浮選法適用于90%的有色金屬，50%以上的黑色金屬的選別，是礦物加工領域重要的選別方法[1]。浮選機是實現浮選過程的關鍵裝備，浮選機的性能優劣直接影響決定著整個選礦廠的生產指標，因此不斷提高浮選機對不同礦物的適應性、優化浮選機的性能對提高選礦廠生產效益、改善礦物資源利用率至關重要。近年來，礦產資源貧、細、雜化日益嚴重、稟賦惡化明顯，對浮選機的處理能力、多樣化、單體性能提出了更高的挑戰。大型浮選機在提高選別指標、降低基建投資、智能控制、節約能耗等方面優勢明顯，而且選礦廠規模的日益擴大，因此，浮選機的大型化是浮選機發展的重要方向[2]。自上世紀40年代，浮選機的研究人員就開展了浮選機大型化的基礎研究，經過長期的技術研究和積累，CFD技術的引入[3-10]，近20年來浮選機的大型化進程明顯加快。
1.大型浮選機的研究進展
近年來，隨著國際及國內經濟的高速發展，工業生產對礦產資源的需求量日益增大，浮選機的大型化成為了各主要浮選機研發機構的研究重點和熱點。芬蘭Outotec公司實現了Tank Cell，Skim Air型浮選機的大型化，并在澳大利亞進行了適應性研究。丹麥FLsmidth公司完成了Wemco Smart Cell, Dorr-Oliver和XCELL型浮選機的大型化，且在美國進行了性能對比試驗研究;北京礦冶研究總院研發了KYF-320m3浮選機，并取得了成功的工業應用，為當前世界上最大工業應用的浮選機;其它浮選機研發機構，如美卓、Bateman等公司，也深入開展了相關方面的研究。本文重點介紹具有代表性的OK-TankCell型浮選機、Wemco 1+1TM浮選機、BGRIMM浮選機的放大原則。
1.1 OK-TankCell型浮選機
Outotec公司以浮選柱為原型，加入了機械攪拌裝置，開發成功了OK-TankCell型充氣機械攪拌式浮選機，并于1983年在皮哈薩米選礦廠取得了工業應用。OK-TankCell型浮選機開發了FloatForce攪拌機構，實現了葉輪區礦漿和空氣的分區流動;設計了內部周邊環形溢流槽、外部周邊環形溜槽、內部中央多納圈型溜槽、內部徑向溜槽和混合型溜槽。世界范圍內，OK-TankCell型浮選機總安裝臺數達2000多臺。Outotec公司在浮選機放大過程中應用自身的浮選機放大技術，其主要包括：轉子-定子系統結構參數的放大;槽體幾何形狀的放大;礦物懸浮能力相似;泡沫特性相似。以此為基礎，Outotec公司根據浮選機放大原則先后研發了100m3、200m3、300m3浮選機，并在礦山取得了成功工業應用，500m3浮選機也已完成設計研發，并在芬蘭完成了工業試驗，并初步完成了620m3浮選機研究設計工作。
1996年，美國Phelps Dodge公司莫倫西-麥特卡爾夫銅礦選礦廠在銅浮選粗選回路中以“2-2-2”方式配置了6臺100m3 OK-TankCell型浮選機。由于廠房空間原因，回路設計中將浮選槽按“U”型布置，功率消耗有了明顯的降低，浮選指標優異。1999年5月，80臺100m3 OK-TankCell型浮選機在智利BHP/RTZ埃斯康迪達銅礦選礦廠投入生產，與以前所用浮選機相比，OK-TankCell型浮選機的應用使BHP的精銅礦銅品位和回收率有很大程度的提高。2007年，新西蘭Macraes金礦選礦廠粗選作業中選用了3臺300m3 OK-Tankcell，回收率提高了3%[11]。
圖1 OK-TankCell型浮選機結構示意圖
1.2 Wemco 1+1TM浮選機
Wemco1+1TM自吸氣機械攪拌式浮選機以其獨特的浮選機放大規則為依據。1987年，Degner等人提出以一系列流體動力學參數為核心的Wemco 1+1TM自吸氣式浮選機放大規則，放大規則能夠保證其結構放大的同時其流體動力學特性相似[12]。其放大規則包括：
