KYF系列大型浮选机的研制开发与应用.pdf

第6 0 卷第4 期 2008 年11 月 有色金属 N O n f e I T O H SM e t a h V d ．6 0 ．N o ．4 N o v e m b e r2 008 K Y F 系列大型浮选机的研制开发与应用 沈政昌，卢世杰，杨丽君 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘 要介绍K Y F 系列大型浮选机的结构特点和应用情况。针对大型浮选设备的特殊流体动力学特性。确定最佳技术参数 及流体动力学技术路线，翩定合理的技术方案，研制成功K Y F 系列大型高效浮选设备，至今已有1 0 0 0 余台在生产实践中应用，取 得了良好的经济效益和社会效益。 关键词选矿工程；浮选机；大型化；研发；应用 中图分类号T D 4 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 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 4 0 1 1 5 一0 5 随着矿产资源条件恶化、能源日益紧张和经济 发展对矿产资源需求的不断增长，大型浮选设备的 研究开发已成为国际潮流。国外的浮选设备已实现 了大型化、高效化、多样化和自动化，浮选机单槽容 积达到3 0 0 m 3 。大型浮选机以其高效率和低能耗， 在国外得到广泛应用，极大地提高了资源综合利用 率，取得了较好效果。 我国矿产资源由于多年高强度消耗和粗放型开 发利用，易处理、高品位资源逐步枯竭，贫、细、杂难 处理资源开采量大大增加，选、冶加工日趋困难。而 我国8 0 ％的选厂普遍使用2 0 m 3 以下的浮选设备， 设备型式陈旧、规格小、效率低、能耗高，致使资源利 用率低、选厂和冶炼厂高耗低效。 北京矿冶研究总院1 9 9 7 年将大型浮选机列入 重点科研计划，结合国内外浮选设备研究成果，进行 了大型浮选机的基础研究。2 0 0 0 年，北京矿冶研究 总院研制的我国第一台具有自主知识产权的大型浮 选设备K Y F 一5 0 型充气机械搅拌式浮选机成 功完成了工业试验，开始在我国的大中型矿山获得 广泛应用，并实现了批量出口。2 0 0 5 年研制的我国 第一台超大型K Y F 一1 6 0 型浮选机目前已进入批 量供货阶段。2 0 0 7 年研制了K Y F 一2 0 0 浮选机，目 前已在江铜集团大山选矿厂试验成功。这标志着我 国大型浮选设备的研制无论是单槽容积还是选别性 能上均达到了国际先进水平。目前北京矿冶研究总 院己完成了单槽容积3 2 0 m 3 K Y F 型浮选机的设计。 收稿日期2 0 0 6 0 7 1 7 基金项目国家“十一五”科技支撑计划项目 2 0 0 6 B A B l l B 0 8 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 事浮选机、浮选柱和搅拌槽等方面研究。 1 大型浮选机的基础理论 1 ．1 大型浮选机设计原则 目前工业生产中的浮选机通常是根据经验来设 定各设计操作参数，虽然最近几年国内外学者对这 方面进行了一定的研究，但对浮选机的流体动力学 参数的研究不够。对于大型浮选机，在理论研究中 主要是针对大型浮选机流体动力学的特殊要求，对 浮选槽内不同粒级的矿物与气泡的碰撞、粘附、脱落 过程及影响这些过程的原因及如何防止浮选过程短 路、提高气体分散度并保证气泡与矿浆均匀混合等 方面作为研究重点。如何在大型浮选机内部实现矿 物的均匀搅拌，既要使矿粒在整个浮选槽内有效悬 浮和气泡均匀分布，同时又要避免液面的过分扰动， 是设计大型浮选机所遇到的突出问题之一L l - 4 ] 。 北京矿冶研究总院在浮选机研究及浮选动力学 理论研究的基础上，通过探索大型浮选机流体动力 学的特殊规律，确定了浮选机内部各粒级矿物与气 泡的碰撞、粘附、脱落过程及影响这些过程的原因， 并据此提出了K Y F 系列大型浮选设备的设计原 则。 1 保证浮选槽内能充入足量空气，使空气在矿 浆中充分地分散成大小适中的气泡，保证槽内有足 够的气一液分选界面，增加矿粒与气泡碰撞、接触和 粘附的机会。 