浮選柱的研究趨勢及在金堆礦區的應用

郭修旺

(金堆城鉬業股份有限公司，陜西 華縣 714102 )

0 引 言

隨著礦石資源開采利用量的逐步加大，“貧、細、雜”礦石所占的比重越來越大，因而也凸顯出了很多選礦技術難題[1]。近幾年，在選礦技術工作者的不懈努力下，我國的選礦基礎理論研究和裝備水平得到了很大發展。其中，基于浮選流場理論的研究，涌現出了大量新型浮選設備[2]。

浮選設備主要分為浮選機和浮選柱兩大類，浮選工藝以浮選機為主時流程較長，占地面積大，設備臺套多，檢修工作量大。而浮選柱工藝占地面積小、節能、節約投資和運行成本，尤其是在細粒、微細粒物料分選方面能得到較高的富集比和回收率[3]。

近年來，浮選柱研究在發泡方式、礦化方式、自動控制系統、復合力場動力學模擬、柱體結構等方面取得了重大進展，出現了很多有代表性浮選柱[3-4]。我國應用的浮選柱主要有兩種：一種是充氣型浮選柱，以我國長沙有色冶金設計研究院的CCF浮選柱和加拿大的CPT浮選柱為主，另一種是自吸氣型浮選柱，以中國礦業大學自主研發的FCSMC旋流-靜態微泡浮選柱為首[5]。本文重點從以下幾個方面進行詳細闡述。

1 發泡方式的發展

氣泡作為浮選的有效運輸介質，是由氣泡發生器生成的。氣泡發生器是浮選柱最為關鍵的部件，不同結構和性能的氣泡發生器生成氣泡的方式、大小、分布都不同，對浮選效率影響很大。按照生成氣泡位置的不同，氣泡發生器可以分為內置式和外置式[2]。按照供氣方式的不同，可以粗略的分為自吸氣式和壓氣式，一般來說，自吸氣式能耗較高，而壓氣式則需要一套供氣系統。下面介紹幾種主要的發泡方式。

1.1 射流原理發泡

借助射流原理發泡是指高壓礦漿高速通過文丘里管的窄道后以射流的形式進入擴散管中，射流進入后在擴散管中形成一定的負壓，空氣由此被吸入。進入的空氣在射流的攪拌作用下被粉碎成微小的氣泡[6]。高壓礦漿射入擴散管及之后切向進入浮選柱筒體中隨著液位的上升，都存在礦漿壓力減小的過程，壓力減小使得微泡選擇性的從疏水性礦粒表面析出，并上升成為最終泡沫產品[7-8]。

利用射流原理發泡的浮選柱有：旋流-靜態微泡浮選柱、KYZ-A型順流噴射型浮選柱、Jameson浮選柱、KYZ型浮選柱[9]。

1.2 剪切接觸發泡

剪切接觸發泡的原理是礦漿與氣體以特定的方式高速接觸來產生氣泡。比較典型的有充填介質剪切發泡、靜態混合器發泡以及旋流器式發泡。采用充填介質剪切發泡技術的有MTU充填介質浮選柱，該柱體內部裝有多層充填板，層與層之間按90度角排列，當壓縮空氣從柱體底部給入時，充填板形成的細小曲折孔道將空氣分給為微小氣泡，氣泡分散性好。采用靜態混合器發泡比較典型的有美國的Microcel氣泡發生器、TurboAir氣泡發生器，國內北京礦冶研究總院應用于KYZE型浮選柱的氣泡發生器。KYZE型浮選柱的發泡過程是由中礦循環泵從浮選柱底部抽吸的礦漿自上而下通過浮選柱周身布置的多個靜態混合器后，與供氣系統產生的高壓氣體高速剪切，形成微小氣泡[10-11]。旋流式氣泡發生器與旋流器結構類似，由供氣系統提供的壓縮空氣由中心氣管進入筒體，有壓礦漿沿切向方向進入筒體中，在高速旋轉的同時對空氣流進行剪切作用。當裹挾著空氣的礦漿從噴嘴噴出時，產生大量細小而均勻的氣泡，該發泡器不存在破裂、結垢問題[12-13]。

