程琪林，羅立群

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070)

浮選柱及其控制技術(shù)的研究進展

程琪林，羅立群

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070)

針對細粒、復(fù)雜、低品位的物料分選，浮選柱以其結(jié)構(gòu)簡單、占地小和易自動控制等優(yōu)點倍受青睞。簡述了浮選柱的分選特征、性能優(yōu)勢和研究進展，比較了幾種常見浮選柱的分選機理、特征和各自的性能優(yōu)勢，重點闡述了浮選柱過程控制參數(shù)的特點、控制途徑和控制算法的研究進展及存在的不足，展望了浮選柱未來的發(fā)展方向。

浮選柱；氣泡發(fā)生器；PID控制；泡沫層厚度；液位控制

隨著品位低、嵌布粒度細、礦物組成復(fù)雜的難選礦石的比例日益增大，應(yīng)用結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、成本低、建設(shè)周期短和精礦質(zhì)量好的浮選柱倍受選礦界的青睞，特別是近年來改進了柱體結(jié)構(gòu)形式、發(fā)泡方式與結(jié)構(gòu)之后，在基礎(chǔ)理論和自動控制技術(shù)方面取得了長足的進展[1]。本文簡要介紹了浮選柱的分選機理及幾種常見浮選柱的特點，指出其各自的性能優(yōu)勢，重點闡述了浮選柱控制參數(shù)特征和控制技術(shù)的研究進展與存在的缺陷，展望了對浮選柱未來的發(fā)展方向。

1 浮選柱的特征、優(yōu)勢及進展

1.1 浮選柱的分選特征

浮選柱發(fā)展至今已有50多年的歷史，柱體一般為細長筒型構(gòu)造，柱高多為9～15 m，直徑0.5～3.0 m，其斷面形狀一般為圓形、方形或上方下圓形。浮選時已調(diào)好藥劑的礦漿從柱體上部的給礦管給入，受重力作用下沉與下端通入的氣泡逆流接觸，對流相遇過程發(fā)生在整個捕集區(qū)內(nèi)，使目的礦物微粒和氣泡能夠充分碰撞和吸附，疏水性顆粒與氣泡結(jié)合形成礦化氣泡并緩緩上升至泡沫槽中，在柱體上部形成礦化泡沫層，進入精礦槽受沖洗水沖洗而成為精礦，沒有在氣泡上附著的脈石礦物作為漿狀尾礦從柱體底部排出[2]。

浮選柱柱體可分為礦化區(qū)和精選區(qū)兩個部分，有用礦物的回收率主要由礦化區(qū)進行的子過程來決定，而精選區(qū)則直接影響精礦品位。設(shè)計浮選柱模型時一般對這兩個部分的動力學(xué)過程進行單獨分析[3]。

1.2 浮選柱的性能優(yōu)勢

浮選柱在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、無機械運動部件、安全節(jié)能等方面；而浮選工藝優(yōu)勢則包括以下幾方面。

1) 優(yōu)越的捕集區(qū)氣泡與礦粒吸附環(huán)境。一是常規(guī)浮選機礦化區(qū)僅在轉(zhuǎn)子周圍區(qū)域，而在浮選柱中，從給料口到氣泡入口的整個容積都是礦化帶，容積利用率要高得多；二是浮選柱浮選動力學(xué)穩(wěn)定，氣泡相對較小，分布更為均勻；三是具有浮選機無法比擬的精選區(qū)，泡沫層厚度可達1～2 m，并有沖洗水逆流清洗，富集比高。

2) 高倍的礦化幾率和可調(diào)的氣泡空間分布。傳統(tǒng)浮選機中，礦物顆粒與氣泡的吸附主要靠轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的紊流速度差來實現(xiàn)，能量主要消耗于產(chǎn)生高度紊流，不能直接應(yīng)用于礦化過程，能量利用率低，高強度的紊流削弱了礦粒與氣泡吸附的概率。浮選柱捕集區(qū)礦粒與氣泡逆向接觸比浮選機平穩(wěn)，空氣利用率和設(shè)備單位處理能力高：一是絕對速度低而相對速度高，紊流強度低，礦物顆粒不易從泡沫上脫落，礦漿內(nèi)部能夠形成比較理想的流體力學(xué)條件；二是浮選柱的充氣量和氣泡在大小、空間和時間的分布可通過氣泡發(fā)生器方便地調(diào)節(jié)和控制，可操作性強。

