调浆搅拌槽研究与应用.pdf

2 3 0 有色金属 选矿部分2 0 1 3 年增刊 d o i 1 0 ．3 9 6 9 0 ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 3 ．z 1 ．0 6 0 调浆搅拌槽研究与应用 董干国，王青芬，陈强，张建辉 北京矿冶研究总院。北京1 0 0 1 6 0 摘要分析调浆搅拌槽在浮选流程中的重要作用，总结调浆搅拌槽的结构特点和工作原理，介绍目前国内外调浆搅 拌槽的发展和革新情况，指出未来浮选工艺中调浆搅拌槽的发展方向。 关键词浮选；调浆搅拌槽；搅拌槽 中图分类号T D 4 6 3文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 3 S 0 - 0 2 3 0 0 6 调浆搅拌槽是浮选工艺中重要的辅助设备之 一，在矿浆的悬浮和与药剂的混匀作业中扮演重要 角色，随着我国国民经济的发展对资源的需求量越 来越大，对矿产资源开发规模不断扩大，浮选设备 的重要性日趋突出，调浆搅拌槽作为浮选工艺中主 要的辅助设备，其搅拌效果将直接影响着后续的浮 选流程，因此，对调浆搅拌槽进行研究与开发，对 于提高我国选矿水平具有重要意义。 调浆搅拌槽主要是以机械搅拌的方式实现物料 与药剂的混合与混均作业，从而保证药剂与矿物的 搅拌和接触时间，实现矿物充分分散和与药剂的完 全反应。由于矿物颗粒自身的特性是无法改变的， 比如矿物的化学组成、溶解性、表面性质等。但可 以通过调节控制搅拌等外力因素，以实现更好的分 散和反应效果。 “贫、细、杂”是我国矿产资源的主要特点， 矿石在浮选前往往需要进行细磨，待磨碎到一定粒 级后才能进入浮选设备，以提高浮选指标。细粒矿 物在搅拌槽内容易发生聚集，形成小规模的微粒 团，而脉石颗粒比较容易混合其中，进而会影响到 矿物表面与药剂反应的效果。另一方面，如果搅拌 过程中产生的周向流比较大，就会导致药剂和矿浆直 接溢出搅拌槽而达不到充分混合的目的。因此，在浮 选前进行良好地调浆作业，可以有效提高浮选指标。 1 调浆搅拌槽对浮选工艺的影响 1 ．1 对浮选机的影响 从浮选机的工作原理来看，浮选机在一定程度 上也具有调浆的功能，但从过程角度来说，自身的 调浆功能势必在一定程度上损失了分选过程的部分 能量，使浮选机的整体分选效果下降。另一方面， 如果浮选机中存在较强的紊流，其浮选效果势必也 会受到影响，因此，同时实现较低的紊流环境和良 好的调浆效果，单纯依靠浮选机是无法实现的，在 浮选前增加调浆过程对降低能耗和提高分选效果均 具有重要意义。 1 ．2 对浮选柱的影响 浮选柱与浮选机相比由于具有简单的工艺流 程、低投资、低能耗等特点[ 1 剖，近年来受到很大 的发展和关注。 在浮选柱整个分选体系中，其动力来源主要来 自外部的充气系统。矿浆进入浮选柱后在气流的作 用下立刻进行反应分离，其反应效果严重依赖前段 的调降作业。因此，调浆作业的好坏将直接影响到 浮选柱的分选效果。 1 ．3 细粒矿物浮选对高效调浆的需求 矿石被破碎细磨之后比表面和棱角都相应增 大，增多，而棱角的增多和比表面的增大会使矿物 活性得到加强[ 9 | ，使矿物在浮选过程中很容易产生 团聚造成脉石颗粒夹杂在中间，导致药剂与矿物不 能够充分反应，进而影响分选效果。因此，在浮选 前通过调浆作业，利用搅拌流场作用克服矿粒间的 作用力，使矿物表面尽可能的多的与药剂进行接触 反应，以实现对细粒矿物的高回收率，因此高效调 浆对于提高细粒矿物回收率具有重要作用。 2 调浆搅拌槽基本结构 为实现选前矿浆与药剂的混均效果，矿浆调浆 箨莩品羿{ 董2 0 干1 3 - 国1 0 - 2 5 1 9 7 8 一 ，男，河南洛阳人，硕士，高级T 程师，从事矿物加工设备研究及工程转化方面的研究。