浮選柱發展歷程及其在磷礦浮選中的應用現狀*

劉潤哲，呂 蘭，劉麗芬,2，李 寧，彭麗群,2，鄧桂菊

(1.云南磷化集團有限公司，云南 昆明 650600；2.國家磷資源開發利用工程技術研究中心，云南 昆明 650600)

0 引言

磷礦是我國戰略性資源，在農業應用領域既不可替代，也不可循環[1-2]。我國磷礦資源儲量居世界第二位，探明儲量中接近85%為中低品位膠磷礦[2]。P2O5品位大于30%的磷礦稱為富礦，我國目前磷礦富礦儲量瀕臨枯竭，僅開陽磷礦還有一定量的產出[3]。我國磷礦石的P2O5平均品位低于17%，50%左右的磷礦資源P2O5品位低于18%[4]。對于儲量較大的中低品位磷礦主要通過浮選將其P2O5品位提高至28%以上、MgO質量分數降至1.0%以下，才可進入肥料用濕法磷酸生產作業[5]。我國中低品位磷礦石由于脈石礦物種類多、含量高，伴生礦物復雜、嵌布粒度細，所以分選該類型膠磷礦需要較高的磨礦細度，選礦難度較大[6]。國內外研究人員已對中低品位磷礦選礦從浮選藥劑、工藝、設備等領域進行了大量研究，在浮選設備領域的研究主要集中在浮選柱的開發與應用方面。

浮選柱的開發與應用至今已有120余年的歷史，與傳統浮選機相比具有結構簡單、占地面積小、能耗低、處理量大、適合細粒級難選礦物的特點[7-8]。國內外對浮選柱在磷礦選礦中的應用主要圍繞浮選柱柱體結構、發泡器類型、礦漿循環方式、工藝流程等進行了大量的研究和工程實踐，取得了良好的應用效果[9]。

1 浮選柱的發展歷程

浮選柱發展的第一階段時間范圍為1905-1925年，稱為浮選柱的萌發階段。在這一階段開發的浮選柱大多為矮柱體浮選柱，最受歡迎的有Callow、Macintosh、Forrester浮選柱[10]。

浮選柱發展的第二階段從1926年一直持續至1960年。1926年Minerals Separation公司開發了一種底部充氣的機械浮選槽，該浮選槽與當時的高柱體和矮柱體浮選柱相比具有明顯的應用優勢，致使浮選柱的受歡迎程度大為下降，導致此階段浮選柱的研發與應用出現了衰退[10]。

浮選柱發展的第三階段稱為浮選柱的復蘇和新發展階段，該階段持續時間為1960-1980年[11]，重大事件有：中國鉬業公司第一次將浮選柱應用于金屬礦浮選[12]；中國開發了自由噴射柱[13]，蘇聯開發了多節浮選柱，澳大利亞開發了Davcra浮選柱。20世紀70年代，浮選柱發展的重點在高浮選柱，例如Diester Flotaire浮選柱[13]、加拿大浮選柱、Cominco/CESL浮選柱[10]。

浮選柱發展的第四階段稱為浮選柱的快速發展階段，這一階段又分為三個時期。

第一快速發展期為1980-1994年，在該階段浮選柱的裝機容量快速增長，然后又經歷了4年的衰退，直至1999年。當時全世界有14種不同類型的浮選柱被開發和安裝，但多數未能熬過后來的衰退期。該時期開發的浮選柱至今仍在使用的有Jameson浮選柱[13]、Penuflot浮選柱[14]。

第二快速發展期為1999-2004年，該時期內浮選柱裝機容量呈指數式增長，其發展推動力為我國煤工業的復蘇和增長。初期通過采用自由噴射發泡器改造浮選槽增加裝機容量，后期通過安裝新浮選柱增加裝機容量。該階段為新型浮選柱廣泛發展和重要新型浮選柱在世界范圍內被大量安裝的時期。這些新型浮選柱包括中國的FCSMC和BGRIMM[14]高柱體浮選柱，以及由早期中國噴射發泡浮選柱改造而來的新型FJC自由噴射浮選柱；南非的Prequip浮選柱以及Imhoflot矮柱體浮選柱[15]；加拿大CPT公司的SESL浮選柱。

