680+m3浮选机工业化应用过程中的动力学性能测试与分析.pdf

8 8 有色金属 选矿部分2 0 2 0 年第4 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 l - 9 4 9 2 ．2 0 2 0 ．0 4 ．0 1 6 6 8 0m 3 浮选机工业化应用过程中的 动力学性能测试与分析 韩登峰1 ’2 ”，沈政昌1 ’2 ，余玮4 ，刘利敏1 ’2 ，李春华4 张明1 ’2 ⋯，陈金祥4 1 ．矿冶科技集团有限公司，北京1 0 0 1 6 0 ；2 ．矿物加工科学与技术国家重点试验室，北京1 0 0 1 6 0 ； 3 ．北京科技大学，北京1 0 0 0 8 3 ；4 ．江西铜业股份有限公司德兴铜矿，江西德兴3 3 4 2 0 0 摘要6 8 0m 3 浮选机投人生产试运行已一年有余，表现出卓越的设备稳定性和分选性。从浮选流体动力学角度出发， 对6 8 0m 。浮选机在带矿运行过程中的充气性能、矿浆循环悬浮性能和气泡大小及其负载性能进行了测试分析。结果表明， 6 8 0m 。浮选机充气量可以达到1 ．1m 3 ／ m 2 m i n 以上，能够满足一般硫化矿大气量的生产需求，空气分散度在7 以上，平均 气含率约7 ％；不同深度浮选槽内矿浆浓度和粒级分布较为均匀，无明显分层现象。气泡表面积通量可达3 9 ．2 0s 一，随着气 泡的上浮，气泡负载呈现上升趋势，最高可达3 ．3 7g ／L 。优越的浮选流体动力学特性充分地保障了6 8 0m 3 浮选机良好的分选 效果。 关键词浮选机；6 8 0m 3 ；工业化应用；动力学性能 中图分类号T D 4 5 6 文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 2 0 0 4 一0 8 8 一0 7 T e s ta n dA n a l y s i so fD y n a m i cP e r f o r m a n c eo f68 0m 3F l o t a t i o nM a c h i n e i nI n d u s t r i a lA p p l i c a t i O n H A ND 已挖g 以9 1 点3 ，S H E NZ e 7 2 9 c 口咒9 1 ～，y U 眠i4 ，L I 己，L i 优i ，2 h2 ，L 工C “竹 “n4 ， Z H A N GM i n 9 1 ’2 ～，C H E NJi n z i a n g 4 】．B G R I f M 丁P c 咒o Z o g yG r o “户，B 8 巧i 咒gj D 0 j 6 0 ，C i 咒n ； 2 ．S ￡口￡PK 已yL 口6 0 r 口￡o r yo ， 4 i 卵P r 以ZP ，．o c P 5 s i 咒g ，B P i 歹i 以gj 0 0 j 6 0 ，C i 玎口； 3 ．B P i 歹i 孢gL 砌i 口P r s i ￡yo 厂S f i e 以c P 口咒dT P c 矗，z o ￡o g y ，B P 巧i 咒gjD D D 8 3 ，C 矗i ，z n ； 4 ．Ji 口咒g z iC o 户户P rC o 优户口扎yL i ，n i f P dD P z i ，z gC o 户户P rM i 咒P ，D P z i 以g3 3 4 2 0 0Ji 口咒g z i ， 强i ，2 口 A b s t r a c t 6 8 0m 3f l o t a t i o nm a c h i n eh a sb e e np u t i n t oo p e r a t i o nf o rm o r et h a nay e a r ， s h o w i n g e x c e U e n te q u i p m e n ts t a b i l i t ya n ds e p a r a t i o np e r f o r m a n c e ．