粗顆粒浮選技術與裝備研究進展與趨勢

肖 遙 韓海生,2 孫 偉 胡岳華 衛 召 田 佳 彭 建

（1.中南大學資源加工與生物工程學院，湖南長沙410083；2.礦物加工科學與技術國家重點實驗室，北京102628）

從基因礦物加工工程的角度來說，粗顆粒浮選過程中顆粒表面特性基因、泡沫特性基因是影響粗顆粒浮選特性的重要因素。如何擴大入選礦物料粒度范圍，提高入選礦物浮選粒度上限和下限［1］，本質上來說都是從顆粒表面特性基因和泡沫特性基因出發，研究粗顆粒和泡沫相互作用的機理。在國內外學者的共同努力下，粗顆粒浮選在基礎研究和工業應用方面取得了長足的進展。

對于新時代的礦山，粗粒浮選的重要性愈加顯著。粗顆粒浮選不僅可以緩解碎磨壓力、節能降耗，而且有利于尾礦的資源化利用，為無尾或少尾礦山提供了新的解決方案，對于節能降耗、提高資源利用率和綠色礦山建設意義重大［2］。國內外科研工作者針對粗顆粒難以常規浮選的難題開展了一系列研究。20世紀60年代開始，科研工作者們在機械攪拌式浮選體系下分析了影響粗粒浮選回收率的各因素，并通過優化浮選機結構和浮選工藝等不斷提高了粗粒浮選的回收率，提出了閃速浮選工藝，進一步完善粗粒浮選體系。然而由于機械攪拌式浮選的不穩定水力環境，浮選粒度的上限難以進一步提高［3］。近年來，從改善水力環境的角度出發，先后開發了流化床浮選法和SIF法（一種基于礦物顆粒在泡沫中的行為不同而進行分選的粗粒浮選方法），大幅提高了浮選粒度上限和浮選回收率［4］，為粗顆粒乃至超粗顆粒的浮選提供了強有力的支撐。

本文結合基因礦物加工工程的理念，從顆粒和泡沫作用的特性出發，綜述了國內外對粗顆粒浮選技術與裝備的研究進展，分別總結了機械攪拌式粗粒浮選、粗顆粒流化床浮選和泡沫中分選（SIF法）浮選技術的原理及其優勢和不足，提出進一步提高浮選粒度上限的技術發展方向，為粗粒和超粗顆粒浮選技術的發展提供參考。

1 粗顆粒浮選過程中顆粒與泡沫作用特性

在礦物浮選過程中，礦物的粒度是影響浮選指標的關鍵因素之一［5］。研究表明，泡沫浮選的最佳粒度范圍（機械攪拌式浮選機）在5～75 μm之間。高密度礦物的浮選粒度上限是0.1～0.3 mm；低密度礦物相應為0.3～0.5 mm。礦物粒度過細或過粗都不利于礦物的浮選回收。Trhar的研究結果表明：錫石、黑鎢礦、重晶石、螢石、石英等礦物的浮選粒度界限分別為 3～20 μm、20～50 μm、10～30 μm、10～90 μm、9～50 μm。超出最佳粒度范圍時，不論硫化礦還是氧化礦浮選指標均明顯惡化。大量研究結果表明，不同粒級具有不同的浮選速率，最佳浮選粒度范圍以外的粒級，浮選速率系數（數值）明顯變小［6］。

礦床、礦石和礦物的基因特征應是決定礦物分選的最本質因素［5］，為了考察粗顆粒浮選過程中導致粗顆粒難以浮選的最本質因素，盧壽慈等［6］從理論上分析了能在氣-液界面穩定漂浮的礦粒粒度上限并得出：可以在氣-液界面穩定存在的礦粒最大粒度會隨著其接觸角的增大而增大的結論，當接觸角為60°時，理論上可浮選的粗顆粒最大粒度達2.5 mm。礦化氣泡集合體在浮選過程中能夠上浮的必要條件是集合體的平均密度小于液相的密度。據此，盧壽慈等進行了進一步計算發現，礦粒表面接觸角大于20°時能夠形成牢固的礦粒-氣泡集合體。然而粒度上限的理論計算值與實際值相差甚遠，實際礦物浮選粒度仍然難以提高，其本質因素是由粗粒與氣泡的作用特點決定的。

礦粒與氣泡的接觸幾率及粘著幾率隨著礦物粒度的增大而明顯降低［6］。Kirehberg等對粗顆粒的礦化過程進行了高速攝影觀察，他們發現粗顆粒和氣泡碰撞時會使氣泡顯著變形，氣泡由于彈性變形將會在極短的時間內產生彈性振動，導致礦粒被拋出從而無法與氣泡結合［6］。粗顆粒與氣泡碰撞時會導致氣泡變形，氣泡表面中心部分會夾帶液相，從而導致實際上氣泡和礦粒并沒有真正地接觸［6］。當顆粒和氣泡的接觸時間小于感應時間時，顆粒無法礦化［6-8］，而粒度增大、礦漿水利環境不穩定等因素均會導致感應時間延長，并大大縮短接觸時間。

此外，顆粒的粒度過大時，顆粒和氣泡的黏著牢固度明顯減弱，顆粒極易從氣泡上脫落［9］。當礦漿湍流強度增大時，顆粒的最大脫落粒度顯著減小，并且在機械攪拌式浮選機內，礦粒的最大黏著粒度遠小于無湍流時的最大黏著粒度。

結合各學者的分析研究不難看出，機械攪拌式浮選機內葉輪的高速旋轉會導致礦漿強烈的湍流運動，從而妨礙顆粒與氣泡的黏著，進一步導致氣泡脫落，這也就是粗粒浮選難以進行的根本原因［6］。基于對這些本質因素的分析，國內外研究者為提高浮選粒度上限展開了一系列的研究，粗粒浮選技術逐步發展起來。

