浮选柱的研究趋势及在金堆矿区的应用

郭修旺

(金堆城钼业股份有限公司，陕西 华县 714102 )

0 引 言

随着矿石资源开采利用量的逐步加大，“贫、细、杂”矿石所占的比重越来越大，因而也凸显出了很多选矿技术难题[1]。近几年，在选矿技术工作者的不懈努力下，我国的选矿基础理论研究和装备水平得到了很大发展。其中，基于浮选流场理论的研究，涌现出了大量新型浮选设备[2]。

浮选设备主要分为浮选机和浮选柱两大类，浮选工艺以浮选机为主时流程较长，占地面积大，设备台套多，检修工作量大。而浮选柱工艺占地面积小、节能、节约投资和运行成本，尤其是在细粒、微细粒物料分选方面能得到较高的富集比和回收率[3]。

近年来，浮选柱研究在发泡方式、矿化方式、自动控制系统、复合力场动力学模拟、柱体结构等方面取得了重大进展，出现了很多有代表性浮选柱[3-4]。我国应用的浮选柱主要有两种：一种是充气型浮选柱，以我国长沙有色冶金设计研究院的CCF浮选柱和加拿大的CPT浮选柱为主，另一种是自吸气型浮选柱，以中国矿业大学自主研发的FCSMC旋流-静态微泡浮选柱为首[5]。本文重点从以下几个方面进行详细阐述。

1 发泡方式的发展

气泡作为浮选的有效运输介质，是由气泡发生器生成的。气泡发生器是浮选柱最为关键的部件，不同结构和性能的气泡发生器生成气泡的方式、大小、分布都不同，对浮选效率影响很大。按照生成气泡位置的不同，气泡发生器可以分为内置式和外置式[2]。按照供气方式的不同，可以粗略的分为自吸气式和压气式，一般来说，自吸气式能耗较高，而压气式则需要一套供气系统。下面介绍几种主要的发泡方式。

1.1 射流原理发泡

借助射流原理发泡是指高压矿浆高速通过文丘里管的窄道后以射流的形式进入扩散管中，射流进入后在扩散管中形成一定的负压，空气由此被吸入。进入的空气在射流的搅拌作用下被粉碎成微小的气泡[6]。高压矿浆射入扩散管及之后切向进入浮选柱筒体中随着液位的上升，都存在矿浆压力减小的过程，压力减小使得微泡选择性的从疏水性矿粒表面析出，并上升成为最终泡沫产品[7-8]。

利用射流原理发泡的浮选柱有：旋流-静态微泡浮选柱、KYZ-A型顺流喷射型浮选柱、Jameson浮选柱、KYZ型浮选柱[9]。

1.2 剪切接触发泡

剪切接触发泡的原理是矿浆与气体以特定的方式高速接触来产生气泡。比较典型的有充填介质剪切发泡、静态混合器发泡以及旋流器式发泡。采用充填介质剪切发泡技术的有MTU充填介质浮选柱，该柱体内部装有多层充填板，层与层之间按90度角排列，当压缩空气从柱体底部给入时，充填板形成的细小曲折孔道将空气分给为微小气泡，气泡分散性好。采用静态混合器发泡比较典型的有美国的Microcel气泡发生器、TurboAir气泡发生器，国内北京矿冶研究总院应用于KYZE型浮选柱的气泡发生器。KYZE型浮选柱的发泡过程是由中矿循环泵从浮选柱底部抽吸的矿浆自上而下通过浮选柱周身布置的多个静态混合器后，与供气系统产生的高压气体高速剪切，形成微小气泡[10-11]。旋流式气泡发生器与旋流器结构类似，由供气系统提供的压缩空气由中心气管进入筒体，有压矿浆沿切向方向进入筒体中，在高速旋转的同时对空气流进行剪切作用。当裹挟着空气的矿浆从喷嘴喷出时，产生大量细小而均匀的气泡，该发泡器不存在破裂、结垢问题[12-13]。

