丁明輝

（中國黃金集團(tuán)建設(shè)有限公司，北京 100012）

1 引言

浮選現(xiàn)已成為世界上礦物選別的最主要方法之一，浮選技術(shù)不僅應(yīng)用于金屬礦物和非金屬礦物的分選,還廣泛用于冶金、造紙、農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、微生物、環(huán)保等行業(yè)的回收、分離、提純等環(huán)節(jié)。浮選機(jī)是礦物加工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)浮選分離最重要的選別設(shè)備之一［1］。因此，浮選機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，對于國內(nèi)重工業(yè)、輕工業(yè)的發(fā)展都是非常有必要且非常有意義的。目前，浮選機(jī)主要包括機(jī)械攪拌式浮選機(jī)和射流浮選機(jī)［2］。目前規(guī)模化應(yīng)用的浮選機(jī)以機(jī)械攪拌式浮選機(jī)為主，其又分為充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)和自吸氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)［3］。由于其穩(wěn)定、可靠的工作性能，在礦冶行業(yè)占有絕對優(yōu)勢的地位［4-5］。而在礦山選別流程中，傳統(tǒng)的人工手動調(diào)節(jié)方式難以保證穩(wěn)定性和精確性［6］，現(xiàn)代浮選自動化控制系統(tǒng)可以更好地實(shí)現(xiàn)對浮選過程的穩(wěn)定控制，并且實(shí)現(xiàn)降本增效。因此，隨著礦山選廠規(guī)模的日益擴(kuò)大和市場競爭的加劇，實(shí)現(xiàn)大型化、高效化、節(jié)能化、自動控制化成為未來浮選機(jī)的發(fā)展方向［7-8］。

浮選機(jī)內(nèi)氣泡特征參數(shù)和流動規(guī)律的研究是浮選機(jī)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)［9-10］。當(dāng)前對浮選過程中內(nèi)部流場特征的研究大多數(shù)是基于單一液相介質(zhì)，而在實(shí)際浮選過程中受礦物三相混合流體作用以及流體壓力、流量、濃度，以及礦物體顆粒大小、形狀、浮選機(jī)工作參數(shù)等因素的影響［11］，目前對礦物浮選過程的流體運(yùn)動特征尚無統(tǒng)一且完整的描述方法［12-13］。

計算流體力學(xué)軟件CFD作為一種現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)運(yùn)用到浮選機(jī)內(nèi)部流場特性的研究領(lǐng)域已經(jīng)有近30年的歷史。通過總結(jié)國內(nèi)外運(yùn)用CFD技術(shù)模擬浮選機(jī)內(nèi)部流場的研究文獻(xiàn)可知，CFD數(shù)值仿真計算可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測浮選機(jī)的內(nèi)部流場特性［14］，為浮選槽內(nèi)浮選動力學(xué)環(huán)境的改善提供參考依據(jù)［15］。目前，在選礦及選煤行業(yè)，北京礦冶研究總院［16-18］、太原理工大學(xué)［19-20］、蘭州理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)都運(yùn)用CFD軟件對相關(guān)選礦機(jī)械進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并且取得了一定的成果。

雖然CFD作為虛擬化的設(shè)計手段在設(shè)計周期、經(jīng)濟(jì)成本等方面有諸多優(yōu)勢，但預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性仍存在疑問。因此，結(jié)合CFD仿真分析和實(shí)驗室浮選實(shí)驗以及工業(yè)化試驗進(jìn)行浮選機(jī)流場研究十分必要。

