粗颗粒浮选技术与装备研究进展与趋势_肖遥.pdf

收稿日期2020-04-10 基金项目国家自然科学基金青年基金项目 （编号 51804340） ， 矿物加工科学与技术国家重点实验室开放基金项目 （编号 BGRIMM-KJSKL-2019） 。 作者简介肖遥 （1995） ， 男， 硕士研究生。通讯作者韩海生 （1987） ， 副教授， 博士。 总第 528 期 2020 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE 粗颗粒浮选技术与装备研究进展与趋势 肖遥 1 韩海生 1,2 孙伟 1 胡岳华 1 卫召 1 田佳 1 彭建 11 （1. 中南大学资源加工与生物工程学院， 湖南 长沙 410083； 2. 矿物加工科学与技术国家重点实验室， 北京 102628） 摘要矿物的粒度是影响矿物浮选的关键因素之一， 粗颗粒浮选不仅对于缓解碎磨压力、 节能降耗具有重 大意义， 而且有利于尾矿的资源化利用， 为无尾或少尾矿山提供了新的解决方案， 因此粗颗粒浮选对于绿色矿山建 设意义重大。从颗粒表面特性基因和泡沫特性基因的角度出发， 结合基因矿物加工工程的理念， 综述了国内外对 粗颗粒浮选技术与装备的研究进展， 分别总结了机械搅拌式粗粒浮选、 粗颗粒流化床浮选和泡沫中分选 （SIF法） 浮 选技术的原理及其优势和不足。重点对影响粗颗粒浮选过程中的因素进行了探讨， 明确了影响粗颗粒浮选的关键 因素， 常规浮选技术难以从根本上提升矿石分选的粒度上限， 复合力场与浮选的结合为粗颗粒乃至超粗颗粒的浮 选提供了可能， 将推动矿物综合回收率的进一步提升和尾矿资源的高消纳综合利用。 关键词粗颗粒浮选基因矿物加工工程表面特性基因机械搅拌式浮选流化床浮选法泡沫中分选法 中图分类号TD923文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -06-009-15 DOI10.19614/ki.jsks.202006002 Research Progress of Coarse Particle Flotation Technology and Equipment Xiao Yao1Han Haisheng1,2Sun Wei1Hu Yuehua1Wei Zhao1Tian Jia1Peng Jian12 （1. College of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University， Changsha 410083， China； 2. State Key Laboratory of Mineral Processing Science and Technology, Beijing 102628， China） AbstractThe particle size of minerals is one of the key factors affecting mineral flotation． Coarse particle flotation is not only of great significance to alleviate grinding pressure and save energy and reduce consumption, but also conducive to the resource utilization of tailings, providing a new solution for tailless or less tailed mines． Therefore, coarse particle flotation is of great significance for the construction of green mines． In this paper, the research progress of coarse particle flotation tech⁃ nology and equipment at home and abroad is reviewed from the perspective of particle surface characteristics and foam char⁃ acteristics genes, combined