2 叶轮一定子系统所产生的流体动 力学状态要满足浮选动力学的要求，以利于粗粒矿 物与气泡集合体的形成和顺利上浮，建立一个相对 稳定的分离区和平稳的泡沫层，减小矿粒的脱落机 会。 3 叶轮搅拌力适中，流程畅通无阻，槽底不会 有沉砂，同时保证较粗矿粒充分悬浮。 4 定子应有 利于叶轮产生的旋转矿流变成径向矿流，形成细微 万方数据 1 1 6 有色金属第6 0 卷 空气泡，降低能耗。 5 适当加大槽深，延长气泡上 升距离，以增加矿粒与气泡的碰撞机会。 6 充气量 易于调节，操作简单方便。 7 可在全负载下开、停 车。 8 通过控制给气、给药、补水、调节液面，可迅 速调节浮选过程，实现自动化控制。 1 ．2 大型浮选机放大方法 尽管目前国内外在浮选研究大型化方面花费了 很大精力也做出了很大的贡献，但浮选机容积增大 的速度比研究进展要快得多，浮选机的设计和按比 例放大仍然是以经验公式为基础，还没有具体、统 一、精确的大型浮选机放大方法L 5 - 7J 。 与自吸气机械搅拌式浮选机通过叶轮旋转搅拌 矿浆形成负压抽吸空气来实现充气不同，充气机械 搅拌式浮选机浮选时所需的气体主要是由外力 鼓 风机 强制给人的充气大小可调，因此在放大时不 用考虑充气能力的放大。就设备本身而言，除机械 结构参数外，影响浮选过程的主要因素是动力学因 素决定紊流强度、颗粒悬浮、空气分散、气泡一颗粒 的碰撞的因素 如搅拌强度等 和影响气泡尺寸和数 量、液面的稳定性因素 如充气速率等 等。因此在 放大机械搅拌式浮选机时，可按以下步骤进行 1 实现机械结构相似j 即浮选机关键部件的几何相似； 2 实现浮选槽中的悬浮相似； 3 实现浮选机流体 动力学相似确定放大步骤后关键在于寻找各个步骤 的放大因子及放大规则。 北京矿冶研究总院通过对国外多个类型的大型 浮选机和K Y F 系列浮选机研究后，从结构和动力 学两个方面提出了充气机械搅拌式浮选机的放大方 法。槽体放大，以槽体截面积与叶轮直径的比值S ／ D 为放大因子，其放大规则为S ／D 口v b 。叶轮放 大，包括叶轮形状放大和悬浮相似放大。叶轮形状 放大的放大因子为叶轮直径，放大规则为D c v d 。 悬浮相似放大，当浮选机容积较小时，整个系列的浮 选机叶轮设计可以通过浮选槽内悬浮准数相等的原 则设计，当浮选机容积较大时，以悬浮准数为放大因 子，其放大规则为．r e ∥。槽内流体动力学相似， 以S ／D 倍的叶轮线速度为放大因子，其放大规则 为y S ／D g 护。 2K Y F 系列大型浮选机的设计和开发 2 ．1 浮选机结构及工作原理 K Y F 系列大型浮选机有“U ”型槽体浮选机和 柱型槽体浮选机两种，浮选机主要由叶轮、定子、主 轴、轴承体、空气调节阀和槽体等组成，如图1 所示。 剁．凰| ． 一’ 干3 F j 刁乒耳 ／＼ 一益 ㈣嘞 a 一K Y F “U ”型槽体浮选机； b 一K Y F 柱型槽体浮选机’ 图1K Y F 系列大型浮选机简图 ．． F i g ．1 S t r u c t u r eo fK Y Fl a r g es c a l ef l o t a t i o nc e l l s K Y F 系列大型浮选机的工作原理为叶轮旋转 中，矿浆再返回叶轮区进行再循环，另一部分则通过 时，槽内矿浆从四周经槽底由叶轮下端吸入叶轮叶槽间壁上的流通孔进入下槽进行再选别。 片间，同时，由鼓风机给人的低压空气经风道、空气2 ．2 浮选机结构参数的设计研究 调节阀、空心主轴进入叶轮腔的空气分配器中，通过2 ．2 ．1 槽体设计。对于充气机械搅拌式浮选机，由 分配器周边的孔进入叶轮叶片间，矿浆与空气在叶 于不需要靠叶轮造成负压来吸气，而是靠鼓风机向 轮叶片间进行充分混合后，由叶轮上半部周边排出，槽内压入空气，因此槽体可以适当加深 1 空气消 排出的矿流向斜上方运动，由安装在叶轮四周斜上耗量随槽深增加而减少，气泡上升距离大，气泡在槽 方的定子稳定和定向后，分散到整个槽子中。