作者简介董干国一 ，男，河南洛阳人，硕士，高级程师，从事矿物加工设备研究及工程转化方面的研究。 万方数据 2 0 1 3 年增刊董干国等调浆搅拌槽研究与应用 2 3 1 搅拌槽一般会根据要求不同采用不同的结构 图 1 2 ，最低程度和中等程度悬浮的搅拌一般采用单 叶轮无导流筒结构，且叶轮转速较低；最高程度悬 浮的搅拌需采用导流筒结构或多叶轮结构，且叶轮 转速较高，以满足大循环量的要求。 图1无导流筒调浆搅拌槽结构简图 图2 导流简调浆搅拌槽结构简图 调浆搅拌槽一般包括以下几部分 2 ．1 搅拌器 调浆的基本目的之一就是使固相悬浮起来，因 此，固相悬浮问题作为调浆作业中的基本问题而被 沿用了很长一段时间，而径向流和轴向流叶轮都具 备使固相悬浮的功能，直到C h u d a c k e [ 1 0 ] 提出以固 相是否完全离底为判据的理论后，径向流和轴向流 搅拌器的搅拌机理才得以区分开，并得出流速是控 制固相悬浮的关键因素的结论。而宏观混合恰恰是 实现固相悬浮的主要作用形式，因此，调浆单元主 要使用轴向流叶轮。 调浆搅拌槽常用轴流式叶轮有直叶片斜叶轮、 螺旋曲面叶轮、异形下掠式叶轮等。常用轴流式叶 轮及结构特点如图3 和表1 。 翼形变截面H 十轮 等流速叶轮 一 _ 湖_ 推进式螺旋叶轮直叶片叶轮 图3 常用轴流式叶轮 表1不同叶轮形式及性能特点 在调浆过程中一方面要求叶轮提供高的循环流 量，另一方面又要要求能耗降到最低，而传统轴流 型叶轮显然无法同时满足这两个要求。为此，许多 厂商开始开发新型叶轮搅拌器。其中最为典型的为 莱宁公司开发的一系列搅拌器，如图4 所示，这些 轴向流搅拌器因径向位置的不同其叶片宽度和叶片 倾角也随之变化，并把叶片面积在水平投影面上的投 影面积比作为区分和选用搅拌器的一个重要指标。 另外，国内外其他的公司与研究机构也纷纷开 发出了具有自己特色的许多轴向流搅拌器，比如 E K A T O 公司的I N T E R P R O 系列搅拌器 如图5 ， 由主叶片和辅助叶片组成，在特大型调浆搅拌槽 数千立方米 中应用广泛。法国R O B I N 公司 H P M 系列搅拌器 如图6 ，叶片倾斜角度因位置 不同而不同，也适用于大型搅拌槽 容积数百立方 米 。在国内，浙江长城减速机、北京矿冶研究总 院等也分别开发了自己的轴向流搅拌器。如图7 和 图8 分别为浙江长城减速机有限公司开发的Z C X ， 万方数据 - 2 3 2 有色金属 选矿部分2 0 1 3 年增刊 。jA 3 2 0 d j ．k 6 0 0 0 图4 莱宁公司的系列搅拌器 K S X 搅拌器和北京矿冶研究总院开发的B K 系列大 投影比搅拌器。 图5E K A T O 公司的I N T E R P R O 搅拌器 图6R O B I N 公司的H P M 搅拌器 文夸萨＼ 、、* 卜 a z c x 搅拌器 b K S X 搅拌器器 图7Z C X 与K S X 搅拌器 2 ．2 挡板 挡板的基本作用，是将液体的旋转运动改为垂 直翻转运动，消除旋涡，同时改善所施加功率的有 效利用率。挡板限制了液体的切向速度，增加了轴 向径向速度分量，其净作用是使搅拌器排出流具有 更宽的流动半径，使流动更规则，功率可以较好的 预测⋯] 。搅拌器旋转所形成的矿浆流，受到槽壁 和挡板的作用，在搅拌槽内形成特殊的流场， 在 r -l f _ 一 图8B K 6 5 0 0 大投影比叶轮 搅拌器叶轮与挡板的相互作用下，速度大小、方向 和流型等均会有所变化，可以有效增强混合效果。 