新型浮選機(jī)葉輪動力學(xué)性能及對粗顆粒浮選效果

譚明， 沈政昌， 張福亞

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100160；2.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司，北京 100160； 3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，沈陽 110819）

0 引 言

國內(nèi)一些選礦廠由于礦石的可磨性下降， 為了保證選廠的處理能力， 一般會適當(dāng)?shù)亟档湍サV細(xì)度。 另外，針對一些易過粉碎的礦石，生產(chǎn)上也會適當(dāng)?shù)胤艑捘サV細(xì)度，例如鎢礦浮選[1-2]、鋁土礦浮選[3]等。由于磨礦細(xì)度變化，入浮礦漿中的粗粒連生體增多，而這部分粗粒連生體的回收對整體浮選回收率的影響較大。因此，提高粗顆粒的浮選效果是目前亟須解決的難題。

對于大多數(shù)金屬礦而言， 礦物顆粒的粒度大于0.1 mm 時(shí)回收率急劇下降[4-6]。因此，一般金屬礦浮選將大于0.1 mm 的顆粒視為粗顆粒。 粗顆粒難浮，生產(chǎn)上遇到的主要問題是：①粗顆粒在浮選槽內(nèi)不容易離底懸浮，經(jīng)常發(fā)生浮選機(jī)內(nèi)“沉槽”現(xiàn)象；②粗顆粒發(fā)生礦化作用的概率低， 且在上浮過程中容易從礦化氣泡的表面脫落[7]。 為了提高粗顆粒的回收率，一方面需優(yōu)化浮選機(jī)性能， 從而改善粗顆粒在浮選機(jī)槽內(nèi)的懸浮狀態(tài)，國內(nèi)外學(xué)者先后開發(fā)了新型浮選裝備，例如JJF 浮選機(jī)[8]、CGF 浮選機(jī)[9-10]、CLF 浮選機(jī)[11-12]、浮選柱[13]、流化床分選器[14]；另一方面需優(yōu)化浮選工藝條件，增加粗粒礦化氣泡的穩(wěn)定性，例如調(diào)節(jié)藥劑制度[15-16]、攪拌強(qiáng)度[17-19]和氣泡大小[20-22]等。縱觀以前的研究，重點(diǎn)研究浮選機(jī)葉輪對粗顆粒浮選影響的報(bào)道較少。

葉輪是浮選機(jī)的關(guān)鍵核心部件，直接影響浮選機(jī)的分選性能[23]。 作者先前在實(shí)驗(yàn)室條件下，對比研究了2 種葉輪對粗顆粒石英的選別效果，發(fā)現(xiàn)一種新型葉輪顯著提高了粗顆粒的浮選回收率[24]。 此后，為了推動該新型葉輪的工業(yè)化應(yīng)用，對該葉輪進(jìn)行了工業(yè)放大設(shè)計(jì)，本文介紹該新型葉輪在某鉬礦選廠的應(yīng)用情況。

1 新型浮選機(jī)葉輪設(shè)計(jì)

粗顆粒礦物難浮選面臨的2 個(gè)主要問題，均與浮選機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。 一方面，提高浮選機(jī)轉(zhuǎn)速可以改善粗顆粒在浮選機(jī)內(nèi)的懸浮效果；另一方面，較高的浮選機(jī)轉(zhuǎn)速又極易導(dǎo)致粗顆粒礦物在上浮過程中從礦化氣泡的表面脫落。 因此，僅改變浮選機(jī)轉(zhuǎn)速難于達(dá)到理想效果。 為了解決這個(gè)矛盾，開發(fā)新型浮選機(jī)葉輪是一個(gè)重點(diǎn)研究方向。

在原KYF 葉輪的基礎(chǔ)上， 經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種新型葉輪，其結(jié)構(gòu)見圖1 所示。 新型葉輪的蓋板是一個(gè)空心的倒圓錐臺，錐角的角度為90°～180°。 葉片呈后傾、周向均勻布置，葉片向內(nèi)有個(gè)折角，可以適當(dāng)降低葉輪下部礦漿的阻力。 相鄰葉片間，根據(jù)工藝需要可分布不同數(shù)量的出氣孔。 從離心泵的設(shè)計(jì)理論出發(fā)，該新型葉輪從形式上仍屬于高比轉(zhuǎn)數(shù)葉輪[25]。 礦漿流量較大時(shí)， 采用后傾葉片布置時(shí)的功耗較低，這對于穩(wěn)定礦漿液面有好處。 總體而言，該新型葉輪具有流量大、低壓頭的特性，符合浮選機(jī)流體動力學(xué)性能的基本要求。