1.3 空氣噴射式發泡

空氣噴射式發泡主要依靠安裝在浮選柱底部的空氣分散系統和高壓噴槍將由供氣系統提供的高壓空氣分解成細小氣泡注入浮選柱中。空氣分散系統在浮選柱底部采用階梯型布置，在每個截面上都有一組環繞柱體的空氣支管及多根均勻分布的氣體噴射槍。可以通過調整噴射槍的開啟個數和噴嘴的大小來調整氣泡量的多少。該裝置充氣量大，氣泡細小均勻，可以實現正常開車情況下的維修更換。應用此發泡方式的浮選柱主要有我國長沙有色冶金設計研究院的CCF浮選柱和加拿大的CPT浮選柱[5]。

1.4 電解水產生氣泡

印度研制的電解浮選柱創新性地采用了電解水產生微小氣泡的方式發泡，該方法是在浮選柱底部安裝了電極，接通電源后將水電解為氫氣和氧氣，氣泡的尺寸可以通過調節電流的大小來控制，氣泡直徑微小且較為穩定，因此用來做細粒級浮選效果好。由于浮選高效進行有一個前提條件是具有較大的比表觀充氣速率，并盡可能產生小氣泡，但是現實中產生小氣泡的條件是較低的表觀充氣速率，這個矛盾制約著浮選柱的充氣研究，電解產生氣泡能規避這個問題。在香爐山鎢尾礦浮選回收試驗中，采用該類浮選柱與浮選機相比，精礦品位和回收率分別提高了0.57%和8.54%[14]。

1.5 降壓或升溫發泡

研究表明，空氣在水中的溶解度一般為2%左右，且當降低壓力或者升高溫度后溶解的氣體能夠從水中析出生成氣泡[12]。

從以上幾種發泡方式可以看出，引入氣體的方式主要有壓入式鼓入空氣和射流自吸氣兩種，其中壓入式需要配套專門的壓風設備，系統較為復雜。而射流吸氣相對來說結構簡單，能耗低，較好地適應了浮選設備發展的需要[15]。

2 礦化方式的發展

自從浮選柱發明以來，各種改進就沒有停止過，早期的礦化方式大多采用逆流礦化方式，后來隨著技術研究的不斷進步，出現了逆流礦化、順流礦化、管流或離心礦化以及多種礦化組合的礦化方式等。

2.1 逆流礦化浮選柱

該類型浮選柱依然沿用早期經典的逆流礦化方式，經藥劑處理后的礦漿從距柱頂一段距離處給入并在重力作用下向下流動，空氣從浮選柱底部給入后在浮力作用下上升，兩者在捕收區接觸碰撞，疏水性礦物被捕獲附著在氣泡上從而使氣泡礦化。

該類型的浮選柱有CPT浮選柱、CCF浮選柱、KYZ-E浮選柱以及FXZ全靜態浮選柱。其中FXZ浮選柱專門設置有一個跌落箱，礦漿與利用高壓風噴入的浮選藥劑在跌落箱中接觸，并在向下流動過程中彌散均勻[10,14]。

2.2 順流礦化浮選柱

該類型浮選柱最大的特點是在礦漿帶動下迫使氣泡克服浮力與其同向流動，相比逆流型浮選柱結構簡單、容易操作，且生產效率高。由北京礦冶研究總院研制的向下順流噴射型浮選柱利用射流原理引入空氣，利用分選槽底部的反射假底將空氣進一步粉碎成氣泡，氣泡直徑小，分散比較均勻[12,16]。

2.3 管流礦化浮選柱

該礦化方式是當礦漿通過設立在浮選柱外的管道時，利用射流原理引入空氣后，在流體的高度紊動作用下，氣體被分割成小氣泡并持續與礦粒碰撞粘附從而實現礦化。管流礦化的浮選柱有射流浮選柱、噴射浮選柱、Jameson浮選柱等，其中Jameson浮選柱最為典型[15]。

