隨婕斐，李智力，何東升，田承濤，鄧 杰，唐 遠(yuǎn)，張澤強(qiáng)

1武漢工程大學(xué)資源與安全工程學(xué)院 湖北武漢 430074

2湖北三寧化工股份有限公司 湖北宜昌 443200

3中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所 四川成都 610041

浮選是應(yīng)用最廣泛的選礦方法，浮選機(jī)是實(shí)現(xiàn)礦物浮選分離的核心裝備[1-3]。浮選機(jī)按照應(yīng)用領(lǐng)域不同，可分為礦業(yè)、化工、環(huán)保、農(nóng)用 4 大類；按照充氣方式不同，可分為自吸機(jī)械攪拌式浮選機(jī)和充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)；按照槽體結(jié)構(gòu)不同，可分為深槽式浮選機(jī)和淺槽式浮選機(jī)；按照泡沫產(chǎn)品排出方式不同，可分為刮板式浮選機(jī)和直溢式浮選機(jī)；根據(jù)礦漿流動(dòng)方式不同，可分為串槽式浮選機(jī)和開流式浮選機(jī)。充氣式浮選機(jī)需要外加氣源，而自吸式浮選機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自吸空氣，無需配套的供氣系統(tǒng)及管路流程，不僅簡化了配套設(shè)施，也降低了功耗和運(yùn)行成本[4]，在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用較多的是自吸式機(jī)械攪拌式浮選機(jī)。

通過改變常規(guī)機(jī)械攪拌式浮選機(jī) 1 個(gè)定子配 1 個(gè)轉(zhuǎn)子的固有結(jié)構(gòu)，研制出了結(jié)構(gòu)為 2 個(gè)轉(zhuǎn)子配 1 個(gè)定子模式的新型雙葉輪浮選機(jī)。2 個(gè)轉(zhuǎn)子分別為離心葉輪和攪拌葉輪，離心葉輪為吸漿吸氣，形成礦化氣泡，攪拌葉輪強(qiáng)化礦物懸浮。采用雙葉輪結(jié)構(gòu)時(shí)，避免了在較高轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)翻花現(xiàn)象[5-6]。采用離心葉輪時(shí)，不必依靠高轉(zhuǎn)速，就可以獲得較好的充氣效果，設(shè)備的能耗和磨損都較小，而且由離心葉輪經(jīng)水力空化后所得的氣泡，可以優(yōu)先從疏水礦物顆粒中析出。除此之外，上下葉輪可以任意拆卸組合，結(jié)構(gòu)簡單，有益于在現(xiàn)有浮選機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造[7]。課題組前期研究表明：離心葉輪結(jié)構(gòu)為中空軸打孔、帶有套筒、葉輪直徑為 36 mm 時(shí)浮選機(jī)性能較好；攪拌葉輪采用上下葉片組合的方式，上葉片傾角為 90°、下葉片為 45°時(shí)，性能最好[6]。筆者采用不同直徑攪拌葉輪，通過對(duì)其各項(xiàng)性能的測(cè)試和評(píng)價(jià)，完善雙葉輪浮選機(jī)攪拌葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，為之后浮選機(jī)的放大設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)。

1 攪拌葉輪結(jié)構(gòu)及尺寸

雙葉輪浮選機(jī)的攪拌結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。攪拌葉輪是新型雙葉輪浮選機(jī)上關(guān)鍵零部件之一，主要配合離心葉輪使用，起到攪拌礦漿、使礦漿充分分散懸浮的目的。本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了傾角相同、直徑不同的 3 個(gè)攪拌葉輪，均采用上下兩組葉片的設(shè)計(jì)，上部葉片傾角均為 90°，下部葉片傾角均為 45°，葉輪直徑分別為32、34 和 36 mm。這種葉輪結(jié)構(gòu)可有效降低攪拌葉輪在快速攪拌時(shí)所產(chǎn)生的負(fù)壓，進(jìn)而在浮選過程中，礦化氣泡能夠更少地被吸入攪拌區(qū)，緩解所得礦化氣泡被攪拌葉輪攪拌打碎的問題[5]。

圖1 雙葉輪浮選機(jī)的攪拌結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of dual-impeller flotation machine