with the idea of gene mineral processing engineering． The principles, advantages and disadvantag⁃ es of mechanical stirring coarse particle flotation, coarse particle fluidized bed flotation and foam separation SIF flotation technology are summarized respectively． This paper mainly discusses the factors that affect the flotation process of coarse par⁃ ticles, and defines the key factors that affect the flotation of coarse particles． Conventional flotation technology is difficult to fundamentally improve the upper limit of ore separation． The combination of composite force field and flotation provides the possibility for the flotation of coarse particles and even super coarse particles, which will further promote the comprehensive recovery of minerals and the high consumption and comprehensive utilization of tailings resources． KeywordsCoarse flotation, Genetic mineral processing engineering， Surface characteristic gene， Mechanical stirring flotation, Ultra coarse flotation, Fluidized bed flotation, Influencing factors, SIF Series No． 528 June 2020 从基因矿物加工工程的角度来说， 粗颗粒浮选 过程中颗粒表面特性基因、 泡沫特性基因是影响粗 颗粒浮选特性的重要因素。如何扩大入选矿物料粒 度范围， 提高入选矿物浮选粒度上限和下限 ［1］， 本质 上来说都是从颗粒表面特性基因和泡沫特性基因出 发， 研究粗颗粒和泡沫相互作用的机理。在国内外 学者的共同努力下， 粗颗粒浮选在基础研究和工业 应用方面取得了长足的进展。 对于新时代的矿山， 粗粒浮选的重要性愈加显 著。粗颗粒浮选不仅可以缓解碎磨压力、 节能降耗， 9 ChaoXing 金属矿山2020年第6期总第528期 而且有利于尾矿的资源化利用， 为无尾或少尾矿山 提供了新的解决方案， 对于节能降耗、 提高资源利用 率和绿色矿山建设意义重大 ［2］。国内外科研工作者 针对粗颗粒难以常规浮选的难题开展了一系列研 究。20世纪60年代开始， 科研工作者们在机械搅拌 式浮选体系下分析了影响粗粒浮选回收率的各因 素， 并通过优化浮选机结构和浮选工艺等不断提高 了粗粒浮选的回收率， 提出了闪速浮选工艺， 进一步 完善粗粒浮选体系。然而由于机械搅拌式浮选的不 稳定水力环境， 浮选粒度的上限难以进一步提高 ［3］。 近年来， 从改善水力环境的角度出发， 先后开发了流 化床浮选法和SIF法 （一种基于矿物颗粒在泡沫中的 行为不同而进行分选的粗粒浮选方法） ， 大幅提高了 浮选粒度上限和浮选回收率 ［4］， 为粗颗粒乃至超粗颗 粒的浮选提供了强有力的支撑。 本文结合基因矿物加工工程的理念， 从颗粒和 泡沫作用的特性出发， 综述了国内外对粗颗粒浮选 技术与装备的研究进展， 分别总结了机械搅拌式粗 粒浮选、 粗颗粒流化床浮选和泡沫中分选 （SIF法） 浮 选技术的原理及其优势和不足， 提出进一步提高浮 选粒度上限的技术发展方向， 为粗粒和超粗颗粒浮 选技术的发展提供参考。 