3.1 教學內容結構化 學生筆記的內容來自于教師對教學內容的詮釋。因此，教師對教學內容的加工與呈現能優化學生筆記的結構，決定著學生筆記的效果。教師須具有對教學內容結構化處理的意識與能力。

第三快速發展期持續到2012年，發展推動力為高漲的礦產品價格。該階段浮選柱裝機容量明顯增加，中國在其他國家的浮選柱安裝量快速增長，但到2014年時由于礦產品價格明顯下跌，導致浮選柱的裝機量大大下降。

2 浮選柱的結構及分類

圖1為傳統浮選柱的結構示意圖。由圖1可見，浮選柱是由筒體、泡沫收集槽、發泡裝置、噴淋水組成的一種靜態分選設備。礦漿經筒體中上部給入，氣泡由柱體底部充入，氣泡通過與礦粒逆向流動而礦化上浮。浮選柱的中部為分選區，上部為富集區。富集區經噴淋水沖洗泡沫而實現氣泡的多次破滅和兼并，從而進一步提高礦物的分選性。

圖1 浮選柱結構示意圖

2.1 按照柱體高度分類

浮選柱按照柱體高度分為高柱體和矮柱體兩類，高柱體浮選柱高徑比大于2，矮柱體浮選柱高徑比小于2。矮柱體浮選柱一般指高度小于5 m的浮選柱，高柱體浮選柱一般指高度大于5 m的浮選柱[10]。高柱體浮選柱的高度變化較大，需要根據技術需求和礦種選擇柱高；矮柱體浮選柱高度變化不大，柱高受技術需求和礦種影響較小。當前工業應用以高柱體浮選柱為主，2010年開始高柱體浮選柱裝機容量可達75%[10]。高柱體浮選柱和矮柱體浮選柱的區別如下：

a.矮柱體浮選柱對泡沫區脫落的粗顆粒的重新捕獲能力較弱，且原礦容易被泡沫夾帶而進入尾礦；礦漿保留時間短使得浮選速率較慢的礦物較難被回收[16]；礦漿湍流強烈，雖然提高了浮選速率，但精礦品位較低[17]；采用同向流模式，因此礦物回收率較高；礦物浮選易受浮選流程影響；當礦漿電化學占主導地位時，浮選效果較好；成本較低，且只需較小的充氣量。

b.高柱體浮選柱產生的氣泡較大，使得浮選速率較低[7]，礦物分選效率也較低，且操作維修不便[18]；但能維持比較深的泡沫層，增加處理量[19]，獲得較高的精礦品位和較低的泡沫產品產率[18]。

2.2 按照發泡器類型分類

浮選柱發泡器是浮選柱設計和應用中的關鍵設備，按照發泡器在浮選柱內外的位置可分為內部充氣型浮選柱和外部充氣型浮選柱[20]。

內部充氣型浮選柱的發泡器包括充氣槍式發泡器、燒結多孔材料發泡器、立管式發泡器、過濾盤式發泡器、礫石床層發泡器、電解微泡發泡器、不停機可更換發泡器。其中應用較多的是充氣槍式發泡器，北京礦冶科技集團有限公司、長沙礦冶研究院有限責任公司、加拿大CPT公司都開發了采用該種發泡器的浮選柱且均已被應用于磷礦選礦領域。CPT公司Slamjet型浮選柱的充氣槍式發泡器如圖2所示。一個浮選柱根據柱體直徑和處理量可安裝多只該類型發泡器。該類發泡器可通過改變充氣孔構造和充氣壓力來改變氣泡大小和充氣量，可不停機對發生故障的充氣槍進行拆裝。