2 攪拌葉輪性能試驗(yàn)方法

2.1 充氣量試驗(yàn)

充氣量對(duì)浮選機(jī)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義[8-10]，因此筆者對(duì)雙葉輪浮選機(jī)充氣性能展開研究。試驗(yàn)采用排水集氣法。首先，往浮選槽中加入一定量的水；然后，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到 1 000 r/min，按照轉(zhuǎn)速梯度為 100 r/min 依次增大轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行到 2 300 r/min。每個(gè)轉(zhuǎn)速條件下取 4 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，且每個(gè)點(diǎn)測(cè)量 4 次，取平均值。充氣量計(jì)算式如下[8]：

式中：Qi為某測(cè)點(diǎn)的單位充氣量，m3/（m2·min）；V為排出清水的體積，m；S為量筒的截面積，m2；t為排出V體積清水的時(shí)間，s；H為量筒內(nèi)V體積清水的高度，m。

試驗(yàn)時(shí)，一般取各測(cè)量點(diǎn)的平均值為最終試驗(yàn)值。

式中：Q為平均單位充氣量，m3/（m2·min）；n為測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，試驗(yàn)中取 4 個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)量 4 次。

2.2 懸浮試驗(yàn)

固體懸浮對(duì)機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的設(shè)計(jì)和操作非常重要，是有用顆粒回收的一個(gè)前提條件，對(duì)浮選的回收率有一定的影響。固體離底懸浮可以用 3 種狀態(tài)來表達(dá)：離底懸浮程度、懸浮高度以及懸浮狀態(tài)下的固體顆粒的分布程度[11]。筆者主要通過確定葉輪臨界轉(zhuǎn)速以及對(duì)槽底固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)來分析固體懸浮。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，研究者選用礦樣用于試驗(yàn)，筆者選用 0.074～0.200 mm 沙子進(jìn)行懸浮試驗(yàn)。稱取 110 g沙子，配制成質(zhì)量濃度為 10% 試樣放入浮選槽中。將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整在 1 000～2 300 r/min，轉(zhuǎn)速梯度為 100 r/min，進(jìn)行懸浮試驗(yàn)。用取樣器分別對(duì)浮選槽的 4 個(gè)頂點(diǎn)的底部（完全插入）取樣至 100 mL 的量筒中，靜置一段時(shí)間后，讀取沙子占整個(gè)溶液的體積比，且每個(gè)頂點(diǎn)取樣 4 次，求平均值[11-12]。

礦漿懸浮存在一個(gè)臨界懸浮轉(zhuǎn)速。所謂的臨界懸浮轉(zhuǎn)速是指所有固相顆粒完全離底懸浮時(shí)的最低轉(zhuǎn)速，記為N。臨界轉(zhuǎn)速對(duì)浮選機(jī)的設(shè)計(jì)很重要，它不僅是固體顆粒距離底部懸浮的一個(gè)點(diǎn)，而且是其他固體顆粒懸浮的一個(gè)參考點(diǎn)。

臨界懸浮轉(zhuǎn)速[12]

式中：Ks為槽內(nèi)幾何形狀因子；T為槽體直徑，m；d為大顆粒直徑，mm；B為槽內(nèi)的固體質(zhì)量和液體質(zhì)量的比值；v為礦漿的運(yùn)動(dòng)黏度，MPa·s；g為重力加速度，m/s2；ρs為固體顆粒的密度，g/cm3；ρl為液體的密度，g/cm3。

通過式（3）所得，N=441 r/min 時(shí)，即可認(rèn)為當(dāng)轉(zhuǎn)速大于 441 r/min 時(shí)，固體顆?？梢酝耆珣腋∑饋?。

2.3 膠磷礦浮選試驗(yàn)

