雙葉輪控制系統浮選機的設計與優化探究

吳 靖，金玉芬，厲生杰

（1.金川集團股份有限公司選礦廠，甘肅 金昌 737100；2.金川集團股份有限公司鎳鈷研究設計院，甘肅 金昌 737100）

1 雙葉輪控制系統浮選機原理分析

雙葉輪控制系統浮選機的核心采用離心葉輪結合攪拌葉輪加定子的形式，通過離心葉輪能夠實現對礦化氣泡的調整及控制，而利用攪拌葉輪可以實現對礦漿懸浮分散性能的調整及控制，該設備存在以下優勢：離心葉輪能夠低速狀態下產生較好的發泡性能，因此無心擔心轉子高速運轉達到充氣量需求與構成靜態流分選環境之間產生矛盾；而離心葉輪能夠產生水力空化效應，可在疏水礦物固體顆粒表面產生微小的空泡，而空泡間形成的毛細作用能夠提升微細顆粒的聚積，從而提升顆粒表觀直徑，使疏水及親水礦物固體顆粒的可浮性差異更加的顯著[1]；采用離心葉輪結合攪拌葉輪加定子的形式可使設備的操作、調控更加的實用、便捷，顯著的提升設備的性能；雙葉輪控制系統浮選機在應用中葉輪的攪拌強度相對較低，能夠節約能耗以及減少磨損；設備結構較為簡單，能夠在傳統機械攪拌式浮選機之上直接改造升級。

通過上述的分析可知，雙葉輪控制系統浮選機的設備性能是由離心葉輪、攪拌葉輪所決定，為了能夠獲得最佳的泡沫性能、礦化性能以及礦漿懸浮分散性能，本文將針對不同的離心葉輪以及攪拌葉輪的檢測數據進行分析，并根據分析結果使用雙葉輪控制系統浮選機與傳統自吸式設備，實施細粒低品位難選礦物懸浮對比試驗，以此評價出本研究中雙葉輪控制系統浮選機的浮選性能。

2 離心葉輪水力空化效應分析

2.1 水力空化作用機理

液體中所存在的球狀氣核具有內、外壓強（如圖1所示），其靜力平衡可以表示為：

圖1 球狀氣核靜力平衡

式中，P為氣核附近液體壓力；Pv為氣核飽和蒸汽壓；Pg為氣核氣體分壓；R為平衡狀態中氣核的半徑；σ為液體表面張力系數。

當氣核內部和外部的壓力具有差距時將會導致氣核發生收縮或者膨脹現象，因此，液體中流動的氣核周圍壓強減少時氣核將發生膨脹，此時氣核的邊界將會增加，而當氣核的總壓強高于液體壓強一定程度后，氣核的膨脹速度將會顯著提升，隨后將會發生慣性失穩，之后氣核將會演變成為空泡。

2.2 水力空化效應測試方法

當設備中離心葉輪運轉后，內部的液體將會產生壓力梯度區，并且氣核在附近液體壓力較低的區域將形成空泡，從而產生空化現象。根據相關資料顯示，水力空化所發生的形成、生長、潰滅的動力學過程將會產生水分解斷裂的化學鍵[2]，即羥自由基(·OH)、氫自由基(H·)，由于羥自由基呈活氧性，分子式中缺失一個電子，因此其具有較強的得電子能力（強氧化性），利用亞甲基藍光度法加電反應可使羥自由基發生褪色的原理，通過使用紫外可見分光光度計檢測水力空化前后的吸光參數便可獲取羥自由基的生成量。按照亞甲基藍的濃度變化以及吸光度曲線（如圖2所示）來計算出的亞甲基藍的濃度變化率，可作為表征水力空化強度的參數，從而評價各離心葉輪的水力空化性能。

圖2 亞甲基藍標準曲線

水力空化強度可以表示為：

式中：C1為水力發生空化前的亞甲基藍濃度；C2為水力發生空化后亞甲基藍濃度。

3 攪拌葉輪懸浮臨界攪拌轉速

通過攪拌葉輪能夠創造出穩定的靜態流分選環境，而只有在保持較低的攪拌葉輪速度的情況下使礦粒充分懸浮分散，才能夠使礦粒達到完全離開浮選槽底并達到懸浮分散狀態的效果，此時攪拌葉輪的轉速就是臨界攪拌轉速。在實際的應用中對于浮選機臨界懸浮轉速所存在的影響因素較多，本文將著重分析其中最主要的幾點因素，即攪拌葉輪的直徑、離底距離以及葉片傾角。

