新型空氣噴射式氣泡發生裝置的設計與應用

王文毓，李明，趙勁松，王永，楊紅軍

（云天化股份紅磷分公司，云南 開遠 661699）

浮選法是選礦的主要方法之一，其中浮選柱已是浮選領域的常規設備，是一種逆流浮選設備。在進行生產時，經藥劑調和好的礦漿由柱體頂部的給礦裝置給入；壓縮空氣經分布在柱體底部的噴槍從柱體底部鼓入，通過φ2.8mm的陶瓷噴嘴噴射，使空氣在柱體內形成大量細小氣泡。礦粒在重力作用下緩慢下降，氣泡穿過向下流動的礦漿產生升浮，礦漿與氣泡通過逆流接觸與碰撞，實現氣泡選擇性礦化。但在磷礦浮選過程中，存在大量的鎂離子、鈣離子容易析出結晶，會附著在噴槍上，造成噴嘴堵塞。導致浮選柱內形成的氣泡層不均勻，使浮選柱浮選性能下降。

一般浮選柱使用的噴槍為10～80支，當氣泡量減少，浮選柱浮選能力下降后，為避免噴槍更嚴重的堵塞，只能手動關閉部分堵塞的噴槍壓力輸送，使彈簧復位頂住閥芯，避免礦漿進入造成槍體堵塞。如圖1為普通噴槍結構示意圖。

圖1 普通噴槍結構示意圖

1 普通噴槍的關鍵故障點統計

紅磷分公司120萬噸/年磨礦裝置共有兩臺浮選柱，每臺浮選柱底部安裝有36只普通噴槍，共72只普通噴槍。經對噴槍的故障進行跟蹤統計，得出以下數據。

從表1數據可知，噴槍因彈簧橡膠密封圈損壞、陶瓷噴頭沖刷磨損和槍管積料堵塞而導致的故障高達98%。

表1 2017年3～5月份紅磷分公司噴槍故障點統計表

2 關鍵研究及改進方向

2.1 密封圈的改進

要解決彈簧橡膠密封圈損壞，一般可從改變密封圈的材質入手，采用天然橡膠和δ=0.5mm不銹鋼板加工彈簧密封圈進行試驗，天然橡膠雖然柔韌性能滿足使用要求，但使用壽命也只能達10天左右。δ=0.5mm不銹鋼板加工的密封圈強度能滿足要求，但柔韌性稍差，其拉伸后的變形量不能達到打開噴槍閥芯的要求。經過測試，改善噴槍彈簧密封圈材料性能后，噴槍使用壽命達到11天左右，再經使用其他合適的材質，雖然噴槍的使用壽命有一定的延長，但效果不明顯。彈簧橡膠密封圈易損壞是噴槍改進的難點之一，不同材質的使用仍無法達到要求，需要采用其他方式取代彈簧橡膠密封圈的使用，經研究，改變槍體的氣源進出可取代彈簧橡膠密封圈的使用。改變氣源控制，需要重新設計整個槍體的結構。

2.2 噴槍槍體內氣源控制的分析改進

2.2.1 普通噴槍的氣源控制原理及弊端

由于普通噴槍的控制采用了單作用薄膜式氣缸作為控制噴槍閥芯的動力，在空氣壓力的作用下通過薄膜密封使彈簧變形拉動噴槍閥芯，空氣通過節流孔噴出；在失去空氣動力時靠彈簧的復位拉動噴槍閥芯關閉。所以浮選柱在正常運行中，噴槍一直處于打開狀態，單作用薄膜式氣缸的薄膜長時間處于受壓狀態，薄膜老化和疲勞度下降快，這樣大大縮短了使用壽命。浮選柱在檢修或更換氣泡發生器（噴槍）后，僅能正常運行7天左右，便會發生氣泡發生器堵塞的現象。

另外，普通噴槍的針形閥芯和閥桿在氣流流動時出現歪斜不正，噴頭孔徑隨時間和氣流加速的影響逐步擴大，導致礦漿流入槍體形成堵塞。

2.2.2 氣源控制的改進思路

改變氣源注入方式，由氣泡產生動力氣源處直接接入0.6至1.0MPa空氣壓力，作為氣泡產生動力；在關閉噴頭時槍體內則變成一個管道式密封儲氣罐，使槍體內形成正壓，確保下沉的礦漿重力不會堵塞噴槍。氣泡的產生由針形閥芯打開，槍體內的0.6～1.0MPa空氣通過噴嘴急速噴射在礦漿中產生氣泡。針形閥芯的開關控制則通過閥桿連接到槍體外部的雙作用氣缸進行控制，氣缸在電磁閥的驅動下實現氣路的切換控制。氣源按用途分為動力氣源和控制氣源，動力氣源作為氣泡產生的一個加速動力，控制氣源通過電磁的控制切換實現氣泡的產生或失效。