图9 挡板图 挡板改进了混合效果的同时往往也伴随着搅拌 器功率的消耗，对于不同型式的桨叶，挡板影响不 同，在其他条件相同情况下，可以得出以下挡板对 功率的影响 1 挡板系数对产生径向流的桨叶影响最大， 对同时产生径向流和轴向流的桨叶次之，对产生轴 向流的桨叶影响最小； 2 对于同一类型的桨叶，挡板系数的增大， 也导致功率准数的增加； 3 当叶轮型式及挡板系数相同时，挡板结构 的改进，同样可以改变功率准数，并在满足功率输 人的条件下改善介质的混合性能。 4 过小的挡板虽然功率消耗小，却达不到消 除旋涡的目的，通常采用垂直于槽壁的4 块宽度b 为D ／1 2 至D ／1 0 的挡板 一般称之为标准挡板 来 满足条件。 雏繁黩．} 万方数据 董干国等调浆搅拌槽研究与应用 2 3 3 2 ．3 循环导流筒 无循环桶有循环桶 图1 0 无导流筒和有导流筒流场对比图 由巴秋卡槽[ 1 2 ] 发展而来的导流筒可以使矿 浆在导流筒内部与外部 导流筒与槽的环隙内 形 成循环流动。一方面，它可以强迫更多的矿浆参与 到循环当中，使搅拌更加均匀；另外，由于导流筒 的存在，使搅拌强度增大，循环流量也因此上升， 混匀作业更加快速 如图1 0 所示流场区别 。在高 粘性流体以及高浓度固液悬浮体系中效果显著。常 见循环筒结构及布置有三种形式 1 叶轮位于导流筒内。叶轮在导流筒内旋转 形成一定的负压，产生一定的泵吸作用，将矿浆由 上端吸入，从下端排出。叶轮旋转使矿浆在导流筒 内形成径向流和轴向流，部分径向流在导流筒壁的 作用下改变流向并与轴向流一起沿循环桶下端射 出。这种结构可以强迫更多的矿浆参与到循环中， 使混合更加均匀 如图1 1 。但是，如果导流筒的 下端离槽底的相对位置过大，导流筒下端出流到达 槽底底部时，已经无法满足矿浆颗粒悬浮的的条 件，就会导致沉槽。如果距离过小，就会堵塞循环 通道，无法形成循环，最终也会造成沉槽。所以合 适的离底距离是保证搅拌效果的重要参数。 2 叶轮位于下端导流筒外。此种结构导流筒 的典型特点是导流筒上端高于溢流液面，进矿口布 置在叶轮上方，叶轮则安装于循环桶下部外面 如 图1 2 ，同时在导流筒的外侧装有循环口。在叶轮 的旋转作用下，叶轮附近形成负压区和高压区，将 导流筒内部矿浆抽吸到导流筒外侧，以达到矿浆提 升的目的；另一方面在叶轮的旋转作用下矿浆经循 环口形成局部循环，以实现搅拌混均的目的。但是 此种结构导流筒由于不能形成整体循环流，并且 由于泵吸作用所形成的矿浆提升在一定程度上也消 耗了一部分的搅拌能量，因此，不适合用于大流量 t●⋯ }。， ／．4- ‘．～{ ≯ 叶轮位于导流筒内流场图 -一LI ℃r ’I ■i r J ’t 耳 } 口 l 一垂受习 图12 叶轮位于导流筒下部外端示意图 图1 3B K 系列裙式导流筒 的搅拌作业中。 3 特殊型式导流筒。为了实现固相完全悬浮 以及矿浆与药剂快速混合均匀的目的，很多企业和 研究单位研制出了效果更好的特殊结构型式的导流 筒，其中以北京矿冶研究总院研制的B K 系列导流 筒和长沙矿冶研究院的C K 系列导流筒最具代表 性北京矿冶研究总院研制的B K 系列导流筒 如 图1 3 ，下端为锥形结构，并安装有分配板，叶轮 万方数据 2 3 4 有色金属 选矿部分 2 0 1 3 年增刊 在导流筒内部旋转产生一定的虹吸作用，矿浆经过 导流筒的强制导流作用沿锥形体下端排出，一方面 使矿浆排出更加顺畅，阻力更加小；另一方面使矿 浆流沿槽体底面循环排出，冲刷底部固体颗粒，防 止沉槽。另外，在分配板的作用下，底部旋转流转 变为径向出流，进而转变为上升流，对于形成整体 “w ”循环，防止沉槽具有重要作用，此种结构导 流筒在大循环量的搅拌作业中应用广泛。其内部流 场如图1 4 所示。 图1 4B K 系列导流筒流场图 长沙矿冶研究院的C K 系列导流筒下端设计为 如图1 5 所示形状的矿浆导流结构，矿浆流按照设 计的出流通道由下端排出，使更多的搅拌能量转化 为矿浆的轴向流动，并在整体上形成“w ”循环， 能够快速实现药剂和矿浆搅拌混匀的目的。 