200m3超大型充气机械搅拌式浮选机设计与研究.pdf

第6 1 卷第2 期 2 O 09 年5 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 1 ．N o ．2 M a v2 0 0 9 2 0 0 m 3 超大型充气机械搅拌式浮选机设计与研究 沈政昌 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘 要介绍H 前国内单槽容积最大的浮选设备2 0 0 m 3 超大型充气机械搅拌式浮选机的结构、工作原理，详细阐述槽 体、泡沫槽，叶轮．定子等关键部件的结构设计和液位自动控制策略和方法的选择。通过浮选动力学试验和矿浆试验验证厂浮选 机整机性能，在试验期间设备运行平稳，泡沫层稳定，没有翻花、沉槽现象，泡沫层厚度可根据T 业要求进行调节，液位自动控制系 统工作正常，控制精度满足工艺要求，其选别性能与综合技术指标达到了国际同类设备的先进水平。 关键词选矿工程；浮选机；工业试验；大型化；设计 中图分类号T 阱5 6 ；T D 9 2 3 ；T D 9 5 1文献标识码A文章编号1 0 0 l 0 2 1 1 2 0 0 9 0 2 0 1 0 0 0 4 随着选厂的规模日益扩大和市场竞争程度不断 提高，高效、节能、大型、自动化程度高的浮选设备已 成为最近几年国内外的研究重点，并在国内外的选 矿实践中得到推广应用，取得了较好的效果H ．2J 。 我国于2 0 世纪9 0 年代开始了单槽容积5 0 m 3 以上 的充气机械搅拌式浮选机研制，取得巨大的成 功[ 3 - 5 ] 。2 0 0 5 年，国内首台单槽容积为1 6 0 m 3 充气 机械搅拌式浮选机研究成功并获得工业应用帕J 。 2 0 0 8 年5 月，2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机试验在 江西铜业股份有限公司在德兴铜矿大山选矿厂完 成，试验取得了满意的成果，并在江铜大山选矿厂 9 0 0 0 0 t ／d 技改项目中采用了1 8 台。2 0 0 m 3 充气机 械搅拌式浮选机的研制成功标志着我国已成为世界 上少数几个掌握超大型浮选机研发关键技术的国 家，为我国大规模矿产资源高效开发提供了浮选设 备技木支撑，将推动我国选矿科技进步，提高我国选 矿设备在国际市场的竞争力。 l浮选机的结构和工作原理 2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机是在5 0 ，1 0 0 ， 1 6 0 m 3 等规格的大型浮选机研究和应用的基础上， 根据前期研究得出的大型浮选机的设计原则和放大 方法“ J ，针对超大型浮选机流体动力学的特殊规律 而研究设计的，图1 给出了2 0 0 m 3 充气机械搅拌式 浮选机的结构图，主要由叶轮、定子、主轴、轴承体、 收稿日期2 0 0 8 1 2 2 6 基金项目国家科技支撑计划重大项目 2 0 0 7 B A B 2 2 啪0 作者简介沈政昌 1 9 6 0 一 ，男，江苏常熟市人，教授，博士，主要从 事选矿设备等方面研究。 空气调节阀和槽体等组成。 图l2 0 0 I n 3 浮选机结构示意 F i g ．1 2 0 0m 3f l o t a t i o nm a c h i n es t r u c t u r e 2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机的工作原理与 K Y F 系列浮选机的工作原理基本相同，即电机通过 V 型三角带带动主轴机构上的大皮带轮旋转，同时 通过主轴使叶轮旋转，此时，槽内矿浆由叶轮经定子 圆盘与槽底之间吸入叶轮叶片间，同时，由鼓风机给 入的低压空气经风道、空气调节阀、空心主轴进入叶 轮腔的空气分配器中，通过分配器周边的孑L 进入叶 轮叶片间，矿浆与空气在叶轮叶片间进行充分混合 后，由叶轮上半部周边排出，排出的矿流向斜上方运 动，由安装在叶轮四周斜上方的定子稳定和定向后， 进入到整个槽子中。矿化气泡上升到槽子表面形成 泡沫，泡沫流到泡沫槽中，矿浆再返回叶轮区进行再 循环，另一部分则通过槽间壁上的流通孔进入下槽 进行再选别。 2 浮选机结构参数设计 2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机的研制的关键问 万方数据 第2 期 沈政昌2 0 0 m 3 超大型充气机械搅拌式浮选机设计与研究 1 0 l 题在于设计可达到和满足所需流体动力学状态的叶 轮一定子系统和槽体结构，因此设计重点应放在槽 体、泡沫槽、叶轮和定子上。