浮選機(jī)內(nèi)單顆粒礦物運輸路徑與粒群分布初探

鄭詔星 張躍軍 余 悅

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司 礦物加工科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100160；2.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司 北京市高效節(jié)能礦冶技術(shù)裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100160)

隨著礦產(chǎn)資源不斷開采，有用礦物越來越貧，嵌布粒度越來越復(fù)雜，礦物粒度粗細(xì)不均，這對礦物浮選工藝和設(shè)備提出了更高的要求[1]?，F(xiàn)有浮選設(shè)備的浮選粒度一般設(shè)定為74 μm以下粒級占65%～85%。以銅礦為例，按原礦銅品位0.5%，回收率85%計，則每年約有10萬t銅流失在尾礦中成為固體廢棄物，大多數(shù)流失的銅礦物以粗顆粒形式存在，粒度大于120 μm[2]，浪費了礦產(chǎn)資源，造成了環(huán)境污染，給國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了嚴(yán)重的負(fù)面影響。

粗粒級礦物與常規(guī)粒級礦物具有不同的浮選特性。機(jī)械攪拌浮選機(jī)作為最主要的浮選設(shè)備之一，應(yīng)用于粗顆粒礦物選別具有很大局限性。開展浮選機(jī)內(nèi)粗顆粒礦物浮選懸浮行為研究，有助于進(jìn)一步了解粗顆粒礦物的浮選規(guī)律，對后續(xù)開發(fā)粗顆粒浮選設(shè)備、提高金屬回收率、節(jié)能降耗與環(huán)境保護(hù)具有重大意義。

浮選過程中顆粒相的輸運行為對浮選效率有著直接的影響，邱冠周等[3]研究了紊流條件下粗粒與細(xì)粒粒群間的相互作用，提出了“粗粒效應(yīng)”理論。閆紅杰等[4]根據(jù)顆粒間的相互作用理論，建立了浮選過程中待浮礦粒在氣泡與液相中的輸運方程，利用數(shù)值模擬的方法探索了浮選顆粒輸運行為。礦物顆粒在浮選機(jī)內(nèi)部的運動狀態(tài)是優(yōu)化研究浮選機(jī)性能的基礎(chǔ)，陳飛飛等[5]與胡明振等[6]利用CFD仿真的方法研究了浮選機(jī)內(nèi)部固相顆粒的運動行為，揭示顆粒與流場的相互作用。YIN等[7]通過浮選試驗和理論計算研究白鎢礦粒度分布(粒徑小于 10 μm的微細(xì)粒含量)對浮選的影響，得出顆粒粒徑對白鎢礦浮選回收率以及組合藥劑性能都有影響。陳東等[8]通過模擬試驗的方法研究了不同浮選機(jī)的葉輪定子系統(tǒng)下，固體顆粒的懸浮特性。以上研究均證明顆粒懸浮狀態(tài)對浮選過程的重要性，但尚未有人采用更為直觀的方式實測浮選機(jī)內(nèi)顆粒運輸路徑并進(jìn)一步分析礦物顆粒粒群分布的情況。

本文主要通過建立浮選試驗系統(tǒng)，利用高速攝像機(jī)實測了浮選機(jī)在500 r/min工作狀態(tài)下同粒徑的礦物顆粒的運動軌跡，對比分析后得出單體顆粒運動路徑規(guī)律及粒群分布特點。

1 試驗裝置及測量方法

1.1 試驗裝置

常規(guī)的試驗用粗顆粒浮選機(jī)為圓形有機(jī)玻璃槽體浮選機(jī)，由于高速攝像儀捕捉的圖像實際是三維空間內(nèi)顆粒的運輸路徑在二維平面上的投影，圓形槽體橫截面與所觀測截面(與攪拌機(jī)構(gòu)主軸所在平面重合)形狀不盡相同，這會導(dǎo)致觀測結(jié)果失真程度的增加。為保證試驗結(jié)果的可靠性，建立了一個方形槽體30 L浮選機(jī)試驗系統(tǒng)，該試驗系統(tǒng)由變頻器、攪拌機(jī)構(gòu)、槽體、光源、高速攝像機(jī)、筆記本電腦及染色體球型玻璃珠構(gòu)成，見圖1。該浮選機(jī)試驗系統(tǒng)中采用高速攝像頭，該高速攝像頭可以8 000幀/秒的速度捕捉顆粒的移動，通過評價礦物顆粒在不同位置出現(xiàn)的概率來判定不同直徑的礦物顆粒的運輸路徑。

圖1 方形槽體浮選機(jī)試驗系統(tǒng)Fig.1 Test system of rectangular flotation cell

為更好地完成礦物顆粒運輸軌跡追蹤，確定礦物顆粒粒群分布的初態(tài)，試驗準(zhǔn)備了不同粒徑的著色球型玻璃珠代替礦物顆粒，見圖2。有很多參數(shù)可以用來描述固體顆粒的離底懸浮以及固體的分布，包括測量懸浮高度、濃度分布、葉輪臨界轉(zhuǎn)速以及固體停留時間分布[9]，主要特征參數(shù)見表1。傳統(tǒng)的單線性光源存在光線強(qiáng)度過于集中的缺點，給試驗觀測帶來極大的干擾。為使高速攝像儀呈現(xiàn)更為清晰的圖像，本次試驗采用無閃爍的直徑為350 mm的環(huán)形光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的線性光源，并調(diào)整光源強(qiáng)度，力圖實現(xiàn)最佳的觀測效果，見圖3，環(huán)形光源特征參數(shù)見表2。