圖2 CPT公司Slamjet型浮選柱的充氣槍式發泡器

外部充氣型浮選柱的發泡器包括旋流型發泡器、氣-水發泡器、美國礦業局發泡器、Microcel發泡器、自吸式微泡發生器。CESL型外部充氣型氣-水發泡器由加拿大的Cominco Engineering Service Ltd.(CESL)公司于1988年開始生產。CESL浮選柱外的氣體分散器產生的空氣與水的混合物通過多孔金屬管分散到浮選柱中，在300～600 kPa壓力下，氣泡直徑為0.3～0.4 mm，可確保礦漿含氣率達到50%，多孔金屬管在作業中可以更換。CESL型充氣器先后在北美、南美和南非等地得到廣泛應用[20]。多孔文氏管是一種先進的發泡器，當水高速流過多孔管時，管內壓力低于大氣壓，空氣自發進入與水混合，在多孔介質的高速剪切作用下產生氣泡[21]；壓力釋放時析出大量微泡，然后沿切線進入旋流段。Microcel氣泡發生器由美國布萊克本選煤及選礦中心研制成功，采用該類型發泡器的浮選柱從柱底用泵抽出部分礦漿進行循環，空氣被吸入循環礦漿中并充分混合，當混合礦漿被壓入靜式混合器時產生高剪切運動而形成微泡，一并給入柱體內；循環礦漿實際上又獲得一次掃選機會，對提高回收率有利[8]。

3 浮選柱在磷礦選礦中的應用

3.1 填充式浮選柱

填充式浮選柱是在常規浮選柱內裝有特定的填充介質，目前文獻報道的既有靜態填充介質浮選柱，也有動態填充介質浮選柱。填充式浮選柱內填充介質層層排列，并各成一定角度，以通過細小曲折的孔道改善浮選柱內的流場特征，減弱大范圍紊流和環流等現象，強化氣泡的礦化，進而提高微細粒級礦物的回收率，強化分選作用[22-23]。

填充式浮選柱是我國在磷礦浮選領域應用較早的浮選柱，1996年丁一剛等[24]采用兩臺填充式浮選柱串聯，通過正反浮選工藝對王集磷礦P2O5品位為19.70%、MgO質量分數為4.08%、SiO2質量分數為21.68%的原礦進行了浮選試驗，獲得了精礦P2O5品位高于30%、P2O5回收率高于80%的浮選指標。試驗表明充填浮選柱易于操作且指標穩定，充氣量、液位和洗水流量對精礦品位和回收率有顯著影響。2001年任慧等[25]采用兩臺填充式浮選柱串聯，通過研究藥劑制度、洗水加入位置及流速、表觀氣體流速、柱體高徑比等因素對浮選結果的影響，對王集磷礦正反浮選工藝開展了進一步研究，結果表明，浮選柱表觀氣體流速與高徑比的合理搭配是填充式靜態微泡浮選柱得到理想浮選指標的關鍵因素，且一段填充式浮選柱可以代替多段浮選機操作，能夠得到滿足工業生產需要的浮選指標, 因而簡化了工藝流程。

3.2 充氣槍式浮選柱

云南磷化集團有限公司(簡稱“云南磷化集團”)與北京礦冶科技集團有限公司聯合開發了大型膠磷礦專屬浮選柱，并進行了工業試驗和產業化應用。在1 t/d中試、50 t/d半工業試驗的基礎上，進行了300 t/d 浮選柱工業試驗，取得了較好的試驗結果[7]。在最佳工藝條件下，對P2O5品位為22.59%、MgO質量分數為5.01%的原礦進行了反浮選脫鎂試驗，獲得了精礦P2O5品位為29.43%、MgO質量分數為0.79%、產率為61.76%、P2O5回收率為80.47%的浮選指標。在工業試驗的基礎上，產業化應用采用充氣槍式浮選柱進行反浮選粗選(浮選柱高10 m、直徑4.5 m)、采用130 m3立式浮選機進行精選，在原礦P2O5品位為22.14%、MgO質量分數為5.08%的情況下，獲得了P2O5品位為28.82%、MgO質量分數為0.95%、產率為63.19%、P2O5回收率為82.14%的優良磷精礦指標。

