新型空气喷射式气泡发生装置的设计与应用

王文毓，李明，赵劲松，王永，杨红军

（云天化股份红磷分公司，云南 开远 661699）

浮选法是选矿的主要方法之一，其中浮选柱已是浮选领域的常规设备，是一种逆流浮选设备。在进行生产时，经药剂调和好的矿浆由柱体顶部的给矿装置给入；压缩空气经分布在柱体底部的喷枪从柱体底部鼓入，通过φ2.8mm的陶瓷喷嘴喷射，使空气在柱体内形成大量细小气泡。矿粒在重力作用下缓慢下降，气泡穿过向下流动的矿浆产生升浮，矿浆与气泡通过逆流接触与碰撞，实现气泡选择性矿化。但在磷矿浮选过程中，存在大量的镁离子、钙离子容易析出结晶，会附着在喷枪上，造成喷嘴堵塞。导致浮选柱内形成的气泡层不均匀，使浮选柱浮选性能下降。

一般浮选柱使用的喷枪为10～80支，当气泡量减少，浮选柱浮选能力下降后，为避免喷枪更严重的堵塞，只能手动关闭部分堵塞的喷枪压力输送，使弹簧复位顶住阀芯，避免矿浆进入造成枪体堵塞。如图1为普通喷枪结构示意图。

图1 普通喷枪结构示意图

1 普通喷枪的关键故障点统计

红磷分公司120万吨/年磨矿装置共有两台浮选柱，每台浮选柱底部安装有36只普通喷枪，共72只普通喷枪。经对喷枪的故障进行跟踪统计，得出以下数据。

从表1数据可知，喷枪因弹簧橡胶密封圈损坏、陶瓷喷头冲刷磨损和枪管积料堵塞而导致的故障高达98%。

表1 2017年3～5月份红磷分公司喷枪故障点统计表

2 关键研究及改进方向

2.1 密封圈的改进

要解决弹簧橡胶密封圈损坏，一般可从改变密封圈的材质入手，采用天然橡胶和δ=0.5mm不锈钢板加工弹簧密封圈进行试验，天然橡胶虽然柔韧性能满足使用要求，但使用寿命也只能达10天左右。δ=0.5mm不锈钢板加工的密封圈强度能满足要求，但柔韧性稍差，其拉伸后的变形量不能达到打开喷枪阀芯的要求。经过测试，改善喷枪弹簧密封圈材料性能后，喷枪使用寿命达到11天左右，再经使用其他合适的材质，虽然喷枪的使用寿命有一定的延长，但效果不明显。弹簧橡胶密封圈易损坏是喷枪改进的难点之一，不同材质的使用仍无法达到要求，需要采用其他方式取代弹簧橡胶密封圈的使用，经研究，改变枪体的气源进出可取代弹簧橡胶密封圈的使用。改变气源控制，需要重新设计整个枪体的结构。

2.2 喷枪枪体内气源控制的分析改进

2.2.1 普通喷枪的气源控制原理及弊端

由于普通喷枪的控制采用了单作用薄膜式气缸作为控制喷枪阀芯的动力，在空气压力的作用下通过薄膜密封使弹簧变形拉动喷枪阀芯，空气通过节流孔喷出；在失去空气动力时靠弹簧的复位拉动喷枪阀芯关闭。所以浮选柱在正常运行中，喷枪一直处于打开状态，单作用薄膜式气缸的薄膜长时间处于受压状态，薄膜老化和疲劳度下降快，这样大大缩短了使用寿命。浮选柱在检修或更换气泡发生器（喷枪）后，仅能正常运行7天左右，便会发生气泡发生器堵塞的现象。

另外，普通喷枪的针形阀芯和阀杆在气流流动时出现歪斜不正，喷头孔径随时间和气流加速的影响逐步扩大，导致矿浆流入枪体形成堵塞。

2.2.2 气源控制的改进思路

改变气源注入方式，由气泡产生动力气源处直接接入0.6至1.0MPa空气压力，作为气泡产生动力；在关闭喷头时枪体内则变成一个管道式密封储气罐，使枪体内形成正压，确保下沉的矿浆重力不会堵塞喷枪。气泡的产生由针形阀芯打开，枪体内的0.6～1.0MPa空气通过喷嘴急速喷射在矿浆中产生气泡。针形阀芯的开关控制则通过阀杆连接到枪体外部的双作用气缸进行控制，气缸在电磁阀的驱动下实现气路的切换控制。气源按用途分为动力气源和控制气源，动力气源作为气泡产生的一个加速动力，控制气源通过电磁的控制切换实现气泡的产生或失效。