2 機械攪拌式浮選

由于較粗的礦粒在浮選機中不易懸浮，與氣泡碰撞的幾率低且極易從氣泡上脫落，因而粗粒礦粒在常規工藝條件下浮選效果較差［10］。根據浮選原理，可通過降低浮選機槽深和攪拌強度、增大浮選充氣量、適當提高浮選濃度以及改進藥劑制度等措施提高粗粒礦物的回收效果［11］。近年來各種粗粒浮選設備的成功研制，使高濃度粗粒級礦漿閃速浮選成為現實［12］。

2.1 機械攪拌式粗粒浮選過程的影響因素

顆粒在浮選池當中難以上浮的根本原因是顆粒沒有與氣泡結合或者是顆粒與氣泡結合后發生了分離而沒有成功地被氣泡帶到液面上。影響顆粒從氣泡中分離的因素（收集區中的湍流、較長的誘導時間、顆粒氣泡聚集體的浮力減小等）在粗粒浮選過程中是應該被重視的，因為如果在泡沫階段發生脫離，則分離的顆粒將排回到礦漿中，重新附著到另一個氣泡或被捕獲在泡沫中。如果顆粒過于粗大或致密，則更有可能流回礦漿。因此浮選對粒度因素較為敏感，細微的變化都可能導致粗顆粒流回到礦漿。

2.1.1 浮選藥劑制度對粗顆粒浮選的影響

捕收劑、起泡劑以及礦漿浮選pH值等對浮選的影響是非常顯著的。浮選條件的調整，例如試劑添加速率和pH值對粗顆粒浮選的影響比任何其他尺寸范圍都大得多。1994年，Senior等提出了一個強調pH值對粗粒組分影響的例子，他們研究了鎳黃鐵礦和石英的合成混合物對pH值水平變化的尺寸響應，得到的結果如圖1所示，很明顯，最粗的顆粒受pH值條件變化的影響最大［13］。

捕收劑濃度已被證明會影響系統內粗顆粒的性能，許多學者指出粗顆粒浮選時捕收劑的添加要求較高，捕收劑的添加速率會對浮選結果產生較大影響。Vianna對Pb/Zn/Ag礦石浮選系統中各種尺寸顆粒的表面化學進行了詳細研究，結果顯示粗鉛礦顆粒（+150 mm）比中間尺寸顆粒需要更大的捕收劑表面覆蓋率。除了需要增加試劑添加量，捕收劑的最小添加速率必須達到或超過一定界限才可以引發有意義的粗粒浮選［14］。但是增加捕收劑濃度也會帶來額外的缺點，為了改善目標礦物中粗顆粒的回收率，可以采用增加捕收劑添加量和活化劑添加量的方法，但這也會顯著提高脈石礦物的回收率［14］。

同時，起泡劑的添加速率、添加方式和起泡劑分子結構均會影響浮選可回收的尺寸范圍。Klimpel和Isherwood的研究表明，隨著他們所使用的酒精起泡劑的添加速率增加，可回收的顆粒尺寸上限提高；如果采用兩段添加起泡劑的方法，浮選回收率會進一步增加［15］。（如表1所示）。此外，Klimpel和Isherwood還發現，如果增加所使用的聚乙二醇鏈的長度，可回收的粒徑上限也將增加［15］。

2.1.2 泡沫性質對粗顆粒浮選的影響

在粗粒浮選的過程當中，泡沫的穩定性與結構、泡沫深度、泡沫尺寸和泡沫含量等都對浮選結果有著顯著的影響，因此諸多學者都對泡沫性質進行了詳細的討論。

2.1.2.1 泡沫穩定性和結構的影響

在工業環境中，泡沫的穩定性和結構通常是很重要的一個性能指標。在泡沫明顯不穩定的情況下，回收率通常會受到影響。由液態泡沫的動力學機制可以知道，任何一種能夠改變泡沫排液速度和液膜穩定性的方法，均可以影響泡沫的穩定性。例如，通過表面活性劑的加入以改變液相的表面張力；通過水溶性聚合物的加入以改變液相黏度，減緩排液速度；通過疏水性顆粒在氣液界面的黏附提高液膜的機械強度等［16］。

泡沫穩定性已經顯示出受到顆粒尺寸的顯著影響，為了維持泡沫的穩定性，顆粒有一個最佳尺寸范圍。Ross和Dippenaar強調了泡沫中顆粒作用的復雜性，因為在一種條件下，特定尺寸的顆粒可以穩定泡沫［17-18］，而在其他條件下它們可以導致泡沫不穩定。

顆粒對泡沫穩定性的影響與顆粒粒徑相關［19］，細顆粒顯著影響泡沫穩定性，盡管在大多數情況下可能是這樣，但在閃速浮選池中獲得的穩定泡沫（其中細顆粒已通過循環去除）表明穩定的泡沫不一定需要通過細顆粒的作用。Tao等研究表明，粗煤顆粒在較低的礦漿濃度下使泡沫失穩，但在較高的礦漿濃度下使泡沫穩定，因此在閃速浮選的高濃度礦漿條件下，粗顆粒可以增加泡沫穩定性［20］。

泡沫中的濕度也會影響不同大小顆粒的回收率。在較干燥的泡沫（如較清潔的泡沫）中，粗顆粒（150 μm）獨立于水，且不傾向于自由排水，而在較濕的泡沫（如較粗糙的泡沫）中，粗顆粒與泡沫內的水流相似［21］。如果泡沫非常干燥，較粗的顆粒可能在泡沫表面形成“筏形物”，這將導致泡沫的局部坍塌，因此較濕的泡沫有利于粗粒浮選。

2.1.2.2 泡沫高度的影響

泡沫高度可以定義為浮選槽邊緣和泡沫/礦漿界面之間的距離，隨著泡沫高度的增加，尺寸大于212 μm以及尺寸在150～212 μm之間的顆粒回收率有明顯降低，而更細的顆粒受氣泡破碎的影響較小，因此回收率沒有太大變化［21-22］，如圖2所示。