3.3 旋流-靜態微泡浮選柱

旋流-靜態微泡浮選柱由中國礦業大學開發，在國內煤浮選領域得到了廣泛應用，在磷礦選礦領域也進行了應用探索。旋流-靜態微泡浮選柱采用柱浮選與旋流分選構成柱分選方法的主體；旋流分選以其強回收能力在柱分選過程中起到掃選中礦的作用。礦漿通過管流礦化后沿切向與旋流分選相連，形成中礦的循環分選[7]。旋流-靜態微泡浮選柱以其在微細粒分選技術方面的突破以及回收能力的提高而在以處理微細粒級礦物為主的礦物分選中的應用越來越多。

王大鵬等[26]應用該浮選柱對云南某碳酸鹽型膠磷礦進行了半工業反浮選試驗，在原礦P2O5品位為23.43%、MgO質量分數為6.15%、SiO2質量分數為17.72%、磨礦細度為-0.074 mm質量分數占90%、1段反浮選的條件下獲得了P2O5品位為31.09%、P2O5回收率為93.27%的磷精礦指標；與同期1粗1掃2段常規浮選機生產流程相比，P2O5回收率提高了7.43個百分點?？梢姡?靜態微泡浮選柱與傳統浮選機相比可明顯縮短工藝流程，簡化選廠設備配置。同時該研究團隊[27]應用兩臺旋流-靜態微泡浮選柱串聯對云南某硅鈣質膠磷礦進行正反浮選試驗，在原礦P2O5品位為23.73%、MgO質量分數為1.55%、SiO2質量分數為31.15%、磨礦細度為-0.074 mm質量分數占90%的條件下，經過1次正浮選和1次反浮選，獲得了精礦P2O5品位為29.78 %、MgO質量分數為0.29%、P2O5回收率為82.69%的良好指標。卿黎等[28]也應用兩臺該選柱串聯對云南某膠磷礦進行了正反浮選試驗，在磨礦細度為-0.074 mm質量分數占90%、浮選礦漿質量分數為30%的條件下，得到了P2O5品位為32.1%、MgO質量分數為0.8%、P2O5回收率為85.0%的優良精礦指標。

甕福(集團)有限責任公司(簡稱“甕福集團”)徐偉等[29]采用旋流-靜態微泡浮選柱對甕福集團低磷、高鎂超細粒碳酸鹽型膠磷礦進行了反浮選試驗，并與浮選機浮選試驗指標進行了對比。采用浮選柱經1段反浮選開路流程試驗，在原礦P2O5品位為8.21%、MgO質量分數為16.77%的情況下，獲得了精礦產率為13.07%、P2O5品位為29.10%、MgO質量分數為2.65%、P2O5回收率為49.91%的技術指標。浮選柱和浮選槽的對比試驗結果表明，采用浮選柱可將浮選機2段反浮選工藝流程簡化為1段反浮選工藝流程，且還能獲得質量更好的磷精礦。

以上試驗結果表明，旋流-靜態微泡浮選柱多重礦化方式的結合無論是對較粗粒級還是微細粒級的磷礦物均具有較強的回收能力，在膠磷礦正浮選脫硅和反浮選脫鎂方面均具有較好的應用效果，為我國中低品位膠磷礦的分選提供了新的途徑。

