工業(yè)浮選過(guò)程測(cè)試新進(jìn)展

劉國(guó)蓉，劉承帥，孟 瑋，萬(wàn) 磊

（北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司，北京 100160）

1 引言

浮選是氣、液、固三相體系中完成的復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。為揭示浮選過(guò)程，實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)手段發(fā)展迅速多樣，將選礦由一門(mén)工程技術(shù)發(fā)展成為一門(mén)理論豐富、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)技術(shù)。浮選實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)手段主要針對(duì)礦石、藥劑、礦漿體系的物理化學(xué)性質(zhì)以及浮選藥劑和礦物的相互作用。如礦物解離度、表面潤(rùn)濕性、接觸角、表面電位的測(cè)定；藥劑吸附量、表面張力的測(cè)定；紅外光譜、原子吸收光光度法的應(yīng)用、原子力顯微鏡的應(yīng)用；礦漿體系pH、電導(dǎo)率以及氧化還原電位的測(cè)定等實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法。浮選研究過(guò)程中，每一種新的測(cè)試方法的出現(xiàn)或者引入，都將顯著推進(jìn)科研工作者對(duì)浮選機(jī)理的理解。

相比而言，工業(yè)規(guī)模浮選過(guò)程檢測(cè)手段研究較少。然而，此類檢測(cè)手段一旦成熟，更容易獲得浮選過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，找到優(yōu)化改進(jìn)突破口。例如，澳大利亞礦物工業(yè)研究協(xié)會(huì)（AMIRA）P9項(xiàng)目［1］，Power等［2］等多方面長(zhǎng)時(shí)間對(duì)不同類型的浮選槽中決定流 體動(dòng)力學(xué)條件的主要因素，如氣泡尺寸、礦漿含氣量及氣體橫截面速度等進(jìn)行了測(cè)量，建立了數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)包含800個(gè)浮選槽的相關(guān)測(cè)試信息。800個(gè)浮選槽來(lái)自不同國(guó)家和地區(qū)（澳大利亞、南非、加拿大等）、不同浮選設(shè)備制造商（奧圖泰、威姆克、美卓等）、不同浮選作業(yè)（粗選、精選、掃選等）、不同礦石種類（銅、鉛、鋅、金等），不同浮選槽規(guī)格（20m3-150m3）。該數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于指導(dǎo)浮選操作的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化，盡可能早的發(fā)現(xiàn)浮選過(guò)程中出現(xiàn)的設(shè)備/工藝問(wèn)題，使選廠效益最大化。

國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中一般通過(guò)液位、充氣量測(cè)量與控制來(lái)控制浮選過(guò)程，通過(guò)給礦、泡沫和尾礦的取樣來(lái)分析品位和回收率來(lái)評(píng)價(jià)分選效果；對(duì)粒級(jí)回收率、充氣量、浮選機(jī)槽內(nèi)礦漿濃度分布、氣泡分散性、氣泡直徑分布分析浮選設(shè)備性能對(duì)浮選工藝的匹配性。然而，這些都是一定程度上反映出浮選過(guò)程的條件優(yōu)劣，而泡沫浮選的本質(zhì)是通過(guò)氣泡的礦化攜帶在其上的礦物顆粒進(jìn)入泡沫層實(shí)現(xiàn)回收。穩(wěn)定、可靠直接測(cè)試氣泡礦化功能、影響氣泡礦化因素的表征和測(cè)試等對(duì)指導(dǎo)、優(yōu)化工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)操作參數(shù)有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，本文總結(jié)了近年來(lái)工業(yè)浮選過(guò)程中常用的測(cè)試方法以及相關(guān)的展望。

2 典型的浮選過(guò)程參數(shù)檢測(cè)方法

2.1 浮選氣泡尺寸檢測(cè)