T h eo v e r a l la e r a t i o np e r f o r m a n c e ，t h es u s p e n s i o n p e r f o r m a n c eo fs l u r r ya n dt h es i z ea n dl o a do fa i rb u b b l e so f6 8 0m 3f l o t a t i o nc e l l si nt h ep r o c e s so fo r eb e l t o p e r a t i o nw e r et e s t e da n da n a l y z e do nt h eb a s i so fh y d r o d y n a m i c so ff l o t a t i o n ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e c h a r g i n gc a p a c i t yo f6 8 0m 3f l o t a t i o nm a c h i n ec a nr e a c h1 ．1m 3 ／ m 2 ’m i n w i t ha i rd i s p e r s i o na b o V es e V e n a na v e r a g eg a sc o n t e n ta b o u t7 ％，w h i c hc a nm e e tt h ep r o d u c t i o nd e m a n do fl a r g eg a sV o l u m eo fc o m m o n s u l f i d eo r e s ．T h ep u l pc o n c e n t r a t i o na n dp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o ni nf l o t a t i o nc e l l so fd i f f e r e n td e p t h sa r e r e l a t i v e l vu n i f o r m ，w i t h o u to b v i o u ss t r a t i f i c a t i o n ．T h eb u b b l es u r f a c ea r e af l u xc a nr e a c h3 9 ．2 0p e rs e c o n d ． W i t ht h eb u b b l e sr i s i n g ，t h eb u b b l el o a ds h o w e da nu p w a r dt r e n du pt o3 ．3 7g ／L ．T h ee x c e l l e n th y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ff l o t a t i o nf u l l yg u a r a n t e ei t sg o o ds e p a r a t i o ne f f e c t ． K e yw o r d s f l o t a t i o nm a c h i n e ；6 8 0m 3 ；i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n ；k i n e t i cp e r f o r m a n c e 收稿日期2 0 2 0 0 5 1 8 暮金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 6 7 4 0 3 4 ；矿冶科技集团有限公司重大基金项目 Y J Z 2 0 1 7 0 1 ；科技部创新方莹王作专项 2 0 1 7 I M 0 6 0 2 0 0 作者简介韩登峰 1 9 8 4 一 ，男，陕西蒲城人，硕士，高级工程师，主要从事选矿设备研究设计及工程转化与技术推广工作。 E m a 订d o n g d a r e n 1 2 6 ．c o m 万方数据 2 0 2 0 年第4 期韩登峰等6 8 0m 3 浮选机工业化应用过程中的动力学性能测试与分析 8 9 随着矿产资源的不断开采，资源禀赋越来越 差，尾矿堆存量不断加大，生存、环境压力骤然增 大，促使企业必须依靠技术升级来实现大规模矿产 资源的集约化开发与建设。这就对超大型浮选装 备的处理能力、单机性能、智能化水平提出更高的 要求‘⋯。 浮选机作为当前世界最主要的选矿装备，在国 际间的竞争不断加剧，浮选机大型化势在必行，优势 显而易见。首先，大型浮选机可减少对厂房的需求， 在原有厂房空间下即可提高选矿厂的处理规模，大 幅降低基建投资成本。