1.3 空气喷射式发泡

空气喷射式发泡主要依靠安装在浮选柱底部的空气分散系统和高压喷枪将由供气系统提供的高压空气分解成细小气泡注入浮选柱中。空气分散系统在浮选柱底部采用阶梯型布置，在每个截面上都有一组环绕柱体的空气支管及多根均匀分布的气体喷射枪。可以通过调整喷射枪的开启个数和喷嘴的大小来调整气泡量的多少。该装置充气量大，气泡细小均匀，可以实现正常开车情况下的维修更换。应用此发泡方式的浮选柱主要有我国长沙有色冶金设计研究院的CCF浮选柱和加拿大的CPT浮选柱[5]。

1.4 电解水产生气泡

印度研制的电解浮选柱创新性地采用了电解水产生微小气泡的方式发泡，该方法是在浮选柱底部安装了电极，接通电源后将水电解为氢气和氧气，气泡的尺寸可以通过调节电流的大小来控制，气泡直径微小且较为稳定，因此用来做细粒级浮选效果好。由于浮选高效进行有一个前提条件是具有较大的比表观充气速率，并尽可能产生小气泡，但是现实中产生小气泡的条件是较低的表观充气速率，这个矛盾制约着浮选柱的充气研究，电解产生气泡能规避这个问题。在香炉山钨尾矿浮选回收试验中，采用该类浮选柱与浮选机相比，精矿品位和回收率分别提高了0.57%和8.54%[14]。

1.5 降压或升温发泡

研究表明，空气在水中的溶解度一般为2%左右，且当降低压力或者升高温度后溶解的气体能够从水中析出生成气泡[12]。

从以上几种发泡方式可以看出，引入气体的方式主要有压入式鼓入空气和射流自吸气两种，其中压入式需要配套专门的压风设备，系统较为复杂。而射流吸气相对来说结构简单，能耗低，较好地适应了浮选设备发展的需要[15]。

2 矿化方式的发展

自从浮选柱发明以来，各种改进就没有停止过，早期的矿化方式大多采用逆流矿化方式，后来随着技术研究的不断进步，出现了逆流矿化、顺流矿化、管流或离心矿化以及多种矿化组合的矿化方式等。

2.1 逆流矿化浮选柱

该类型浮选柱依然沿用早期经典的逆流矿化方式，经药剂处理后的矿浆从距柱顶一段距离处给入并在重力作用下向下流动，空气从浮选柱底部给入后在浮力作用下上升，两者在捕收区接触碰撞，疏水性矿物被捕获附着在气泡上从而使气泡矿化。

该类型的浮选柱有CPT浮选柱、CCF浮选柱、KYZ-E浮选柱以及FXZ全静态浮选柱。其中FXZ浮选柱专门设置有一个跌落箱，矿浆与利用高压风喷入的浮选药剂在跌落箱中接触，并在向下流动过程中弥散均匀[10,14]。

2.2 顺流矿化浮选柱

该类型浮选柱最大的特点是在矿浆带动下迫使气泡克服浮力与其同向流动，相比逆流型浮选柱结构简单、容易操作，且生产效率高。由北京矿冶研究总院研制的向下顺流喷射型浮选柱利用射流原理引入空气，利用分选槽底部的反射假底将空气进一步粉碎成气泡，气泡直径小，分散比较均匀[12,16]。

2.3 管流矿化浮选柱

该矿化方式是当矿浆通过设立在浮选柱外的管道时，利用射流原理引入空气后，在流体的高度紊动作用下，气体被分割成小气泡并持续与矿粒碰撞粘附从而实现矿化。管流矿化的浮选柱有射流浮选柱、喷射浮选柱、Jameson浮选柱等，其中Jameson浮选柱最为典型[15]。

2.4 离心力场矿化浮选柱

离心力场矿化是一种高效的充气矿化方式，矿浆由切向方向给入柱体中，空气则从多孔的柱壁给入，在空气与矿浆的“垂直”接触剪切过程中实现矿化。该“垂直”矿化方式在提高矿化效率的同时，降低了分选粒度下限，有利于微细粒物料的分选。比较典型的是由美国犹他大学研制的旋流充气式浮选柱[10,17]。