試驗(yàn)選用宜昌某礦樣，所用磷礦石中 P2O5品位僅為 19.26%，有害雜質(zhì) MgO、SiO2及倍半氧化物（R2O3）含量分別為 2.43%、23.97% 和 8.71%。該礦石屬于硅鈣質(zhì)磷礦石。浮選試驗(yàn)條件為：采用棒磨機(jī)濕式磨礦 1 kg，磨礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 50%，平均分樣成 12份，取 4 份倒入在 1.5 L 的浮選槽中，配制 30% 的礦漿。試驗(yàn)中，礦漿溫度保持在 30 ℃ 左右，刮泡時(shí)間為 5 min，分別收集泡沫產(chǎn)品和槽內(nèi)產(chǎn)品；然后調(diào)節(jié)不同轉(zhuǎn)速，并對(duì)上述 3 個(gè)不同直徑攪拌葉輪進(jìn)行浮選試驗(yàn)。浮選工藝流程如圖 2 所示。

圖2 磷礦正浮選試驗(yàn)流程Fig.2 Process flow of direct phosphate flotation test

采用磷鉬酸銨容量法測(cè)定磷化液中的 P2O5含量[13]，得到精礦和尾礦的品位。

精礦 P2O5回收率[14]

式中：β為精礦 P2O5品位，%；γ為精礦 P2O5產(chǎn)率，%；α為原礦 P2O5品位，%。

選礦效率[15]

3 結(jié)果與討論

試驗(yàn)中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和葉輪直徑直接影響浮選機(jī)的充氣性能、懸浮性能以及浮選性能。對(duì)于浮選機(jī)而言，轉(zhuǎn)速過低，氣泡與顆粒碰撞時(shí)無法突破水化膜，在礦化區(qū)礦化效果不好，而且容易出現(xiàn)沉槽現(xiàn)象[16]，不利于礦物的礦化；轉(zhuǎn)速過高，會(huì)破壞分選區(qū)和泡沫區(qū)的穩(wěn)定性，增大已礦化礦粒從氣泡上脫落的概率，不利于分選，還會(huì)導(dǎo)致礦漿的上升紊流流速過高，破壞分選環(huán)境[17]。筆者主要研究雙葉輪浮選機(jī)攪拌葉輪尺寸對(duì)其性能的影響。

3.1 充氣試驗(yàn)結(jié)果

充氣量是浮選機(jī)的一個(gè)重要性能。礦漿中氣泡數(shù)目的多少和充氣質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響礦物顆粒與氣泡碰撞黏附概率的大小，影響浮選速率和浮選選擇性[10]。充氣量試驗(yàn)結(jié)果如圖 3 所示。

圖3 不同直徑攪拌葉輪充氣量試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of test for aeration volume with variousdiameter stirring impeller

從圖 3 可知：隨著轉(zhuǎn)速的增加，充氣量不斷增大，由此可見，充氣量與轉(zhuǎn)速呈正比的關(guān)系。轉(zhuǎn)速為1 000～1 300 r/min，葉輪直徑對(duì)充氣量的影響不大；轉(zhuǎn)速為 1 400～2 100 r/min，葉輪直徑對(duì)充氣量呈現(xiàn)出差異性，當(dāng)葉輪直徑為 36 mm 時(shí)，充氣量明顯增大，充氣效果較好，而葉輪直徑為 32 和 34 mm 時(shí)，充氣量基本無差異，且小于直徑 36 mm 所產(chǎn)生的充氣量；轉(zhuǎn)速為 2 200～2 300 r/min，3 個(gè)葉輪直徑下產(chǎn)生的充氣量無明顯差異。

由此可見，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整在一定范圍內(nèi)時(shí)，葉輪直徑才對(duì)充氣量有一定的影響，而轉(zhuǎn)速較小或較大時(shí)，葉輪直徑皆對(duì)充氣量影響不大。

3.2 懸浮試驗(yàn)結(jié)果

礦漿懸浮直接影響礦物顆粒與藥劑的混合效果，它是獲得良好浮選指標(biāo)的前提條件[4]。筆者研究了不同直徑葉輪、不同轉(zhuǎn)速下礦漿的懸浮性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖 4 所示。

圖4 不同直徑攪拌葉輪懸浮占比試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of test for suspension property with various-diameter stirring impeller

