浮選柱及其控制技術的研究進展

程琪林，羅立群

(1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070；2.礦物資源加工與環境湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070)

浮選柱及其控制技術的研究進展

程琪林，羅立群

(1.武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070；2.礦物資源加工與環境湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070)

針對細粒、復雜、低品位的物料分選，浮選柱以其結構簡單、占地小和易自動控制等優點倍受青睞。簡述了浮選柱的分選特征、性能優勢和研究進展，比較了幾種常見浮選柱的分選機理、特征和各自的性能優勢，重點闡述了浮選柱過程控制參數的特點、控制途徑和控制算法的研究進展及存在的不足，展望了浮選柱未來的發展方向。

浮選柱；氣泡發生器；PID控制；泡沫層厚度；液位控制

隨著品位低、嵌布粒度細、礦物組成復雜的難選礦石的比例日益增大，應用結構簡單、占地面積小、成本低、建設周期短和精礦質量好的浮選柱倍受選礦界的青睞，特別是近年來改進了柱體結構形式、發泡方式與結構之后，在基礎理論和自動控制技術方面取得了長足的進展[1]。本文簡要介紹了浮選柱的分選機理及幾種常見浮選柱的特點，指出其各自的性能優勢，重點闡述了浮選柱控制參數特征和控制技術的研究進展與存在的缺陷，展望了對浮選柱未來的發展方向。

1 浮選柱的特征、優勢及進展

1.1 浮選柱的分選特征

浮選柱發展至今已有50多年的歷史，柱體一般為細長筒型構造，柱高多為9～15 m，直徑0.5～3.0 m，其斷面形狀一般為圓形、方形或上方下圓形。浮選時已調好藥劑的礦漿從柱體上部的給礦管給入，受重力作用下沉與下端通入的氣泡逆流接觸，對流相遇過程發生在整個捕集區內，使目的礦物微粒和氣泡能夠充分碰撞和吸附，疏水性顆粒與氣泡結合形成礦化氣泡并緩緩上升至泡沫槽中，在柱體上部形成礦化泡沫層，進入精礦槽受沖洗水沖洗而成為精礦，沒有在氣泡上附著的脈石礦物作為漿狀尾礦從柱體底部排出[2]。

浮選柱柱體可分為礦化區和精選區兩個部分，有用礦物的回收率主要由礦化區進行的子過程來決定，而精選區則直接影響精礦品位。設計浮選柱模型時一般對這兩個部分的動力學過程進行單獨分析[3]。

1.2 浮選柱的性能優勢

浮選柱在結構上的優勢主要體現在結構簡單、占地面積小、無機械運動部件、安全節能等方面；而浮選工藝優勢則包括以下幾方面。

1) 優越的捕集區氣泡與礦粒吸附環境。一是常規浮選機礦化區僅在轉子周圍區域，而在浮選柱中，從給料口到氣泡入口的整個容積都是礦化帶，容積利用率要高得多；二是浮選柱浮選動力學穩定，氣泡相對較小，分布更為均勻；三是具有浮選機無法比擬的精選區，泡沫層厚度可達1～2 m，并有沖洗水逆流清洗，富集比高。

2) 高倍的礦化幾率和可調的氣泡空間分布。傳統浮選機中，礦物顆粒與氣泡的吸附主要靠轉子產生的紊流速度差來實現，能量主要消耗于產生高度紊流，不能直接應用于礦化過程，能量利用率低，高強度的紊流削弱了礦粒與氣泡吸附的概率。浮選柱捕集區礦粒與氣泡逆向接觸比浮選機平穩，空氣利用率和設備單位處理能力高：一是絕對速度低而相對速度高，紊流強度低，礦物顆粒不易從泡沫上脫落，礦漿內部能夠形成比較理想的流體力學條件；二是浮選柱的充氣量和氣泡在大小、空間和時間的分布可通過氣泡發生器方便地調節和控制，可操作性強。

