隨婕斐,何東升,李智力,張澤強(qiáng),梁 歡,拉希德·哈庫(kù)
(1.武漢工程大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.摩洛哥卡迪阿亞德大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,摩洛哥 馬拉喀什 400000)
浮選機(jī)大致可分為四大類(lèi),分別是機(jī)械攪拌式浮選機(jī)、氣動(dòng)式浮選機(jī)、反應(yīng)-分離器和浮選柱[1-2]。機(jī)械攪拌式浮選機(jī)與氣動(dòng)式浮選機(jī)于20世紀(jì)早期就已開(kāi)始在生產(chǎn)上應(yīng)用,而反應(yīng)-分離器和浮選柱在20世紀(jì)中后期才發(fā)展起來(lái)。
在以上4類(lèi)浮選機(jī)中,機(jī)械攪拌式浮選機(jī)是技術(shù)最成熟且應(yīng)用最廣的類(lèi)型,其特點(diǎn)是通過(guò)機(jī)械驅(qū)動(dòng)葉輪攪拌礦漿,并使空氣分散到礦漿中。該類(lèi)浮選機(jī)根據(jù)充氣方式不同,分為充氣式和吸氣式兩類(lèi);根據(jù)礦漿流動(dòng)方式不同,分為串槽式與開(kāi)流式兩類(lèi)。充氣浮選機(jī)要用充氣裝置往浮選槽中充入空氣,吸氣浮選機(jī)則利用葉輪產(chǎn)生的渦流吸入空氣。串槽浮選機(jī)通過(guò)管路將帶攪拌葉輪的浮選槽連接起來(lái),而開(kāi)流浮選機(jī)不用管路連接。最初的浮選機(jī)都是串槽式,與開(kāi)流式相比,結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜。開(kāi)流浮選機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、維護(hù)方便、粗粒懸浮性好及單位處理量大等優(yōu)勢(shì);而串槽浮選機(jī)對(duì)小型及需要多段精選的選廠特別實(shí)用,葉輪的吸漿作用可以不需要外加泵就能實(shí)現(xiàn)中間礦漿的自流輸送。曾經(jīng)有一段時(shí)間開(kāi)流浮選機(jī)隨著浮選機(jī)的大型化而發(fā)展迅速,隨后串槽浮選機(jī)也逐漸向大型化發(fā)展。大型串槽浮選機(jī)最重要的應(yīng)用是精煤的精選,其浮選選擇性明顯優(yōu)于開(kāi)流浮選機(jī)[3-8]。
氣動(dòng)浮選機(jī)的特點(diǎn)是沒(méi)有攪拌葉輪,僅依靠壓入空氣攪拌礦漿和產(chǎn)生浮選氣泡,現(xiàn)在已很少使用。
反應(yīng)-分離器將浮選機(jī)的“反應(yīng)”與“分離”功能分開(kāi),礦漿與空氣先給入反應(yīng)器中,在強(qiáng)紊流狀態(tài)下相互反應(yīng)形成礦化氣泡,然后再進(jìn)入分離器中,在靜態(tài)流環(huán)境下實(shí)現(xiàn)不同礦物的分離。這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于促進(jìn)細(xì)粒物料的回收和提高分選精度有利[2-4]。
浮選柱是針對(duì)細(xì)粒物料的回收而發(fā)展起來(lái)的,其基本特征是氣泡與礦漿逆向流動(dòng),或礦漿與沖洗水逆向流動(dòng)。
近百年來(lái),雖然浮選機(jī)的發(fā)展比較迅速,但機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的行業(yè)主導(dǎo)地位一直沒(méi)有改變,這主要是由其技術(shù)成熟性和實(shí)用性決定的,因此本文主要闡述機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用。