3) 大量均勻的微泡適合細粒、復(fù)雜礦物分離。浮選柱通過氣泡發(fā)生器產(chǎn)生大量直徑很小的活性微泡，對于微細顆粒，直徑偏大的氣泡上升速度快，上升過程中氣泡周圍產(chǎn)生的流線使細粒偏離，降低兩者碰撞吸附幾率；小氣泡上升速度慢，產(chǎn)生紊流小，細粒偏離流線的可能性更小，更適用于微細粒級別礦物的選別[4]，如靜電復(fù)印和激光打印廢紙的脫墨[5]。

1.3 浮選柱的研究進展

浮選柱的發(fā)展是經(jīng)歷曲折后重現(xiàn)光明，主要得益于：①充氣方式和材料多樣化，充氣性能不斷提高，使用壽命逐步延長；②采用多種浮選新技術(shù)和電、磁、真空、溶氣等方法；③采用較高水平的自動控制技術(shù)；④應(yīng)用范圍不斷擴大[6]。20世紀80年代以來，隨著人們對浮選柱結(jié)構(gòu)參數(shù)和數(shù)學(xué)模型研究的不斷深入，多種新型浮選柱層出不窮。其中最具代表性的有：Jameson浮選柱，充填介質(zhì)浮選柱，旋流-靜態(tài)微泡浮選柱，CPT浮選柱和KYZ浮選柱等，幾種常見浮選柱的浮選機理、特點與應(yīng)用情況如表1所示。

2 浮選柱的控制參數(shù)

2.1 柱體高度

選擇合適的柱體高度不僅能夠有效地控制廠房的基建投資，而且礦粒在柱體中停留的時間也會受到影響。一般來說，礦物可浮性越差，所需要的柱體高度就越高，但是，柱體過高時，不僅浮選柱本身造價高，維護困難，而且也會提高礦粒與氣泡脫落的概率，降低精礦回收率。因此，針對不同礦物類型，要因地制宜選擇合適的柱體高度。

2.2 礦漿濃度

眾所周知，礦漿濃度越大，單位體積礦漿中所含礦物微粒越多，一方面能夠增加礦粒與微泡碰撞粘附幾率，減少氣泡兼并，提高氣泡利用率；另一方面也能降低氣泡平均上升速度與礦粒掉落可能性，但是濃度過高不僅會造成夾帶，影響精礦品位，也易造成浮選柱工作效率過低，甚至導(dǎo)致柱體堵塞等情況發(fā)生。

2.3 充氣品質(zhì)

較小的氣泡直徑對于微細粒礦物才能發(fā)揮較好的浮選效果。有研究認為，當顆粒直徑大于5 μm時，氣泡大小的影響尤為明顯[7]；適量的氣泡能夠提高氣泡與礦粒碰撞吸附的幾率，提高產(chǎn)品回收率。但充氣量過大也會造成機械夾帶而影響精礦品位，不能形成穩(wěn)定的泡沫層。另外，合適的氣體流速則可以提高捕集區(qū)礦化氣泡的穩(wěn)定性[8]。

2.4 循環(huán)壓力

循環(huán)壓力為浮選柱工作提供能量來源，浮選柱核心組件氣泡發(fā)生器的充氣速率和柱體內(nèi)旋流力場強度均由其決定，其影響機理與充氣量類似。另外，隨著循環(huán)壓力增大，柱體內(nèi)旋流力場強度也隨之增大，氣固絮團能夠快速地從旋流中心上升至精選區(qū)，未礦化的脈石礦物受離心力場作用從底部排出形成尾礦。