(1)槽體液面單位面積的表觀氣體流速。它由進入浮選槽中氣體流量決定。浮選機液面處的單位面積氣體流量小，會導致疏水礦物的回收率降低，而單位面積氣體流量過大，則會出現礦漿表面擾動或翻花現象。為了保證泡沫層平穩，一般浮選機作業時所允許的最大單位面積氣體流量為10.67~12.2m3/m2min。
(2)分散器區域氣體和礦漿的停留時間。它可以表征氣泡與礦粒碰撞接觸時間，由單位時間內處于分散器區域中的礦漿和氣體總體積決定。浮選機分散器的體積就是分散器腔所包含的容積。
(3)分散器的功率強度。表示每個立方英尺分散器體積的功率，也是由分散器區域所決定的另外一個參數。
(4)浮選槽的循環強度。循環強度表示礦漿在浮選槽內穿過吸氣機構的機會。浮選槽內循環強度越大，分散器區域內礦漿與進入的氣體接觸機會越多。
(5)礦漿在豎管中的速度。該速度為礦漿在豎管中的單位面積的流量，它取決于通過豎管橫截面的液體速度。為了改善大型浮選機中固體懸浮特性，避免大型浮選機沉槽的問題，浮選機規格的增大的同時需適當提高礦漿速度。因此，這個參數可對浮選機內礦物懸浮效果定量化。
(6)氣體流量數(Q/DN3;Q為氣體流量、N為轉子轉速、D為轉子直徑)，表示攪拌系統的吸氣能力，直接決定自吸氣式浮選機進氣速率的大小，決定了浮選機的吸氣量。
Wemco1+1TM自吸氣機械攪拌式浮選機130 m3的浮選機有400多臺已用于世界多地的礦山，160 m3浮選機也已在南美洲投入生產。2004年，FLSmidth公司研制的SmartCell-250 m3浮選機，在Mineral Los-Pelambres礦山進行了工業試驗，代替了粗選回路中的SmartCell-160 m3浮選機，能耗費用減少7%，安裝功率降低15%。試驗成功后，Mineral Los-Pelambres公司為提高處理率，采購了10臺257m3的浮選機，將日處理量由12萬t提高到14萬t。2014年，FLSmidth公司在IMPC國際選礦會議上公布了其660m3 Super Cell浮選機。
圖2 Wemco浮選機工作原理與結構示意圖
1.3 BGRIMM浮選機
BGRIMM型浮選機是由北京礦冶研究總院研發的充氣機械攪拌式浮選機，如圖3，已在國內各大礦山取得了成功的工業應用，并已走入國際市場。
圖3 BGRIMM型浮選機結構示意圖
BGRIMM型浮選機主要特點在于：獨特的葉輪-定子系統，葉輪采用后傾高比轉數葉片，大循環量低壓頭，礦漿充分懸浮，礦粒分布均勻;低阻尼直懸式定子[30]，改變礦漿流向，起導流定向作用;雙推泡錐槽體結構、創新的雙泡沫槽，內泡沫槽不僅可以推送泡沫，而且保證浮選泡沫及時順利排出，增加了泡沫厚度，縮短了泡沫輸送距離，有利于泡沫層穩定;預分配定向流動空氣分配器能夠使空氣分散均勻，充氣礦漿混合物流動路線合理，氣泡比表面積大，增大了氣泡和顆粒的碰撞粘附概率[13]。
BGRIMM充氣機械攪拌式浮選機的放大方法可概括為：
充氣量：大小可以調節，浮選機放大時充氣部件不變。
槽體放大：以槽體橫截面面積與葉輪直徑的比值
為放大因子，槽體放大遵守放大規則：
。
葉輪放大：包括葉輪尺寸放大和葉輪攪拌雷諾數放大。葉輪尺寸放大的放大因子為葉輪直徑，放大規則為：
。葉輪攪拌雷諾數放大一定程度上取決于浮選機規模的大?。寒敻∵x機容積較小時，整個系列的浮選機葉輪設計可以依據浮選槽內懸浮準數相等的原則;當浮選機容積較大時，以懸浮準數為放大因子，其放大規則為：
。
槽內流體動力學特征相似：以S/D倍的葉輪線速度為放大因子，其放大依據為：
。