2.5 顺流-逆流多段矿化浮选柱

该类型浮选柱由多个浮选柱体组成，每个柱体或是顺流矿化，或是逆流矿化，因此每个柱体都有不同的流体性质和充气状态，可以通过调整柱体截面来调整矿浆的流速和停留时间。比较典型的有俄罗斯IOTT 研究所研制的顺流-逆流多段浮选柱[14]。

2.6 多种矿化方式组合矿化

多种矿化方式组合是浮选柱发展的重要领域，能够实现不同性质物料的针对性层次性分选，强化分选的同时提高回收率，最为典型的是旋流-静态微泡浮选柱。该浮选柱在传统逆流矿化的基础上，创新性的引入管流矿化。矿浆从距柱体顶部一定距离给入后，部分可浮性好的矿粒实现逆流矿化，在浮选柱底部设置有旋流分离单元，分离出中矿产品，该部分产品在管流段实现矿化，整个浮选柱矿化分选环境逐级加强，梯级加强，提高了选矿回收率[6,13,15]。

3 液位控制系统的发展

浮选柱液位控制对于选矿回收率和精矿质量有重要的影响，控制的原理是通过调节尾矿的排放量，最常使用的控制方法主要有2种。第一种是利用U型管原理，即将尾矿通过管道引导到与浮选柱液位等高的尾矿箱中，通过调节尾矿箱中的尾矿排放量来控制液位，该方法控制过程相对滞后，其优点是成本低，波动小，控制系统简单，可靠性强；第二种是通过调节安装在尾矿管道上的气动阀或电磁阀的开度大小来调节，该控制方法是根据液位实现实时调节，调节速度快，但稳定性差，易引起系统震荡，其调节的核心部件是控制运算机构，一般为PID表或者PLC控制系统。目前，两种控制方案都有广泛应用，但是未来浮选柱是向大型化、自动化控制的方向前进，从这个角度来讲第二种方案更有优势[18]，它主要由3部分构成，分别是液位检测与传感装置、控制运算核心和尾矿排放机构。

3.1 液位检测与传感装置

实现液位测量与传感的装置很多，主要有静压式液位计、电容式液位计、吹气式液位计、超声波液位变送器等。旋流-静态微泡浮选柱采用单压力传感器实现对矿浆液位的实时检测，传感器安装在液面以下某一位置，通过测量压力变化来反映液位变化。CCF浮选柱通过浮力液位计和超声波传感器组合实现液位控制。在液面上放置浮球，浮球通过连杆与一个平台相连接，当浮球随着液面上下浮动时，通过超声波传感器测量与平台之间的距离来控制液位。压力传感器受气温影响小，灵敏度高，但是当矿浆浓度较大和矿物颗粒较粗时，测量偏差较大；超声波液位计测量的可靠性和稳定性好，使用寿命长，但是受气温和声速影响，当温度变化大时需要校准[9,15.19]。

3.2 尾矿排放执行机构

尾矿的排放机构主要有2种，分别是电动蝶阀和电控气动阀。CCF浮选柱采用电动气控阀，即通过控制气缸活塞的运动来控制阀门的开度，从而达到控制液位的目的。旋流-静态微泡浮选柱执行机构采用两组并行的电动执行机构，其中一组做粗调，而另一组做微调，采用胶管阀执行控制信号[20]。

一般情况下，在尾矿排放执行机构前设有手动阀门，便于控制阀门的检修更换，且排放执行机构安装在距离尾矿管出口有一定高度的位置，这样可以降低阀门承受的压力，从而减少磨损，延长使用寿命。但是这样的设计，在浮选柱检修放量时必须将手动阀门打开，避免管道堵塞。