圖2表明泡沫高度對較粗尺寸顆粒的回收率有顯著影響，隨著較粗單元中泡沫高度的增加，氣泡膜變薄，因此無法支撐較大的顆粒，其濃度隨粒徑的增加而降低。在7 cm泡沫高度處2 μm顆粒無法被支撐，在12 cm泡沫高度處+150 μm顆粒無法被支撐。粗顆粒需要較淺的泡沫才能有效回收，隨著泡沫高度的增加，脫附的粗顆粒被截留在泡沫內的概率將隨著泡沫膜變薄而增加。工業閃速浮選池通常采用淺泡沫層，從操作角度來看，這是為了最大限度地提高單位回收率，但也符合文獻中的這些發現：淺泡沫層更有利于粗顆粒回收。

Seher Ata a，Graeme J.Jameson b等對某選礦廠進行了考察，該選礦廠主要回收礦物是黃銅礦，其他礦物有磁鐵礦、黃鐵礦和斑銅礦。在試驗期間，他們發現泡沫高度對銅的總回收率和品位有顯著影響［23］。隨著泡沫高度從600 mm增加到900 mm，銅的總回收率從69%下降到46%，這表明泡沫高度是導致銅總回收率下降的原因；但同時銅的品位從20%上升到44%，并且在相同條件下精礦中銅品位由21.6%提高到23.5%，這表明泡沫高度的增加會對品位有積極影響。

2.1.2.3 泡沫尺寸和含量的影響

Johnson、Feng、Aldrich、Ahmed、Trahar等 均 指出［24-27］，對于較粗顆粒，浮選所需要的氣泡較大。Yoon在數學上證明了顆粒附在氣泡上的概率（PA）是氣泡大小和顆粒大小的函數，隨著顆粒粒徑減小，PA增大；而隨著氣泡尺寸減小，PA減小，直到無法浮選［28］。

Yoon研究表明，攪拌強度會對氣泡大小有影響，在使用細氣泡的情況下，強攪拌是有害的；在使用較大氣泡的情況下，強攪拌更有益。在閃速浮選環境中，攪拌速度必須足夠高，以保持粗顆粒懸浮，因此粗顆粒需要較大的氣泡，細顆粒應使用小氣泡［29］。

浮選槽內的通氣速率（或空氣添加率）對回收率也有顯著影響。隨著空氣添加率的增加，槽內的氣體含量也隨之增加［30］。在低含氣率下，較粗的黃銅礦顆粒的回收率比中間體或細粉低得多。這表明，粗粒的回收需要更高的通氣率；然而，雖然增加空氣添加率將提高粗粒回收率，但這也存在最大值，在這個最大值之后，回收率將會下降，但是細顆粒回收效果似乎不會受到過量空氣添加率的影響［21］。

2.1.3 流體力學條件和礦漿密度的影響

一些學者指出，細顆粒浮選建議采用較慢的速度，但同時仍超過固體懸浮物的最低攪拌水平，如圖3所示，對粗顆粒來說不滿足最低攪拌水平無法發生浮選，但是攪拌速度過高會導致細顆粒從氣泡上脫離。大多數浮選槽中都有不同尺寸的礦物顆粒，因此對整體來說不存在一個最佳葉輪攪拌速度［21］。

同時，礦漿密度也將影響可回收顆粒的大小，在一定范圍內，隨著礦漿密度的增加，粗顆粒的回收率增加，但礦漿密度過大時會導致礦漿與氣泡不能自由流動，浮選過程中的氣泡作用會變壞［30］，從而降低回收率，因此時刻控制礦漿的密度大小對粗顆粒的浮選成功至關重要，對于粗粒來說，應該適當增加礦漿的質量分數以增加礦漿的浮力，但是又要避免礦漿濃度過大。

2.2 閃速浮選法

閃速浮選通常是在高濃度（65%～75%）條件下浮選粗粒級礦物。通過處理磨礦分級回路中分級機的返砂或是旋流器的底流，實現有用礦物與脈石的快速分離［31］。工業中廣泛認為：使用閃速浮選槽將增加可回收物料的尺寸范圍。盡管文獻中幾乎沒有證據支持這一點，但Van der Spuy和Ross的工作證明，用專門的浮選槽和特殊的Deister Flotaire單元格浮選硫化物，可以在工業水平上實現顆粒尺寸高達500 μm物料的浮選［32］。該發現的重要性在于說明非常粗糙的顆粒可能具有在閃速浮選回路中回收的可能性，并且超出典型上限150 μm的擴展尺寸范圍的工作是有保證的。因此，利用閃速浮選處理粗顆粒是一種可行的手段，但是對于閃速浮選所能夠處理的顆粒尺寸范圍還需要進一步研究加以確定。

典型閃速浮選流程圖如圖4所示。閃速浮選流程中，先是由旋流器進料，給料經過了初次研磨，然后在旋流器中經歷重選過程。旋流器的上部溢流為較細的顆粒，因此可以通過常規的浮選富集；旋流器下部底流為粗顆粒甚至大塊的礦石，這部分底流將會給到閃速浮選池當中。

閃速浮選池接受旋流器下端的底流作為其進料；該進料的一部分（非常粗的顆粒和小的巖石）將直接匯入尾礦流（通常是二次磨機進料量的兩倍），因為這一部分物料必須進行二次研磨才能被浮選利用，而較細的物料和較高比例的水將被吸入葉輪混合（較細的物料是相對于需要被研磨的物料尺寸而言）。然后物料與氣泡接觸，進行泡沫浮選過程。閃速浮選富集得到的礦物作為精礦利用，而閃速浮選得到的尾礦將進行二次研磨。之后研磨回路又將物料給到旋流器當中，進行新一輪的循環。閃速浮選池中的浮選過程示意如圖5所示。