1粗颗粒浮选过程中颗粒与泡沫作用特性 在矿物浮选过程中， 矿物的粒度是影响浮选指 标的关键因素之一 ［5］。研究表明， 泡沫浮选的最佳粒 度范围 （机械搅拌式浮选机） 在5～75 μm之间。高密 度矿物的浮选粒度上限是0.1～0.3 mm； 低密度矿物相 应为0.3～0.5 mm。矿物粒度过细或过粗都不利于矿 物的浮选回收。Trhar的研究结果表明 锡石、 黑钨 矿、 重晶石、 萤石、 石英等矿物的浮选粒度界限分别 为 3～20 μm、 20～50 μm、 10～30 μm、 10～90 μm、 9～50 μm。超出最佳粒度范围时， 不论硫化矿还是氧化矿 浮选指标均明显恶化。大量研究结果表明， 不同粒 级具有不同的浮选速率， 最佳浮选粒度范围以外的 粒级， 浮选速率系数 （数值） 明显变小 ［6］。 矿床、 矿石和矿物的基因特征应是决定矿物分 选的最本质因素 ［5］， 为了考察粗颗粒浮选过程中导致 粗颗粒难以浮选的最本质因素， 卢寿慈等 ［6］从理论上 分析了能在气-液界面稳定漂浮的矿粒粒度上限并 得出 可以在气-液界面稳定存在的矿粒最大粒度会 随着其接触角的增大而增大的结论， 当接触角为60 时， 理论上可浮选的粗颗粒最大粒度达2.5 mm。矿 化气泡集合体在浮选过程中能够上浮的必要条件是 集合体的平均密度小于液相的密度。据此， 卢寿慈 等进行了进一步计算发现， 矿粒表面接触角大于20 时能够形成牢固的矿粒-气泡集合体。然而粒度上 限的理论计算值与实际值相差甚远， 实际矿物浮选 粒度仍然难以提高， 其本质因素是由粗粒与气泡的 作用特点决定的。 矿粒与气泡的接触几率及粘着几率随着矿物粒 度的增大而明显降低 ［6］。Kirehberg等对粗颗粒的矿 化过程进行了高速摄影观察， 他们发现粗颗粒和气 泡碰撞时会使气泡显著变形， 气泡由于弹性变形将 会在极短的时间内产生弹性振动， 导致矿粒被抛出 从而无法与气泡结合 ［6］。粗颗粒与气泡碰撞时会导 致气泡变形， 气泡表面中心部分会夹带液相， 从而导 致实际上气泡和矿粒并没有真正地接触 ［6］。当颗粒 和气泡的接触时间小于感应时间时， 颗粒无法矿 化 ［6-8］， 而粒度增大、 矿浆水利环境不稳定等因素均会 导致感应时间延长， 并大大缩短接触时间。 此外， 颗粒的粒度过大时， 颗粒和气泡的黏着牢 固度明显减弱， 颗粒极易从气泡上脱落 ［9］。当矿浆湍 流强度增大时， 颗粒的最大脱落粒度显著减小， 并且 在机械搅拌式浮选机内， 矿粒的最大黏着粒度远小 于无湍流时的最大黏着粒度。 结合各学者的分析研究不难看出， 机械搅拌式 浮选机内叶轮的高速旋转会导致矿浆强烈的湍流运 动， 从而妨碍颗粒与气泡的黏着， 进一步导致气泡脱 落， 这也就是粗粒浮选难以进行的根本原因 ［6］。基于 对这些本质因素的分析， 国内外研究者为提高浮选 粒度上限展开了一系列的研究， 粗粒浮选技术逐步 发展起来。 2机械搅拌式浮选 由于较粗的矿粒在浮选机中不易悬浮， 与气泡 碰撞的几率低且极易从气泡上脱落， 因而粗粒矿粒 在常规工艺条件下浮选效果较差 ［10］。根据浮选原 理， 可通过降低浮选机槽深和搅拌强度、 增大浮选充 气量、 适当提高浮选浓度以及改进药剂制度等措施 提高粗粒矿物的回收效果 ［11］。近年来各种粗粒浮选 设备的成功研制， 使高浓度粗粒级矿浆闪速浮选成 为现实 ［12］。 2. 1机械搅拌式粗粒浮选过程的影响因素 颗粒在浮选池当中难以上浮的根本原因是颗粒 没有与气泡结合或者是颗粒与气泡结合后发生了分 离而没有成功地被气泡带到液面上。影响颗粒从气 泡中分离的因素 （收集区中的湍流、 较长的诱导时 间、 颗粒气泡聚集体的浮力减小等） 在粗粒浮选过程 中是应该被重视的， 因为如果在泡沫阶段发生脱离， 则分离的颗粒将排回到矿浆中， 重新附着到另一个 气泡或被捕获在泡沫中。如果颗粒过于粗大或致 10 ChaoXing 2020年第6期肖遥等 粗颗粒浮选技术与装备研究进展与趋势 密， 则更有可能流回矿浆。因此浮选对粒度因素较 为敏感， 细微的变化都可能导致粗颗粒流回到矿浆。 2. 1. 1浮选药剂制度对粗颗粒浮选的影响 捕收剂、 起泡剂以及矿浆浮选pH值等对浮选的 影响是非常显著的。浮选条件的调整， 例如试剂添 加速率和pH值对粗颗粒浮选的影响比任何其他尺 寸范围都大得多。1994年， Senior等提出了一个强调 pH值对粗粒组分影响的例子， 他们研究了镍黄铁矿 和石英的合成混合物对pH值水平变化的尺寸响应， 得到的结果如图1所示， 很明显， 最粗的颗粒受pH值 条件变化的影响最大 ［13］。 