John Palston［3］， HJ Schulze［4］等建立的浮選微觀模型認(rèn)為：礦物浮選分離可用概率表示，浮選概率可分為顆粒與氣泡的碰撞、顆粒與氣泡的吸附、顆粒隨氣泡上浮過(guò)程中沒(méi)有脫落并成功進(jìn)入精礦的概率。Yoon［5］計(jì)算中等雷諾數(shù)條件下的顆粒流經(jīng)氣泡周圍的繞流方程，得出顆粒與氣泡的碰撞概率與氣泡直徑的平方成反比。Nguen［6］分析了顆粒在氣泡表面的運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)吸附概率與氣泡直徑和顆粒表面性質(zhì)均有影響。實(shí)際礦石浮選方面，覃文慶等［7］對(duì)用電解氫氣對(duì)不同粒級(jí)的細(xì)粒錫石進(jìn)行了浮選試驗(yàn)，通過(guò)改變陰極孔徑大小調(diào)節(jié)氣泡大小，通過(guò)改變電流強(qiáng)度調(diào)節(jié)氣量，研究表明氣泡大小與礦物顆粒之間有最佳的匹配范圍。在此范圍內(nèi)，回收率最高。任瀏祎［8］系統(tǒng)研究了顆粒大小、氣泡大小、氣泡量、pH等對(duì)錫石浮選回收率的影響，研究表明，要得到最高的回收率，不同粒級(jí)錫石分別有最佳的氣泡尺寸相匹配。這些研究都表明，氣泡直徑對(duì)顆粒與氣泡的碰撞和吸附過(guò)程有重要影響。

對(duì)于不同氣泡尺寸的測(cè)量，主要有圖像分析法、電阻率法、光學(xué)傳感器法、多孔板法、漂移量分析法等。Wei Zhang［9］對(duì)半工業(yè)（0.8m3）浮選槽內(nèi)氣泡尺寸進(jìn)行了測(cè)量，總結(jié)了礦漿性質(zhì)---氣泡尺寸之間的關(guān)系。張世杰等［10］對(duì)實(shí)驗(yàn)室（2L）浮選槽內(nèi)氣泡尺寸進(jìn)行了測(cè)量，研究了起泡劑對(duì)氣泡粒度分布的影響。目前國(guó)內(nèi)較成熟工業(yè)測(cè)量氣泡尺寸及分布的設(shè)備是北京拓金科技有限責(zé)任公司研發(fā)的BubbleSizeAnalyzerTM氣泡分析儀。目前已在江西銅業(yè)集團(tuán)德興銅礦取得成功應(yīng)用，簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 BubbleSizeAnalyzerTM氣泡分析儀示意圖

2.2 氣泡在礦漿體系中的負(fù)載率檢測(cè)

氣泡負(fù)載是直接在浮選過(guò)程中對(duì)礦化氣泡取樣，考察礦物顆粒在浮選氣泡吸附情況的參數(shù)，對(duì)優(yōu)化浮選參數(shù)、指導(dǎo)提高目的礦物可浮性和與脈石礦物的分離有重要作用。1992年，F(xiàn)alutsu and Dobby［11］研究了從浮選柱礦漿中分離被氣泡吸附的固體顆粒的方法和儀器，被認(rèn)為是最早直接測(cè)量氣泡負(fù)載的裝置之一。1995年，Dyer［12］首次根據(jù)實(shí)際位移（容積式）原理，設(shè)計(jì)發(fā)明了裝置測(cè)量氣泡負(fù)載，該裝置通過(guò)插入礦漿中的立管，收集礦化氣泡，礦化氣泡升入收集倉(cāng)中破裂后吸附的礦物顆粒脫落，通過(guò)計(jì)算氣泡體積和礦物顆粒的質(zhì)量便可得到浮選氣體的負(fù)載特性（g/L）。2004年，Seaman［13］完善了該形式測(cè)量氣泡負(fù)載特性的裝置，改進(jìn)了立管和收集倉(cāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，使取樣變得更加簡(jiǎn)化和準(zhǔn)確。2010年，Moys［14］系統(tǒng)的總結(jié)了上述兩種不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式的測(cè)試裝置，總結(jié)了理想的測(cè)量氣泡負(fù)載特性裝置具備的8條標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)的完善了氣泡負(fù)載測(cè)試方法的可靠性和工業(yè)可行性。

