攪拌葉輪尺寸對雙葉輪浮選機性能的影響

隨婕斐，李智力，何東升，田承濤，鄧 杰，唐 遠，張澤強

1武漢工程大學資源與安全工程學院 湖北武漢 430074

2湖北三寧化工股份有限公司 湖北宜昌 443200

3中國地質科學院礦產綜合利用研究所 四川成都 610041

浮選是應用最廣泛的選礦方法，浮選機是實現礦物浮選分離的核心裝備[1-3]。浮選機按照應用領域不同，可分為礦業、化工、環保、農用 4 大類；按照充氣方式不同，可分為自吸機械攪拌式浮選機和充氣機械攪拌式浮選機；按照槽體結構不同，可分為深槽式浮選機和淺槽式浮選機；按照泡沫產品排出方式不同，可分為刮板式浮選機和直溢式浮選機；根據礦漿流動方式不同，可分為串槽式浮選機和開流式浮選機。充氣式浮選機需要外加氣源，而自吸式浮選機可以實現自吸空氣，無需配套的供氣系統及管路流程，不僅簡化了配套設施，也降低了功耗和運行成本[4]，在工業生產中，應用較多的是自吸式機械攪拌式浮選機。

通過改變常規機械攪拌式浮選機 1 個定子配 1 個轉子的固有結構，研制出了結構為 2 個轉子配 1 個定子模式的新型雙葉輪浮選機。2 個轉子分別為離心葉輪和攪拌葉輪，離心葉輪為吸漿吸氣，形成礦化氣泡，攪拌葉輪強化礦物懸浮。采用雙葉輪結構時，避免了在較高轉速下出現翻花現象[5-6]。采用離心葉輪時，不必依靠高轉速，就可以獲得較好的充氣效果，設備的能耗和磨損都較小，而且由離心葉輪經水力空化后所得的氣泡，可以優先從疏水礦物顆粒中析出。除此之外，上下葉輪可以任意拆卸組合，結構簡單，有益于在現有浮選機的基礎上進行升級改造[7]。課題組前期研究表明：離心葉輪結構為中空軸打孔、帶有套筒、葉輪直徑為 36 mm 時浮選機性能較好；攪拌葉輪采用上下葉片組合的方式，上葉片傾角為 90°、下葉片為 45°時，性能最好[6]。筆者采用不同直徑攪拌葉輪，通過對其各項性能的測試和評價，完善雙葉輪浮選機攪拌葉輪結構設計的研究，為之后浮選機的放大設計提供一定依據。

1 攪拌葉輪結構及尺寸

雙葉輪浮選機的攪拌結構如圖 1 所示。攪拌葉輪是新型雙葉輪浮選機上關鍵零部件之一，主要配合離心葉輪使用，起到攪拌礦漿、使礦漿充分分散懸浮的目的。本試驗共設計了傾角相同、直徑不同的 3 個攪拌葉輪，均采用上下兩組葉片的設計，上部葉片傾角均為 90°，下部葉片傾角均為 45°，葉輪直徑分別為32、34 和 36 mm。這種葉輪結構可有效降低攪拌葉輪在快速攪拌時所產生的負壓，進而在浮選過程中，礦化氣泡能夠更少地被吸入攪拌區，緩解所得礦化氣泡被攪拌葉輪攪拌打碎的問題[5]。

圖1 雙葉輪浮選機的攪拌結構Fig.1 Structure of dual-impeller flotation machine

2 攪拌葉輪性能試驗方法

2.1 充氣量試驗

充氣量對浮選機的設計有一定的指導意義[8-10]，因此筆者對雙葉輪浮選機充氣性能展開研究。試驗采用排水集氣法。首先，往浮選槽中加入一定量的水；然后，將電動機轉速調到 1 000 r/min，按照轉速梯度為 100 r/min 依次增大轉速，試驗設計進行到 2 300 r/min。每個轉速條件下取 4 個點進行測試，且每個點測量 4 次，取平均值。充氣量計算式如下[8]：

式中：Qi為某測點的單位充氣量，m3/（m2·min）；V為排出清水的體積，m；S為量筒的截面積，m2；t為排出V體積清水的時間，s；H為量筒內V體積清水的高度，m。

試驗時，一般取各測量點的平均值為最終試驗值。

式中：Q為平均單位充氣量，m3/（m2·min）；n為測點個數，試驗中取 4 個點，每個點重復測量 4 次。

2.2 懸浮試驗

固體懸浮對機械攪拌式浮選機的設計和操作非常重要，是有用顆?；厥盏囊粋€前提條件，對浮選的回收率有一定的影響。固體離底懸浮可以用 3 種狀態來表達：離底懸浮程度、懸浮高度以及懸浮狀態下的固體顆粒的分布程度[11]。筆者主要通過確定葉輪臨界轉速以及對槽底固體質量分數來分析固體懸浮。查閱相關文獻可知，研究者選用礦樣用于試驗，筆者選用 0.074～0.200 mm 沙子進行懸浮試驗。稱取 110 g沙子，配制成質量濃度為 10% 試樣放入浮選槽中。將電動機轉速調整在 1 000～2 300 r/min，轉速梯度為 100 r/min，進行懸浮試驗。用取樣器分別對浮選槽的 4 個頂點的底部（完全插入）取樣至 100 mL 的量筒中，靜置一段時間后，讀取沙子占整個溶液的體積比，且每個頂點取樣 4 次，求平均值[11-12]。