另外在设计中还重点考 虑了沉砂、翻花、表面波动、矿浆短路、浮选槽内死 区、液位控制及泡沫能否及时排出、充气量的测量及 控制、易损零部件的磨损、机械振动引起零部件疲劳 破坏等问题。 2 ．1 槽体设计 目前，国内外大型机械搅拌式浮选设备都采用 圆柱形槽体，其对称性可提高充气的分散度和矿浆 表面的平稳度，可改善浮选机的效率。为避免槽底 矿砂堆积，2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机将槽底设 计为锥底形，有利于粗重矿粒向槽中心移动以便返 回叶轮区再循环，减少矿浆短路现象。 2 ．2 叶轮设计 叶轮是机械搅拌式浮选机最主要的部件之一， 它担负着搅拌矿浆、循环矿浆、自吸空气和分散空气 的作用。2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机的叶轮为高 比转速后倾叶片叶轮，符合浮选机流体动力学大流 量低压头的要求。此外，针对槽体截面积大、气泡难 以均匀弥散的问题，在叶轮腔中设计了空气分配器对 空气进行预分散，并对空气分配器结构参数、配置方 式及与叶轮的匹配参数进行了优化，确保了空气在浮 选机截面内弥散均匀，气泡直径分布满足浮选工艺要 求，增加了矿粒与气泡碰撞、接触和粘附机会。 由于浮选机截面大，空气难以均匀弥散在浮选 槽中，针对这个问题，优化了空气分配器结构参数、 配置方式及与叶轮的匹配关系，显著地提高了浮选 效率。 2 ．3 定子设计 浮选槽内充气一搅拌区需要较强的混合效果， 矿浆处于紊流状态，而分离区和泡沫区又需要相对 稳定，因此定子必须能够将叶轮产生的切向旋转的 矿浆流转化为径向矿浆流，防止矿浆在浮选槽中打 旋，促进稳定的泡沫层的形成，并有助于矿浆在槽内 进行再循环。其次，在叶轮周围和定子叶片问产生 一个强烈的剪力环形区，促进细小气泡的形成。设 计中采用了低阻尼直悬式定子，由2 4 个叶片组成， 安装在叶轮周围斜上方，由支脚固定在槽底。这样 可使得定子下部区域周围的矿浆流通面积增大，消 除了下部零件对矿浆的不必要干扰，有利于矿浆向 叶轮下部区域的流动，降低了动力消耗，增强了槽体 下部循环区的循环和固体颗粒的悬浮能力。叶轮中 甩出的矿浆一空气混合物可以顺利地进入矿浆中， 空气得到了很好的分散。 2 ．4 泡沫槽设计 输送距离是影响浮选的目的矿物工艺指标的一 个重要因素。由于2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机 的体积较大，泡沫的输送距离相对较中小型浮选机 长，泡沫在输送过程中，粘附在气泡上的颗粒的易脱 落，且易产生局部泡沫停滞现象，即中部泡沫停滞， 靠近泡沫槽边缘的泡沫易于流动，并且溢流出去的 泡沫都是新生的白色泡沫，影响浮选指标怫- 9J 。 2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机泡沫槽采用了周 边溢流方式和锥形推泡器加速泡沫的流动，并增加 了一个泡沫槽，采用双泡沫槽配置，靠近槽体边缘的 泡沫从外泡沫槽溢流出去，而靠近中间的泡沫通过 内泡沫槽溢流出去，这样就把泡沫一分为二，缩短了 泡沫输送距离，减少了局部停滞。 2 ．5 矿浆液位测量控制系统 2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机采用自流式泡沫 槽，对矿浆液面要求严格，必须配置相应的自动控制 装置，才能满足生产工艺要求。2 0 0 m 3 充气机械搅 拌式浮选机是超大型浮选机，其液位控制较小型浮 选机相比存在特点。浮选机容量大，处理量大，作业 时间短；浮选机的排矿量大，必须采用两个大排量阀 进行排矿，在液位调节过程中，不能只注重液位的稳 定，还要注意排矿量的稳定，以免引起浮选槽液位的 波动，也同时避免对后续作业的影响。浮选机泡沫 厚度变化大。大型浮选机的搅拌和充气量的波动， 必然引起液位的波动，因而在液位控制中，通过硬件 结构和软件设计来减小液位波动的影响尤为莺要。 针对以上特点，2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机 采用自整定模糊控制策略，建立了液面控制双执行 机构的协同工作机制，研制了适用于给矿量大、矿浆 波动量大且频繁条件下的超大型浮选机矿浆液面自 动控制系统，确保了矿浆液面及泡沫层厚度可满足 不同浮选工艺的要求。 