第二，随着设备数量的减少 和设备自动化程度的提高，设备的操控性和稳定性 大幅提升，运行维护成本下降。第三，随着设备单机 性能的提升，可有效降低每吨矿石的处理成本。国 际矿业巨头 U T O T E c 、F I 。S M I D T H 公司等在近 十年中已相继研发了3 5 0 、5 0 0 、6 3 0 、6 6 0m 3 超大型浮 选机，并着力研究自动化高效检测控制技术[ 2 一j 。 我国超大型浮选机研发技术相对比较落后，限 制了我国的矿业安全和稳定发展。2 0 1 8 年由我国独 立研制的6 8 0m 3 浮选机工业化测试获得成功，一举 打破了国外公司在这方面的技术垄断。6 8 0m 3 浮选 机研制成功后随即转入了生产试运行阶段，用于对 选铜尾矿的再选处理。至今，6 8 0m 3 浮选机投入工 业试生产已一年有余，表现出了卓越的技术性能 图1 。6 8 0m 3 浮选机分选性能的保障来源于自身 的浮选流体动力学性能．本文将针对其中主要的几 项动力学参数展开研究分析，以揭示其内在品质。 图l6 8 0m 3 浮选机工业化应用 16 8 0m 3 浮选机技术概况 6 8 0m 3 浮选机是目前世界单槽容积最大的浮选 机，浮选机槽体直径1 1m ，设备总高1 2m ，单槽容积 达到6 8 0m 3 ，通过能力3 0 ～1 0 0m 3 ／m i n ，装机功率 5 0 0k W ，单位容积实耗功率小于o ．6k W ／m 3 ，带矿 空气分散度3 ．O 以上，槽内矿浆循环量可达 5 0 0m 3 ／m i n ，悬浮均匀，无明显的分层和沉槽现象； 并实现了充气量、液位、泡沫流速、关键部件状态监 测等多信息的物理融合与优化控制，满足2 4h 无人 值守连续运行和千公里以上数据实时传输的超远程 自动控制技术需求。 6 8 0m 3 浮选机在研发过程中采用了基于多尺度 流动控制机理的物质输运调控技术、基于目的矿物 选别特性的动力学调控技术、基于湍流耗散率调控 的气泡矿化技术、基于低精矿产率的泡沫富集调控 回收技术、基于泡沫图像识别的优化控制技术和基 于云平台的数据存储与远程监控技术等六项关键新 技术∞] ，有力地保障了设备的首次研发即获成功。 2 浮选机槽内充气性能分析 2 ．1 充气性能测试方法 充气性能是浮选机最主要的性能，在生产过程 中除了要提供与浮选工艺要求相匹配的充气量大小 外，充气过程的空气分散度和气含率也是表征浮选 机性能的关键参数。本次试验是在不同充气条件 下，检验6 8 0m 3 浮选机槽内的空气分散度和气含率 分布情况。 2 ．1 ．1 充气量与空气分散度测试 空气分散度是衡量浮选设备对于空气搅拌分散 能量的一项重要参数，设备越大，分散的均匀性相对 越差。而浮选机槽体内优异的流场环境可以促进空 气的有效分散，提高空气分散度。6 8 0m 3 浮选机为 圆形槽结构，在叶轮的搅拌下，周向各点充气性能相 近，差异主要体现在径向方向上。因此，在径向方向 间隔分布了6 个固定测量点，其中外泡沫区4 个点， 内泡沫区2 个点。如图2 所示。 充气量测试采用最新研制的自动充气量测量装 置进行，工作原理是排水集气法。采用计算机进行 精确控制和测量，这样充气量的测量速度更快，精度 更高‘6 I 。 2 ．1 ．2 气含率测试 气含率能够体现出矿浆的含气状态，浮选机槽 体内不同深度气含率不同。采用如图3 所示采样装 置，将取样器插入槽内不同位置，通过销轴机关迅速 释放两端的堵球，将矿浆和所含气体密封在取样容 器内。对容器内的矿浆体积进行测量，即可算出不 同位置的气含率。 mO8O．眦 眦 n m C C蹦m a nd ．呈 ㈣ 咖 U n dn g F 万方数据 9 0 有色金属 选矿部分2 0 2 0 年第4 期 图2 充气量自动测试系统及测点分布 F i g ．2 A e r a t i o nf l o wr a t ea u t o m a t i ct e s ts y s t e ma n dd i s t r i b u t i o no fm e a s u r i n gp o i n t s 图3气含率／深槽取样装置及测试位置 F i g ．3 G a sh o l d u p ／d e e ps a m p l i n gd e v i c ea n dt e s tp o s i t i o n 2 ．