捕收剂浓度已被证明会影响系统内粗颗粒的性 能， 许多学者指出粗颗粒浮选时捕收剂的添加要求 较高， 捕收剂的添加速率会对浮选结果产生较大影 响。Vianna对Pb/Zn/Ag矿石浮选系统中各种尺寸颗 粒的表面化学进行了详细研究， 结果显示粗铅矿颗 粒 （150 mm） 比中间尺寸颗粒需要更大的捕收剂表 面覆盖率。除了需要增加试剂添加量， 捕收剂的最 小添加速率必须达到或超过一定界限才可以引发有 意义的粗粒浮选 ［14］。但是增加捕收剂浓度也会带来 额外的缺点， 为了改善目标矿物中粗颗粒的回收率， 可以采用增加捕收剂添加量和活化剂添加量的方 法， 但这也会显著提高脉石矿物的回收率 ［14］。 同时， 起泡剂的添加速率、 添加方式和起泡剂分 子结构均会影响浮选可回收的尺寸范围。Klimpel和 Isherwood的研究表明， 随着他们所使用的酒精起泡 剂的添加速率增加， 可回收的颗粒尺寸上限提高； 如 果采用两段添加起泡剂的方法， 浮选回收率会进一 步增加 ［15］。 （如表1所示） 。此外， Klimpel和Isherwood 还发现， 如果增加所使用的聚乙二醇链的长度， 可回 收的粒径上限也将增加 ［15］。 2. 1. 2泡沫性质对粗颗粒浮选的影响 在粗粒浮选的过程当中， 泡沫的稳定性与结构、 泡沫深度、 泡沫尺寸和泡沫含量等都对浮选结果有 着显著的影响， 因此诸多学者都对泡沫性质进行了 详细的讨论。 2. 1. 2. 1泡沫稳定性和结构的影响 在工业环境中， 泡沫的稳定性和结构通常是很 重要的一个性能指标。在泡沫明显不稳定的情况 下， 回收率通常会受到影响。由液态泡沫的动力学 机制可以知道， 任何一种能够改变泡沫排液速度和 液膜稳定性的方法， 均可以影响泡沫的稳定性。例 如， 通过表面活性剂的加入以改变液相的表面张力； 通过水溶性聚合物的加入以改变液相黏度， 减缓排 液速度； 通过疏水性颗粒在气液界面的黏附提高液 膜的机械强度等 ［16］。 泡沫稳定性已经显示出受到颗粒尺寸的显著影 响， 为了维持泡沫的稳定性， 颗粒有一个最佳尺寸范 围。Ross和Dippenaar强调了泡沫中颗粒作用的复杂 性， 因为在一种条件下， 特定尺寸的颗粒可以稳定泡 沫 ［17-18］， 而在其他条件下它们可以导致泡沫不稳定。 颗粒对泡沫稳定性的影响与颗粒粒径相关 ［19］， 细颗粒显著影响泡沫稳定性， 尽管在大多数情况下 可能是这样， 但在闪速浮选池中获得的稳定泡沫 （其 中细颗粒已通过循环去除） 表明稳定的泡沫不一定 需要通过细颗粒的作用。Tao等研究表明， 粗煤颗粒 在较低的矿浆浓度下使泡沫失稳， 但在较高的矿浆 浓度下使泡沫稳定， 因此在闪速浮选的高浓度矿浆 条件下， 粗颗粒可以增加泡沫稳定性 ［20］。 泡沫中的湿度也会影响不同大小颗粒的回收 率。在较干燥的泡沫 （如较清洁的泡沫） 中， 粗颗粒 （150 μm） 独立于水， 且不倾向于自由排水， 而在较湿 的泡沫 （如较粗糙的泡沫） 中， 粗颗粒与泡沫内的水 流相似 ［21］。如果泡沫非常干燥， 较粗的颗粒可能在 泡沫表面形成 “筏形物” ， 这将导致泡沫的局部坍塌， 因此较湿的泡沫有利于粗粒浮选。 2. 1. 2. 2泡沫高度的影响 泡沫高度可以定义为浮选槽边缘和泡沫/矿浆界 面之间的距离， 随着泡沫高度的增加， 尺寸大于212 μm以及尺寸在150～212 μm之间的颗粒回收率有明 11 ChaoXing 金属矿山2020年第6期总第528期 显降低， 而更细的颗粒受气泡破碎的影响较小， 因此 回收率没有太大变化 ［21-22］， 如图2所示。 图2表明泡沫高度对较粗尺寸颗粒的回收率有 显著影响， 随着较粗单元中泡沫高度的增加， 气泡膜 变薄， 因此无法支撑较大的颗粒， 其浓度随粒径的增 加而降低。在7 cm泡沫高度处2 μm颗粒无法被支 撑， 在12 cm泡沫高度处150 μm颗粒无法被支撑。 粗颗粒需要较浅的泡沫才能有效回收， 随着泡沫高 度的增加， 脱附的粗颗粒被截留在泡沫内的概率将 随着泡沫膜变薄而增加。工业闪速浮选池通常采用 浅泡沫层， 从操作角度来看， 这是为了最大限度地提 高单位回收率， 但也符合文献中的这些发现 浅泡沫 层更有利于粗颗粒回收。 Seher Ata a，Graeme J. Jameson b 等对某选矿厂 进行了考察， 该选矿厂主要回收矿物是黄铜矿， 其他 矿物有磁铁矿、 黄铁矿和斑铜矿。