將閃速浮選過程與其他類型的礦物浮選區別開來的關鍵因素包括：非常粗的進料（旋流器下端底流）；泥漿中固體含量很高（高達70%）；停留時間短（通常小于3 min）；浮選前與試劑的接觸有限（在閃速浮選回路中沒有使用調節罐）；以及從葉輪向料漿輸入較低的功率，促進過粗物料旁通等。

捕收劑和起泡劑以及pH值等對浮選的影響是非常巨大的，而在大多數閃速浮選系統中，在顆粒到達“浮選區”之前幾乎沒有時間來進行調整，因此通常是將試劑加入到室內進料井或進料管中。這意味著在閃速浮選之前研磨階段中存在的條件將對浮選性能產生顯著影響，因此必須仔細選擇用于浮選的試劑。另外，由于閃速浮選的浮選時間很短，這就使得部分大粒的脈石沒有足夠的時間上浮，從而保證了閃速浮選可獲得合格的精礦品位［33］，且還可以通過調整藥劑制度、礦漿的pH值、泡沫層的厚度、充氣量和補加水量來改變閃速浮選的精礦品位［34］。

2.3 機械攪拌式粗粒浮選相關設備

2.3.1 CGF型浮選機

CGF型寬粒級浮選機的結構如圖6所示，該浮選機主要包含了葉輪、蓋板、阻流柵板、中心筒、主軸、吸氣管、電機裝置、大皮帶輪、軸承體和槽體部件等部分。

CGF型寬粒級機械攪拌式浮選機的葉輪在旋轉的過程中通過離心力作用使礦漿向外甩出，在將礦漿甩出的同時由于葉輪區域處于低壓狀態并形成負壓，此時將會吸入空氣，吸入的空氣和礦漿在該區域進行充分混合，再從葉輪的上半部分被甩出，較粗的礦粒被甩出后運動到阻流柵板的上方，阻流柵板上方的氣泡形成泡沫層，捕獲運動到阻流柵板的顆粒，然后通過刮板被排出，從而完成浮選［35］。

2.3.2 BF型浮選機

BF型浮選機的結構如圖7所示，主要由刮板、軸承體、電機、中心筒、吸氣管、槽體、主軸、蓋板和葉輪等部分構成。

該浮選機的葉輪結構是一種雙錐盤的閉式結構。浮選機的槽體下部有較強的吸漿能力，粗顆粒組分因此可以得到充分的懸浮。BF浮選機在進行分選的過程中具有吸漿吸氣的功能，在進行浮選的過程中通過自吸作用實現礦漿的循環［36-38］。

2.3.3 GF型浮選機

GF型浮選機是一種自吸氣機械攪拌式浮選機，該設備的結構如圖8所示，該浮選機主要由槽體、蓋板、葉輪、中心筒、主軸、軸承體和皮帶輪等幾個部分構成。

在分選過程中，GF浮選機葉輪的上下兩部分有著不同的功能，上部分用來吸入礦漿，下部分則用來吸入空氣，上下葉片在旋轉的過程中會產生壓力差，從而使礦漿和空氣在吸入之后被充分混合并產生大量礦化氣泡，并在混合之后被離心力作用而甩出。被甩出的礦漿的一部分將會返回到葉輪中進行循環分選，而另一部分礦漿則流走再選或者排走，這樣就可以避免在分選的過程中粗顆粒出現沉淀的現象［39-41］。

2.3.4 Bateman浮選機

Bateman浮選機是由澳大利亞的Bateman設備有限公司于1993年研發，而后設計制造并生產的，其結構如圖9所示，主要由軸、軸承、豎管、定子擋板、定子葉片和葉輪等部分構成。

Bateman浮選機中，空氣是通過豎管進入到葉輪中的，葉輪對礦漿和空氣進行攪拌后將其甩出，在進行攪拌的過程中內部形成的大量直徑較小的氣泡會沿著葉片擴散開，在豎管的下面有一個水平方向的擋板，該擋板帶有折流板，當礦漿被甩出以后水平擋板能夠將湍流強度降低。Bateman浮選機在進行浮選的過程中空氣從上到下進行傳輸，而礦漿從下至上進行傳輸，因此兩者將會在浮選機的中間部分相遇，實現固體顆粒的懸浮態，進而提高目的礦物的回收率［42］。

2.3.5 棒形浮選機

棒形浮選機是國內研制的一種淺槽型自吸氣機械攪拌式浮選機，其結構如圖10所示。主要由槽體、軸承體、斜棒葉輪、穩流器、刮板、傳動裝置、提升葉輪、壓蓋、底蓋以及導漿管幾部分構成。

棒式浮選機能夠產生高度分散的氣泡，這主要是通過中軸的結構來實現的：葉輪在吸入空氣后，空氣被中軸分割形成高度分散的微小氣泡，這對于粗顆粒浮選非常有利。葉輪將氣泡和礦漿充分混合之后，將其推進到穩流器當中，并進行導流，使得礦漿均勻地分布在槽內，最終在穩流板和槽底以及槽壁上形成w型的流向進行流動［43，44］。

2.3.6 HCC型浮選機

HCC型浮選機是一種充氣攪拌式浮選機，其結構如圖11所示，主要由吸氣管、槽體、導流臺、葉輪、頂盤、穩流板、進漿室、進漿管、空心主軸、充氣口和軸承座等部分構成。

HCC型浮選機有著帶穩流裝置的螺旋狀葉輪，在葉輪的下部具有錐形的導流臺，在槽體的內部有穩流板。在浮選機運行的過程中，吸漿管將礦漿吸入進漿室，吸氣管吸入空氣，HCC型浮選機的葉輪有2個負壓區，葉輪的一個負壓區吸收礦漿，另一個負壓區吸收空氣，并能將礦漿和空氣充分混合并甩出，被甩出的礦漿經過導流臺進入到槽底。同時，葉輪還能夠實現礦漿的循環［45］。