2.5 沖洗水與泡沫層厚度

適量的沖洗水能夠有效提高精礦的品位，及時帶走泡沫層中的精礦，強化泡沫二次富集作用，提高浮選柱分選效果。沖洗水速率是浮選柱重要的變化參數(shù)，針對不同情況，速率均有其對應(yīng)的合適數(shù)值。在低于該數(shù)值時，隨著速率提高，泡沫二次富集作用增強，但是超過極限值后，上涌泡沫與下流沖洗水逆流混合，易導(dǎo)致礦漿環(huán)流和再循環(huán)，降低精礦品位。

泡沫層厚度增加能夠加強泡沫二次富集作用，提高浮選的選擇性，但是也會導(dǎo)致捕集區(qū)容積減小，降低回收率。

3 控制技術(shù)的發(fā)展

3.1 控制途徑

自動控制基本策略就是以液位監(jiān)測和尾礦調(diào)節(jié)為核心，系統(tǒng)將液位檢測信號與給定值比較，然后通過控制算法得出即時尾礦排量，最后再通過調(diào)節(jié)排放量以形成閉環(huán)控制[22]。

3.1.1 液位控制

在無人工干預(yù)或者干預(yù)很少的情況能夠以穩(wěn)定的狀態(tài)生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品是浮選柱生產(chǎn)自動化的基本要求，亦即穩(wěn)定控制，包括浮選柱液位控制、礦漿流量控制和偏流控制，其中液位控制是最為關(guān)鍵的部分[23]。液位控制包括液位檢測和控制兩個步驟。目前，液位檢測常用的方式有超聲波液位變送器和靜壓式液位計。

超聲波液位變送器即浮球與超聲波探測器聯(lián)合檢測，這是目前工業(yè)使用較為廣泛的檢測方式。超聲波液位檢測原理圖如圖1所示，當?shù)V漿液面變化時，處于浮選柱捕集區(qū)與精選區(qū)界面的浮球會產(chǎn)生垂直方向的位移，而浮球頂端帶有反射板，超聲波液位計就可以測出其與浮球頂端反射面的距離[24]。但由于液位波動頻繁，浮球難以穩(wěn)定，而且易粘附礦粒，影響測量結(jié)果精度。

圖1 超聲波液位檢測原理

靜壓式液位計則是依靠安裝在捕集區(qū)特定位置的壓力傳感器來采集反映不同液面高度的壓力信號，并轉(zhuǎn)換成DC標準電流信號輸送至PLC，PLC通過轉(zhuǎn)換信號并與給定值分析對比，然后輸出信號來調(diào)節(jié)隔膜閥的開度，控制尾礦排量以維持液面高度在設(shè)定值左右穩(wěn)定波動[25]。

此外，由于礦漿電導(dǎo)率會隨其氣泡含量產(chǎn)生變化，張志豐等[26]通過傳感器確定礦漿氣泡含量，測出礦漿電導(dǎo)率，并作出礦漿電導(dǎo)率特征曲線，進行曲線擬合，最后通過擬合曲線從整體上確定礦漿液位。

對于液位控制，一種方案是將尾礦通過U型管引導(dǎo)到一個與設(shè)定液位等高的尾礦箱中，利用U型管原理調(diào)節(jié)尾礦箱中尾礦排放口高度來控制液位。此方案主要缺點是系統(tǒng)響應(yīng)速度不夠快，但成本比較低、浮選設(shè)備對控制系統(tǒng)依賴性小[27]。另一種方案是通過直接調(diào)節(jié)入料量和尾礦排放量來控制，但因?qū)嶋H生產(chǎn)限制，通常只能調(diào)節(jié)尾礦排放量以達到控制液位的目的。