3.1 臨界攪拌轉速測試

選用體積質量為3.51g/cm3的礦粒，顆粒直徑為0.15mm～0.20mm，1L玻璃鋼浮選槽，配置質量分數為30%的礦漿，啟動并調節雙葉輪控制系統浮選機攪拌葉輪轉速，觀察礦粒在槽底懸浮時間，當達到1s～2s時說明礦粒處于完全離底懸浮裝填，此時雙葉輪控制系統浮選機攪拌葉輪轉速即為臨界攪拌轉速。

3.2 測試結果及分析

測試選用的攪拌葉輪的直徑分別選取為32mm、34mm、36mm、38mm、40mm，離底距離分別設置為5mm、10mm、15mm、20mm，葉片傾角分別設置為15°、20°、25°、30°、35°。測試的方式為：以不同離底距離為基礎，測試不同攪拌葉輪的直徑下采用各葉片傾角時攪拌葉輪的臨界攪拌轉速，并將各測試結果參數帶入到MATLAB分析軟件中，從而得到攪拌葉輪的直徑、離底距離以及葉片傾角之間相互關系的回歸方程式：

式中：Nc為臨界攪拌轉速；D為攪拌葉輪的直徑；θ為葉片傾角；H為葉輪離底距離。

根據公式（3）可以看出，對攪拌葉輪的臨界攪拌轉速影響最大的因素為攪拌葉輪的直徑及葉片傾角，而葉輪離底距離因素在允許范圍內對臨界攪拌轉速所產生的影響較弱。

而在攪拌葉輪結構對磷礦浮選效果的測試中可以發現，當保持浮選機轉速一定時攪拌葉輪的直徑及葉片傾角會對磷礦浮選效果產生較大的影響，并且這兩個因素所產生的影響具有相互性，如增加攪拌葉輪的直徑時需要適當減小葉片傾角。根據攪拌葉輪結構對磷礦浮選效果的測試結果顯示（如表1所示），當選用36mm攪拌葉輪直徑及20°葉片傾角時浮選機的磷礦浮選效果可達到最佳。

表1 攪拌葉輪結構對磷礦浮選效果的測試參數

4 細粒低品位難選礦物懸浮驗證

為了能夠有效評價浮選機葉輪結構的改造優化之后的浮選性能，將對其進行細粒低品位難選礦物懸浮的驗證，具體方式為：以相同藥劑制度及浮選機改造優化條件為基礎，已經螺旋溜槽預處理后顆粒尺寸為0.025mm的尾礦為磷礦樣品，藥劑采用Na2CO3（6kg/t）、Na2O·nSiO2（4.3kg/t）、磷礦浮選捕收劑（2.5kg/t）；浮選采用正浮選一次粗選。浮選機磷礦懸浮驗證結果如表2所示

表2 浮選機磷礦懸浮驗證參數對比

根據不同類型的浮選機磷礦懸浮驗證結果顯示，雙葉輪控制系統浮選機相較于傳統攪拌式浮選機具有更好的性能，其中磷精礦的P2O5品位、P2O5回收率以及選礦效率分別提升了3.39%、7.21%、9.83%。

5 結語

本研究對雙葉輪控制系統浮選機中離心葉輪及攪拌葉輪進行了改造升級，根據研究結果顯示，對浮選機進行優化后設備的泡沫性能、礦化性能以及分選性能均得到了顯著的提升。研究中發現雙葉輪控制系統浮選機離心葉輪的空化強度與性能以及礦化性能呈正比關系；浮選機的浮選效率與離心葉輪水力空化強度具有緊密的聯系；當保持浮選機轉速一定時攪拌葉輪的直徑及葉片傾角會對磷礦浮選效果產生較大的影響，并且這兩個因素所產生的影響具有相互性，并且當選用36mm攪拌葉輪直徑及20°葉片傾角時浮選機的磷礦浮選效果可達到最佳。