2.3.7 YX型浮選機

YX型預選浮選機是一種單槽閃速浮選設備，其結構如圖12所示，該設備主要由電機、主軸部件、葉輪和槽體等幾部分構成。

YX型預選浮選機的浮選槽是圓筒形的，倒圓錐形的筒底位于主軸葉輪正下方，礦漿通過槽底的抽吸作用吸入并讓槽底的粗顆粒處于懸浮狀態，有用礦物這時候就能夠被閃速浮選。浮選槽內同樣可發生礦漿循環從而保證分選效果。浮選槽內的循環通道還可以通過增加葉輪的攪拌強度來保證礦物顆粒均勻分布并與浮選藥劑充分接觸［46，47］。

2.4 機械攪拌式浮選的優缺點

機械攪拌式浮選有著悠久的發展歷程和豐富的發展經驗，國內外的學者幾十年來通過不斷的努力，改善和開發新的工藝和設備以適應粗粒浮選的要求。機械攪拌式浮選工藝較為成熟，人們對浮選過程當中各個參數對浮選效果的影響做了大量的考察工作，并據此改進工藝參數甚至開發了如閃速浮選這樣的新工藝流程，獲得了顯著的成效，積累了較豐富的經驗。這是機械攪拌式粗粒浮選工藝的優點，無論是在國外還是國內，都可以利用成熟的工藝來進行大規模的生產。

在設備方面，機械攪拌式浮選設備的結構是在傳統的浮選機的基礎上進行設計改造，設備的結構較為簡單，采用自吸漿式結構無需額外接入充氣設備，設備的維修也比較方便，國內外的設備在設計制造上均積累了豐富的經驗。

而機械攪拌式浮選有著明顯的缺點：傳統的浮選機需要依靠高速旋轉的葉輪來產生氣泡，同時維持顆粒與氣泡在水中懸浮。給料粒度增大時，需要提高葉輪轉速以維持粗顆粒的懸浮，這勢必會導致高紊流度的水力學環境，而高紊流度的水力學環境將會導致氣泡-粗顆粒結合體的分離［48］。無論設備和工藝如何優化，對于過粗的顆粒，機械攪拌式浮選已經難以進行。

正是因為機械攪拌式浮選本身存在的局限性，使得更粗的顆粒得不到分選，我們需要新的工藝和新的設備，跳出機械攪拌式浮選的框架處理過粗的顆粒以滿足工業上的需求。

3 流化床浮選

流化床浮選是近15年來出現的一種有前途的浮選技術，其利用復合的力場與浮選相結合，維持大顆粒懸浮從而實現粗顆粒浮選。該技術已成功地應用于幾個回收工業礦物的工廠，如磷酸鹽、鉀肥、噴輝石和鉆石。南澳大利亞大學伊恩沃克研究所最近研究了流化床技術在賤金屬硫化礦（黃銅礦和閃鋅礦）浮選中的應用，其給料研磨粒度比通常在電解規模上的粗得多，目的是通過降低磨礦成本來降低能耗。

3.1 多相流流化床與浮選的結合

多相流的似流體性質是多相流流化床的特性之一，也是將流化床技術應用于選礦領域的關鍵點［48］。諸多學者將流化床技術引入到選礦領域，并得到了一定的成效。

在流化床浮選技術方面，澳大利亞Newcastle Jameson教授在2010年研究設計了NovaCell浮選柱，其結構如圖13所示，該設備主要由浮選柱體、泡沫槽、尾礦出口、中礦循環管路、礦氣混合裝置等部分組成，槽體的分選區域可以分為分離區和流態化區，在給礦和分離區部分，給料與空氣一起經過礦氣混合裝置，礦漿進入槽體后，粒度大、密度大的顆粒形成流態化床層，細顆粒和部分被氣泡黏附的疏水性粗顆粒穿過流態化區進入分離區，最終成為精礦［49］。

NovaCell浮選柱對細顆粒同樣具有好的分選效果，槽體的上部有一個細顆粒尾礦排出口用來排出細粒的脈石礦物，利用這一點可以在某種意義上進行“反浮選”來處理細顆粒的礦物。運用NovaCell浮選柱進行粗顆粒礦物分選，方鉛礦和黃銅礦的最大可浮粒度上限被提升至1.4 mm，針對密度更小的煤的浮選，最大可浮粒度上限能達到5 mm［50］。該裝置已經實現在磨礦回路中應用，流程圖如圖14所示，NovaCell能夠對半自磨排礦的粗顆粒（-400 μm）直接實現分選并提前拋尾，大大減少了下游球磨機的入磨量，節省功耗，減少球磨機的規格尺寸［51］。JAMESON設計的NovaCell能有效拓寬浮選粒度，浮選粒度上限是現有設備的10倍［52］。

ERIEZ將三相流化床技術運用到選礦領域，設計研發出水力浮選機Hydro float，并得到了廣泛應用，該設備在傳統的流化床分選機中通過引入上升氣泡流，當礦物顆粒與氣泡結合成顆粒—氣泡結合體后，結合體的有效密度降低從而使得粗顆粒能在微弱的上升流中得到分選［52］。Hydro float分選機具體原理如圖15所示。

分選槽由分選室和脫水錐構成，該裝置的運行方式類似于傳統的TBS分選機。流態化的水通過管道供應，管道網延伸到分離室整個橫截面的底部；同時向流化水中注入壓縮空氣和少量起泡劑并進行持續充氣，空氣被分散成小氣泡；氣泡附著在疏水性顆粒上，從而降低了它們的有效密度，較輕的氣泡-顆粒聚集物上升到頂部并溢出［53］。不附在氣泡上的親水性顆粒繼續向下穿過床層，并最終沉降到脫水錐中并排出。