矿化内的时间延长，气泡与矿粒碰撞机会相应增加，气泡 气泡上升到槽子表面形成泡沫，泡沫自流到泡沫槽能得到充分利用； 2 由于浮选机叶轮直径的大小直 万方数据 第4 期沈政昌等K Y F 系列大型浮选机的研制开发与应用1 1 7 接与浮选槽的长宽有关，长宽加大则所需的叶轮直 径也大，长宽减小则所需的叶轮直径也小，所以在容 积一定的情况下槽深增加，则浮选槽的长宽可以减 小，叶轮直径就相应减小，功耗就会降低； 3 深槽在 浮选过程中容易形成比较平稳的泡沫区和较长的分 离区，有利于精矿质量的提高和回收率的提高； 4 深槽设备占据厂房的面积小，可减少基建投资。 对于单槽容积5 0 m 3 及其以下的浮选机，为避 免矿砂堆积、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，将槽底设计为 “U ”形，截面形状有正方形和八角形两种，泡沫分别 采用刮板机械排出自溢两种。容积在5 0 m 3 以上浮 选机槽底设计为平底，为保证矿浆分散均匀，将槽体 截面设计为圆形。 2 ．2 ．2 叶轮设计。叶轮是机械搅拌式浮选机最主 要的部件，它担负着搅拌矿浆、循环矿浆和分散空气 的作用。浮选机的叶轮设计中需着重考虑下列问 题 1 搅拌力要适中，不应在槽内造成较大的速度 头，这是因为速度头大会造成分选区不稳定、液面翻 花，影响气泡矿化，降低有用矿物的回收，同时增加 了不必要的功率消耗； 2 通过叶轮的矿浆循环量要 大，这有利于矿粒悬浮、空气分散和改善选别指标； 3 矿浆在叶轮中的流线合理，磨损轻且均匀； 4 形 式合理，结构简单，功耗低。 2 ．2 ．2 ．1 叶轮形状。根据离心泵的设计理论，叶轮 叶片出口安装角B 有三种情况，即叶片前倾、叶片径 向和叶片后倾。对后向叶片而言，当流量大时产生 的理论压头低，总理论压头中动压头成分相应较小， 速度头较低，这对于稳定矿浆液面有好处，符合浮选 机流体动力学的要求。另外后向叶片流量较大时， 功耗较低，因此，采用后向叶片形式完全符合浮选机 流体动力学的要求。 ，。在叶片的方向确定后，还有一个确定叶轮形状 的问题。比转数是确定叶轮形状的主要依据，对于 高比转数泵而言，具有流量大，压头小的特点，反之， 则流量小，压头大。浮选机叶轮的情况与高比转数 泵相似，由于高比转数泵叶轮进口直径和出口宽度 相对较大，出口直径和进口宽度相对较小，因此在设 计浮选机叶轮时采用类似于高比转数泵叶轮的形状 是一个正确的方向。 叶轮的另一个重要作用是分散空气，为此在叶 轮腔中设有空气分配器，空气分配器能预先将空气 较均匀地分布在转子叶片的大部分区域内，提供大 量的矿浆一空气界面，从而大大改善叶轮弥散空气 的能力，提高空气分散度。 根据以上分析和通过试验，K Y F 系列大型浮选 机的叶轮设计成叶轮叶片后向、高比转速离心式，并 在叶轮中心配以空气分配器， 2 ．2 ．2 ．2 叶轮参数确定。确定叶轮结构参数是一 个复杂的过程，除了进行理论计算外，还必须利用以 往经验，进行大量实验，逐步取得合理的参数。图2 是K Y F 型浮选机的叶轮主要结构参数图。由于确 定叶轮结构之间的关系一般要进行大量的试验，为 了减少试验费用，通常只在实验室小型浮选机内进 行，待叶轮结构参数之间的关系确定后，再用叶轮直 径这个表征叶轮结构参数的参数通过研究确定的放 大倍数进行放大，并在工业型浮选机内进行试验，最 后得出所需的合理参数。 D 一叶轮直径；d 一进浆口径；b 一叶片高度；8 一叶片倾角 图2 叶轮主要结构参数 F i g ．2M a i ns t r u c t u r ep a r a m e t e ro fi m p e l l e r 2 ．2 ．3 定子设计。根据大型浮选机的设计原则，定 子应有利于将叶轮产生的旋转矿流变成径向矿流， 形成细微空气泡，稳定液面，防止翻花现象的发生并 降低能耗。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，雷诺数一般大于1 0 4 ，而 分离区和泡沫区又需要相对稳定，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 围和定子叶片间产生一个强烈的剪力环形区，促进 细小气泡的形成。 K Y F 系列浮选机采用低阻尼直悬式定子，采用 径向短叶片，安装在叶轮周围斜上方，由支脚固定在 槽底，如图3 所示。