26 8 0m 3 浮选机的充气性能 2 ．2 ．1 充气量分布特征 在带矿工业应用过程中，每个班次对浮选机 1 。～6 。测点进行充气量测量，总共进行了2 2 个班 次。由图4 可以看出，在工业化生产过程中，每个测 点的充气量在生产工艺波动下也存在着一定的波 动，但都保持在一定范围之内。生产期间最大充气 量可达1 ．1m 3 ／ m 2 m i n 以上，满足一般硫化矿对 高气量的生产需求。 2 ．2 ．2 充气量与空气分散度分析 图5 为带矿条件下的充气量累计平均值。经计 算，在充气量约O ．9 4m 3 ／ m 2m i n 左右的充气量条 件下，空气分散度可达7 以上，表现出优良的空气分 散能力。 f 曼 暑 ● 呷 吕 ● ’ ≤ 蛔 扩 根 吕 吕 型 嫩 g 粤 斌 捌 褪 型 0l2345678 91 0 l l1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 取样班次 图4带矿运行中6 8 0m 3 浮选机充气量测量 F 嘻4 M e a s u r e m e n to fa e r a t i o nf l o wr a t eo f 6 8 0m 3f l o t a t i o nm a c h i n ei no r ep r o c e s s i n g 万方数据 2 0 2 0 年第4 期韩登峰等6 8 0m 3 浮选机工业化应用过程中的动力学性能测试与分析 9 l 著 毫 ● 著 簇 图5充气■ F i g ．5 A e r a t i o nf l o wr a t e 2 ．2 ．3 气含率测试结果分析 气含率是指矿浆中保有气体的量的多少，也称 为气体保有量。它是浮选机的一个重要参数，关系 到选矿性能和浮选机的容积利用特性。由图6 可 以看出，整个浮选机槽体内含气率在不同深度是 不同的，越靠近液面气含率越高，溢流堰以下一 5 0m m 处最高可达1 5 ％，这符合气含率在槽内的 分布特征。对整个浮选槽的综合气含率进行计算 可知，测试期间6 8 0m 3 浮选机的综合气含率 为7 ．0 6 ％。 图66 8 0m 3 浮选机气含率分布 F i g ．6 G a sh o l d u pd i s t r i b u t i o no f6 8 0m 3 f l o t a t i o nm a c h i n e 3 矿浆循环能力与悬浮性能分析 3 ．1 矿浆循环、悬浮性能测试方法 3 ．1 ．1 矿浆循环能力测试 叶轮循环量是反映浮选机动力学性能的关键 数据，试验系统采用电磁流量计通过测量循环筒内 流速获取循环量。试验中采用两个电磁流量计 A 和B 对测试数据进行校核。两个电磁流量计固定 在杆的一端，并深入到导流筒内，测试方向与矿浆 流向方向一致。杆的另一端由浮选机槽体伸出，并 设置把手可进行抽拉旋转操作。操作杆与槽体之 间的固定采用类似于浮选柱气泡发生器的锁紧装 置，可以实现在线调整。同时，在操作杆中部位置 增加支撑导杆，保障整个操作杆的平直，便于调节 操控。如图7 所示。 图7 循环量测量装置及测点分布 F i g ．7 C i r c u l a t i o nm e a s u r i n gd e v i c ea n d m e a s u r i n gp o i n td i s t r i b u t i o n 3 ．1 ．2 矿浆悬浮能力测试 深槽取样是检测浮选槽内矿物悬浮的重要手 段，以往的方法多采用虹吸法通过软管将不同槽深 位置的矿浆吸取出来进行分析，该方法实施起来工 作量较大，精确度偏低，而常规取样敞口取样勺又无 法满足深槽取样需求。悬浮测试中采用了与气含率 相同的取样装置和取样点。 3 ．26 8 0m 3 浮选机的矿浆循环、悬浮能力 3 ，2 ．1 矿浆循环能力分析 浮选机的循环能力决定了其对粗粒尾矿的选别 能力，生产测试过程中不能出现大面积的沉槽现象， 这就要求循环能力要强。在尾矿浮选工业测试过程 中，浮选机转速9 0r ／m i n ，充气量1 ．om 3 ／ m 2 m i n 条件下循环能力可达5 0 0m 3 ／m i n ，强大的循环能力 保障了粗粒级矿物的充分悬浮。如图8 所示。 3 ．2 ．2 浓度及粒度分布特征分析 在开路试验期间，对6 8 0m 3 浮选机的悬浮能力 进行了测试。测试内容包括不同深度的浓度分布和 粒级分布，测试结果见图9 、图1 0 。 