丹佛D-R型浮選機(jī)主要有雙攪拌葉輪和單攪拌葉輪兩種形式,工作時(shí)礦漿并不是直接流向葉輪區(qū),而是設(shè)計(jì)了一根從葉輪一直延伸到槽體頂部的礦漿循環(huán)管,礦漿先給入循環(huán)管,然后和空氣混合進(jìn)入葉輪區(qū)[9-10]。其特點(diǎn)是葉輪高度不高,攪拌區(qū)接近槽底,從攪拌區(qū)至分離區(qū)的距離較長(zhǎng);整機(jī)采用循環(huán)筒結(jié)構(gòu),且循環(huán)性能好;線速度低,磨損??;充氣量大,泡沫層厚。
1964年第一批D-R浮選機(jī)被用于Endako煤礦企業(yè)集團(tuán);1967年D-R600浮選機(jī)在Columbia的Endako礦區(qū)一個(gè)鉬礦被安裝使用;1972年在Bougainville島上安裝了108臺(tái)D-R600浮選機(jī),并將其作為粗顆粒精選設(shè)備;1991年第1臺(tái)容積為28 m3的大型D-R浮選機(jī)安裝完畢,用于煤浮選。在性能方面,D-R浮選機(jī)表現(xiàn)出浮選效率高、浮選速度快、生產(chǎn)能力大的特點(diǎn),特別適用于粗選(包括混合浮選)及掃選作業(yè)。D-R浮選機(jī)的使用提高了礦石處理能力及金屬回收率,大大縮短了礦漿流程[11-13]。
Wemco浮選機(jī)代表機(jī)種有Wemco1+1型浮選機(jī)(1969年研制成功)和Wemco Smart Cell型浮選機(jī)(1986年研制成功),其槽體為圓筒形,槽內(nèi)設(shè)有通氣引流管和泡沫集中器,每個(gè)槽子中間部位設(shè)有轉(zhuǎn)子式分散器[14-16],槽底設(shè)有帶孔的假底、錐形吸管、導(dǎo)管,利于礦漿流動(dòng)和循環(huán),且槽內(nèi)設(shè)有穩(wěn)流板,縮短了精礦在浮選機(jī)中的停留時(shí)間。它的循環(huán)性能好,選細(xì)礦粒效果好;但由于葉輪直徑小、攪拌力弱,選粗礦粒時(shí)易沉淀,所以不宜分選粗礦粒。另外該機(jī)型存在線速度高磨損大、吸氣量小泡沫層薄等缺點(diǎn)。
2002年冬瓜山銅礦采用了18臺(tái)容積為130 m3的Wemco Smart Cell浮選機(jī),目前仍在運(yùn)行中;2005年洛陽(yáng)欒川銅礦采用了8臺(tái)容積為130 m3的Wemco Smart Cell浮選機(jī),該礦在2006年又購(gòu)買(mǎi)了10臺(tái);2017年普朗銅礦采用了16臺(tái)容積為330 m3的Wemco Smart Cell浮選機(jī),現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入生產(chǎn)階段,應(yīng)用效果較好。Wemco浮選機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于歐美、澳大利亞、日本、非洲等地,大多用于銅、鉛、鋅、硫、鉀等礦石的粗掃選作業(yè)[16-18]。
1983年奧托昆普公司研制成功的Tank Cell型浮選機(jī)是模擬浮選柱設(shè)計(jì)的,具有“虛柱”的特點(diǎn)。它的槽體也為圓筒形,槽內(nèi)設(shè)有空心軸,空氣經(jīng)空心軸進(jìn)入葉輪腔,礦漿由槽體下部側(cè)面流入槽體,氣泡與目的礦物在槽體內(nèi)碰撞,泡沫從槽體上方的溢流堰流出[19-21]。2007年奧托昆普公司開(kāi)發(fā)出性能更優(yōu)良的新型攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu),它的主要特點(diǎn)是:定子部分可以拆卸,易于更換,維修操作簡(jiǎn)單;礦漿循環(huán)性能好;充氣量可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)控;易損件使用壽命長(zhǎng)。