3) 大量均勻的微泡適合細粒、復雜礦物分離。浮選柱通過氣泡發生器產生大量直徑很小的活性微泡，對于微細顆粒，直徑偏大的氣泡上升速度快，上升過程中氣泡周圍產生的流線使細粒偏離，降低兩者碰撞吸附幾率；小氣泡上升速度慢，產生紊流小，細粒偏離流線的可能性更小，更適用于微細粒級別礦物的選別[4]，如靜電復印和激光打印廢紙的脫墨[5]。

1.3 浮選柱的研究進展

浮選柱的發展是經歷曲折后重現光明，主要得益于：①充氣方式和材料多樣化，充氣性能不斷提高，使用壽命逐步延長；②采用多種浮選新技術和電、磁、真空、溶氣等方法；③采用較高水平的自動控制技術；④應用范圍不斷擴大[6]。20世紀80年代以來，隨著人們對浮選柱結構參數和數學模型研究的不斷深入，多種新型浮選柱層出不窮。其中最具代表性的有：Jameson浮選柱，充填介質浮選柱，旋流-靜態微泡浮選柱，CPT浮選柱和KYZ浮選柱等，幾種常見浮選柱的浮選機理、特點與應用情況如表1所示。

2 浮選柱的控制參數

2.1 柱體高度

選擇合適的柱體高度不僅能夠有效地控制廠房的基建投資，而且礦粒在柱體中停留的時間也會受到影響。一般來說，礦物可浮性越差，所需要的柱體高度就越高，但是，柱體過高時，不僅浮選柱本身造價高，維護困難，而且也會提高礦粒與氣泡脫落的概率，降低精礦回收率。因此，針對不同礦物類型，要因地制宜選擇合適的柱體高度。

2.2 礦漿濃度

眾所周知，礦漿濃度越大，單位體積礦漿中所含礦物微粒越多，一方面能夠增加礦粒與微泡碰撞粘附幾率，減少氣泡兼并，提高氣泡利用率；另一方面也能降低氣泡平均上升速度與礦粒掉落可能性，但是濃度過高不僅會造成夾帶，影響精礦品位，也易造成浮選柱工作效率過低，甚至導致柱體堵塞等情況發生。

2.3 充氣品質

較小的氣泡直徑對于微細粒礦物才能發揮較好的浮選效果。有研究認為，當顆粒直徑大于5 μm時，氣泡大小的影響尤為明顯[7]；適量的氣泡能夠提高氣泡與礦粒碰撞吸附的幾率，提高產品回收率。但充氣量過大也會造成機械夾帶而影響精礦品位，不能形成穩定的泡沫層。另外，合適的氣體流速則可以提高捕集區礦化氣泡的穩定性[8]。

2.4 循環壓力

循環壓力為浮選柱工作提供能量來源，浮選柱核心組件氣泡發生器的充氣速率和柱體內旋流力場強度均由其決定，其影響機理與充氣量類似。另外，隨著循環壓力增大，柱體內旋流力場強度也隨之增大，氣固絮團能夠快速地從旋流中心上升至精選區，未礦化的脈石礦物受離心力場作用從底部排出形成尾礦。

2.5 沖洗水與泡沫層厚度

適量的沖洗水能夠有效提高精礦的品位，及時帶走泡沫層中的精礦，強化泡沫二次富集作用，提高浮選柱分選效果。沖洗水速率是浮選柱重要的變化參數，針對不同情況，速率均有其對應的合適數值。在低于該數值時，隨著速率提高，泡沫二次富集作用增強，但是超過極限值后，上涌泡沫與下流沖洗水逆流混合，易導致礦漿環流和再循環，降低精礦品位。

泡沫層厚度增加能夠加強泡沫二次富集作用，提高浮選的選擇性，但是也會導致捕集區容積減小，降低回收率。

3 控制技術的發展

3.1 控制途徑

自動控制基本策略就是以液位監測和尾礦調節為核心，系統將液位檢測信號與給定值比較，然后通過控制算法得出即時尾礦排量，最后再通過調節排放量以形成閉環控制[22]。

3.1.1 液位控制

在無人工干預或者干預很少的情況能夠以穩定的狀態生產出合格的產品是浮選柱生產自動化的基本要求，亦即穩定控制，包括浮選柱液位控制、礦漿流量控制和偏流控制，其中液位控制是最為關鍵的部分[23]。液位控制包括液位檢測和控制兩個步驟。目前，液位檢測常用的方式有超聲波液位變送器和靜壓式液位計。