由图9 可以看出，6 8 0m 3 浮选机槽内矿浆的浓 度分布在3 0 ％～3 5 ％的范围内，相对来说是比较均 匀的，特别是在30 0 0 ～60 0 0m m 的深层范围，浓度 分布均匀性较高，没有出现浓度分层。 由图1 0 可以看出，矿浆中一0 ．0 7 4 0 ．0 3 8m m 的粒级含量在各个深度层都比较低，这说明了 渤 咖 咖 咖 咖 。 之 4 o u，毯聪等蜒勰哥 万方数据 9 2 有色金属 选矿部分2 0 2 0 年第4 期 一0 ．0 7 4 O ．0 3 8m m 粒级的目的矿物在粗扫选作业 中优先上浮。总体来看，各粒级在同一深度位置的 一致性较好，说明了6 8 0m 3 浮选机对粒级悬浮的分 布效果较好。 f 量 写 飞 咖| 鹾 姆 图8 不同充气量下循环量 随转速变化趋势 F i g ．8 T h et r e n do fc i r c u l a t i o nq u a n t i t yw i t h r o t a t i o ns p e e du n d e rd i f f e r e n ta e r a t i o n ∥●z ●Z ∥●Z ∥Z ●Z ●Z ●Z ∥●，涮2 8 ．4 舛∥口乃彰矗乃z ●z ∥口Z ∥口力“舌Z 彩羽3 Z 留稳霸移黟乃弘舅舅砑努移巧够Z 舅彩彰翻 口Z ∥口Z ∥口Z ∥‘Z ‘Z ‘Z ∥Z ∥口Z 绷 硅旌彰∥，’Z ∥∥扫Z ∥∥∥●Z ∥∥生旋么倒 ●Z ‘夕巧夕‘／‘Z ●Z ●Z ‘Z ‘Z Z ‘∥口Z 俐 矿浆浓度，％ 图9 6 8 0m 3 浮选槽内矿浆浓度分布 F i g ．9 C o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fp u l p i n6 8 0m 3f l o t a t i o nc e l I 图1 0 悬浮粒度分布 F i g ．1 0S u s p e n d e dp a r t i c I es i z ed i s t r i b u t i o n i n6 8 0m 3f l o t a t i o nc e l l 4 气泡负载特性分析 4 ．1 气泡大小及其负载测试方法 4 ．1 ．1 气泡大小测试方法 浮选过程中疏水性矿物颗粒与气泡碰撞粘附 后，在气泡浮力的作用下运输到溢流堰从而得到回 收。气泡大小及其分布对浮选回收效果影响显著。 因此，非常有必要对生产过程中气泡特性进行检测 和诊断。 测试采用的气泡大小分析仪型号为T M B S A _ I I ， 是一种专用于矿浆环境中气泡尺寸在线测量分析与 诊断的仪器，该仪器采用图像处理技术，精确检测同 一时刻大量的气泡组成情况。 将仪器的气泡导流管插入矿浆分离区，并向观 察箱和气泡导流管内装满水，气泡导流管下端口堵 住，测定时，将气泡导流管下端口打开，矿浆中的气 泡将随气泡导流管进入气泡观察箱，待气泡进入气 泡观察箱后，采用高清照相机拍摄，采用图像处理软 件对气泡直径进行分析测定。如图1 1 所示。 4 ．1 ．2 气泡负载测试方法 测试采用的气泡负载测量装置包括取样上导管、 收集腔室、导气管和吸气泵等。该装置采用了液位动 态平衡法，即通过吸气泵的抽吸功能使收集腔室内的 液位保持在某一定确定位置，这就解决了测试容器内 清水下流所造成的夹带和因容积小一次取样不足等 问题。具有专利技术的气泡负载测试系统如图1 2 所 示，该测量装置的工作原理在于采用吸气泵将取样过 程产生的气体不断吸出，同时控制吸气量，使收集腔 室内的液位保持恒定。由于测量装置中的水不会流 出，液位不会下降，使得测量过程可持续任意时间，直 到取得足够的分析试样。测试过程中，由于没有水的 排出，这就大大降低了水流裹挟矿化气泡或颗粒逃出 测量容器的概率，使得测量精度显著提升j 。 气泡负载测量在溢流堰以下15 0 0m m 范围内 进行，每隔3 0 0m m 一个取样点，共计5 个取样点。 取样位置见图1 2 。气泡取样图见图1 3 。 4 ．26 8 0m 3 浮选机的气泡负载性能 4 ．2 ．1 气泡大小特征分布 T M B S A I I 气泡大小分析仪能够对气泡集群进 行快速分析，在6 8 0m 3 浮选机上分别对四个不同的 点进行了气泡大小测量，测量结果见表1 。由表1 结 果可知，在平均充气量为1 ．