1983年奧托昆普公司的OK-60-TC浮選機(jī)第一次在芬蘭的皮哈薩爾米選礦廠安裝使用;1995年奧托昆普公司首臺(tái)單槽容積為100 m3的浮選機(jī)在智利Escondido礦的Los Colorados選礦廠安裝使用;1997年該公司單槽容積為160 m3的浮選機(jī)第一次在智利Chuquicamada礦安裝使用;2002年首臺(tái)單槽容積為200 m3的浮選機(jī)在澳大利亞的Century礦山安裝使用;2007年單槽容積為300 m3的浮選機(jī)在新西蘭的Macraes金礦安裝使用;2014年單槽容積為630 m3的浮選機(jī)被推出,2015年單槽容積為660 m3的浮選機(jī)被推出。奧托昆普公司的這些大型浮選機(jī)已廣泛應(yīng)用于世界各地選礦廠的粗選、掃選和精選作業(yè)中,并獲得了良好的浮選指標(biāo)[22-23]。
Mesto浮選機(jī)的槽體同樣為圓筒形,葉片為深型結(jié)構(gòu),攪拌強(qiáng)度大。已有學(xué)者對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的改進(jìn),改進(jìn)后可以為粗選、精選和掃選作業(yè)創(chuàng)造良好的條件[23],浮選效果較好。目前已經(jīng)有容積為5~200 m3不同規(guī)格的此類(lèi)浮選機(jī)投入使用,它的主要特點(diǎn)是采用一定形狀的深型直葉片和空氣分散隔板,并且按照特殊形式排列;葉輪下方產(chǎn)生強(qiáng)烈回流,可有效避免槽底礦石顆粒沉積。
Mesto浮選機(jī)的特點(diǎn):①下部區(qū)域的礦物顆??梢赃_(dá)到較好的懸浮狀態(tài)并且可以及時(shí)輸送到上部區(qū)域,在上升的過(guò)程中顆粒與氣泡可以多次接觸,從而實(shí)現(xiàn)全部礦物顆粒的回收;②上部區(qū)域的礦漿流動(dòng)平穩(wěn),不僅可以盡可能地減少多余的礦物顆粒懸浮,還可以防止粗顆粒脫落,從而大大提高浮選效率[24-27]。
北京礦冶科技集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)“北京礦冶”)自1960年以來(lái)一直致力于研究和推廣BGRIMM系列浮選設(shè)備,該系列浮選機(jī)有很多類(lèi)型,例如XCF/KYF、CHF-X、JJF、SF、XJZ、LCH-X、CLF、YX、BF型等[28-32]。
2.1.1 XCF/KYF型浮選機(jī)
XCF/KYF型浮選機(jī)屬深槽型浮選機(jī),其中XCF型浮選機(jī)有上下葉輪,二者形成了充氣攪拌區(qū)和吸漿區(qū);KYF型浮選機(jī)采用單壁后傾葉片,無(wú)上葉片吸漿,槽內(nèi)設(shè)有倒錐臺(tái)狀葉輪和多孔圓筒型氣體分配器以及較小的懸空式定子。因此XCF型浮選機(jī)一般作為吸入槽、KYF型浮選機(jī)一般作為直流槽聯(lián)合使用,其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠、操作維護(hù)方便、節(jié)能顯著、效率高等特點(diǎn)。該類(lèi)浮選機(jī)槽體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、不沉槽、安全系數(shù)高。