圖1 新型浮選機(jī)葉輪示意Fig. 1 Sketch of new flotaton machine rotor

與原KYF 葉輪相比，該新型葉輪具有如下特點(diǎn)：

1）葉輪循環(huán)量更大，葉輪中心呈負(fù)壓狀態(tài)，充氣壓力低，有助于空氣在浮選機(jī)內(nèi)充分彌散。

2）礦漿與氣泡混合物從葉片射流時(shí)的角度增加，有利于將粗、重礦物顆粒輸送至距浮選機(jī)溢流堰更近的位置。

2 浮選工藝流程簡介

河南某鉬礦選廠的處理量為4 000 t/d，原礦經(jīng)粗選作業(yè)、2 次掃選作業(yè)和預(yù)精選作業(yè)選別后獲得鉬粗精礦和大尾礦。 粗、掃選作業(yè)采用容積為30 m3的浮選機(jī)，預(yù)精選作業(yè)采用容積為8 m3的浮選機(jī)。 其中，XCF 型浮選機(jī)作吸漿槽，KYF 型浮選機(jī)作直流槽，2 種浮選機(jī)聯(lián)合應(yīng)用，其浮選機(jī)配置情況見圖2 所示。

圖2 鉬浮選局部浮選流程浮選機(jī)配置情況Fig. 2 Flotation machine configuration of the molybdenum partial flotation circui

近些年來，鉬金屬價(jià)格下滑，出于經(jīng)濟(jì)效益考慮，選廠增加了20%處理量，相應(yīng)地磨礦細(xì)度由原來的＜0.074 mm 約占65%降低至約占57%。 由于磨礦細(xì)度降低，鉬的整體回收率呈下降趨勢，通過浮選流程考查發(fā)現(xiàn)大部分含鉬的粗粒連生體損失在尾礦中。

為了提高含鉬粗粒連生體回收率，將粗選作業(yè)第2臺、第5 臺浮選機(jī)，掃選Ⅰ作業(yè)、掃選Ⅱ作業(yè)第2 臺浮選機(jī)以及預(yù)精選作業(yè)的第2 臺、第3 臺浮選機(jī)葉輪一次性替換為新型葉輪，其余浮選機(jī)仍采用原KYF 葉輪。

3 結(jié)果與討論

浮選流程經(jīng)過改造后， 采用新型葉輪的浮選機(jī)運(yùn)行狀況均表現(xiàn)良好。 為了客觀評價(jià)新型浮選機(jī)葉輪的應(yīng)用效果，在替換新型葉輪前后分別開展了浮選機(jī)動力學(xué)性能測試。 這些測試主要包括空氣分散度、礦漿懸浮特性、粒度篩析、浮選流程考查和精礦產(chǎn)品檢查， 并對比了實(shí)際生產(chǎn)指標(biāo)情況。

3.1 空氣分散度

空氣分散度是衡量浮選機(jī)攪拌分散空氣效果的一個(gè)重要參數(shù)。 浮選機(jī)內(nèi)空氣分散度越大，表明浮選機(jī)內(nèi)空氣彌散程度越好，從而越有利于浮選。 更換新型葉輪前后，在相同的浮選機(jī)轉(zhuǎn)速條件下，分別測量浮選機(jī)相同截面不同位置的充氣量， 并計(jì)算了空氣分散度，結(jié)果見表1。

表1 空氣分散度對比測量結(jié)果Table 1 Results of comparison air dispersion

從表1 可以看出，在不同充氣量條件下，更換新型葉輪后浮選機(jī)內(nèi)的空氣分散度更大。這表明新型葉輪顯著提高了浮選機(jī)對于空氣的分散效果，從而創(chuàng)造更加有利的浮選環(huán)境。

3.2 礦漿懸浮特性

礦漿在浮選機(jī)內(nèi)需要充分地離底懸浮，并且礦漿濃度不能發(fā)生嚴(yán)重的分層現(xiàn)象，這是工業(yè)浮選機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的前提要求。 因此，浮選機(jī)內(nèi)礦漿懸浮特性是評價(jià)浮選機(jī)性能的一項(xiàng)基礎(chǔ)性指標(biāo)。采用深槽取樣方法，通過考查浮選機(jī)內(nèi)不同深度的礦漿濃度分布情況，可以表征礦漿的懸浮特性。 此次考查KYF-30 浮選機(jī)分別距溢流堰270、770、1 270、1 770 mm 深度取樣， KYF-8 浮選機(jī)分別距溢流堰300、 600、900、1 200 mm 深度取樣。