之后出現(xiàn)了大量關(guān)于實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)規(guī)模浮選氣泡負(fù)載測(cè)試的報(bào)道，2008年，Yianatos［15］通過(guò)建模分析，通過(guò)結(jié)合礦化氣泡表面礦物覆蓋率、浮選截面氣體表面積通量、充氣量和氣泡負(fù)載率等參數(shù)研究浮選過(guò)程中通過(guò)礦漿-泡沫層截面的質(zhì)量通量，最終通過(guò)理論計(jì)算求得浮選回收率。并在智利銅業(yè)某選廠130m3浮選機(jī)試驗(yàn)，具有較好的相關(guān)性。該研究中浮選回收率計(jì)算公式為：其中，C為泡沫產(chǎn)品的流量（tph），XC為精礦品位，λB為氣泡負(fù)載率，JG為氣體表面積通量，AC為浮選機(jī)橫截面積，XB為氣泡負(fù)載的礦石品位。

氣泡負(fù)載率測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖2。

圖2 氣泡負(fù)載率設(shè)備簡(jiǎn)圖

由此，浮選回收率可以由一系列的浮選過(guò)程參數(shù)表示，該方法指導(dǎo)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)操作參數(shù)（如浮選藥劑、充氣速率、泡沫層厚度、礦漿濃度、磨礦細(xì)度等）的控制策略，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

圖3 改進(jìn)后的氣泡負(fù)載率測(cè)量裝置簡(jiǎn)圖

北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司于2016年優(yōu)化了測(cè)量氣泡負(fù)載率的系統(tǒng)（專利號(hào)：CN 106501033 A），見(jiàn)圖3。該系統(tǒng)增加了浮選充氣量的測(cè)量功能，將氣泡負(fù)載率和充氣量結(jié)合起來(lái)探索礦物粒群的浮選過(guò)程。韓登峰［16］利用優(yōu)化后的氣泡負(fù)載率測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)了江西某銅礦的浮選過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了粗粒級(jí)硫鐵礦在掃選作業(yè)易脫落現(xiàn)象，提出了相關(guān)解決方案。據(jù)了解，該系統(tǒng)在攀枝花地區(qū)鈦鐵礦浮選、江西多地銅硫浮選中得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)浮選過(guò)程提出了很多切實(shí)可行的優(yōu)化方案。

2.3 礦物顆粒在浮選槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)

粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室浮選機(jī)的流場(chǎng)模擬，由于其是非侵入式測(cè)量，在真實(shí)礦漿中（或者非透明液體中）使用受限。目前僅在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)試實(shí)驗(yàn)室浮選機(jī)的流場(chǎng)狀態(tài)。

圖4 3D-PIV測(cè)試系統(tǒng)

圖5 礦物顆粒運(yùn)行軌跡實(shí)測(cè)圖［17］

在實(shí)際浮選體系中，礦漿是氣-液-固三相復(fù)雜體系，浮選礦漿內(nèi)部不透明性使得幾乎所有的光學(xué)測(cè)量手段均不能使用。英國(guó)伯明翰大學(xué)最早將正電子發(fā)射示蹤技術(shù)（PEPT）從醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用到工程領(lǐng)域。2008年，Waters在浮選領(lǐng)域成功應(yīng)用該技術(shù)［18］。PEPT技術(shù)可以在不透明的、三相體系礦漿中定量的研究流體性質(zhì)（速度分布、流場(chǎng)分布等）。北京礦冶研究總院研究總院在江西銅業(yè)集團(tuán)德興銅礦680m3浮選機(jī)工業(yè)試驗(yàn)過(guò)程中也用到該技術(shù)，考察礦漿停留時(shí)間、浮選槽內(nèi)“死區(qū)”，進(jìn)一步優(yōu)化浮選槽內(nèi)流場(chǎng)分布，為680m3超大型浮選機(jī)的成功研制提供了較好的測(cè)試手段。