2 研究方法

為解決上述問題，本研究結(jié)合浮選理論分析、三維建模及數(shù)值模擬分析、礦漿浮選實(shí)驗等，利用Pro-E、CFD數(shù)值分析等軟件，對浮選機(jī)內(nèi)部多相流動浮選動力學(xué)進(jìn)行數(shù)值計算，分析浮選槽內(nèi)的循環(huán)結(jié)構(gòu)、速度分布、懸浮情況、氣泡分布、湍流強(qiáng)度分布等流動信息。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行礦物顆粒礦化過程的研究，并結(jié)合浮選試驗結(jié)果，對浮選機(jī)攪拌結(jié)構(gòu)的形式和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，改變傳統(tǒng)浮選設(shè)備礦化形式單一，且礦化效率低的浮選現(xiàn)狀，研發(fā)出具有針對性的、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的CGF-Y型高效節(jié)能浮選機(jī)。該種新型浮選機(jī)能夠有效提高目的礦物的選別能力。

本課題通過多相流體動力學(xué)、計算流體動力學(xué)等相關(guān)理論以及數(shù)值模擬的方法，對機(jī)械攪拌式充氣浮選機(jī)浮選過程中的多相流動進(jìn)行研究。通過實(shí)驗室礦漿實(shí)驗、工業(yè)化測試等對比分析及驗證，獲得適用的浮選機(jī)三相流動特性數(shù)學(xué)模型，提供中小型浮選機(jī)的優(yōu)化設(shè)計方案，同時為未來大型浮選機(jī)的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

3 三維建模及數(shù)值模擬

首先利用三維造型Pro-E軟件進(jìn)行實(shí)體建模，建立正確的實(shí)體模型是計算網(wǎng)格生成的第一步；然后將實(shí)體模型導(dǎo)入目前流行的ICEM-CFD設(shè)計軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為通過Fluent軟件建立多相流動數(shù)學(xué)模型作準(zhǔn)備。本研究對有效容積為4L、8m3、16m3的中、小型礦用浮選機(jī)的主軸結(jié)構(gòu)及槽體進(jìn)行三維建模及網(wǎng)格劃分,如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 浮選機(jī)Pro-E 軟件 實(shí)體模型

圖2 浮選機(jī)定轉(zhuǎn)子ICEM-CFD 網(wǎng)格劃分

圖3 槽體網(wǎng)格劃分圖

本研究在總結(jié)分析國內(nèi)外近些年已發(fā)表的有關(guān)三相湍流流動模型基礎(chǔ)上，充分考慮分散相顆粒與氣相的相間作用，為確保較準(zhǔn)確模擬浮選機(jī)的內(nèi)流問題，大膽摒棄了工程上常用的由Reynolds時均方程出發(fā)的模擬方法（“湍流模型”），采用統(tǒng)計方法較為嚴(yán)格的RNG k-ε模型對浮選機(jī)的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬與求解。通過計算得到浮選機(jī)內(nèi)部流場的速度、各相的體積分?jǐn)?shù)、湍流強(qiáng)度等參數(shù)，分析獲得影響浮選機(jī)分離效率的因素，為整機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

根據(jù)圖4、圖5可以看出，在浮選機(jī)主軸攪拌系統(tǒng)的作用下，浮選機(jī)內(nèi)部明顯分成了上部穩(wěn)流區(qū)、下部湍流區(qū)兩個區(qū)域，而在湍流區(qū)又有明顯的大、小兩個循環(huán)，氣體分散很均勻，說明該浮選機(jī)攪拌系統(tǒng)攪拌能力強(qiáng)、湍流強(qiáng)度高、懸浮效果好，定轉(zhuǎn)子對氣體的剪切力較強(qiáng)，可以使氣泡有效均勻分散于槽體內(nèi)部。

圖4 實(shí)驗室4L浮選機(jī)速度矢量圖

圖5 實(shí)驗室4L浮選機(jī) 轉(zhuǎn)速210 rpm氣體體積分?jǐn)?shù)圖

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計及實(shí)驗驗證

4.1 浮選機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)合系列清水試驗以及計算機(jī)數(shù)值模擬的結(jié)果，對上述浮選機(jī)攪拌系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，葉輪設(shè)計中主要考慮了下列問題：攪拌力要適中，不應(yīng)在槽內(nèi)造成較大的動壓頭。這是因為動壓頭大會造成分選區(qū)不穩(wěn)定、液面翻花，影響氣泡礦化，降低有用礦物的回收，同時增加了不必要的功率消耗。優(yōu)化后的攪拌結(jié)構(gòu)形式如下圖6所示。