3工业试验 2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机工业试验在江西 铜业股份有限公司德兴铜矿大山选矿厂进行。试验 流程为用两台北京矿冶总院研究设计、制造安装的 2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机替代后三万一段粗选 一作业2 4 台3 9 m 3 浮选机。试验结果与前三万 系统进行对比。 3 ．1 浮选动力学试验 在动力学试验过程中，分别对四种转速 1 0 1 ， 万方数据 1 0 2 有色金属 第6 1 卷 1 0 4 ，1 0 8 ，1 1 2 r ／m i n 和六个充气量水平 0 ．3 ，0 ．6 ， 0 ．8 ，1 ．0 ，1 ．2 ，1 ．5 m 3 m 。2 m i n 。1 进行充气量、空 气分散度、转速、功率、空气保有量、气泡直径等有关 参数的测定。试验数据如表1 所示。 从表1 数据可以看出，当转速为1 0 9 r ／m i n 时， 空气分散度都在2 ．5 以上，差值不大，比较理想，且 变化比较均匀。而1 0 5 r ／m i n 在0 ．5 充气量以下的 空气分散度小于1 0 9 r ／m i n ，不适于小充气量的选矿 条件。因此，确定浮选机的矿浆试验转速为1 0 9 r ／ m i n ，该值与设计要求一致。 表l2 0 0m 浮选机清水试验结果 ％l elD y l l a m i ct e s td a t ao f2 0 0m 3n o t a t i o nm a c h i n ei n 叫p 叶轮转速充气量 ／ r m i n 一1 ／ m 3 m2 m i n 一1 电流 ，K 气泡平 均直径 ／m m 1 0 1 1 0 5 2 ．6 8 1 ．0 1 ．1 9 0 ．9 8 1 ．2 9 1 ．6 3 1 ．7 6 1 ．4 7 O ．9 8 1 ．6 1 1 ．6 0 注空气分散度 平均充气量／ 最大充气量一最小充气量 ；浮 选机电流及风机电流均为三相之平均值。 3 ．2 矿浆试验 为了对试验用的两台2 0 0 m 3 充气机械搅拌式 浮选机矿浆工艺指标及选别性能进行考察和对比， 试验期间，对用作后三万一粗作业的两台2 0 0 m 3 充 气机械搅拌式浮选机和前三万一粗作业的原矿、精 矿和尾矿进行采样和化验。试验期间，2 0 0 m 3 充气 机械搅拌式浮选机及药剂的调整操作由岗位工人根 据生产需要及浮选现象进行操作。矿浆试验生产阶 参考文献 段累计指标如表2 所示。 表2 工业试验阶段铜元素指标对比 T a b l e2 C a m p r i s o no f ∞p p e ri n d e x 髂i n ∞n c e n t r a t i o n f r ‘ mi n d u s t r i a lt e s t 由表2 可以看出，试验流程作业指标与对比流 程指标相比，在给矿铜品位低0 ．0 0 1 ％的情况下，精 矿铜品位低0 ．3 9 ％，尾铜品位低O ．0 3 4 ％，铜回收率 高6 ．7 7 ％，浮选效率高6 ．9 5 ％，系统回收率高 0 ．9 2 ％。反映出试验流程作业回收率高于对比流 程，工业试验指标优于预期结果，试验结果反映出 2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮选机的工艺性能达到了大 型浮选机的先进水平。 4结语 2 0 0 m 3 超大型充气机械搅拌式浮选机运转平稳 可靠，矿浆悬浮状态好，空气分散均匀，气泡大小适 宜，泡沫层稳定，占地面积小，节能效果明显，矿浆液 位自动控制及充气量自动控制操作方便，控制可靠。 其特点在于采用高比转速后倾叶片叶轮、低阻尼直 悬式定子。针对设备槽体截面大、气泡难以均匀弥 散的问题，优化了空气分配器结构参数、配置方式及 与叶轮的匹配关系。流体状态可满足浮选动力学要 求，使矿浆循环充分，增强了矿化效果。采用双泡沫 槽、双推泡锥结构形式，提高了泡沫排出速率。采用 自整定模糊控制策略，建立了液面控制双执行机构 的协同工作机制。研制出适用于给矿量大、矿浆波 动量大且频繁条件下的矿浆液面自动控制系统，满 足了不同浮选工艺要求。