XCF/KYF型浮選機(jī)應(yīng)用廣泛,浮選效果好。2000年單槽容積為50 m3的XCF/KYF型浮選機(jī)一經(jīng)推出,就在我國(guó)迅速推廣近千臺(tái);2005年單槽容積為160 m3的XCF/KYF型浮選機(jī)被成功研制,并應(yīng)用于我國(guó)黃金集團(tuán)烏努格吐山銅鉬礦3.4 萬(wàn)t/d項(xiàng)目;2008年單槽容積為200 m3的XCF/KYF型浮選機(jī)被成功研制,并應(yīng)用于江西銅業(yè)集團(tuán)大山選礦廠9.0 萬(wàn)t/d項(xiàng)目,同年又研制出當(dāng)時(shí)全球最大的單槽容積為320 m3的XCF/KYF型浮選機(jī),并在多個(gè)項(xiàng)目及企業(yè)中得到應(yīng)用,例如秘魯某銅礦項(xiàng)目、國(guó)內(nèi)鹿鳴礦業(yè)及烏山銅鉬礦;2015年單槽容積為600 m3的XCF/KYF型浮選機(jī)被成功研制;2018年世界上最大的單槽容積為680 m3的XCF/KYF型浮選機(jī)又被成功研制,安裝于德興銅礦泗洲選礦廠并應(yīng)用于尾礦的再選,還可用于粗選、掃選等作業(yè)。此類(lèi)浮選機(jī)也可以在有色、黑色、非金屬礦物分選和污水處理中使用[33-36]。
2.1.2 JJF型浮選機(jī)
JJF型浮選機(jī)采用深型葉輪、圓筒型定子,定子周?chē)O(shè)有錐形分散罩,葉輪下部增設(shè)導(dǎo)管和假底,假底上裝有礦漿循環(huán)管,引流管的上端調(diào)節(jié)環(huán)與葉輪下端嚙合。該機(jī)型的葉輪高度高、葉片面積大、安裝深度淺、攪拌強(qiáng)度適中、固體顆粒懸浮良好、不沉槽、礦漿循環(huán)特性好,液面平穩(wěn)、分選效率高,圓周速率低、功耗省,易損件壽命長(zhǎng)、維修方便。
2002年前后由北京礦冶設(shè)計(jì)、制造的JJFⅡ型浮選機(jī)先后在鞍山鋼鐵公司、金川有色金屬公司、大冶有色金屬公司、銀山鉛鋅礦、白銀有色金屬公司各鉛鋅礦、凡口鉛鋅礦、大寶山銅礦等獲得應(yīng)用[21];2006年JJF-130浮選機(jī)進(jìn)入工業(yè)試驗(yàn)階段;2008年JJF-200浮選機(jī)在德興銅礦進(jìn)行了工業(yè)測(cè)試;2012年北京礦冶采用模擬仿真技術(shù)對(duì)JJF-320自吸浮選機(jī)展開(kāi)研究,取得了突破性進(jìn)展,2016年在工廠進(jìn)行了測(cè)試,獲得了較好的浮選指標(biāo)[37]。
2.1.3 CLF型粗粒浮選機(jī)
CLF型浮選機(jī)的葉輪采用高比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵,且葉輪葉片后傾,上為吸漿槽,下為直流槽,吸漿槽有中心筒、中礦返回管及蓋板等主要部件,底部設(shè)有空氣分配器,此外槽內(nèi)還設(shè)有假底、循環(huán)通道及活動(dòng)式擋板,可以形成一個(gè)穩(wěn)定的分離區(qū)和泡沫區(qū)。礦漿循環(huán)性能好,可以自吸給漿,并且適用于粗粒浮選,為浮選機(jī)的專(zhuān)屬化研究提供了方向。
CLF-40型浮選機(jī)在首鋼豐寧三贏鐵礦先浮磷再磁選的工藝中得到成功應(yīng)用;同時(shí)在河北隆化縣順達(dá)礦業(yè)有限公司以及承德雙灤建龍礦業(yè)公司先磁選再浮磷鐵精礦選磷中得到成功應(yīng)用。此類(lèi)浮選機(jī)已經(jīng)在菲律賓聯(lián)合銅業(yè)PASAR項(xiàng)目、廣西金川有色金屬有限公司渣選項(xiàng)目、紫金銅業(yè)渣選項(xiàng)目、湖南水口山渣選項(xiàng)目、銅陵有色稀貴金屬公司等多個(gè)項(xiàng)目及公司中投入使用,選礦效果都較好。在工業(yè)生產(chǎn)中,當(dāng)浮選礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)70%時(shí),浮選效果依然良好,適用于磁選尾礦、銅礦、石英砂和冶煉爐渣等的選別以及鉭鈮礦等非金屬礦物的選別[38]。
2.1.4 YX型閃速浮選機(jī)