上述方法不僅適用于充氣機械攪拌式浮選機，也適用于自吸氣機械攪拌式浮選機，不同點在于自吸氣機械攪拌式浮選機放大過程還應考慮吸氣部件的放大[14]。
表1 BGRIMM浮選機大型化進程
BGRIMM浮選機的主要發展進程如表1所示。2013年，北京礦冶研究總院借助先進的流體仿真技術，設計完成了500、600m3超大型浮選機[15]。CFD仿真技術的成功應用，極大加速了浮選機大型化的研發周期。浮選機大型化趨勢不變的大背景下，北京礦冶研究總院繼而研發了680m3超大型浮選機，經過CFD仿真計算證明680m3超大型浮選機具有優秀的流體動力學特性，為超大規模選礦廠提供更多的配置方案選擇。
2. 680m3超大型浮選機浮選機研究
浮選機內流體動力學特性很大程度上決定著浮選動力學表現，應用CFD方法分析浮選單相(水)的流態特征、氣泡彌散情況及礦物顆粒槽體內的分布，為680m3浮選機的工業應用奠定理論基礎。
2.1 流體動力學分析
2.1.1 水動力學分析
浮選機不同流體區域需要不同的流動特性，通常將浮選機內部分為攪拌混合區、運輸區、分離區和泡沫區。浮選機不同區域湍流強度和速度分布不同，葉輪區為實現礦漿抽吸，提高葉輪區礦物顆粒和氣泡的碰撞、粘附概率需要較大的湍流強度。如圖4、圖5所示，浮選機葉輪區出現了速度和湍流強度的峰值，葉輪的周邊射流效應及抽吸作用明顯。浮選機定子主要起穩流導向作用，防止流體在浮選機內打轉，將葉輪甩出的周向流轉變為軸向流，向上輸送礦物顆粒，如圖6、圖7所示。680m3浮選機流線趨勢，湍流強度分布特性及流體最大速度均與已成功工業應用的320m3、200m3、160m3浮選機類似。
浮選機上部液面應該保持相對平穩的流體環境，不能出現“打轉”現象。為此，關注距離溢流堰500mm、1000mm處橫截面的流線圖(圖8，圖9)，可以看出，流體仍以徑向流為主，并無明顯旋轉流，說明定子充分發揮了穩流導向的作用。
2.1.2 氣固分散特性
圖10和圖11分別為中心截面680m3浮選機的氣泡分布和固體顆粒分布。680m3浮選機內空氣分散度高，氣泡無明顯聚集和短路行為。礦物顆粒槽體內分散均勻，底部無顆粒沉積。說明其具有優異的氣泡分散、顆粒懸浮性能。
2.2放大相似準數分析
圖12所示為浮選機容積與功率準數Np和循環強度的關系。功率準數反映浮選機內各部件的幾何結構特征和工作參數的關系[1]，浮選機放大過程中需保證幾何結構相似放大的同時，工作參數存在相似關系。浮選機由70m3放大至680m3過程，功率準數均保持在5.4附近。循環強度表示流體或礦漿在槽內循環的能力，體現設備有效容積同葉輪泵吸作用之間的關系，很大程度上影響氣泡與顆粒的碰撞概率。循環強度隨著槽體容積的放大，有增大的趨勢。
圖13所示為浮選機容積與功率強度、氣體流量數Na和弗勞德數Fr的關系。功率強度表示單位容積浮選機消耗的功耗。氣體流量準數Na是浮選機放大非常重要的準則，直接表征氣泡在槽內的上升速度，反映了充氣量同葉輪泵吸作用之間的關系。弗勞德數Fr是非常重要的相似準數，反映的是離心力和慣性力之間的比值，具體到浮選機則表示葉輪的泵吸作用和靜水壓頭之間的比值，關系到固體顆粒在浮選機的懸浮。隨著槽體容積的放大，大型浮選機功率強度變小，意味著處理相同給礦量礦物大型浮選機更為節能。在不同規格的浮選機弗勞德數相似均在0.5附近，氣體流量準數均在0.15附近，表現出了很好的一致性。
3.結論與展望
浮選機大型化仍是浮選機發展的重要方向，近20年來，浮選機實現了70m3-300m3的放大過程，320m3浮選機也在礦山上取得成功應用，500m3、600m3級別超大型浮選機已成為浮選機研發的新動向、新趨勢。北京礦冶研究總院基于CFD方法研發出了680m3超大型浮選機，延續了BGRIMM系列浮選機優異的流體動力學性能，為新型、超大規模選礦廠浮選機配置提供了新的技術方案。