2.4 離心力場礦化浮選柱

離心力場礦化是一種高效的充氣礦化方式，礦漿由切向方向給入柱體中，空氣則從多孔的柱壁給入，在空氣與礦漿的“垂直”接觸剪切過程中實現礦化。該“垂直”礦化方式在提高礦化效率的同時，降低了分選粒度下限，有利于微細粒物料的分選。比較典型的是由美國猶他大學研制的旋流充氣式浮選柱[10,17]。

2.5 順流-逆流多段礦化浮選柱

該類型浮選柱由多個浮選柱體組成，每個柱體或是順流礦化，或是逆流礦化，因此每個柱體都有不同的流體性質和充氣狀態，可以通過調整柱體截面來調整礦漿的流速和停留時間。比較典型的有俄羅斯IOTT 研究所研制的順流-逆流多段浮選柱[14]。

2.6 多種礦化方式組合礦化

多種礦化方式組合是浮選柱發展的重要領域，能夠實現不同性質物料的針對性層次性分選，強化分選的同時提高回收率，最為典型的是旋流-靜態微泡浮選柱。該浮選柱在傳統逆流礦化的基礎上，創新性的引入管流礦化。礦漿從距柱體頂部一定距離給入后，部分可浮性好的礦粒實現逆流礦化，在浮選柱底部設置有旋流分離單元，分離出中礦產品，該部分產品在管流段實現礦化，整個浮選柱礦化分選環境逐級加強，梯級加強，提高了選礦回收率[6,13,15]。

3 液位控制系統的發展

浮選柱液位控制對于選礦回收率和精礦質量有重要的影響，控制的原理是通過調節尾礦的排放量，最常使用的控制方法主要有2種。第一種是利用U型管原理，即將尾礦通過管道引導到與浮選柱液位等高的尾礦箱中，通過調節尾礦箱中的尾礦排放量來控制液位，該方法控制過程相對滯后，其優點是成本低，波動小，控制系統簡單，可靠性強；第二種是通過調節安裝在尾礦管道上的氣動閥或電磁閥的開度大小來調節，該控制方法是根據液位實現實時調節，調節速度快，但穩定性差，易引起系統震蕩，其調節的核心部件是控制運算機構，一般為PID表或者PLC控制系統。目前，兩種控制方案都有廣泛應用，但是未來浮選柱是向大型化、自動化控制的方向前進，從這個角度來講第二種方案更有優勢[18]，它主要由3部分構成，分別是液位檢測與傳感裝置、控制運算核心和尾礦排放機構。

3.1 液位檢測與傳感裝置

實現液位測量與傳感的裝置很多，主要有靜壓式液位計、電容式液位計、吹氣式液位計、超聲波液位變送器等。旋流-靜態微泡浮選柱采用單壓力傳感器實現對礦漿液位的實時檢測，傳感器安裝在液面以下某一位置，通過測量壓力變化來反映液位變化。CCF浮選柱通過浮力液位計和超聲波傳感器組合實現液位控制。在液面上放置浮球，浮球通過連桿與一個平臺相連接，當浮球隨著液面上下浮動時，通過超聲波傳感器測量與平臺之間的距離來控制液位。壓力傳感器受氣溫影響小，靈敏度高，但是當礦漿濃度較大和礦物顆粒較粗時，測量偏差較大；超聲波液位計測量的可靠性和穩定性好，使用壽命長，但是受氣溫和聲速影響，當溫度變化大時需要校準[9,15.19]。

3.2 尾礦排放執行機構

尾礦的排放機構主要有2種，分別是電動蝶閥和電控氣動閥。CCF浮選柱采用電動氣控閥，即通過控制氣缸活塞的運動來控制閥門的開度，從而達到控制液位的目的。旋流-靜態微泡浮選柱執行機構采用兩組并行的電動執行機構，其中一組做粗調，而另一組做微調，采用膠管閥執行控制信號[20]。

一般情況下，在尾礦排放執行機構前設有手動閥門，便于控制閥門的檢修更換，且排放執行機構安裝在距離尾礦管出口有一定高度的位置，這樣可以降低閥門承受的壓力，從而減少磨損，延長使用壽命。但是這樣的設計，在浮選柱檢修放量時必須將手動閥門打開，避免管道堵塞。