在试验期间， 他们 发现泡沫高度对铜的总回收率和品位有显著影 响 ［23］。随着泡沫高度从600 mm增加到900 mm， 铜的 总回收率从 69下降到 46， 这表明泡沫高度是导 致铜总回收率下降的原因； 但同时铜的品位从20 上升到 44， 并且在相同条件下精矿中铜品位由 21.6提高到23.5， 这表明泡沫高度的增加会对品 位有积极影响。 2. 1. 2. 3泡沫尺寸和含量的影响 Johnson、 Feng、 Aldrich、 Ahmed、 Trahar 等 均 指 出 ［24-27］， 对于较粗颗粒， 浮选所需要的气泡较大。 Yoon在数学上证明了颗粒附在气泡上的概率 （PA） 是 气泡大小和颗粒大小的函数， 随着颗粒粒径减小， PA 增大； 而随着气泡尺寸减小， PA减小， 直到无法浮 选 ［28］。 Yoon研究表明， 搅拌强度会对气泡大小有影响， 在使用细气泡的情况下， 强搅拌是有害的； 在使用较 大气泡的情况下， 强搅拌更有益。在闪速浮选环境 中， 搅拌速度必须足够高， 以保持粗颗粒悬浮， 因此 粗颗粒需要较大的气泡， 细颗粒应使用小气泡 ［29］。 浮选槽内的通气速率 （或空气添加率） 对回收率 也有显著影响。随着空气添加率的增加， 槽内的气 体含量也随之增加 ［30］。在低含气率下， 较粗的黄铜 矿颗粒的回收率比中间体或细粉低得多。这表明， 粗粒的回收需要更高的通气率； 然而， 虽然增加空气 添加率将提高粗粒回收率， 但这也存在最大值， 在这 个最大值之后， 回收率将会下降， 但是细颗粒回收效 果似乎不会受到过量空气添加率的影响 ［21］。 2. 1. 3流体力学条件和矿浆密度的影响 一些学者指出， 细颗粒浮选建议采用较慢的速 度， 但同时仍超过固体悬浮物的最低搅拌水平， 如图 3所示， 对粗颗粒来说不满足最低搅拌水平无法发生 浮选， 但是搅拌速度过高会导致细颗粒从气泡上脱 离。大多数浮选槽中都有不同尺寸的矿物颗粒， 因 此对整体来说不存在一个最佳叶轮搅拌速度 ［21］。 同时， 矿浆密度也将影响可回收颗粒的大小， 在 一定范围内， 随着矿浆密度的增加， 粗颗粒的回收率 增加， 但矿浆密度过大时会导致矿浆与气泡不能自 由流动， 浮选过程中的气泡作用会变坏 ［30］， 从而降低 回收率， 因此时刻控制矿浆的密度大小对粗颗粒的 浮选成功至关重要， 对于粗粒来说， 应该适当增加矿 浆的质量分数以增加矿浆的浮力， 但是又要避免矿 浆浓度过大。 2. 2闪速浮选法 闪速浮选通常是在高浓度 （65～75） 条件下 浮选粗粒级矿物。通过处理磨矿分级回路中分级机 的返砂或是旋流器的底流， 实现有用矿物与脉石的 快速分离 ［31］。工业中广泛认为 使用闪速浮选槽将 增加可回收物料的尺寸范围。尽管文献中几乎没有 证据支持这一点， 但 Van der Spuy 和 Ross 的工作证 明， 用专门的浮选槽和特殊的Deister Flotaire单元格 浮选硫化物， 可以在工业水平上实现颗粒尺寸高达 12 ChaoXing 2020年第6期肖遥等 粗颗粒浮选技术与装备研究进展与趋势 500 μm物料的浮选 ［32］。该发现的重要性在于说明非 常粗糙的颗粒可能具有在闪速浮选回路中回收的可 能性， 并且超出典型上限150 μm的扩展尺寸范围的 工作是有保证的。因此， 利用闪速浮选处理粗颗粒 是一种可行的手段， 但是对于闪速浮选所能够处理 的颗粒尺寸范围还需要进一步研究加以确定。 典型闪速浮选流程图如图4所示。闪速浮选流 程中， 先是由旋流器进料， 给料经过了初次研磨， 然 后在旋流器中经历重选过程。旋流器的上部溢流为 较细的颗粒， 因此可以通过常规的浮选富集； 旋流器 下部底流为粗颗粒甚至大块的矿石， 这部分底流将 会给到闪速浮选池当中。 闪速浮选池接受旋流器下端的底流作为其进 料； 该进料的一部分 （非常粗的颗粒和小的岩石） 将 直接汇入尾矿流 （通常是二次磨机进料量的两倍） ， 因为这一部分物料必须进行二次研磨才能被浮选利 用， 而较细的物料和较高比例的水将被吸入叶轮混 合 （较细的物料是相对于需要被研磨的物料尺寸而 言） 。然后物料与气泡接触， 进行泡沫浮选过程。闪 速浮选富集得到的矿物作为精矿利用， 而闪速浮选 得到的尾矿将进行二次研磨。之后研磨回路又将物 料给到旋流器当中， 进行新一轮的循环。闪速浮选 池中的浮选过程示意如图5所示。 