3.4 噴射式浮選柱

加拿大CPT公司開發的空腔諧振式浮選柱是一種噴射式浮選柱，其工作原理為：將經過浮選藥劑處理后的浮選入料(礦漿)由柱體中上部給入，在浮選柱底部安裝循環泵和發泡器，循環泵抽取底部部分礦漿在發泡器處與空壓機壓入的空氣混合，經空腔諧振發泡器后產生微泡，微泡在上升過程中與上部給入的礦物顆粒碰撞礦化，從而達到攜帶目標礦物上浮而實現礦物分離的目的[30]。加拿大CPT浮選柱噴射式充氣和礦漿循環裝置如圖3所示，空腔諧振式發泡器結構及工作原理如圖4所示。

圖3 加拿大CPT噴射式浮選柱結構

圖4 空腔諧振式發泡器結構及工作原理

云南磷化集團應用加拿大CPT公司空腔諧振式浮選柱進行了50 t/d碳酸鹽型膠磷礦反浮選半工業試驗，通過對關鍵控制參數充氣量、精礦品位軸向分布規律、泡沫層厚度和淋洗水量等的研究，找到了最優控制條件，為空腔諧振式浮選柱在膠磷礦選礦中的大規模應用奠定了基礎[31]。在優化的工藝條件下，以P2O5品位為23.2%、MgO質量分數為5.34%的膠磷礦為原礦，獲得了P2O5品位為30.64%、MgO質量分數為0.57%、精礦產率為67.18%、P2O5回收率為88.72%的磷精礦指標。就生產操作而言，CPT空腔諧振式浮選柱運行期間礦漿液面平穩、氣泡均勻、自動化程度高、操作穩定性好。

3.5 多孔燒結材料發泡器

多孔燒結材料發泡器由于孔洞易堵塞，因此裝有該類型發泡器的浮選柱多用于小型實驗研究。SANTANA等[32]用外置循環泵的多孔燒結材料發泡器浮選柱對磷灰石正浮選工藝中藥劑濃度和礦物粒度對浮選選擇性的影響進行了研究，所用的浮選柱內徑為40 mm、高為1.5 m，入選礦漿由浮選柱上部給入，空氣由浮選柱底部經錐形青銅燒結多孔發泡器引入，部分礦漿由浮選柱底部經礦漿泵返回浮選柱中部，洗水由浮選柱頂部淋入，試驗結果表明：粗、細礦物顆粒對藥劑添加濃度表現出了不同的敏感性，隨著礦物粒度的減小浮選選擇性和精礦品位逐漸降低，即隨著礦物粒度的減小精礦的ω(P2O5)/ω(Fe2O3)和ω(P2O5)/ω(Al2O3)相應降低；粗礦物顆粒對藥劑添加濃度較為敏感，且浮選選擇性較高，精礦品位較高；細礦物顆粒浮選選擇性較低，即使調整藥劑用量也較難獲得合格的精礦品位。OLIVEIRA等[33]使用與文獻[32]相同類型的浮選柱探索了磷灰石浮選選擇性與藥劑用量、抑制劑用量和充氣量的關系，試驗以米糠油皂化物為捕收劑、玉米淀粉為抑制劑，原礦P2O5品位為23.0%、MgO質量分數為1.0%、SiO2質量分數為11.8%，結果表明：最高精礦P2O5品位在捕收劑用量為74 g/t、抑制劑用量為314 g/t、充氣量為126 L/h的條件下獲得；最高精礦P2O5回收率在捕收劑用量為126 g/t、抑制劑用量為186 g/t、充氣量為126 L/h的條件下獲得；試驗條件下磷灰石的可浮性始終大于石英、白云石和含Fe、Al的硅酸鹽礦物。