YX型閃速浮選機(jī)的槽體采用錐形底設(shè)計(jì),葉輪、定子下安裝了礦漿循環(huán)筒,底部管路上安裝了膠管閥,槽體內(nèi)采用大的推泡錐,設(shè)有中部排礦口,且?guī)в幸何豢刂葡到y(tǒng)。給料中較大顆粒(有用礦物及脈石礦物)在重力作用下沿浮選機(jī)壁排放至球磨機(jī),粒度適中的顆粒進(jìn)入浮選區(qū)。該機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可有效消除沉槽死角,循環(huán)效果好,且槽內(nèi)礦漿有明顯的分層現(xiàn)象,泡沫層平穩(wěn),底部管路可以避免粗顆粒堵塞,精礦泡沫可以快速排出,還可以適應(yīng)快速多變的波動(dòng)給礦。
YX型浮選機(jī)可以在不同分級(jí)沉砂環(huán)境中回收金、銀和鉑等貴金屬,還可以選別其他礦漿濃度差較大的礦物。在此類(lèi)浮選機(jī)中,YX-2型浮選機(jī)已在德興銅礦泗洲選礦廠得到應(yīng)用;YX-8型浮選機(jī)已在安徽獅子山銅礦得到應(yīng)用;2012年研制的YX-4型閃速浮選機(jī)在崇禮紫金礦業(yè)選礦廠的應(yīng)用取得突破性進(jìn)展;2014年研制的YXⅡ-4型閃速浮選機(jī)在甘肅某大型金礦開(kāi)展了工業(yè)適用性研究,獲得了良好的選別指標(biāo)[39]。
機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的核心部件是其攪拌系統(tǒng),這種結(jié)構(gòu)模式的不足在于:①浮選機(jī)充氣量受到葉輪轉(zhuǎn)速限制,如要增大充氣量,需提高葉輪轉(zhuǎn)速,以使葉輪與蓋板間形成較大的負(fù)壓強(qiáng)度,但礦物分選又要求葉輪轉(zhuǎn)速較低,以創(chuàng)造良好的靜態(tài)流分選環(huán)境,因此轉(zhuǎn)速對(duì)于充氣量與分選環(huán)境而言是一個(gè)矛盾量,只能做到相對(duì)優(yōu)化;②浮選過(guò)程調(diào)控性差,難以獲得分選所需的流體動(dòng)力學(xué)條件,分選精度不高;③為保證充氣量,葉輪轉(zhuǎn)速相對(duì)較快,能耗較大,葉輪與蓋板接觸處容易磨損,導(dǎo)致其產(chǎn)生的負(fù)壓強(qiáng)度逐漸減小,充氣量不斷下降,礦漿液面不平穩(wěn)。為此,武漢工程大學(xué)通過(guò)將離心葉輪與攪拌葉輪有機(jī)地結(jié)合起來(lái),研發(fā)了一種2+1結(jié)構(gòu)模式的雙葉輪攪拌系統(tǒng)[40-43]。
與傳統(tǒng)攪拌系統(tǒng)相比,雙葉輪攪拌系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):①采用離心葉輪吸入空氣和產(chǎn)生浮選氣泡,不必依靠高轉(zhuǎn)速,其線速度為常規(guī)葉輪的56%時(shí)就可以獲得很好的充氣效果,不存在充氣量與分選環(huán)境相互矛盾的問(wèn)題,有利于創(chuàng)造分選所需的良好流體動(dòng)力學(xué)條件,提高分選精度;②由離心葉輪水力空化效應(yīng)產(chǎn)生的氣泡,優(yōu)先從疏水礦物顆粒表面析出,有利于擴(kuò)大疏水與親水礦物顆粒的可浮性差異;③可以根據(jù)不同性質(zhì)礦物浮選的需要,采用不同的葉輪組合,對(duì)浮選流體動(dòng)力學(xué)條件進(jìn)行靈活調(diào)控,有利于優(yōu)化浮選機(jī)的分選性能;④攪拌強(qiáng)度較低,設(shè)備的能耗和磨損較小,符合節(jié)能化的設(shè)計(jì)理念;⑤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易在現(xiàn)有浮選機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造以制造槽體較深的大型浮選機(jī)[41]。