将闪速浮选过程与其他类型的矿物浮选区别开 来的关键因素包括 非常粗的进料 （旋流器下端底 流） ； 泥浆中固体含量很高 （高达70） ； 停留时间短 （通常小于3 min） ； 浮选前与试剂的接触有限 （在闪速 浮选回路中没有使用调节罐） ； 以及从叶轮向料浆输 入较低的功率， 促进过粗物料旁通等。 捕收剂和起泡剂以及 pH值等对浮选的影响是 非常巨大的， 而在大多数闪速浮选系统中， 在颗粒到 达 “浮选区” 之前几乎没有时间来进行调整， 因此通 常是将试剂加入到室内进料井或进料管中。这意味 着在闪速浮选之前研磨阶段中存在的条件将对浮选 性能产生显著影响， 因此必须仔细选择用于浮选的 试剂。另外， 由于闪速浮选的浮选时间很短， 这就使 得部分大粒的脉石没有足够的时间上浮， 从而保证 了闪速浮选可获得合格的精矿品位 ［33］， 且还可以通 过调整药剂制度、 矿浆的pH值、 泡沫层的厚度、 充气 量和补加水量来改变闪速浮选的精矿品位 ［34］。 2. 3机械搅拌式粗粒浮选相关设备 2. 3. 1CGF型浮选机 CGF型宽粒级浮选机的结构如图6所示， 该浮选 机主要包含了叶轮、 盖板、 阻流栅板、 中心筒、 主轴、 吸气管、 电机装置、 大皮带轮、 轴承体和槽体部件等 部分。 CGF型宽粒级机械搅拌式浮选机的叶轮在旋转 的过程中通过离心力作用使矿浆向外甩出， 在将矿 浆甩出的同时由于叶轮区域处于低压状态并形成负 压， 此时将会吸入空气， 吸入的空气和矿浆在该区域 进行充分混合， 再从叶轮的上半部分被甩出， 较粗的 矿粒被甩出后运动到阻流栅板的上方， 阻流栅板上 方的气泡形成泡沫层， 捕获运动到阻流栅板的颗粒， 然后通过刮板被排出， 从而完成浮选 ［35］。 2. 3. 2BF型浮选机 BF型浮选机的结构如图7所示， 主要由刮板、 轴 承体、 电机、 中心筒、 吸气管、 槽体、 主轴、 盖板和叶轮 等部分构成。 13 ChaoXing 金属矿山2020年第6期总第528期 该浮选机的叶轮结构是一种双锥盘的闭式结 构。浮选机的槽体下部有较强的吸浆能力， 粗颗粒 组分因此可以得到充分的悬浮。BF浮选机在进行分 选的过程中具有吸浆吸气的功能， 在进行浮选的过 程中通过自吸作用实现矿浆的循环 ［36-38］。 2. 3. 3GF型浮选机 GF型浮选机是一种自吸气机械搅拌式浮选机， 该设备的结构如图8所示， 该浮选机主要由槽体、 盖 板、 叶轮、 中心筒、 主轴、 轴承体和皮带轮等几个部分 构成。 在分选过程中， GF浮选机叶轮的上下两部分有 着不同的功能， 上部分用来吸入矿浆， 下部分则用来 吸入空气， 上下叶片在旋转的过程中会产生压力差， 从而使矿浆和空气在吸入之后被充分混合并产生大 量矿化气泡， 并在混合之后被离心力作用而甩出。 被甩出的矿浆的一部分将会返回到叶轮中进行循环 分选， 而另一部分矿浆则流走再选或者排走， 这样就 可以避免在分选的过程中粗颗粒出现沉淀的现 象 ［39-41］。 2. 3. 4Bateman浮选机 Bateman浮选机是由澳大利亚的Bateman设备有 限公司于1993年研发， 而后设计制造并生产的， 其结 构如图9所示， 主要由轴、 轴承、 竖管、 定子挡板、 定子 叶片和叶轮等部分构成。 Bateman浮选机中， 空气是通过竖管进入到叶轮 中的， 叶轮对矿浆和空气进行搅拌后将其甩出， 在进 行搅拌的过程中内部形成的大量直径较小的气泡会 沿着叶片扩散开， 在竖管的下面有一个水平方向的 挡板， 该挡板带有折流板， 当矿浆被甩出以后水平挡 板能够将湍流强度降低。Bateman浮选机在进行浮 选的过程中空气从上到下进行传输， 而矿浆从下至 上进行传输， 因此两者将会在浮选机的中间部分相 遇， 实现固体颗粒的悬浮态， 进而提高目的矿物的回 收率 ［42］。 2. 3. 5棒形浮选机 棒形浮选机是国内研制的一种浅槽型自吸气机 械搅拌式浮选机， 其结构如图10所示。主要由槽体、 轴承体、 斜棒叶轮、 稳流器、 刮板、 传动装置、 提升叶 轮、 压盖、 底盖以及导浆管几部分构成。 棒式浮选机能够产生高度分散的气泡， 这主要 是通过中轴的结构来实现的 叶轮在吸入空气后， 空 14 ChaoXing 2020年第6期肖遥等 粗颗粒浮选技术与装备研究进展与趋势 气被中轴分割形成高度分散的微小气泡， 这对于粗 颗粒浮选非常有利。