械搅拌式浮选机控制系统的设计与应用[J].有色金属，2012(5)：62-66.

[9] 卢世杰，李晓峰.浮选设备发展趋势[J].铜业工程，2008(2)：1-5.

2015-05-18)

殷 武(1988—)，男，助理工程师，硕士，102600 北京市大兴区北兴路东段22号。