3.1.2 在線品質(zhì)控制

在穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)各分選過程的不同，隨時調(diào)控各可調(diào)變量，使浮選柱在消耗最低值的藥劑和能源的情況盡可能達到最佳分選效果。一方面，采用在線品位分析儀監(jiān)測產(chǎn)品品位的變化，并依變化情況調(diào)整浮選柱運行過程中加入的捕收劑和起泡劑用量[28]。另一方面，泡沫層厚度控制同樣是其中很重要的一環(huán)。基于MIA(多元圖像分析)技術(shù)的泡沫圖像分析儀器目前已廣泛應(yīng)用在浮選柱生產(chǎn)中，而且還可以作為很多實際問題的替代解決方案，比如檢測水夾帶和泡沫顏色、紋理等與水有關(guān)的內(nèi)容，但是由于圖像分析技術(shù)只能停留在表面特征層面，深層的本質(zhì)信息依然不明[29]。

3.1.3 其他控制

充氣流量對礦粒礦化程度及捕集區(qū)礦化氣泡穩(wěn)定性有直接影響，是浮選柱良好運行的重要參數(shù)。一般來說，充氣流量是通過流量計，如旋轉(zhuǎn)式流量計、渦街式流量計等進行測定，并通過球形閥自動控制[30]。

沖洗水控制主要是通過數(shù)字監(jiān)控監(jiān)視浮選柱頂部泡沫狀況，通過泡沫的大小、黏性和溢出狀況，再結(jié)合充氣量和液位監(jiān)測數(shù)值，綜合調(diào)整沖洗水量。

3.2 控制算法

3.2.1 PID控制

圖2 浮選柱PID控制結(jié)構(gòu)

在浮選柱自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)回路中，一般采用PLC可編程控制器的PID控制模塊通過軟件編程實現(xiàn)PID方程運算，并采用電動或者氣動執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)[31]，其浮選柱PID控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。實際生產(chǎn)中一般從浮選柱生產(chǎn)過程入手，使用可編程邏輯控制器(PLC)采集實時數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)處理和分析，并將結(jié)果反饋給浮選柱控制系統(tǒng)，指導(dǎo)系統(tǒng)再根據(jù)分析結(jié)果向PLC發(fā)出相應(yīng)的指令以實現(xiàn)自動調(diào)控。

基于PLC的自動控制系統(tǒng)生產(chǎn)自動化程度低，其原因在于系統(tǒng)運行不能脫離操作人員的控制，而且浮選柱內(nèi)部反應(yīng)十分復(fù)雜，難以找到比較接近的數(shù)學(xué)模型而實現(xiàn)理想的PID閉環(huán)控制，導(dǎo)致生產(chǎn)精度低、可靠性差[32]。

張志豐等設(shè)計了一套變結(jié)構(gòu)PID控制系統(tǒng)，應(yīng)用比例增益，當液位偏差較大時加入比例增益來加速響應(yīng)[33]。生產(chǎn)中通過實驗確定合適的增益范圍，當偏差在范圍內(nèi)時只對尾礦排放口進行調(diào)節(jié)，而當偏差超出范圍時則以尾礦排放口調(diào)節(jié)為主，尾礦箱排放口調(diào)節(jié)為輔，實現(xiàn)兩極調(diào)節(jié)。

3.2.2 模糊控制

浮選柱內(nèi)部固液作用情況十分復(fù)雜，反應(yīng)過程非線性，很難得到精確的數(shù)字化的測試數(shù)據(jù)。Swati Mohanty提出一種基于類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型預(yù)測控制系統(tǒng)，通過采集大量系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)調(diào)整適宜的控制范圍，控制器實時對系統(tǒng)狀態(tài)進行評估，當系統(tǒng)達到預(yù)先設(shè)置的條件時，就會觸發(fā)相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整[34]。而且，在運行過程中還能夠根據(jù)實際生產(chǎn)情況調(diào)整或增加控制規(guī)則，并預(yù)測未來的系統(tǒng)狀態(tài)，提前作出反應(yīng)。

3.2.3 模糊與PID 雙模控制

模糊與PID雙?？刂萍蠢媚：刂频目祉憫?yīng)速度和強適應(yīng)性等優(yōu)點去改善純PID控制的滯后性，并保持PID控制優(yōu)良的精確度。浮選柱檢測偏差信號傳輸?shù)娇刂破鬟M行識別，當偏差較大時使用模糊控制器以加快響應(yīng)速度，偏差較小時采用PID控制器以消除靜差，提高控制精度[35]。