叶轮将气泡和矿浆充分混合之 后， 将其推进到稳流器当中， 并进行导流， 使得矿浆 均匀地分布在槽内， 最终在稳流板和槽底以及槽壁 上形成w型的流向进行流动 ［43， 44］。 2. 3. 6HCC型浮选机 HCC型浮选机是一种充气搅拌式浮选机， 其结 构如图11所示， 主要由吸气管、 槽体、 导流台、 叶轮、 顶盘、 稳流板、 进浆室、 进浆管、 空心主轴、 充气口和 轴承座等部分构成。 HCC型浮选机有着带稳流装置的螺旋状叶轮， 在叶轮的下部具有锥形的导流台， 在槽体的内部有 稳流板。在浮选机运行的过程中， 吸浆管将矿浆吸 入进浆室， 吸气管吸入空气， HCC型浮选机的叶轮有 2个负压区， 叶轮的一个负压区吸收矿浆， 另一个负 压区吸收空气， 并能将矿浆和空气充分混合并甩出， 被甩出的矿浆经过导流台进入到槽底。同时， 叶轮 还能够实现矿浆的循环 ［45］。 2. 3. 7YX型浮选机 YX型预选浮选机是一种单槽闪速浮选设备， 其 结构如图12所示， 该设备主要由电机、 主轴部件、 叶 轮和槽体等几部分构成。 YX型预选浮选机的浮选槽是圆筒形的， 倒圆锥 形的筒底位于主轴叶轮正下方， 矿浆通过槽底的抽 吸作用吸入并让槽底的粗颗粒处于悬浮状态， 有用 矿物这时候就能够被闪速浮选。浮选槽内同样可发 生矿浆循环从而保证分选效果。浮选槽内的循环通 道还可以通过增加叶轮的搅拌强度来保证矿物颗粒 均匀分布并与浮选药剂充分接触 ［46， 47］。 2. 4机械搅拌式浮选的优缺点 机械搅拌式浮选有着悠久的发展历程和丰富的 发展经验， 国内外的学者几十年来通过不断的努力， 改善和开发新的工艺和设备以适应粗粒浮选的要 求。机械搅拌式浮选工艺较为成熟， 人们对浮选过 程当中各个参数对浮选效果的影响做了大量的考察 工作， 并据此改进工艺参数甚至开发了如闪速浮选 这样的新工艺流程， 获得了显著的成效， 积累了较丰 富的经验。这是机械搅拌式粗粒浮选工艺的优点， 无论是在国外还是国内， 都可以利用成熟的工艺来 进行大规模的生产。 在设备方面， 机械搅拌式浮选设备的结构是在 传统的浮选机的基础上进行设计改造， 设备的结构 较为简单， 采用自吸浆式结构无需额外接入充气设 备， 设备的维修也比较方便， 国内外的设备在设计制 造上均积累了丰富的经验。 而机械搅拌式浮选有着明显的缺点 传统的浮 选机需要依靠高速旋转的叶轮来产生气泡， 同时维 持颗粒与气泡在水中悬浮。给料粒度增大时， 需要 提高叶轮转速以维持粗颗粒的悬浮， 这势必会导致 高紊流度的水力学环境， 而高紊流度的水力学环境 将会导致气泡-粗颗粒结合体的分离 ［48］。无论设备 和工艺如何优化， 对于过粗的颗粒， 机械搅拌式浮选 已经难以进行。 正是因为机械搅拌式浮选本身存在的局限性， 使得更粗的颗粒得不到分选， 我们需要新的工艺和 新的设备， 跳出机械搅拌式浮选的框架处理过粗的 颗粒以满足工业上的需求。 3流化床浮选 流化床浮选是近15年来出现的一种有前途的浮 选技术， 其利用复合的力场与浮选相结合， 维持大颗 粒悬浮从而实现粗颗粒浮选。该技术已成功地应用 于几个回收工业矿物的工厂， 如磷酸盐、 钾肥、 喷辉 石和钻石。南澳大利亚大学伊恩沃克研究所最近研 究了流化床技术在贱金属硫化矿 （黄铜矿和闪锌矿） 15 ChaoXing 浮选中的应用， 其给料研磨粒度比通常在电解规模 上的粗得多， 目的是通过降低磨矿成本来降低能耗。 3. 1 多相流流化床与浮选的结合 多相流的似流体性质是多相流流化床的特性之 一， 也是将流化床技术应用于选矿领域的关键点 ［48］。 诸多学者将流化床技术引入到选矿领域， 并得到了 一定的成效。 在流化床浮选技术方面， 澳大利亚 Newcastle Jameson教授在2010年研究设计了NovaCell浮选柱， 其结构如图 13所示， 该设备主要由浮选柱体、 泡沫 槽、 尾矿出口、 中矿循环管路、 矿气混合装置等部分 组成， 槽体的分选区域可以分为分离区和流态化区， 在给矿和分离区部分， 给料与空气一起经过矿气混 合装置， 矿浆进入槽体后， 粒度大、 密度大的颗粒形 成流态化床层， 细颗粒和部分被气泡黏附的疏水性 粗颗粒穿过流态化区进入分离区， 最终成为精矿 ［49］。 NovaCell浮选柱对细颗粒同样具有好的分选效 果， 槽体的上部有一个细颗粒尾矿排出口用来排出 细粒的脉石矿物， 利用这一点可以在某种意义上进 行 “反浮选” 来处理细颗粒的矿物。