喷枪根据控制的需求可实现单只或多只喷枪的组合控制，其控制引入到DCS控制系统。同时，在控制系统组态时采用正向控制的逻辑高电位输出时电磁阀使能，则喷头关闭；在低电位时电磁阀失能，通过气路切换喷头打开；控制上采用反向的控制，确保在出现断气、断电的情况下新型实用空气喷射式气泡发生器（喷枪）的枪体里形成正压，杜绝矿浆进入到枪体造成堵塞。在控制上，电磁阀使能时阀芯关闭，避免运行过程中电磁阀线圈长期使能，发热的现象。

2.3 喷枪喷头冲刷磨损问题的改进思路

依据《2017年3～5月份红磷分公司喷枪故障点统计表》数据，3个月间的喷头磨损故障数量约占总喷枪故障数量的13%，由于原老式普通喷枪喷头与枪体为一个整体，当喷头出现故障后，须更换整只喷枪。经研究设计和试验，可新增新型喷头螺母和定位套，实现陶瓷喷头的可更换；改变喷头结构和使用超耐磨材质并对喷头进行加厚，提高喷头的耐磨程度。

3 新型喷枪的性能分析

图2 新型喷枪结构示意图

新型喷枪由喷头、密封环、尼龙连接螺母、枪身、Y型螺纹三通、密封盒、调节杆套、连接杆、气缸、调节螺母Ⅰ、调节螺母Ⅱ、唇形密封圈、阀杆、喷嘴定位隔套、针形阀芯、陶瓷喷嘴、气泡产生动力气源、控制气源接口Ⅰ、控制气源接口Ⅱ构成，如图2。

针形阀芯阀杆与连接到枪体外部的双作用气缸设置了气体密封圈和阀杆行程调节装置。新型结构设计简单合理，且控制扩展性强和操作方便。通过喷嘴定位隔套和密封圈精密配合实现了阀芯与阀杆的平稳运行，避免运动过程中偏离喷嘴；提升了喷头和阀芯的使用周期。新型气缸的使用，扩展了喷枪的控制功能。此外，新型喷枪制造方便，便于安装和拆检，成本低，适用性极强。

新型喷枪克服了喷头堵塞和现有技术控制的缺陷，使得浮选柱横截面上充气均匀，提高了气泡选择性矿化率，同时还能实现对单只或多只喷枪的组合控制引入到DCS控制系统。提升了自动化控制程度。喷头采用内凹锥形的结构。密封盒主要作用是密封控制阀杆和枪体间的空气密封。克服阀杆在0.6～1.0MPa的环境下运行，同时，起到固定阀杆底部的作用，确保阀杆直线运动。控制气源接口Ⅰ、控制气源接口Ⅱ为双作用气缸工作时的气源口，气路切换来自于电磁阀和DCS系统的逻辑控制。调节螺母Ⅰ、调节螺母Ⅱ设置了两端阀杆的控制精度调节，主要双作用气缸连接阀杆的过程调节和调节枪体内阀杆的行程距离。喷嘴定位隔套实现了针形阀芯在顶部的定位作用，使针形阀芯在运动过程中准确定位在喷头内凹锥形进行密封。

新型喷枪工作时，由气泡产生动力气源处直接接入0.6～1.0MPa空气压力，作为气泡产生动力；在关闭喷头时枪体变成一个管道式密封储气罐，使枪体内形成正压，确保下沉的矿浆重力不会堵塞喷枪。气泡的产生由针形阀芯打开，枪体内的0.6～1.0MPa空气通过喷嘴急速喷射在矿浆中产生气泡。针形阀芯的开关控制则通过阀杆连接到枪体外部的双作用气缸进行控制，气缸在电磁阀的驱动下实现气路的切换控制。由于使用双作用气缸作为控制动力，在喷枪上有工作压力（0.6MPa）和控制压力（0.3MPa）两股气源管。所以在操作上有所改变，工艺在开车前设置好喷气量的自动调节流量，控制气的调节阀开始打开进气，使枪管充满近0.6MPa的空气压力，但空气未喷出，需在DCS系统上点击打开后，喷枪管内的空气才开始喷射出去。在关的时候，先关闭电磁阀，通过电磁阀切换气路工作，气缸力矩推动阀杆，阀芯关闭。保持枪管充满近0.6MPa的空气压力，达到气封的效果，然后在关闭气量自动控制调节阀。保证矿浆不能从气孔里进入枪管，防止枪管堵塞。

4 新型喷枪的应用效果

第一只新型喷枪于2017年6月安装试用，正常运行1个月后研究小组决定批量制作使用。2017年8月相继完成了136只普通喷枪的替换，新型喷枪运行至今，一直保证零故障；此外，新型喷枪使用后，完全能满足生产工艺的要求，大幅度提升了生产工艺控制的稳定性，进而提升了最终产品的质量，在浮选领域具有非常高的推广应用价值。