3.3 技術(shù)展望

浮選柱較傳統(tǒng)浮選機的最大優(yōu)勢在于容易實現(xiàn)自動控制，后續(xù)技術(shù)發(fā)展需要考慮以下幾方面。

1) 優(yōu)化控制參數(shù)，提高響應(yīng)精度。從優(yōu)化穩(wěn)定控制方面入手，設(shè)置礦漿濃度、pH、浮選泡沫檢測回路，完善充氣、加藥自動控制系統(tǒng)等，提高算法與控制的結(jié)合度，并不斷引入更為先進的檢測方式，提高測試精度，采取有效方式將生產(chǎn)過程中的參數(shù)直觀地顯示在計算機屏幕上，并能夠允許用戶通過接口程序在線修改[36]。

2) 注重柱內(nèi)流體動力學(xué)研究。由于對浮選柱內(nèi)部流態(tài)的了解還不夠透徹，需要加強浮選柱內(nèi)部的流體動力學(xué)問題研究，如泡沫在浮選柱內(nèi)停留時間、泡沫兼并、泡沫流態(tài)、氣液混合狀態(tài)[37]，以及固液顆粒的流場等等動力學(xué)過程。通過研究其動力學(xué)特征和流態(tài)規(guī)律，從而掌握與控制內(nèi)部流體的流態(tài)，實現(xiàn)自動控制。

3) 積極開展柱式分離動力學(xué)模型與模擬。優(yōu)化浮選控制的上層理念是如何獲取最好的經(jīng)濟可行性，即實現(xiàn)最有利益的控制操作，通過建立基于給礦品位與分離速率的分選品位-收率模型和曲線而優(yōu)化浮選控制[38]。基于建模的方法和專家系統(tǒng)，今后需要加大研究力度，以求獲得更多的技術(shù)突破。

4 結(jié)語

浮選柱作為一種極具發(fā)展前途的礦物選別設(shè)備，在50多年的發(fā)展歷程中經(jīng)歷曲折后重現(xiàn)光明，目前已倍受青睞。對選定的柱高比和柱型，可選擇或控制礦漿濃度、充氣品質(zhì)、循環(huán)壓力和沖洗水等參數(shù)，采用液位、在線品質(zhì)或充氣流量等控制途徑，利用PID或模糊算法，對其容易實現(xiàn)自動控制。后續(xù)技術(shù)發(fā)展可從優(yōu)化控制參數(shù)，提高響應(yīng)精度，注重柱內(nèi)流體動力學(xué)研究和開展動力學(xué)模型與模擬著手，以求獲得更多的技術(shù)突破。

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Development of flotation column and its control technology

CHENG Qi-lin，LUO Li-qun

(1.College of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China;2. Hubei Province Key Laboratory of Mineral Resources Processing & Environment, Wuhan 430070，China)

Aiming at minerals separation of fine particles, complexity and low grade, column flotation have been acclaimed owing to its several advantages such as simple structure, small footprint and ease of autocontrol, etc. Separation characteristics, performance predominance and research advances of column flotation were briefly summarized. The comparison of sorting mechanism, functions and each of performance advantages of common column flotation were outlined and discussed. It focused on process control parameters features, methods and algorithm progress of process control technologies and defects of column flotation. Eventually, future direction of development of column flotation was prospected.

column flotation; bubble generator; PID control; foam layer thickness; liquid level control

2013-12-26

國家科技支撐計劃項目資助(編號：2013BAE04B03)

程琪林(1990-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向為金屬礦高效分選利用，E-mail: qilinc1990@gmail.com。

羅立群(1968- )，男，湖南長沙人，博士，高級工程師；研究方向為礦物資源高效分選與二次資源綜合利用，E-mail: lqluollq@hotmail.com。

TD923

A

1004-4051(2015)01-0115-05