4 浮選柱在金堆礦區的應用

金堆礦區所使用的浮選柱主要有3種，分別是鉬粗選和精選所用的CCF浮選柱，鉬精選尾礦再選使用的FCSMC旋流-靜態微泡浮選柱以及選銅段、選硫段使用的CGPF浮選柱。

4.1 選鉬工藝段應用

CCF浮選柱在鉬精選段的應用顯著提高鉬精礦品位，崗位工可以實時監測泡沫層厚度，氣動漿閥開度以及充氣量大小，系統根據設定值自動調整，提高了自動化程度。采用浮選機八次精選與采用浮選柱五次精選指標對比見表1，可以看出浮選柱在顯著提高精礦品位的同時，提高了精選段的回收率。

表1 精選工藝浮選機與浮選柱對比

4.2 鉬精選尾礦再選應用

鉬精選尾礦再選工藝應用8臺FCSMC旋流-靜態微泡浮選柱，粗選段采用一粗一精二掃工藝，精選段采用三精一掃工藝的工藝流程，成功實現了微細粒鉬金屬的有效回收，鉬金屬的富集比高達20～30倍，回收率達到40%～60%，工藝流程見圖1。

圖1 精選尾礦再選工藝流程

4.3 華光公司選銅選硫工藝應用

華光公司在選銅段和選硫段應用的CGPF浮選柱， 該浮選柱結構與CCF浮選柱相近，在應用浮選柱前，原工藝段使用浮選機分選，占地面積大，設備臺套多，檢修任務重，崗位工主要靠經驗調整充氣量和尾礦排放量，操作水平高低不一。應用浮選柱后，銅精礦品位為15%左右，回收率可達85%以上；硫精礦品位可達45%左右，回收率在65%以上，工藝流程見圖2。

4.4 實際應用中存在的問題

浮選柱在微細粒礦物分選、縮短工藝流程、提高精礦品位等方面有獨特的優勢，在日常使用過程中發現有如下問題：

4.4.1 氣泡發生器問題

氣泡發生器是浮選柱的核心部件，CCF浮選柱和CGPF浮選柱在供氣氣壓不足或氣槍備件老化時，存在礦漿堵塞氣槍的問題，如果不及時更換，容易造成進氣量減少，影響礦化效果。FCSMC旋流-靜態微泡浮選柱的氣泡發生器受有壓礦漿的在其內部通過，噴嘴會因磨損而慢慢擴大，導致礦漿流速降低，負壓減小，進而導致吸入空氣量的降低，影響礦化效果。

圖2 選銅段、選硫段工藝流程

4.4.2 尾礦排放問題

浮選柱應用于粗選時，由于礦漿中礦石粒度過大，或者給礦量有較大波動時，容易造成尾礦管道堵塞，影響生產正常進行。一旦堵塞，現場一般采用高壓水來疏通。同時，由于顆粒較粗，尾礦漿閥磨損較快，現場一般采用Y型管道設計，2組漿閥，一開一備。

4.4.3 液位控制系統問題

金堆礦區使用的3種浮選柱都使用PLC或者PID表來實現液位自動控制，3種浮選柱無一例外都存在液位控制速度快、系統震蕩的特點，對于在柱體內部平穩分選不利。

5 浮選柱的不足與技術展望

浮選柱具有占地面積小，精礦品位高等優點，但是同時也存在一些不足，柱體高徑比過大，高度太高操作不便且粗顆粒分選效果差。未來的礦石趨向“貧、細、雜”，浮選柱有處理細粒礦物的獨特優勢，是浮選設備發展的主要趨勢，后續的發展主要表現在以下幾個方面：

(1)隨著一些大型模擬軟件的出現，利用數學建模，進行浮選柱內部氣、液、固三相流體計算，進而實現柱體結構的優化設計，為浮選柱的進一步放大設計提供理論支撐，減少材料的消耗和浪費。

(2)利用復合力場作用，實現不同性質物料的綜合分選。在浮選柱內部施加磁場、電場、離心力場等，可以進一步強化分選，降低柱體的高度，提高回收能力。

(3)實現浮選柱智能化，對浮選柱自動控制系統，如尾礦排放、自動充氣、自動加藥等進行優化設計，促進分選過程的高效平穩進行。

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