Hydro float分選機使得顆粒分選的有效粒度達到150～200 μm，大大降低了研磨成本，在Hydro float分選過程中只需將原料研磨到足夠與氣泡接觸的大小即可［54］；而同時，Hydro float分選機既能回收粗、中粒物料，又具有較快的浮選速度，也能很好地適應閃速浮選的需要，因此可以優化閃速浮選過程。

流化床浮選將流化床技術與傳統浮選技術相結合，大大降低了顆粒與氣泡的脫落概率，有效提高了浮選粒度上限［55］。

3.2 流化床浮選中的影響因素

流化床浮選過程中除了礦物和選礦藥劑復雜的化學作用因素影響以外，流化床的床層、分選機上升水流和氣流的流量、分選機上升水流和氣流的流速、起泡劑的用量等都會對浮選產生影響。

2013年，Bellson Awatey等采用空氣輔助流化床分離器-水力浮選機，對250～1 180 μm閃鋅礦顆粒進行了間歇浮選試驗，研究了床層、上升水流量、氣體流量3個操作參數對粗閃鋅礦顆粒浮選的影響。結果表明，粗閃鋅礦回收率隨床層水平、淺水流量和氣體流量的增加而增加，但是，每個操作參數都有閾值，超過相應閾值后，回收率開始下降。Bellson Awatey等同時也對流化床浮選機和實驗室規模的常規丹佛池浮選結果進行了比較。結果表明，對于粗顆粒（+425 μm），水力浮選機的性能大大優于常規浮選機［56］。

太原理工大學王冬冬等將流化床浮選運用在選煤當中，并考察了各粒級低密度級煤炭顆粒浮選最優條件。結果顯示起泡劑用量、上升水流速度和充氣量是影響浮選效果的關鍵因素。起泡劑能夠提高上升水流中氣泡的穩定性；可以通過上升水流的大小來控制顆粒的懸浮狀態；充氣量的大小決定了水中氣含量的多少并影響紊流強度［48］。

中國礦業大學潘浩等對流化床浮選的礦化環境進行了詳細的研究，分別對流化床浮選中表觀氣速、表觀水速、床層厚度、起泡劑濃度等因素帶來的影響進行了分析和總結。表觀氣速、表觀水速和床層厚度對氣含率會有影響，氣含率是浮選的一個重要指標，當浮選柱的礦化區域氣含率高，并且氣泡狀態好時，浮選柱的浮選效果就好［57］。

3.2.1 氣體流速的影響

表觀氣體流速是由體積除以水或氣體的流速并由所用浮選池的橫截面積決定的參數。

Bellson Awatey等用高品位閃鋅礦樣品（250～425 μm、425～850 μm和850～1 180 μm的不同粒級）進行了流化床浮選試驗［56］，在恒定床層厚度11 cm，表層水流速1.20 cm/s條件下，得到了圖16所示的結果。

圖16顯示，當床層厚度和表層水流速保持不變時，在所有粒徑組分中，表觀氣體流量對回收率影響不大。對數據的嚴格檢查表明，回收率略微上升到某一點，然后保持平衡，超過這一點，表觀氣速的任何進一步增加都沒有太大的影響。當氣體速率從0.22 cm/s增加到0.38 cm/s時，850～1 180 μm粒級部分的回收率從43.4%增加到48.7%。當空氣流量提高到0.59 cm/s時，回收率下降到47.8%，下降幅度很小。總的來說，表觀氣體流速對回收率幾乎沒有影響，但是當仔細觀察時，表現氣體流速0.38 cm/s時浮選指標最佳。

王冬冬等在對流化床浮選煤的研究中得到，在中速氣泡流條件下，浮選精礦產率為96.4%，高速氣泡流條件時，浮選精礦產率達到99%，全部低密度顆粒成為浮選精礦。顯然表觀氣速對浮選回收率會有一定的影響，但影響并不是很重大［48］。其通過擬合和計算得到不同粒徑煤進行浮選時的最佳參數如表2所示。

從表2可以看到，各粒級煤的最佳表觀氣速在一個很小的范圍內波動，這和Bellson Awatey等得到的“表觀氣速對回收率沒有重大影響”相吻合。

3.2.2 水流速度的影響

Bellson Awatey等探究了水流速度的影響［56］，在恒定床層厚度11 cm，表觀氣速0.38 cm/s條件下，得到了圖17所示的結果。

圖17表明，當床層水平和氣體流速分別保持在11 cm/s和0.38 cm/s時，在所有試驗條件下，250～425 μm和425～850 μm粒級閃鋅礦顆粒的回收率都很高，而850～1 180 μm粒徑組分的回收率在1.20和1.62 cm/s的水速下非常低（49%和42%）。隨著表面水速的增加，回收率明顯增加。超過1.52 cm/s后回收率下降。這通常是因為，在低水速下，粗粒和重粒閃鋅礦顆粒的沉降速度大于上升流動介質的上升速度，因此它們在床上落下并沉降，沒有足夠的動量將其上升至濃縮槽。另一方面，當水流量增加到臨界點以上時，流化床內會產生湍流；此外，值得注意的是，隨著流化流量的增加，轉向床內顆粒之間的空隙增大，從而降低了流化區。因此，床層的移動從受阻的沉降環境變為自由沉降環境。這對粗顆粒回收有負面影響。

同時，潘浩等的試驗表明，在表觀氣速一定的情況下，隨著表觀液速的增大，氣含率逐漸減小。產生這種現象的主要原因是表觀液速的增加導致氣泡上升速度的增加，氣泡床層之間溢出速度加快，在床層內部停留時間減小，從而導致氣含率的降低［57］，這也與Bellson Awatey等的結果相吻合。

3.2.3 床層高度的影響

床層高度是指流化床頂部的位置，Bellson Awatey等在表觀氣速和水速分別保持在0.38 cm/s和1.20 cm/s條件下，考察了床層高度對回收率的影響，如圖18所示。