超聲波液位變送器即浮球與超聲波探測器聯合檢測，這是目前工業使用較為廣泛的檢測方式。超聲波液位檢測原理圖如圖1所示，當礦漿液面變化時，處于浮選柱捕集區與精選區界面的浮球會產生垂直方向的位移，而浮球頂端帶有反射板，超聲波液位計就可以測出其與浮球頂端反射面的距離[24]。但由于液位波動頻繁，浮球難以穩定，而且易粘附礦粒，影響測量結果精度。

圖1 超聲波液位檢測原理

靜壓式液位計則是依靠安裝在捕集區特定位置的壓力傳感器來采集反映不同液面高度的壓力信號，并轉換成DC標準電流信號輸送至PLC，PLC通過轉換信號并與給定值分析對比，然后輸出信號來調節隔膜閥的開度，控制尾礦排量以維持液面高度在設定值左右穩定波動[25]。

此外，由于礦漿電導率會隨其氣泡含量產生變化，張志豐等[26]通過傳感器確定礦漿氣泡含量，測出礦漿電導率，并作出礦漿電導率特征曲線，進行曲線擬合，最后通過擬合曲線從整體上確定礦漿液位。

對于液位控制，一種方案是將尾礦通過U型管引導到一個與設定液位等高的尾礦箱中，利用U型管原理調節尾礦箱中尾礦排放口高度來控制液位。此方案主要缺點是系統響應速度不夠快，但成本比較低、浮選設備對控制系統依賴性小[27]。另一種方案是通過直接調節入料量和尾礦排放量來控制，但因實際生產限制，通常只能調節尾礦排放量以達到控制液位的目的。

3.1.2 在線品質控制

在穩定控制的基礎上，根據各分選過程的不同，隨時調控各可調變量，使浮選柱在消耗最低值的藥劑和能源的情況盡可能達到最佳分選效果。一方面，采用在線品位分析儀監測產品品位的變化，并依變化情況調整浮選柱運行過程中加入的捕收劑和起泡劑用量[28]。另一方面，泡沫層厚度控制同樣是其中很重要的一環。基于MIA(多元圖像分析)技術的泡沫圖像分析儀器目前已廣泛應用在浮選柱生產中，而且還可以作為很多實際問題的替代解決方案，比如檢測水夾帶和泡沫顏色、紋理等與水有關的內容，但是由于圖像分析技術只能停留在表面特征層面，深層的本質信息依然不明[29]。

3.1.3 其他控制

充氣流量對礦粒礦化程度及捕集區礦化氣泡穩定性有直接影響，是浮選柱良好運行的重要參數。一般來說，充氣流量是通過流量計，如旋轉式流量計、渦街式流量計等進行測定，并通過球形閥自動控制[30]。

沖洗水控制主要是通過數字監控監視浮選柱頂部泡沫狀況，通過泡沫的大小、黏性和溢出狀況，再結合充氣量和液位監測數值，綜合調整沖洗水量。

3.2 控制算法

3.2.1 PID控制

圖2 浮選柱PID控制結構

在浮選柱自動控制系統調節回路中，一般采用PLC可編程控制器的PID控制模塊通過軟件編程實現PID方程運算，并采用電動或者氣動執行機構來實現[31]，其浮選柱PID控制結構如圖2所示。實際生產中一般從浮選柱生產過程入手，使用可編程邏輯控制器(PLC)采集實時數據，然后進行數據處理和分析，并將結果反饋給浮選柱控制系統，指導系統再根據分析結果向PLC發出相應的指令以實現自動調控。

基于PLC的自動控制系統生產自動化程度低，其原因在于系統運行不能脫離操作人員的控制，而且浮選柱內部反應十分復雜，難以找到比較接近的數學模型而實現理想的PID閉環控制，導致生產精度低、可靠性差[32]。

張志豐等設計了一套變結構PID控制系統，應用比例增益，當液位偏差較大時加入比例增益來加速響應[33]。生產中通過實驗確定合適的增益范圍，當偏差在范圍內時只對尾礦排放口進行調節，而當偏差超出范圍時則以尾礦排放口調節為主，尾礦箱排放口調節為輔，實現兩極調節。