鑒于雙葉輪攪拌系統(tǒng)具有明顯的性能優(yōu)勢(shì),目前武漢工程大學(xué)與湖北興發(fā)化工集團(tuán)股份有限公司合作,正在進(jìn)行雙葉輪浮選機(jī)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究工作。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展、信息技術(shù)的普及,自動(dòng)化控制技術(shù)得到廣泛應(yīng)用,可以結(jié)合浮選的特點(diǎn),研究反應(yīng)靈敏的檢測(cè)元器件,實(shí)現(xiàn)浮選機(jī)液位、精礦品位等的在線檢測(cè)。目前已有的自動(dòng)化控制技術(shù)有:液位傳感器、液面自動(dòng)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、微泡浮選柱和泡沫的數(shù)字圖像控制等[44-47]。通過(guò)對(duì)浮選參數(shù)的自動(dòng)控制,可以?xún)?yōu)化浮選結(jié)果、節(jié)約浮選藥劑、提高浮選產(chǎn)率。隨著設(shè)備的大型化,實(shí)現(xiàn)全流程信息化控制是浮選機(jī)今后的發(fā)展方向。
節(jié)能化是目前的熱點(diǎn)話(huà)題,機(jī)器的研究不僅要在性能方面下功夫,也要考慮自身的節(jié)能化問(wèn)題。浮選機(jī)的節(jié)能化在于研究新的攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu),改善槽體結(jié)構(gòu)及礦漿循環(huán)方式,建立礦漿在槽內(nèi)的最佳運(yùn)動(dòng)路線,將浮選機(jī)的單位能耗降至最低,這樣不僅可以在提高浮選效率的前提下減輕設(shè)備零件的磨損,而且符合浮選機(jī)節(jié)能化的設(shè)計(jì)理念[46-49]。因此,浮選機(jī)的節(jié)能化是今后的研究方向之一。
隨著設(shè)備大型化,選礦廠設(shè)備總質(zhì)量和建筑面積相應(yīng)減小,投資額也相應(yīng)減少。浮選槽及其相關(guān)設(shè)備的減少意味著可降低電氣、給藥、過(guò)程控制、泵和管路等的成本。由于總的能耗、維修、勞動(dòng)力、易損部件等成本降低了,相應(yīng)的運(yùn)行成本也會(huì)降低[50-56]。目前,工業(yè)應(yīng)用的最大浮選機(jī)容積為320 m3;2009年,北京礦冶在原有基礎(chǔ)上,研制了單槽容積為600 m3的工業(yè)化浮選機(jī),且在2013年完成了理論性研究;2012年奧托昆普公司開(kāi)展了單槽容積為500 m3的Tank Cell浮選機(jī)的研制。由此可見(jiàn),大型浮選機(jī)的應(yīng)用前景非常廣闊。
由于礦石日趨貧細(xì)雜,礦石性質(zhì)越來(lái)越復(fù)雜多樣,這就需要學(xué)者們對(duì)浮選機(jī)的專(zhuān)屬化展開(kāi)進(jìn)一步研究。隨著礦產(chǎn)資源不斷地“貧、細(xì)、雜”化,導(dǎo)致有用礦物顆粒的粒度不同,在分選過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)也不同[56-57]。為了達(dá)到較好的浮選效果,在分選時(shí)要按照入選礦物顆粒的性質(zhì)差異來(lái)進(jìn)行分選。目前已有粗粒浮選機(jī),如CLF型粗粒浮選機(jī),而礦石粒度不斷細(xì)化,降低浮選粒級(jí)下限的浮選機(jī)市場(chǎng)供應(yīng)短缺,因此發(fā)展細(xì)粒專(zhuān)用浮選機(jī)是當(dāng)前研究工作的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。