通常情況下，在引入進料的轉向床上方有一個靜止和開放的浮動區來操作液壓浮船。數據表明，在12.3 cm的床層水平上，850～1 180 μm閃鋅礦顆粒的回收率為61.3%，床位升高到15.2 cm，回收率高達83%。當床位進一步升高到16.9 cm和18.5 cm時，回收率分別下降到81%和68%；粗閃鋅礦顆粒的浮選回收率最高，低于或高于此水平時，回收率開始下降，這似乎是一個最佳的床層水平。其他2種粒度組分也有相同的趨勢，在試驗條件下，獲得閃鋅礦顆粒最大回收率所需的最佳床層水平為15.2 cm。隨著床層水平的增加，回收率下降可能是由于進料系統與轉向床頂部的距離很近，這可能導致局部湍流，或通過直接將進料注入轉向床而不是流化區上方的靜止區［56］。

潘浩等通過試驗表明，氣含率隨充填床層高度的增加而增大，并且在充填床層高度增加到一定值后增幅減小或者基本保持不變［57］，這與Bellson Awatey等的結果相吻合。

3.2.4 浮選藥劑的影響

起泡劑的用量對最終的回收率有一定的影響，一般情況下起泡劑用量的增加對浮選回收率有積極的影響，但是起泡劑用量過大會造成浪費，或者在特殊的情況下反而會導致回收率下降。在流化床浮選中起泡劑的用量需要和氣量以及水流量相配合以獲得最佳結果［56，58］。

王冬冬等在實驗中得到了起泡劑對0.7～1.0 mm粗粒級浮選的影響結果表明：1.0～0.7 mm粒級煤炭顆粒在低濃度起泡劑、低速氣泡流條件下，浮選產率最低為15.6%，最高的產率僅為45.9%。說明低速氣泡流條件已經無法滿足1.0～0.7 mm粒級煤炭顆粒浮選要求。提高起泡劑用量到中度藥耗后，在低速氣泡流條件下，產率為50.4%，保持低速上升水流速度不變，增加氣流流量，產率可提高到57%，效果并不理想。當增大上升水流速度到中速時，煤炭顆粒的產率達到97.9%，效果較為理想［56］。

潘浩等指出，在浮選試驗中起泡劑的用量需要適中，其發生這一現象的原因也是因為液氣界面的表面張力不再隨著表面活性劑的添加而發生改變，其對氣泡的兼并抑制作用存在最佳作用區間［57］。

3.3 流化床浮選和機械攪拌式浮選對比

Awatey等將流化床浮選和常規機械攪拌式浮選進行了對比［59］，他們采用的是常規的丹佛浮選槽進行對比試驗，得到圖19所示的結果。

圖19表明，隨著粒徑的增大，Hydro float分選機的回收率比起Denver浮選機有所提高。Denver浮選機分選850～1 180 μm粒級閃鋅礦顆粒的最高回收率為41.3%。然而，在相同的試劑條件下，Hydro float分選機對該粒徑范圍內顆粒的回收率可達85.9%。Denver浮選機的低回收率歸因于旋轉攪拌器在槽內產生的高湍流和在浮選槽表面形成的泡沫層，這些條件不利于粗顆粒的有效浮選［59］。

此外，Shadrack Fosu等研究了機械攪拌浮選槽（Denver浮選槽）和流化床（Hydrofloat?）對復合顆粒的浮選響應。復合顆粒的浮選響應與復合材料中值礦物的粒徑、表面暴露和鎖定結構密切相關［58］。

在機械攪拌浮選槽中，具有簡單鎖定結構的復合顆粒的回收率遠高于復雜鎖定結構顆粒。這可能是由于簡單鎖定顆粒的較高表面暴露，以及兩種鎖定紋理與簡單鎖定紋理之間的鎖定共生差異，后者具有較大的疏水區域塊，用于機械攪拌浮選下的氣泡相互作用和附著。而在Hydro float中，簡單和復雜的鎖定復合粒子具有幾乎相同的回收率。流態化原理創造了一個更安靜或最小的湍流環境，為有效地浮選尺寸較大的復合顆粒提供了有利的水動力條件，并對復合顆粒的性能產生了顯著影響。

Shadrack Fosu等對浮選產物的QEMSCAN分析表明，與Denver浮選槽相比，Hydro Float回收低表面解放度（＜40%表面暴露）的復合顆粒更加有效。Shadrack Fosu等表示：流化床浮選在降低粉磨能耗、提高復合粒子回收率、增加選廠生產能力方面有著明顯的優勢。結果雖然可能適用于只有類似于合成復合物的二元相的實際礦石，但這項工作應擴展到具有大量不同鎖定特性的復合顆粒的實際礦石。

很明顯，對于超粗顆粒的浮選，流化床浮選法具有更高的回收率，而且對于復雜的實際礦物結構來說，機械攪拌式浮選法效果遠不如流化床浮選法。

3.4 流化床浮選法的優缺點

流化床浮選法有著諸多明顯的優點：該方法能夠進一步擴大可分選顆粒的粒度上限，國內外的研究均表明流化床浮選法能夠達到很好的分選效果，并且回收率優于機械攪拌式浮選。而在設備方面，流化床浮選設備能耗低，設備內部水利環境穩定，能夠滿足粗顆粒分選的各種條件。

流化床浮選法的局限性在于，該方法是一種新的粗粒分選方法，發展歷程較機械攪拌式浮選更短，國內外在流化床浮選的應用上并沒有積累非常多的經驗，尤其是在國內，無論是在設備還是工藝方面均不完善，國內并沒有能夠用于大規模生產的流化床浮選設備，并且對相關設備和工藝的研究極少，基本上沒有工業應用的經驗可以積累。