致謝
本研究獲得國家自然科學基金項目(No. 51074027&No.51474032)的支持。CFD計算由國家超級計算天津中心的“天河一號”超級計算機完成，感謝支持。
參考文獻
[1] 沈政昌，浮選機理論與技術[M]. 北京：冶金工業出版社，2012.
[2] 方志剛. 選礦設備的新進展[J].有色設備,1998，1:15～20.
[3] Koh PTL, Schwarz MP. CFD model of a self-aerating flotation cell[J]. International Journal of Mineral Processing 2007, 85:16-24.
[4] Koh PTL, Smith LK. The effect of stirring speed and induction time on flotation[J]. Minerals Engineering 2011;24:442-8.
[5]Xia, J., Rinne, A., Gr?nstrand, S., Effect of turbulence models on prediction of fluid flow in an Outotec flotation cell [J]. Minerals Engineering 22, 2009:880-885.
[6]Salem-Said, A., Fayed, H., Ragab, S.. CFD Simulation of a Dorr-Oliver Flotation Cell[C]. In Proceedings of the SME Annual Meeting and Exhibit, Denver, CO, USA.
[7] 唐堃. 大型機械攪拌充氣式浮選機內部流場的數值模擬[D].蘭州：蘭州理工大學,碩士論文,2009.
[9] Koh PTL, Schwarz P, Zhu Y, Bourke P. Development of CFD Models of Mineral Flotation Cells [10]. In Proceedings of the 3rd International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries. Melborne, Australia, 2003:171-5.
[11] 鄒志毅，奧圖泰Tankcell浮選機及其應用[J] 現代礦業, 2011:7-7.
[12] 沈政昌,盧世杰. 大型浮選機評述[J].中國礦業,2004,2:229～233.
[13] 田華偉，沈政昌，劉惠林. 浮選設備的發展與展望[J].選煤技術，2008,1：65~39.
[14] 沈政昌, 盧世杰, 楊麗君. KYF系列大型浮選機的研制開發與應用[J]. 有色金屬, 2008:115-9.
[15] 沈政昌,樊學賽,張明,楊麗君. 單槽容積600m3充氣機械攪拌式浮選機流場研究[J]. 2013有色金屬(增刊):195-198.
聲明：
“大型浮選機研究進展及680m3浮選機研究” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
1009
編輯：吉利娜
來源：北京礦冶研究總院、 北京市高效節能礦冶技術裝備工程技術研究中心
分享 0
舉報 0
收藏 0
反對 0
點贊 0
中冶有色技術平臺
2023年11月10日 ~ 12日 
換一批
評論 （0條）