鉴于上述两种导流筒的流场特点 图1 4 和图 1 6 ，这两种导流筒在大流量、高浓度的搅拌作业 中应用广泛。 图1 5 长沙矿冶研究院C K 系列导流筒 4 调浆搅拌槽的发展应用 由于矿浆调浆搅拌槽的重要作用，越来越多的 图1 6 长沙矿冶研究院C K 系列矿浆搅拌槽流场图 厂家开始研究设计生产调浆搅拌槽，沈阳矿山集团 公司在2 0 世纪7 0 年代末移植和自行设计了带导流 筒矿用调浆搅拌槽，主要设置在浮选作业前使药剂 与矿浆充分混合接触，以尽量发挥药剂作用，它适 用于浓度不大于3 0 ％及矿石密度不大于3 ．5 的矿浆 与浮选药剂的搅拌。 长沙矿冶研究院于2 0 世纪9 0 年代初开发出 C K 系列调浆搅拌槽，搅拌叶轮设计成下掠式轴流 叶轮，如图1 5 ，使更多的矿浆在槽体内形成轴向 循环流 图1 6 ，使功率损失尽量减小，使搅拌功 率主要用在以轴向流为主的矿桨上下大循环中，增 加矿浆的循环次数，可以显著提高搅拌效果。 北京矿冶研究总院从1 9 9 8 年开始设计、研制 矿浆调浆搅拌槽，2 0 0 8 年为江铜德兴铜矿大山选 厂设计了2 台B K6 ．5m x 7m 矿浆调浆搅拌槽， 2 0 1 1 年为中国黄金集团内蒙古矿业有限公司设计 了1 台G B K8m x 8m 矿浆调浆搅拌槽，目前为国 内应用最大的调浆搅拌槽，基本结构如图1 7 所示。 图1 7G B K 型调浆搅拌槽示意图 1 一槽体；2 一给矿管；3 一横梁；4 一电机装置；5 一主轴部件 6 一溢流口；7 一叶轮；8 循环简；9 一粗砂口 万方数据 2 0 1 3 年增刊董干国等调浆搅拌槽研究与应用 2 3 5 其他单位例如吉林探矿机械厂以及三门峡黄金 机械厂也在纷纷研究和生产矿浆调浆搅拌槽，以满 足浮选工艺的需要。 5 发展展望 1 大型化。随着社会的进步与发展，对资源 的需求量越来越大，矿产资源开发规模不断扩大，千 万吨级的选厂不断出现，浮选设备逐渐向大型化发展。 浮选工艺流程一般需要选前调浆，从而来保证 浮选指标。进入2 1 世纪以来，浮选设备不断向大 型化发展。1 0 0m 3 、1 6 0m 3 、2 0 0I n 3 、3 2 0m 3 浮选 机相继研究成功，我国浮选机的大型化进程已处于 国际领先水平，因此，调浆搅拌槽作为浮选工艺的 重要配套设备，大型化将是未来一大趋势。 2 高效化。传统调浆搅拌槽一方面由于搅拌 机制单一而无法同时满足固相悬浮和快速混均的目 的，另外，由于传统调浆搅拌槽不具备大循环流量 的特点，在高浓度，高粘度的调降作业中因此受到 限制。然而，调浆作业的质量及效率的目前还没有 可靠的评价标准来衡量，其作用机理也没有形成系 统的理论，很多研究工作是在简化的条件下进行 的，与实际工况相差较大。因此，研究调浆搅拌槽 的作用机理，实现高效调浆，使矿浆与药剂快速混 合的同时达到节约能耗的目的，将是调浆搅拌技术 研究的新方向3 I 。 参考文献 [ 1 ] 戴干策，陈敏恒．混合理论的进展及其与现代流体力学 的关系[ J ] ．化学反应工程与工艺，1 9 8 5 3 1 9 ． [ 2 ] M o h a n t yMK ，H o n k e rRQ ．Ac o m p a r a t i v ee v a l u a t i o no f t h el e a d i n ga d v a n c e df l o t a t i o nt e c h n o l o g i e s l JJ ．M i n e r a l s E n g i n e e r i n g ，1 9 9 9 ，1 2 1 1 - 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