4 浮选柱在金堆矿区的应用

金堆矿区所使用的浮选柱主要有3种，分别是钼粗选和精选所用的CCF浮选柱，钼精选尾矿再选使用的FCSMC旋流-静态微泡浮选柱以及选铜段、选硫段使用的CGPF浮选柱。

4.1 选钼工艺段应用

CCF浮选柱在钼精选段的应用显著提高钼精矿品位，岗位工可以实时监测泡沫层厚度，气动浆阀开度以及充气量大小，系统根据设定值自动调整，提高了自动化程度。采用浮选机八次精选与采用浮选柱五次精选指标对比见表1，可以看出浮选柱在显著提高精矿品位的同时，提高了精选段的回收率。

表1 精选工艺浮选机与浮选柱对比

4.2 钼精选尾矿再选应用

钼精选尾矿再选工艺应用8台FCSMC旋流-静态微泡浮选柱，粗选段采用一粗一精二扫工艺，精选段采用三精一扫工艺的工艺流程，成功实现了微细粒钼金属的有效回收，钼金属的富集比高达20～30倍，回收率达到40%～60%，工艺流程见图1。

图1 精选尾矿再选工艺流程

4.3 华光公司选铜选硫工艺应用

华光公司在选铜段和选硫段应用的CGPF浮选柱， 该浮选柱结构与CCF浮选柱相近，在应用浮选柱前，原工艺段使用浮选机分选，占地面积大，设备台套多，检修任务重，岗位工主要靠经验调整充气量和尾矿排放量，操作水平高低不一。应用浮选柱后，铜精矿品位为15%左右，回收率可达85%以上；硫精矿品位可达45%左右，回收率在65%以上，工艺流程见图2。

4.4 实际应用中存在的问题

浮选柱在微细粒矿物分选、缩短工艺流程、提高精矿品位等方面有独特的优势，在日常使用过程中发现有如下问题：

4.4.1 气泡发生器问题

气泡发生器是浮选柱的核心部件，CCF浮选柱和CGPF浮选柱在供气气压不足或气枪备件老化时，存在矿浆堵塞气枪的问题，如果不及时更换，容易造成进气量减少，影响矿化效果。FCSMC旋流-静态微泡浮选柱的气泡发生器受有压矿浆的在其内部通过，喷嘴会因磨损而慢慢扩大，导致矿浆流速降低，负压减小，进而导致吸入空气量的降低，影响矿化效果。

图2 选铜段、选硫段工艺流程

4.4.2 尾矿排放问题

浮选柱应用于粗选时，由于矿浆中矿石粒度过大，或者给矿量有较大波动时，容易造成尾矿管道堵塞，影响生产正常进行。一旦堵塞，现场一般采用高压水来疏通。同时，由于颗粒较粗，尾矿浆阀磨损较快，现场一般采用Y型管道设计，2组浆阀，一开一备。

4.4.3 液位控制系统问题

金堆矿区使用的3种浮选柱都使用PLC或者PID表来实现液位自动控制，3种浮选柱无一例外都存在液位控制速度快、系统震荡的特点，对于在柱体内部平稳分选不利。

5 浮选柱的不足与技术展望

浮选柱具有占地面积小，精矿品位高等优点，但是同时也存在一些不足，柱体高径比过大，高度太高操作不便且粗颗粒分选效果差。未来的矿石趋向“贫、细、杂”，浮选柱有处理细粒矿物的独特优势，是浮选设备发展的主要趋势，后续的发展主要表现在以下几个方面：

(1)随着一些大型模拟软件的出现，利用数学建模，进行浮选柱内部气、液、固三相流体计算，进而实现柱体结构的优化设计，为浮选柱的进一步放大设计提供理论支撑，减少材料的消耗和浪费。

(2)利用复合力场作用，实现不同性质物料的综合分选。在浮选柱内部施加磁场、电场、离心力场等，可以进一步强化分选，降低柱体的高度，提高回收能力。

(3)实现浮选柱智能化，对浮选柱自动控制系统，如尾矿排放、自动充气、自动加药等进行优化设计，促进分选过程的高效平稳进行。

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