噴槍根據控制的需求可實現單只或多只噴槍的組合控制，其控制引入到DCS控制系統。同時，在控制系統組態時采用正向控制的邏輯高電位輸出時電磁閥使能，則噴頭關閉；在低電位時電磁閥失能，通過氣路切換噴頭打開；控制上采用反向的控制，確保在出現斷氣、斷電的情況下新型實用空氣噴射式氣泡發生器（噴槍）的槍體里形成正壓，杜絕礦漿進入到槍體造成堵塞。在控制上，電磁閥使能時閥芯關閉，避免運行過程中電磁閥線圈長期使能，發熱的現象。

2.3 噴槍噴頭沖刷磨損問題的改進思路

依據《2017年3～5月份紅磷分公司噴槍故障點統計表》數據，3個月間的噴頭磨損故障數量約占總噴槍故障數量的13%，由于原老式普通噴槍噴頭與槍體為一個整體，當噴頭出現故障后，須更換整只噴槍。經研究設計和試驗，可新增新型噴頭螺母和定位套，實現陶瓷噴頭的可更換；改變噴頭結構和使用超耐磨材質并對噴頭進行加厚，提高噴頭的耐磨程度。

3 新型噴槍的性能分析

圖2 新型噴槍結構示意圖

新型噴槍由噴頭、密封環、尼龍連接螺母、槍身、Y型螺紋三通、密封盒、調節桿套、連接桿、氣缸、調節螺母Ⅰ、調節螺母Ⅱ、唇形密封圈、閥桿、噴嘴定位隔套、針形閥芯、陶瓷噴嘴、氣泡產生動力氣源、控制氣源接口Ⅰ、控制氣源接口Ⅱ構成，如圖2。

針形閥芯閥桿與連接到槍體外部的雙作用氣缸設置了氣體密封圈和閥桿行程調節裝置。新型結構設計簡單合理，且控制擴展性強和操作方便。通過噴嘴定位隔套和密封圈精密配合實現了閥芯與閥桿的平穩運行，避免運動過程中偏離噴嘴；提升了噴頭和閥芯的使用周期。新型氣缸的使用，擴展了噴槍的控制功能。此外，新型噴槍制造方便，便于安裝和拆檢，成本低，適用性極強。

新型噴槍克服了噴頭堵塞和現有技術控制的缺陷，使得浮選柱橫截面上充氣均勻，提高了氣泡選擇性礦化率，同時還能實現對單只或多只噴槍的組合控制引入到DCS控制系統。提升了自動化控制程度。噴頭采用內凹錐形的結構。密封盒主要作用是密封控制閥桿和槍體間的空氣密封。克服閥桿在0.6～1.0MPa的環境下運行，同時，起到固定閥桿底部的作用，確保閥桿直線運動。控制氣源接口Ⅰ、控制氣源接口Ⅱ為雙作用氣缸工作時的氣源口，氣路切換來自于電磁閥和DCS系統的邏輯控制。調節螺母Ⅰ、調節螺母Ⅱ設置了兩端閥桿的控制精度調節，主要雙作用氣缸連接閥桿的過程調節和調節槍體內閥桿的行程距離。噴嘴定位隔套實現了針形閥芯在頂部的定位作用，使針形閥芯在運動過程中準確定位在噴頭內凹錐形進行密封。

新型噴槍工作時，由氣泡產生動力氣源處直接接入0.6～1.0MPa空氣壓力，作為氣泡產生動力；在關閉噴頭時槍體變成一個管道式密封儲氣罐，使槍體內形成正壓，確保下沉的礦漿重力不會堵塞噴槍。氣泡的產生由針形閥芯打開，槍體內的0.6～1.0MPa空氣通過噴嘴急速噴射在礦漿中產生氣泡。針形閥芯的開關控制則通過閥桿連接到槍體外部的雙作用氣缸進行控制，氣缸在電磁閥的驅動下實現氣路的切換控制。由于使用雙作用氣缸作為控制動力，在噴槍上有工作壓力（0.6MPa）和控制壓力（0.3MPa）兩股氣源管。所以在操作上有所改變，工藝在開車前設置好噴氣量的自動調節流量，控制氣的調節閥開始打開進氣，使槍管充滿近0.6MPa的空氣壓力，但空氣未噴出，需在DCS系統上點擊打開后，噴槍管內的空氣才開始噴射出去。在關的時候，先關閉電磁閥，通過電磁閥切換氣路工作，氣缸力矩推動閥桿，閥芯關閉。保持槍管充滿近0.6MPa的空氣壓力，達到氣封的效果，然后在關閉氣量自動控制調節閥。保證礦漿不能從氣孔里進入槍管，防止槍管堵塞。

4 新型噴槍的應用效果

第一只新型噴槍于2017年6月安裝試用，正常運行1個月后研究小組決定批量制作使用。2017年8月相繼完成了136只普通噴槍的替換，新型噴槍運行至今，一直保證零故障；此外，新型噴槍使用后，完全能滿足生產工藝的要求，大幅度提升了生產工藝控制的穩定性，進而提升了最終產品的質量，在浮選領域具有非常高的推廣應用價值。