圖2 染色玻璃珠Fig.2 Colored glass drops

圖3 試驗系統(tǒng)光源配置Fig.3 Configuration of light of test system

表1 玻璃珠主要特征參數(shù)Table 1 Main characteristic parameters of glass drops

表2 環(huán)形光源主要特征參數(shù)Table 2 Main characteristic parameters of ring light

顆粒的粗細(xì)具有相對性，本項目研究以直徑為4 mm的球型玻璃珠代表粗顆粒，以直徑為0.8 mm的球型玻璃珠代表細(xì)顆粒，二者均在肉眼和高速攝像頭可觀測范圍內(nèi)。

1.2顆粒運輸路徑追蹤試驗

現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)CLF浮選機(jī)試驗平臺數(shù)據(jù)關(guān)鍵參數(shù)如表3所示。浮選機(jī)內(nèi)礦物顆粒的懸浮狀態(tài)受多重因素的影響，由于本試驗為初探性試驗，暫不考慮充氣條件下的試驗情況。

表3 30 L標(biāo)準(zhǔn)CLF浮選機(jī)主要參數(shù)Table 3 Main parameters of standard 30 L CLF flotation cell

以相同流體動力學(xué)環(huán)境為初探條件研究浮選機(jī)內(nèi)顆粒運輸特性，明確粗顆粒礦物與細(xì)粒級礦物的分布差異是進(jìn)一步認(rèn)識單體顆粒運輸路徑和粗顆粒粒群分布特點的關(guān)鍵一步。在浮選機(jī)額定轉(zhuǎn)速條件下開展試驗，獲得了粗細(xì)顆粒運輸路徑圖譜。

2 試驗結(jié)果與討論

以4 mm直徑紅色玻璃珠代表粗顆粒，以0.8 mm直徑綠色玻璃珠代表細(xì)顆粒，利用高速攝像儀追蹤單體顆粒運輸路徑，比較分析浮選機(jī)空間內(nèi)不同粒級礦物顆粒運輸路徑差異，參見圖4。圖4由8幀照片合成，從每張照片選出代表性的單一顆粒(黑色圓圈圈出)，第1、2張照片顯示一顆粗顆粒由定子上沿甩出，斜向上運動。第3張照片顯示，在粗顆粒出現(xiàn)的相似位置，一顆細(xì)顆粒由定子上沿甩出，緊跟粗顆粒運動，二者甩出角度大致相同。繼續(xù)追蹤第4～7張照片可以發(fā)現(xiàn)，細(xì)顆粒運動速度明顯大于粗顆粒，由開始縮短間距，直至二者位置重合，這個運輸階段具有相似的軌跡。第8張照片顯示，粗顆粒與細(xì)顆粒軌跡產(chǎn)生差異，二者均開始向下運動，但細(xì)顆粒更加靠近槽體壁面。

圖4 粗細(xì)顆粒運輸路徑追蹤圖譜Fig.4 Trace map of transport path of coarse and fine particles

因顆粒間存在相互的干擾作用，單體顆粒的運輸軌跡并不能足以代表浮選過程中的礦物顆粒的分布規(guī)律，對圖4中第8幀圖放大，參見圖5。從圖中可以看出，被追蹤的礦物顆粒在定子上沿甩出，由斜向上的運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾毕蛳碌倪\動，在葉輪的抽吸作用下逐步向定子外沿靠近，從而參與礦物顆粒的再循環(huán)。在此過程中，粗顆粒與細(xì)顆粒均形成了各自的群體特征。

圖5 粗細(xì)顆粒運輸路徑追蹤圖譜照片8放大圖Fig.5 Enlarged No.8 tracing map of transport path of coarse and fine particles

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的30 L的CLF型浮選機(jī)內(nèi)開展了單顆粒礦物運輸路徑和粗顆粒粒群分布初態(tài)探索研究，從單體顆粒運輸路徑可以得出兩點結(jié)論：1)在相近的初始位置，粗細(xì)顆粒獲得大小相當(dāng)?shù)膭恿浚诸w粒具有更大的質(zhì)量，因此其運動速度小于細(xì)顆粒；2)初態(tài)條件相似的粗細(xì)顆粒運動路徑會在浮選機(jī)內(nèi)復(fù)雜流體作用下產(chǎn)生差異，相比較而言，細(xì)顆粒有更大的活動空間。

從粗顆粒群分布結(jié)果可以得出兩點結(jié)論：1)粗顆粒的運輸路徑主要集中在葉輪定子附近，葉輪底部匯集的粗顆粒較多；2)細(xì)顆粒的運輸路徑遍布分布于槽體的各個角落，體現(xiàn)出細(xì)顆粒對流場良好的跟隨性。

3.2 展望

初探試驗為進(jìn)一步認(rèn)識單體顆粒運輸路徑和粗顆粒群分布特點奠定了基礎(chǔ)。但從試驗結(jié)果看，細(xì)顆粒捕捉難度較大，后續(xù)擬將細(xì)顆粒玻璃珠直徑增加至1 mm左右。浮選機(jī)槽體是三維空間，高速攝像儀對顆粒運輸路徑的觀測是二維平面上的投影。浮選機(jī)槽體有無數(shù)個平面，礦物顆粒的運行軌跡是一個概率事件，會隨機(jī)出現(xiàn)在任何一個平面。在相同光線條件下，出現(xiàn)在前一平面內(nèi)的礦物顆粒可能會遮擋出現(xiàn)在后一平面的顆粒，不利于判別粗細(xì)顆粒運行軌跡的特征，造成測試結(jié)果的失真。后續(xù)將采用片光源突出觀測平面，弱化非觀測平面光線，使觀測結(jié)果與真實情況更為接近。