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，同时 降低了矿浆循环阻力，降低动力消耗，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 万方数据 1 1 8有色金属 第6 0 卷 气得到了很好的分散。定子的关键参数定子的直 径，可通过放大方法放大得到。 图3K Y F 浮选机定子 F i g ．3 S t a t o ro fK Y Ff l o t a t i o nm a c h i n e 3K Y F 系列大型浮选机的应用 K Y F 系列大型浮选机的研制成功得到了国内 大中型骨干矿山的关注，并迅速在国内外获得成功 应用。在有色及化工等行业几十个矿山的应用，均 取得了明显的经济效益和社会效益。 3 ．1 乌努格吐山金矿 该项目一期规模为日采选铜钼矿石3 6 0 0 0 t ／d ， 采用3 2 台K Y F 一1 6 0 浮选机、3 0 台X C F ／K Y F 一2 4 浮选机和2 0 台X C F ／K Y F 一4 浮选机，用于铜钼混 合浮选和铜钼分离浮选作业。目前该项目处于供货 阶段。 3 ．2 贵州锦丰矿业公司锦丰金矿 该项目采用了9 台K Y F 一1 0 0 、6 台K Y F 一5 0 、 6 台K Y F 一4 0 型浮选机，分别用于脱碳预选、粗选、 扫选、精选和精扫选作，于2 0 0 7 年3 月投产试车，浮 选指标达设计要求，经济效益显著。 3 ．3 包钢集团公司选矿厂三、六系歹{ l 改造 该选厂2 0 0 4 年和2 0 0 6 年先后采用2 0 台K Y F 一5 0 型浮选机替代了原5 0 台S F ／了J F 一2 0 型浮选 机。在占地面积、功率消耗相同、工艺指标略有提高 的情况下，处理能力由2 0 0 0 0 t ／d 提高到3 1 8 0 0 t ／d ， 增加了5 9 ％。同时解决了由于浮选设备单槽容积 相对小，存在着设备数量多、能耗高、管理维修困难 等诸多不便。此外还显著降低了备品备件费用。 3 ．4 中国铝业股份有限公司中州分公司 中国铝业中州铝厂在2 0 0 3 年新建的铝土矿选 矿拜尔法3 0 万t 氧化铝示范工程及2 0 0 4 年扩建的 第二条年产3 0 万t 氧化铝生产线中，浮选作业全部 采用K Y F 一4 0 型浮选机，共4 6 台，分别于2 0 0 3 年 1 0 月和2 0 0 4 年1 2 月投产。铝土矿选别要求充气 量小，浮选泡沫量大。泡沫黏且不易破碎，难以输送。 生产实践表明，K Y F 型浮选机满足了这些特殊要 求，保证了工艺流程的畅通，保证了氧化铝选矿拜尔 法这一新技术的实施。浮选系统直接带来的年经济 效益达2 6 0 0 万元。 3 ．5 河南嵩县丰源钼业有限公司 河南嵩县丰源钼业有限公司选矿厂日处理量 3 0 0 0 t ，采用1 6 台K Y F 一3 0 型浮选机联合机组，从 2 0 0 5 年1 2 月投产至今，浮选机运行平稳，浮选指标 高于设计指标，能耗节约2 0 ．6 8 ％，钼回收率提高 0 ．8 4 ％，钼精矿品位提高O ．5 7 ％，经济效益明显。 3 ．6 贵州翁福磷矿 在世界银行主持的瓮福磷矿国际招标中，K Y F 一1 6 型浮选机联合机组经过与美国、法国、瑞典、德 国、芬兰等国际著名公司的竞争，最终以选矿工艺指 标高、降低能耗显著、工程造价和管理费用低等诸多 方面的技术优势而一举中标，为国家创汇1 3 0 万美 元，现场生产结果表明，该联合机组比原设计提高 P 2 0 5 精矿品位O ．6 8 ％，提高回收率5 ．6 ％，降低 M g O 品位0 ．5 ％，每年可获得直接经济效益3 3 0 0 万 元。 3 ．7 哈萨克斯坦铜业公司尼古拉铜矿 一 该项目采用了5 6 台K Y F 一3 6 型浮选机，分别 用于铜、铅、锌系统的粗选、扫选作业。目前设备已 安装调试完毕，全部投入生产，其中铜系统予2 0 0 6 年1 2 月投入运行，目前运转正常。 4结语 K Y F 系列大型浮选机作为我国自主开发、具有 自主知识产权的大型高效浮选设备。该机具有独创 的高比转数后倾叶片叶轮一悬空径向短叶片定子的 结构形式，矿浆运动状态合理，矿粒分布均匀，泡沫 层稳定，能耗低。槽体设计合理，减少矿浆短路，解 决了国外大型浮选机对粗粒级矿物回收率低的难 题。