而綜合流化床浮選法的優缺點來看，研究流化床浮選法的工藝和設備在國內均有著良好的前景。

4 泡沫中分選法（SIF法）

泡沫中分選法（SIF法）是一種將礦物直接在泡沫層進行回收的分選方法。SIF法的浮選礦粒粒度可比常規浮選最佳粒度上限粗10倍。與其它浮選方法相比，SIF法是一種截然不同的浮選方法：在其它浮選法中，被回收的礦物從礦漿通過捕收劑和氣泡的作用上浮到到泡沫相，而SIF法是礦粒直接給入泡沫中，疏水礦粒直接接觸泡沫時立即就被回收［60］。1961年M.alinasky在對鉛-鋅礦的試驗研究中第一次提出將礦漿直接給到泡沫上。由于在實驗室中對磷鈣土的試驗獲得了良好的結果，所以SIF技術得到了迅速發展。

4.1 SIF法的應用

J.O.Leppelen等給出了如何應用SIF法的一個示意圖，如圖20所示：在一個專門設計的設備中，泡沫沿著浮選槽移動。在泡沫進入溢流之后，與被捕俘的礦粒一起離開浮選區。

J.O.Leppelen等通過選礦廠的實驗室和半工業測試研究了SIF技術的功能。除了對單一鉆石礦物的基礎研究之外，還對礦石和浮選尾礦中的磷灰石、方解石和硅酸鹽礦物進行了實驗研究。測試結果表明，如果礦物能夠充分解離，并且待選礦物具有疏水性，則SIF方法可以選擇性地回收粗品級的、小于4 mm的不同礦物［61］。

無論是在研磨回路還是尾礦中，應用SIF方法都可以顯著提高某些礦物質的總回收率，降低運營成本，并節省大量的能耗和浮選藥劑。使用實驗室和半工業SIF測試設備對磷灰石、方解石、硅酸鹽礦物和鉆石進行懸浮測試表明，如果粒度小于3 mm，則上述所有礦物均可以通過SIF方法成功懸浮［62］。在方解石分級回路中對粗粒度進行的測試表明，對于該粒度（尤其是0.1～0.5 mm的范圍內），SIF操作可得到的方解石精礦回收率超過90%。同樣，粗磷灰石回收率可以更高，而不會破壞常規浮選所需的細度。當前，工業規模的SIF浮選機用于回收粗磷灰石［63］。

4.2 SIF法相關的浮選設備

1964年的時候研發出來的一臺泡沫分選機如圖21所示。該分選機主要由喂料箱、傾斜折流板、分漿器、初步充氣溝槽、噴嘴、充氣器、溢流嘴、泡沫刮板、錐形箱和閥門等部分構成。

該分選機將藥劑和給礦充分混合后，從給料箱給入，然后將流板上的開關打開，這樣能夠保證流板處于傾斜狀態。礦漿進入到泡沫層中之后，相應的泡沫產品在充氣器的作用下自己流出，或者也可以采用刮板將其刮出，而在室內的產品在錐形箱中聚集，最后通過尾礦排出口流出［64］。

一種圓筒形泡沫分選機如圖22所示。該設備可通過調節給礦裝置和泡沫裝置之間的角度從而提升分選的精確度，設備的充氣器位于浮選槽的下部，礦漿進入圓筒內后給到上面的泡沫層中，充氣器也將產生相應的氣體給到泡沫層中并與礦漿進行充分混合。礦化泡沫可以通過分選槽排出，脈石由尾礦口排出［64］。

一種淺槽充氣式粗粒浮選機如圖23所示，它是一種由美國研制成功的單槽式浮選設備，浮選槽底部安裝有充氣器，充氣器用傾斜安裝方式，其表面主要由平均尺寸5 μm的微孔組成，這些微孔可以讓氣體分散成微小、均勻的氣泡。給料器位于充氣器上部約50 mm的位置，可直接將礦漿給在泡沫層上［64］。

4.3 SIF法的優缺點

SIF法有著諸多明顯的優點：其方法極大地擴張了常規浮選的粒度上限，對于粒徑小于4 mm的不同礦物均可以做到回收。通過將顆粒直接給到泡沫層中并進行回收，有效解決了粗顆粒在上浮過程中從氣泡中脫落的問題，是一種新的浮選工藝。

而SIF法的局限性在于，國內外并沒有積累很多研究和應用經驗，甚至對SIF法的設備和工藝流程都并沒有具體的研究可供參考。相對于流化床浮選法，SIF法的優點并不是那么明顯，而且發展進程還處于較早期。未來的粗顆粒分選方面，流化床浮選法相對于SIF法更有研究和應用前景。

5 粗粒浮選研究總結與展望

綠色礦山已經成為時代的主題，粗顆粒浮選不僅對于緩解碎磨壓力、節能降耗具有重大意義，而且有利于尾礦的資源化利用，為無尾或少尾礦山提供了新的解決方案。機械攪拌式浮選是作為一種比較傳統的處理粗粒的方法，采用適當的浮選工藝（如閃速浮選工藝）和調整適用于粗粒浮選的各類參數，可以實現超出典型上限150 μm粒級物料的浮選。然而，無論是浮選研究還是浮選實踐，都忽略了機械攪拌池的水動力因素，基于浮選槽的幾何流體力學的設計優化領域研究比較薄弱，其粒度上限難以大幅提高。SIF粗粒浮選基于將礦漿直接給入液體介質表面上的泡沫層中，可以將粒度為3 mm以下的顆粒成功浮選，能大幅度節省磨礦能耗和浮選藥劑，但是它對礦物表面疏水性要求較高，目前在磷礦浮選中有一定的工業化應用。流化床浮選將重選和浮選有機結合，進一步擴展了機械攪拌式浮選的浮選上限，使得顆粒的有效回收粒徑達到 250 μm～1 180 μm。流化床浮選不僅能回收粗、中物料，而且具有較快的浮選速度；較低的能量耗散率大大降低了顆粒與氣泡的脫落概率，為粗顆粒和超粗顆粒的浮選提供了可能。