3.2.2 模糊控制

浮選柱內部固液作用情況十分復雜，反應過程非線性，很難得到精確的數字化的測試數據。Swati Mohanty提出一種基于類神經網絡的模型預測控制系統，通過采集大量系統運行數據調整適宜的控制范圍，控制器實時對系統狀態進行評估，當系統達到預先設置的條件時，就會觸發相應的參數調整[34]。而且，在運行過程中還能夠根據實際生產情況調整或增加控制規則，并預測未來的系統狀態，提前作出反應。

3.2.3 模糊與PID 雙模控制

模糊與PID雙模控制即利用模糊控制的快響應速度和強適應性等優點去改善純PID控制的滯后性，并保持PID控制優良的精確度。浮選柱檢測偏差信號傳輸到控制器進行識別，當偏差較大時使用模糊控制器以加快響應速度，偏差較小時采用PID控制器以消除靜差，提高控制精度[35]。

3.3 技術展望

浮選柱較傳統浮選機的最大優勢在于容易實現自動控制，后續技術發展需要考慮以下幾方面。

1) 優化控制參數，提高響應精度。從優化穩定控制方面入手，設置礦漿濃度、pH、浮選泡沫檢測回路，完善充氣、加藥自動控制系統等，提高算法與控制的結合度，并不斷引入更為先進的檢測方式，提高測試精度，采取有效方式將生產過程中的參數直觀地顯示在計算機屏幕上，并能夠允許用戶通過接口程序在線修改[36]。

2) 注重柱內流體動力學研究。由于對浮選柱內部流態的了解還不夠透徹，需要加強浮選柱內部的流體動力學問題研究，如泡沫在浮選柱內停留時間、泡沫兼并、泡沫流態、氣液混合狀態[37]，以及固液顆粒的流場等等動力學過程。通過研究其動力學特征和流態規律，從而掌握與控制內部流體的流態，實現自動控制。

3) 積極開展柱式分離動力學模型與模擬。優化浮選控制的上層理念是如何獲取最好的經濟可行性，即實現最有利益的控制操作，通過建立基于給礦品位與分離速率的分選品位-收率模型和曲線而優化浮選控制[38]。基于建模的方法和專家系統，今后需要加大研究力度，以求獲得更多的技術突破。

4 結語

浮選柱作為一種極具發展前途的礦物選別設備，在50多年的發展歷程中經歷曲折后重現光明，目前已倍受青睞。對選定的柱高比和柱型，可選擇或控制礦漿濃度、充氣品質、循環壓力和沖洗水等參數，采用液位、在線品質或充氣流量等控制途徑，利用PID或模糊算法，對其容易實現自動控制。后續技術發展可從優化控制參數，提高響應精度，注重柱內流體動力學研究和開展動力學模型與模擬著手，以求獲得更多的技術突破。

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Development of flotation column and its control technology

CHENG Qi-lin，LUO Li-qun

(1.College of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China;2. Hubei Province Key Laboratory of Mineral Resources Processing & Environment, Wuhan 430070，China)

Aiming at minerals separation of fine particles, complexity and low grade, column flotation have been acclaimed owing to its several advantages such as simple structure, small footprint and ease of autocontrol, etc. Separation characteristics, performance predominance and research advances of column flotation were briefly summarized. The comparison of sorting mechanism, functions and each of performance advantages of common column flotation were outlined and discussed. It focused on process control parameters features, methods and algorithm progress of process control technologies and defects of column flotation. Eventually, future direction of development of column flotation was prospected.

column flotation; bubble generator; PID control; foam layer thickness; liquid level control

2013-12-26

國家科技支撐計劃項目資助(編號：2013BAE04B03)

程琪林(1990-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向為金屬礦高效分選利用，E-mail: qilinc1990@gmail.com。

羅立群(1968- )，男，湖南長沙人，博士，高級工程師；研究方向為礦物資源高效分選與二次資源綜合利用，E-mail: lqluollq@hotmail.com。

TD923

A

1004-4051(2015)01-0115-05