圖6 CGF-Y型浮選機(jī)主軸攪拌系統(tǒng)

研發(fā)的浮選機(jī)攪拌系統(tǒng)，包括：葉輪、定子和主軸,葉輪固定在主軸下部，定子固定在葉輪外側(cè)，葉輪包括骨架圓盤和葉輪葉片，骨架圓盤固定在主軸上，葉輪葉片固定連接在骨架圓盤上，葉輪葉片的外邊緣為翼形曲面。該攪拌系統(tǒng)使浮選機(jī)具有更高的攪拌效率和湍流強(qiáng)度，增大了礦物顆粒的礦化概率，同時防止液面產(chǎn)生翻花現(xiàn)象，可有效提升浮選效果，同時可降低浮選機(jī)運(yùn)行功耗，節(jié)約成本。

4.2 實(shí)驗室礦漿實(shí)驗

為論證結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后的CGF-Y 4L浮選機(jī)攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相較于實(shí)驗室XFD-3L型浮選機(jī)的優(yōu)越性，本實(shí)驗以銅鉬礦作為選別對象，以銅、鉬的品位及回收率作為浮選機(jī)性能評價指標(biāo)，實(shí)驗流程如圖7所示，實(shí)驗結(jié)果如表1、表2所示。

圖7 實(shí)驗室礦漿實(shí)驗

表1 CGF-Y 4L浮選機(jī)礦漿試驗 %

表2 XFD-3L浮選機(jī)礦漿試驗 %

通過兩種浮選機(jī)的對比試驗結(jié)果分析,可以看出：CGF-Y4L浮選機(jī)對銅、鉬有更好的浮選回收效果。其中，鉬的回收率提高5%。

4.3 甲瑪銅礦8m3浮選機(jī)工業(yè)化測試

根據(jù)實(shí)驗室對小型浮選機(jī)的實(shí)驗效果，結(jié)合計算機(jī)建模仿真技術(shù)，研制了CGF-Y8型浮選機(jī)，為驗證該浮選機(jī)的浮選效果，故在甲瑪?shù)V區(qū)進(jìn)行工業(yè)化實(shí)驗。

將8m3新型浮選機(jī)連接至甲瑪小選廠浮選系統(tǒng)中，自動控制系統(tǒng)開啟，控制恒定液位高度。調(diào)整至待測轉(zhuǎn)速，加藥制度與原系統(tǒng)一致。

取樣時間要求：在9個班組內(nèi)（共計72h）連續(xù)進(jìn)行。期間，每隔1h取樣一次，將每班組（8h）內(nèi)取得的8次樣作為一個班組內(nèi)的樣品。取樣位置要求：對原礦（給礦槽處）、精礦（溢流堰處）及尾礦（濃密池處），采用3個取樣器分別進(jìn)行采樣。對收集到的樣品進(jìn)行銅、鉬品位檢測，并計算回收率。如其中有樣品損失等情況,需從頭開始。礦漿實(shí)驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 甲瑪工業(yè)化實(shí)驗檢測結(jié)果

CGF-Y8型浮選機(jī)在3d9個班次連續(xù)試驗期間,設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)任何故障；液位自動控制系統(tǒng)工作正常，控制精度滿足工藝要求；浮選機(jī)攪拌力強(qiáng)，泡沫層穩(wěn)定，沒有翻花的現(xiàn)象。

根據(jù)甲瑪小選廠的工業(yè)化實(shí)驗結(jié)果，當(dāng)日處 理量為600t/d、原礦為0.108%、精礦品位為4.9%、尾礦品位為0.069%、產(chǎn)率為0.9%時，可產(chǎn)精礦5.4t/d。根據(jù)目前銅精礦的價格（按銅5%價格1750元計算），估計每年可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益345萬元。