圖3、圖4 分別為粗選作業(yè)第2 臺和第5 臺浮選機(jī)礦漿懸浮特性。 從圖3 和圖4 可以看出，對于粗選作業(yè)，隨著距浮選機(jī)溢流堰深度增加，更換葉輪前后浮選機(jī)內(nèi)的礦漿濃度均逐漸增加，礦物顆粒在浮選機(jī)內(nèi)下部區(qū)域分布更多，在浮選機(jī)內(nèi)軸向方向出現(xiàn)了一定程度的礦漿濃度離析分層現(xiàn)象。 相比較之下，采用新型葉輪后浮選機(jī)內(nèi)不同深度礦漿濃度的差異更小。綜合來看，對于粗選作業(yè)而言，由于入浮礦漿中不同粒級的分布差異較大，尤其是粗顆粒含量較多，將直接影響浮選機(jī)對礦漿的懸浮效果。

圖3 粗選作業(yè)第2 臺浮選機(jī)礦漿懸浮物特性（T1、T2各表示第1 次、第2 次測試，以下同）Fig. 3 Suspended solids characteristics of the second flotation machine in rougher bank（T1 and T2 represent the first and second tests respectively, the same as below）

圖4 粗選作業(yè)第5 臺浮選機(jī)礦漿懸浮物特性Fig. 4 Suspended solids characteristics of the fifth flotation machine in rougher bank

圖5 為預(yù)選作業(yè)第2 臺浮選機(jī)礦漿懸浮特性。從圖5 可以看出，雖然預(yù)精選作業(yè)不同時(shí)間段的礦漿濃度變化較大，但是更換葉輪前后同一時(shí)間段浮選機(jī)內(nèi)不同深度的礦漿濃度基本一致，這表明2 種葉輪對于預(yù)精選作業(yè)礦漿的懸浮效果均較好。 分析認(rèn)為，預(yù)精選作業(yè)給礦源于粗選作業(yè)的泡沫精礦，礦漿中粗顆粒的含量較少，主要是中等粒度和細(xì)顆粒，而這2 種粒度礦物顆粒均比較容易實(shí)現(xiàn)懸浮。

3.3 粒度篩析

針對深槽取樣的樣品同時(shí)進(jìn)行了粒度篩析，以考查浮選機(jī)不同深度礦漿的粒級分布情況。 其中，圖6和圖7 是改造前后粗選作業(yè)第2 臺浮選機(jī)粒度篩析結(jié)果，圖8 和圖9 是改造前后粗選作業(yè)第5 臺浮選機(jī)粒度篩析結(jié)果， 圖10 和圖11 是改造前后預(yù)精選作業(yè)第2 臺浮選機(jī)粒度篩析結(jié)果。

從圖6 可以看出，距浮選機(jī)溢流堰越近，＜0.038 mm細(xì)粒級含量逐漸增加，≥0.125 mm 和0.074 ～0.125 mm 粗粒級含量逐漸減少，0.038～0.074 mm 粒級分布比較均勻。 從圖7 可以看出，在距浮選機(jī)溢流堰270 mm 位置，＜0.038 mm 細(xì)粒級的含量相對較多，≥0.125 mm 粗粒級的含量較少，在浮選機(jī)其他深度各個(gè)粒級的含量差別較小。 對比圖6 和圖7，在距溢流堰更近的位置， 更換新型葉輪后浮選機(jī)內(nèi)≥0.125 mm 和0.074～0.125 mm 粒級含量顯著增加。 對比圖8 和圖9，也可以得出相似的結(jié)論。

圖8 改造前粗選作業(yè)第5 臺浮選機(jī)粒度篩析結(jié)果Fig. 8 Results of particle size analysis of the fifth flotation machine in rougher bank before the transformation

圖9 改造后粗選作業(yè)第5 臺浮選機(jī)粒度篩析結(jié)果Fig. 9 Results of particle size analysis of the fifth flotation machine in rougher bank after the transformation

從圖10 和圖11 可以看出： 相同粒級在浮選機(jī)內(nèi)不同深度的粒級分布比較均勻。 相比較之下，改造前預(yù)精選作業(yè)礦漿中以＜0.038 mm 粒級為主，含量達(dá)到約80%； 改造后預(yù)精選作業(yè)礦漿中＜0.038 mm 粒級含量急劇減少，而其余粒級含量均有增加，尤其是≥0.125 mm 和0.074～0.125 mm 粒級的含量增加較多。這表明，采用新型浮選機(jī)葉輪后，粗選和掃選作業(yè)中大量的粗顆粒礦物實(shí)現(xiàn)了上浮。