2.4 浮選槽內(nèi)礦漿湍現(xiàn)象的檢測(cè)［19］

礦漿湍流是浮選過(guò)程的關(guān)鍵現(xiàn)象，它決定礦物顆粒的懸浮、空氣的分散、顆粒-氣泡碰撞、吸附和脫落。大多數(shù)傳統(tǒng)浮選機(jī)浮選過(guò)程中，通過(guò)葉輪將能量傳遞給礦漿，礦漿湍流強(qiáng)度在葉輪區(qū)附近最大，上層懸浮區(qū)湍流強(qiáng)度較小。湍流由不同尺寸和速度的旋渦組成，按照浮選機(jī)的分區(qū)（強(qiáng)攪拌區(qū)、懸浮區(qū)、分離區(qū)、泡沫區(qū)），湍流強(qiáng)度不斷變小，最終實(shí)現(xiàn)有用礦物和目的礦物的分離。

葉輪攪拌產(chǎn)生的大湍流使得礦石顆粒分散和懸浮，大湍流中的微湍流控制氣泡與礦物顆粒的碰撞、吸附和脫落。同時(shí)，湍流也能影響礦物的夾帶、泡沫的二次富集等微細(xì)過(guò)程，從而宏觀上影響浮選指標(biāo)。

浮選槽中湍流強(qiáng)度和分布受輸入功率、充氣量、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪形式、槽體尺寸等影響。在浮選機(jī)大型化中，為保持大型浮選機(jī)分選性能，各浮選設(shè)備廠家核心技術(shù)就是各自的放大理論，這些理論都是為了保障浮選機(jī)湍流（流場(chǎng)）分布的合理，確保浮選機(jī)的分選性能。

目前常用的檢測(cè)浮選機(jī)槽內(nèi)礦漿湍流（流場(chǎng)）特性的方法主要可分為光學(xué)技術(shù)、壓力測(cè)量技術(shù)、導(dǎo)電性/電阻檢測(cè)技術(shù)、放射性顆粒跟蹤技術(shù)、電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)等，通過(guò)測(cè)量顆粒-氣泡以及礦漿體系自身的濃度、分布、速度等特征，賴表征礦漿的湍流信息，通過(guò)和以往成功經(jīng)驗(yàn)/理論模擬對(duì)比，優(yōu)化浮選流程。部分能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)浮選過(guò)程中復(fù)雜的氣-液-固三相體系的檢測(cè)，部分還停留在二相流或單相流的檢測(cè)。

3 總結(jié)與展望

浮選過(guò)程是浮選藥劑、工藝和設(shè)備共同完成，在多維的空間和時(shí)間實(shí)現(xiàn)目的礦物與氣泡按約束條件運(yùn)動(dòng)，次序?qū)崿F(xiàn)浮選回收的過(guò)程。涉及復(fù)雜的物理化學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科。人們對(duì)資源綜合高效利用的追求不斷提升，浮選過(guò)程精細(xì)化控制顯得尤為重要。探尋準(zhǔn)確表征、檢測(cè)浮選過(guò)程特性的參數(shù)以及優(yōu)化檢測(cè)技術(shù)，成功應(yīng)用到工業(yè)實(shí)踐、指導(dǎo)生產(chǎn)是提升浮選指標(biāo)的必由之路。

本文總結(jié)了目前工業(yè)浮選過(guò)程測(cè)試進(jìn)展，浮選氣泡尺寸和分布測(cè)量、氣泡負(fù)載率測(cè)試、礦物顆粒在浮選槽中運(yùn)動(dòng)特性以及浮選過(guò)程湍流特性測(cè)試，大大加深我們對(duì)浮選過(guò)程的探討和理解。這些測(cè)試手段的引入，將浮選工藝和設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室研究與工業(yè)實(shí)踐緊密聯(lián)系起來(lái)，對(duì)優(yōu)化浮選設(shè)備設(shè)計(jì)和操作有重要意義。