我國應用浮選柱最早的案例可追溯至20世紀70年代，遼寧羅屯磷礦利用浮選柱通過正浮選1粗1精1掃工藝對硅質膠磷礦進行了浮選試驗，在原礦P2O5品位為7.36%、SiO2質量分數為56.10%的情況下，獲得了P2O5品位為30%左右、P2O5回收率為80%～85%的磷精礦指標[9]；同時對浮選柱高度、柱體深度、發泡器材質、尾礦U型管高度等進行了深入探討，其中多孔發泡器材質的研究結果表明，微孔塑料充氣器透氣性好、風量均勻、泡沫穩定、堅固耐用、浮選指標穩定。該研究內容全面，且研究水平較高，開創了我國磷礦柱浮選先河。

4 浮選柱浮選工藝

基于浮選柱占地面積小、能耗低、容積利用率高、工藝路線短、噴淋水分選效果好、適合細顆粒礦石分選的特點，國內外均將浮選柱應用在了磷礦選礦工藝中的不同工段。浮選柱在浮選工藝中應用靈活，在工藝設備搭配上有柱柱聯合工藝、柱槽聯合工藝。

云南磷化集團300萬t /a柱槽聯合1粗1精工藝已成功產業化應用，能夠將P2O5品位為20%～23%、MgO質量分數為4%～7%的碳酸鹽型膠磷礦原礦富集為P2O5品位為28%以上、MgO質量分數為0.9%以下的合格精礦，工藝流程見圖5。

圖5 云南磷化集團柱槽浮選工藝流程

甕福集團應用柱槽聯合工藝開展了正浮選試驗研究，P2O5品位為17.6%的原礦經過浮選得到了P2O5品位為31.96%的精礦，精礦產率和P2O5回收率分別為44.67%和81.07%，該研究成果為浮選柱和浮選槽的聯合應用提供了技術參考[34]。該研究采用浮選柱進行粗選，粗選精礦仍采用浮選柱進行精選；粗選尾礦采用浮選機進行掃選，掃選精礦與精選尾礦合并后經由浮選機再進行一次掃選；再次掃選的精礦與精選精礦合并作為最終精礦，再次掃選的尾礦與前掃選尾礦合并作為最終尾礦，工藝流程見圖6。甕福集團對一段柱浮選與兩段浮選機流程進行了對比，發現針對超細粒低品位鈣鎂質膠磷礦浮選柱具有較好的適應性[29]。

圖6 甕福集團柱槽聯合正浮選工藝流程

貴州洋蒲恒立化工有限公司選礦廠是國內第一家實現了全浮選柱反浮1粗1精1掃產業化的企業，40萬t/a浮選裝置運行1年來較好地解決了原礦品位低、磨礦細度高等難題，浮選結果表明浮選柱用于選別“低磷、質細、高雜質”膠磷礦在技術上是可行的，并且優于同等條件下浮選機的選別效果[35]。

卿黎等[28]利用浮選柱處理某選礦廠的中低品位膠磷礦，開發了兩段柱式分選正反浮選工藝，通過半工業試驗參數和數據分析，基本掌握了旋流-靜態微泡浮選柱的主要操作參數對分選指標的影響，發現礦漿質量分數對精礦P2O5品位和P2O5回收率以及藥劑消耗影響較大，在循環泵壓力和充氣量相匹配的條件下，可獲得理想的浮選指標。信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司貴陽分院采用6臺30 m3浮選機進行粗選，1臺直徑2.0 m、高 6.0 m和1臺直徑3.0 m、高 6.0 m的中國礦業大學旋流-靜態微泡浮選柱對粗選尾礦進行掃選，為重慶某磷化工企業設計了1臺80萬t/a浮選裝置，該裝置2012年全年尾礦平均P2O5品位為4%，與全浮選機流程相比尾礦P2O5品位下降了2個百分點[35]。

5 結論

a.國內外學者對浮選柱在磷礦選礦中的應用進行了大量的研究，結果表明，浮選柱在磷礦浮選中的應用靈活，可以應用在正浮選或反浮選的各個工段，且均能獲得較好的技術指標。

b.應用實踐表明，浮選柱與浮選機相比在細粒級磷礦物的分選能力方面具有明顯的優勢。