创造性开发了自吸给矿和中矿的吸浆槽，解决 了国际上大型充气式浮选机不能自吸矿浆的难题， 率先实现了大型浮选机的平面配置，可有效降低厂 房高度，减少辅助装置，降低直接投资。 K Y F 系列大型浮选机应用表明，结构合理、操 作灵活、自动控制先进、满足生产的需要，综合技术 性能和选别指标达到了国际先进水平。该系列设备 的成功应用验证了我国独立提出的大型浮选机相似 放大理论，填补了国内大型选矿设备研究及应用的 空白，可广泛用于有色、黑色、非金属矿物选别和污 万方数据 第4 期沈政昌等K Y F 系列大型浮选机的研制开发与应用1 1 9 水处理，促进了我国选矿科技进步。 参考文献 [ 1 ] A h m e dN ，J a m e s o nGJ ．T h ee f f e c to fb u b b l es i z eo nt h er a t eo ff l o t a t i o no ff i n ep a r t i c l e s [ J ] ．I n tJM i n e rP r o c e s s ，1 9 8 5 ，1 4 3 1 9 5 2 1 5 ． [ 2 ] L a p l a n t eAR ，T o g u r iJM ，S m i t hHW ．T h ee f f e c to fa i rf l o wr a t eo nt h ek i n e t i c so ff l o m t m n [ J ] ．P a r tI ．I n tJM i n e rP r o c e s s ， 1 9 8 3 ，1 1 3 2 0 3 2 1 9 ． [ 3 ] 曾克文．浮选槽内矿浆紊流强度对浮选影响的理论及应用研究[ D ] ．长沙中南大学，2 0 0 1 5 7 6 0 ． [ 4 ] 杨福新．机械搅拌式浮选机能耗分析[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 0 4 ， 5 3 1 3 6 ． [ 5 ] 程宏志，蔡昌凤，张孝钧，等．浮选微观动力学和数学模型[ J ] ．煤炭学报，1 9 9 8 ，2 3 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c a lb e n e f i m ． K e y w o r d s m i n e r a lp r o c e s s i n g ；f l o t a t i o nm a c h i n e ；s c a l ee n l a r g i n g ；r e s e a r c ha n dd e v e l o p ；a p p l i c a t i o n 毒冈结构 月干1 j 邮发代号8 2 8 5 0单价8 元全年价9 6 元 钢结构由中国钢铁工业协会主管，创刊于1 9 8 6 年，是我国钢结构专业领域的综合性科技刊物，具有导 向性、新颖性、系统性和实用性。重点刊登钢结构领域中能代表我国发展水平的科研成果、学术论文、工程设 计、工程实录，内容兼顾理论和实践。适合于在钢结构领域从事科研、教学、设计、制造、安装、检测、防护、维 修等工作的科技、管理等人员及施工人员阅读。 为大1 6 开本，9 6 页，彩色胶版印刷，每月2 2E l 出版，国内外公开发行。全国各地邮局均可订 阅 邮发代号8 2 8 5 0 ，也可直接汇款到本编辑部订阅。 钢结构 兼营广告，8 月开始征订下一年广告。全国“双效”期刊，将为客户带来“双赢”的结果。 本刊地址北京市海淀区西土城路3 3 号；邮编1 0 0 0 8 8 ； E m a i l g j i g c h i n a j o u r n a l ．n e t ．c a 联系电话0 1 0 8 2 2 2 7 2 3 9 兼传真 0 1 0 8 2 2 2 7 6 4 0 ／8 0 2 2 ／7 8 0 6 ／7 1 9 1 ／8 0 2 8 ／7 2 3 8 ／7 2 3 9 广告 0 1 0 8 2 2 2 7 2 3 7 ／8 0 4 3 ／8 9 2 7 编辑 8 2 2 2 7 2 3 6 发行 广告许可证京海工商广字0 0 3 7 万方数据