從圖 4 可知：隨著轉(zhuǎn)速的增加，沙子質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速降低直至達(dá)到極大值，此時(shí)的懸浮分散狀態(tài)最佳。由此可見，沙子質(zhì)量分?jǐn)?shù)與轉(zhuǎn)速之間呈反比關(guān)系；葉輪直徑對(duì)沙子質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定的影響，葉輪直徑為 36 mm 時(shí)，沙子質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小，懸浮分散效果最好，不易出現(xiàn)沉槽的現(xiàn)象。

3.3 膠磷礦浮選試驗(yàn)結(jié)果

膠磷礦浮選試驗(yàn)結(jié)果如圖 5 所示。

圖5 不同直徑攪拌葉輪磷礦浮選試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of test for phosphate flotation with various-diameter stirring impeller

從圖 5 可知：隨著轉(zhuǎn)速的增加，選礦效率呈現(xiàn)出先迅速增大達(dá)到一個(gè)最大值后再緩慢下降的趨勢(shì)；轉(zhuǎn)速在 1 000～1 100 r/min，不同葉輪直徑對(duì)選礦效率沒有明顯差異；轉(zhuǎn)速在 1 200～1 800 r/min，葉輪直徑對(duì)選礦效率表現(xiàn)出明顯的差異性，當(dāng)葉輪直徑為 36 mm 時(shí)，選礦效率明顯比其他葉輪直徑下的選礦效率高。由此可見，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到一定范圍內(nèi)，當(dāng)葉輪直徑為 36 mm 時(shí)，選礦效果比較好。因此該葉輪確定為最優(yōu)試驗(yàn)葉輪，并對(duì)比雙葉輪浮選機(jī)與常規(guī)浮選機(jī)浮選的浮選性能。

3.4 浮選對(duì)比試驗(yàn)研究

采用常規(guī)浮選機(jī)與雙葉輪浮選機(jī)進(jìn)行浮選對(duì)比試驗(yàn)。常規(guī)浮選機(jī)采用 1 L XFD 單槽浮選機(jī)，其攪拌系統(tǒng)由一個(gè)轉(zhuǎn)子和一個(gè)定子組成，其中轉(zhuǎn)子上有12 個(gè)葉片，每個(gè)葉片與半徑呈 60°傾角，并且均勻分布[18]，葉輪直徑為 70 mm。試驗(yàn)采用上述相同的浮選流程，將新型雙葉輪浮選機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到 1 400 r/min，常規(guī)浮選機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到 1 800 r/min，分別進(jìn)行浮選試驗(yàn)，結(jié)果分別如表 1、2 所列。

表1 新型雙葉輪浮選機(jī)浮選試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of flotation test for new-type dual-impeller flotation machine %

表2 常規(guī)浮選機(jī)浮選試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of flotation test for conventional flotation machine %

綜合表 1、2 可知：新型雙葉輪浮選機(jī)相較于常規(guī)浮選機(jī)而言，精礦品位提高了 1.58 個(gè)百分點(diǎn)，精礦回收率提高了將近 30 個(gè)百分點(diǎn)，選礦效率提高了將近 11 個(gè)百分點(diǎn)，分選效果較好。新型雙葉輪浮選機(jī)在較低轉(zhuǎn)速下就可實(shí)現(xiàn)常規(guī)浮選機(jī)較高轉(zhuǎn)速下的分選作業(yè)，符合國家節(jié)能減排的政策。

4 結(jié)論

（1）由充氣量試驗(yàn)、懸浮試驗(yàn)和浮選試驗(yàn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)速對(duì)充氣量、懸浮顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及選礦效率的影響規(guī)律表現(xiàn)出一致性，即隨著轉(zhuǎn)速的增大，3 個(gè)尺寸 32、34、36 mm 的攪拌葉輪的充氣量都不斷增大，懸浮顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)都不斷減小，選礦效率都是先增加后減小。

（2）葉輪直徑對(duì)充氣量、懸浮顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及選礦效率的影響規(guī)律明顯不一致，當(dāng)轉(zhuǎn)速在 1 400～1 800 r/min 時(shí)，葉輪直徑越大，充氣效果越好，懸浮效果越好，選礦效率也越好，然而轉(zhuǎn)速較低或較高，效果會(huì)變差。因此，最終確定為葉輪直徑為 36 mm 時(shí)為最優(yōu)試驗(yàn)葉輪。