运用NovaCell浮 选柱进行粗颗粒矿物分选， 方铅矿和黄铜矿的最大 可浮粒度上限被提升至 1.4 mm， 针对密度更小的煤 的浮选， 最大可浮粒度上限能达到5 mm ［50］。该装置 已经实现在磨矿回路中应用， 流程图如图 14所示， NovaCell能够对半自磨排矿的粗颗粒 （-400 μm） 直接 实现分选并提前抛尾， 大大减少了下游球磨机的入 磨 量 ， 节 省 功 耗 ， 减 少 球 磨 机 的 规 格 尺 寸 ［51］。 JAMESON设计的NovaCell能有效拓宽浮选粒度， 浮 选粒度上限是现有设备的10倍 ［52］。 ERIEZ将三相流化床技术运用到选矿领域， 设计 研发出水力浮选机 Hydro float， 并得到了广泛应用， 该设备在传统的流化床分选机中通过引入上升气泡 流， 当矿物颗粒与气泡结合成颗粒气泡结合体后， 结合体的有效密度降低从而使得粗颗粒能在微弱的 上升流中得到分选 ［52］。Hydro float分选机具体原理 如图15所示。 分选槽由分选室和脱水锥构成， 该装置的运行 方式类似于传统的TBS分选机。流态化的水通过管 道供应， 管道网延伸到分离室整个横截面的底部； 同 时向流化水中注入压缩空气和少量起泡剂并进行持 续充气， 空气被分散成小气泡； 气泡附着在疏水性颗 粒上， 从而降低了它们的有效密度， 较轻的气泡-颗 粒聚集物上升到顶部并溢出 ［53］。不附在气泡上的亲 水性颗粒继续向下穿过床层， 并最终沉降到脱水锥 中并排出。 Hydro float分选机使得颗粒分选的有效粒度达 到150～200 μm， 大大降低了研磨成本， 在Hydro float 分选过程中只需将原料研磨到足够与气泡接触的大 小即可 ［54］； 而同时， Hydro float分选机既能回收粗、 中 粒物料， 又具有较快的浮选速度， 也能很好地适应闪 速浮选的需要， 因此可以优化闪速浮选过程。 流化床浮选将流化床技术与传统浮选技术相结 合， 大大降低了颗粒与气泡的脱落概率， 有效提高了 浮选粒度上限 ［55］。 3. 2流化床浮选中的影响因素 流化床浮选过程中除了矿物和选矿药剂复杂的 化学作用因素影响以外， 流化床的床层、 分选机上升 水流和气流的流量、 分选机上升水流和气流的流速、 起泡剂的用量等都会对浮选产生影响。 2013年， Bellson Awatey等采用空气辅助流化床 分离器-水力浮选机， 对250～1 180 μm闪锌矿颗粒进 行了间歇浮选试验， 研究了床层、 上升水流量、 气体流 金属矿山2020年第6期总第528期 16 ChaoXing 量3个操作参数对粗闪锌矿颗粒浮选的影响。结果 表明， 粗闪锌矿回收率随床层水平、 浅水流量和气体 流量的增加而增加， 但是， 每个操作参数都有阈值， 超 过相应阈值后， 回收率开始下降。Bellson Awatey等 同时也对流化床浮选机和实验室规模的常规丹佛池 浮选结果进行了比较。结果表明， 对于粗颗粒 （425 μm） ， 水力浮选机的性能大大优于常规浮选机 ［56］。 太原理工大学王冬冬等将流化床浮选运用在选 煤当中， 并考察了各粒级低密度级煤炭颗粒浮选最 优条件。结果显示起泡剂用量、 上升水流速度和充 气量是影响浮选效果的关键因素。起泡剂能够提高 上升水流中气泡的稳定性； 可以通过上升水流的大 小来控制颗粒的悬浮状态； 充气量的大小决定了水 中气含量的多少并影响紊流强度 ［48］。 中国矿业大学潘浩等对流化床浮选的矿化环境 进行了详细的研究， 分别对流化床浮选中表观气速、 表观水速、 床层厚度、 起泡剂浓度等因素带来的影响 进行了分析和总结。表观气速、 表观水速和床层厚 度对气含率会有影响， 气含率是浮选的一个重要指 标， 当浮选柱的矿化区域气含率高， 并且气泡状态好 时， 浮选柱的浮选效果就好 ［57］。 3. 2. 1气体流速的影响 表观气体流速是由体积除以水或气体的流速并 由所用浮选池的横截面积决定的参数。 Bellson Awatey等用高品位闪锌矿样品 （250～425 μm、 425～850 μm和850～1 180 μm的不同粒级） 进行 了流化床浮选试验 ［56］， 在恒定床层厚度11 cm， 表层 水流速1.20 cm/s条件下， 得到了图16所示的结果。 图16显示， 当床层厚度和表层水流速保持不变 时， 在所有粒径组分中， 表观气体流量对回收率影响 不大。对数据的严格检查表明， 回收率略微上升到 某一点， 然后保持平衡， 超过这