2 0 0 m 3 充气机械搅拌式浮 选机作为我国最新研制成功的目前单槽容积最大、 高效节能的超大型浮选设备，进一步完善、验证了我 国独立提出的大型浮选机相似放大理论，可广泛用 于选别有色、黑色及非金属矿物，其选别性能与综合 技术指标达到了国际同类设备的先进水平。 [ 1 ] 奥拉瓦伊年x ．芬兰奥托昆普公司浮选机的研究与开发[ J ] ．国外金属矿选矿，2 0 0 2 ， 4 3 2 3 4 ． [ 2 ] 卢世杰，李晓峰．浮选设备发展趋势[ J ] ．铜业工程，2 0 0 8 ， 2 1 5 ． [ 3 ] 李显元，周明华．铜绿山矿原生矿浮选系列改造的生产实践[ J ] ．稀有金属，2 0 0 6 ， 1 2 1 6 2 1 6 5 ． [ 4 ] 朱永安．金堆城钼业集团选矿技术新进展与发展方向[ J ] ．金属矿山，2 0 0 6 ， 5 l 一3 ． [ 5 ] 洪养军．X C F ／K Y F 型浮选机在三十亩地选矿厂的应用[ J ] ．中国矿山工程，2 0 0 5 ， 5 2 8 3 2 ． 气有t一∞n忆m儿u他n m ”n m n 他∞空保j一叭叽叭叭玑仉叭仉毗乱玑玑叭仉叭仉叽 ∞巧巧如加坫m加∞筋∞加鲍∞∞加踟 3 2 2 2 3 3 3 2 2 3 2 2 2 3 3 3 2气散0一m砣的弘驺昭∞鲫∞“∞盯以铊卫“鸵 空分0 ～4 L爻六五L爻六五爻L t t 色2 爻五■的舛挖们卯船坫石舳∞”培舟鲫拐钾 0仉玑-二叭叭m L●乱-二L●0仉h-二 万方数据 第2 期沈政昌2 0 0 m 3 超大型充气机械搅拌式浮选机设计与研究1 0 3 [ 6 ] 沈政昌．1 6 0 m 3 浮选机动力学研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 0 5 ， 5 3 3 3 5 ． [ 7 ] 沈政昌，杨丽君，陈东．充气机械搅拌式浮选机放大方法的研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 0 7 ， 3 3 2 3 7 ． [ 8 ] L e l i 璐I 【iD ，～l e nJ ，R e d d e nL ，e ta 1 ．A n a l y s i so ft h er 鹳i d 朗c et i m ed i s t 舶u t i o ni nl a r g en o t a t i o nm a c h i n ∞[ J ] ．M i n e r a l sE n g i ． n e e r i n g ，2 0 0 0 ， 1 5 4 9 9 5 0 5 ． [ 9 ] F r e d e r i c kB l ∞m ，T h e o d o r eJH e i n d e l ．M o d e l i n gf l o t a t i o ns e p a r a t i o ni nas e r n i - b a t c hp r o c e 鲒[ J ] ．C h 咖i c a lE n g i n e e r i n gS c i ∞c e ， 2 0 0 3 。 5 8 3 5 3 3 6 5 ． R 鹤e a r c h 锄dD e s i g no f2 0 0 m 3A i rF o r c e dF l o t a t i o nM 舵h i n e S H E Nz h e n g c h a n g E 醢i i ’l gQ 批r 口zR E 锄r 娩h 5 f 打“据∥M i “ i 以g 口耐 耋矗口z 如r 列， 巧i 咒gl 0 0 0 4 4 ，C h f 咒口 A b s t r a c t T h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo f2 0 0m 3a i rf o r c e df l o t a t i o nm a c h i n e ，t h el a r g e s tf l o t a t i o nm a c h i n ei nC h i n a n o w ，a r ed e s c r i b e d ，a n dt h es t r u c t u r ed e s i g no ft h ek e yp a r t s ，i n c l u d i n gc e n ，l a u n d e r ，i m p e l l e ra n ds t a 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