4.4 陜西太白金礦80m3浮選機(jī)工業(yè)化應(yīng)用

本次試驗采用的兩臺CGF-Y80型充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)及輔助設(shè)備，安裝在陜西太白黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司選礦廠。試驗流程為：用2臺中國黃金集團(tuán)建設(shè)有限公司設(shè)計、制造安裝的CGF-Y80型浮選機(jī)選別浮選系列的尾礦（作為掃選三），給礦自流給入，泡沫產(chǎn)品采用泵輸送返回掃選二，尾礦自流至總尾礦箱。礦漿試驗生產(chǎn)階段在生產(chǎn)穩(wěn)定后進(jìn)行72h連續(xù)試驗，分別對掃選三的原礦、精礦、尾礦進(jìn)行采樣和化驗。

取樣時間要求：每小時取1次，連續(xù)72h ，每班送樣化驗1次。

圖9 CGF-Y 80型浮選機(jī)現(xiàn)場安裝效果圖

圖10 CGF-Y 80型浮選機(jī)定轉(zhuǎn)子現(xiàn)場安裝效果圖

通過對太白礦業(yè)80m3浮選機(jī)的連續(xù)72h的工業(yè)化實(shí)驗，實(shí)驗結(jié)果見表3。從實(shí)驗結(jié)果來看，兩臺CGF-Y80型浮選機(jī)在陜西太白金礦運(yùn)行穩(wěn)定可靠，浮選機(jī)攪拌力較強(qiáng)，空氣分散均勻，泡沫層穩(wěn)定，指標(biāo)良好，沒有翻花現(xiàn)象，達(dá)到了設(shè)計要求。新型攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)氣泡在礦漿中的均勻分散，能夠保證礦漿有效；懸浮及礦化氣泡快速浮出，可提供滿足粗、細(xì)粒級礦物的浮選環(huán)境，達(dá)到提高浮選回收率的目的。同時，該浮選機(jī)控制系統(tǒng)操作簡便，液位控制精度高，而且可實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP遠(yuǎn)程操作功能。最終，太白礦業(yè)決定將兩臺設(shè)備正式并入太白金礦選廠的浮選流程，并作為太白礦業(yè)5200t/d選廠的掃三流程使用。目前，兩臺設(shè)備已在太白礦業(yè)運(yùn)行數(shù)月，金的總回收率由原來的85.10%提高到89.03%，平均提高3.93%。

表3 太白工業(yè)化實(shí)驗結(jié)果

5 結(jié)論

機(jī)械攪拌式浮選機(jī)是目前最重要的浮選設(shè)備，國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛。由于礦石越來越傾向于“貧、細(xì)、雜”，選礦行業(yè)對浮選設(shè)備的要求越來越高，常規(guī)的浮選機(jī)難以滿足現(xiàn)有的浮選流程。本文介紹的CGF-Y型高效節(jié)能浮選機(jī)具有如下特點(diǎn)：

（1）獨(dú)特的浮選機(jī)攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更有利于浮選能力的提升；

（2）建立了浮選機(jī)相似放大準(zhǔn)則，可用于今后浮選機(jī)的系列化設(shè)計；

（3）基于互聯(lián)網(wǎng)的浮選機(jī)自動控制專家系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和故障診斷，利用手機(jī)App軟件可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線操作功能；

（4）建立穩(wěn)定的分離區(qū)和泡沫層，有效實(shí)現(xiàn)粗重、細(xì)粒礦物的浮選,減小礦粒脫落概率。

目前，CGF-Y型高效節(jié)能浮選機(jī)已在金牛、甲瑪兩家礦山企業(yè)完成工業(yè)化測試，并在太白金礦成功應(yīng)用。該浮選機(jī)運(yùn)行情況較好，節(jié)能降耗效果明顯，提高了資源的回收利用率，提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性和可靠性。