3 0m 3 ／ m 2 m i n 条件 下，气泡直径D 3 值约3 ．3 4m m ，对应的气泡表面积 通量达到3 9 ．2 0s 。 咖 咖 咖 咖 咖 咖 一 五 o 4 巧 oⅢ，越磺辫鹾捌枢蜡 万方数据 2 0 2 0 生笪- 兰塑壁登堕篁 竺堡垄垫三些垡堕旦塾堡 箜垫垄兰竺堂型堕皇坌堑 注水口 图1 1气泡大小测试原理及测点分布 F i g ．11 B u b b l es i z em e a s u r i n gp r i n c i p l ea n dm e a s u r i n gp o i n td i s t r i b u t i o n 图1 2气泡负载测量原理与 测点分布 F i g ．12 B u b b l el o a dm e a s u r i n gp r i n c i p l e a n dm e a s u r i n gp o i n td i s t r i b u t i o n 4 ．2 ．2 气泡负载特性分析 6 8 0m 3 浮选机用于处理铜扫选作业的尾矿，铜 的赋存状态多以粗粒连生体颗粒和超细粒矿物为主， 较难以富集，6 8 0m 3 浮选机的应用主要目的在于回收 其中未充分解离的粗粒连生体颗粒矿物，通过精矿再 磨最终达到回收率提升目的。对6 8 0m 3 浮选机溢流 堰以下15 0 0m m 范围气泡负载进行取样分析，通过 图1 4 可以看出，在近液面区域，气泡负载随着气泡的 上浮而呈现上升趋势，最高可达3 ．3 7g ／L 。这说明了在 尾矿再选过程中，浮选机近液面区具有一定的富集 作用。 表1 T a b l e1 图1 3 气泡取样图 F 嘻13 B u b b l es a m p l i n gP a t t e r n 气泡直径测量结果 B u b b l ed i a m e t e r m e a s u r e m e n tr e s u l t s 一3 0 0 一6 0 0 赵 鬓- 9 0 0 斌 聋_ 1 2 0 0 一15 0 0 图1 4 F i g ．1 4 6 8 0m 3 浮选机气泡负载特征分布 B u b b l e1 0 a dd i s t r i b u t i o no f6 8 0m 3 f l o t a t i o nm a c h i n e 万方数据 9 4 有色金属 选矿部分2 0 2 0 年第4 期 5结论 6 8 0m 3 浮选机作为我国目前研制的大型浮选 机，其动力学性能直接影响到其分选性能，通过对 6 8 0m 3 浮选机浮选流体动力学性能研究，可以得出 以下结论 1 6 8 0m 3 浮选机充气量可以达到1 ．1m 3 ／ m 2 m i n 以上，能够满足一般硫化矿大气量的生产需求； 2 在带矿生产较优充气量条件下 平均 O ．9 4m 3 ／ m 2 m i n ，空气分散度可达到7 以上， 分散效果良好。6 8 0m 3 浮选机带矿条件下的平均气 含率约7 ％，近液面区可达到1 5 ％； 3 6 8 0m 3 浮选机矿浆循环量在生产转速和充气 量下可达5 0 0m 3 ／m i n ，悬浮测试表明，不同深度浮 选槽内矿浆浓度分布均匀，各粒级分布在不同深度 也较为一致。 4 在选铜尾矿再选过程中，气泡负载随着气泡 的上浮而呈现上升趋势，最高可达3 ．3 7g ／L 。 6 8 0m 3 浮选机的成功研发使我国成为世界上 拥有6 0 0m 3 以上大型浮选机技术的三个国家之 一，实现了我国在新的矿业形式下与国际矿冶装 备巨头的同台竞争，保障了我国矿业的安全和健 康持续发展，也为我国走出去的战略奠定了技术 基础。同时，对其技术的进一步深入研究还将 继续。 参考文献 [ 1 ] M E S A D ，B R I T 0P A R A D APR ．S c a l e _ u pi nf r o t h f l o t a t i o n As t a t e o f t h e a r tr e v i e w [ J ] ．s e p a r a t i o na n d P u r i f i c a t i o nT e c h n o l o g y ，2 0 1 9 ，2 1 0 9 5 0 9 6 2 ． [ 2 ] [ 3 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