圖10 改造前預(yù)精選作業(yè)第2 臺浮選機(jī)粒度篩析結(jié)果Fig. 10 Results of particle size analysis of the second flotation machine in pre-cleaner bank before the transformation

圖11 改造后預(yù)精選作業(yè)第2 臺浮選機(jī)粒度篩析結(jié)果Fig. 11 Results of particle size analysis of the second flotation machine in pre-cleaner bank after the transformation

3.4 浮選流程考查

更換新型葉輪前后， 針對鉬浮選局部浮選流程開展了兩次流程考查， 結(jié)果如表2 所列。 從表2 可以看出，以第1 次測試為例，在原礦品位大致相當(dāng)時(shí)，采用新型葉輪后雖然粗精礦Mo 品位略有降低， 但是精礦Mo 回收率增加1.38 百分點(diǎn)。 從第2 次測試來看，采用新型葉輪后， 粗精礦Mo 品位和回收率均有較大幅度的增加，精礦Mo 回收率增加4.55 百分點(diǎn)。

表2 局部鉬浮選流程考查結(jié)果Table 2 Results of partial molybdenum flotation process investigation

3.5 精礦產(chǎn)品檢查

流程考查期間， 對改造前后粗選第2 臺浮選機(jī)、粗選第5 臺浮選機(jī)和預(yù)精選第2 臺浮選機(jī)分別進(jìn)行了精礦產(chǎn)品檢查，結(jié)果見表3 和表4。對比表3 和表4 可以看出，更換新型葉輪后，粗選第2 臺浮選機(jī)、粗選第5 臺浮選機(jī)和預(yù)精選第2 臺浮選機(jī)精礦產(chǎn)品中，≥0.074 mm 粒級含量及Mo 金屬分布率均有增加，尤其是粗選作業(yè)浮選機(jī)精礦產(chǎn)品中≥0.074 mm 粒級含量增加更顯著。

表3 原KYF 葉輪泡沫產(chǎn)品篩析結(jié)果Table 3 Screen analysis results of original KYF rotor

表4 新型葉輪泡沫產(chǎn)品篩析結(jié)果Table 4 Screen analysis results of new rotor

3.6 生產(chǎn)實(shí)踐

為了綜合評價(jià)新型浮選機(jī)葉輪的分選性能，對比分析了更換新型葉輪前后選廠共計(jì)1534 個(gè)班次的生產(chǎn)指標(biāo)，其中更換新型葉輪前915 個(gè)班次，更換新型葉輪后619 個(gè)班次。 考慮原礦品位變化對生產(chǎn)指標(biāo)的影響，將給礦品位劃分不同等級，同一等級隨機(jī)抽取數(shù)量相等的生產(chǎn)指標(biāo)，然后分別計(jì)算均值，結(jié)果見表5。

表5 生產(chǎn)指標(biāo)對比結(jié)果Table 5 Results of comparsion production index

從表5 可看出， 當(dāng)原礦Mo 品位基本相當(dāng)時(shí)，采用新型浮選機(jī)葉輪后，選廠最終精礦Mo 品位略有降低，但是Mo 回收率增加了1.73 百分點(diǎn)。

4 結(jié) 論

新型浮選機(jī)葉輪在某鉬礦選廠得到了成功應(yīng)用，通過浮選機(jī)動力學(xué)性能和生產(chǎn)實(shí)踐考查，可以得出以下結(jié)論：

1）在相同轉(zhuǎn)速、不同充氣量大小條件下，新型浮選機(jī)葉輪對空氣的分散效果更好。

2）新型浮選機(jī)葉輪，明顯改善了浮選機(jī)內(nèi)礦漿的懸浮狀態(tài)，鄰近浮選機(jī)溢流堰位置，粗粒級含量明顯增加，表明新型浮選機(jī)葉輪提高了粗顆粒在浮選機(jī)槽體內(nèi)的輸送高度。

3）更換新型浮選機(jī)葉輪后，精礦泡沫中粗顆粒的含量明顯增加，表明距離浮選機(jī)溢流堰更近位置的粗顆粒較好地實(shí)現(xiàn)了上浮。

4）更換新型浮選機(jī)葉輪后，在保證最終精礦Mo品位的同時(shí)，選廠Mo 回收率增加了1.73 百分點(diǎn)，這表明新型浮選機(jī)葉輪顯著提高了含鉬粗顆粒的浮選效果。