礦漿懸浮存在一個臨界懸浮轉速。所謂的臨界懸浮轉速是指所有固相顆粒完全離底懸浮時的最低轉速，記為N。臨界轉速對浮選機的設計很重要，它不僅是固體顆粒距離底部懸浮的一個點，而且是其他固體顆粒懸浮的一個參考點。

臨界懸浮轉速[12]

式中：Ks為槽內幾何形狀因子；T為槽體直徑，m；d為大顆粒直徑，mm；B為槽內的固體質量和液體質量的比值；v為礦漿的運動黏度，MPa·s；g為重力加速度，m/s2；ρs為固體顆粒的密度，g/cm3；ρl為液體的密度，g/cm3。

通過式（3）所得，N=441 r/min 時，即可認為當轉速大于 441 r/min 時，固體顆?？梢酝耆珣腋∑饋?。

2.3 膠磷礦浮選試驗

試驗選用宜昌某礦樣，所用磷礦石中 P2O5品位僅為 19.26%，有害雜質 MgO、SiO2及倍半氧化物（R2O3）含量分別為 2.43%、23.97% 和 8.71%。該礦石屬于硅鈣質磷礦石。浮選試驗條件為：采用棒磨機濕式磨礦 1 kg，磨礦質量分數為 50%，平均分樣成 12份，取 4 份倒入在 1.5 L 的浮選槽中，配制 30% 的礦漿。試驗中，礦漿溫度保持在 30 ℃ 左右，刮泡時間為 5 min，分別收集泡沫產品和槽內產品；然后調節不同轉速，并對上述 3 個不同直徑攪拌葉輪進行浮選試驗。浮選工藝流程如圖 2 所示。

圖2 磷礦正浮選試驗流程Fig.2 Process flow of direct phosphate flotation test

采用磷鉬酸銨容量法測定磷化液中的 P2O5含量[13]，得到精礦和尾礦的品位。

精礦 P2O5回收率[14]

式中：β為精礦 P2O5品位，%；γ為精礦 P2O5產率，%；α為原礦 P2O5品位，%。

選礦效率[15]

3 結果與討論

試驗中，電動機轉速和葉輪直徑直接影響浮選機的充氣性能、懸浮性能以及浮選性能。對于浮選機而言，轉速過低，氣泡與顆粒碰撞時無法突破水化膜，在礦化區礦化效果不好，而且容易出現沉槽現象[16]，不利于礦物的礦化；轉速過高，會破壞分選區和泡沫區的穩定性，增大已礦化礦粒從氣泡上脫落的概率，不利于分選，還會導致礦漿的上升紊流流速過高，破壞分選環境[17]。筆者主要研究雙葉輪浮選機攪拌葉輪尺寸對其性能的影響。

3.1 充氣試驗結果

充氣量是浮選機的一個重要性能。礦漿中氣泡數目的多少和充氣質量的好壞會直接影響礦物顆粒與氣泡碰撞黏附概率的大小，影響浮選速率和浮選選擇性[10]。充氣量試驗結果如圖 3 所示。

圖3 不同直徑攪拌葉輪充氣量試驗結果Fig.3 Results of test for aeration volume with variousdiameter stirring impeller

從圖 3 可知：隨著轉速的增加，充氣量不斷增大，由此可見，充氣量與轉速呈正比的關系。轉速為1 000～1 300 r/min，葉輪直徑對充氣量的影響不大；轉速為 1 400～2 100 r/min，葉輪直徑對充氣量呈現出差異性，當葉輪直徑為 36 mm 時，充氣量明顯增大，充氣效果較好，而葉輪直徑為 32 和 34 mm 時，充氣量基本無差異，且小于直徑 36 mm 所產生的充氣量；轉速為 2 200～2 300 r/min，3 個葉輪直徑下產生的充氣量無明顯差異。

由此可見，將電動機轉速調整在一定范圍內時，葉輪直徑才對充氣量有一定的影響，而轉速較小或較大時，葉輪直徑皆對充氣量影響不大。

3.2 懸浮試驗結果

礦漿懸浮直接影響礦物顆粒與藥劑的混合效果，它是獲得良好浮選指標的前提條件[4]。筆者研究了不同直徑葉輪、不同轉速下礦漿的懸浮性能，試驗結果如圖 4 所示。

圖4 不同直徑攪拌葉輪懸浮占比試驗結果Fig.4 Results of test for suspension property with various-diameter stirring impeller

從圖 4 可知：隨著轉速的增加，沙子質量分數快速降低直至達到極大值，此時的懸浮分散狀態最佳。由此可見，沙子質量分數與轉速之間呈反比關系；葉輪直徑對沙子質量分數有一定的影響，葉輪直徑為 36 mm 時，沙子質量分數最小，懸浮分散效果最好，不易出現沉槽的現象。

3.3 膠磷礦浮選試驗結果

膠磷礦浮選試驗結果如圖 5 所示。

圖5 不同直徑攪拌葉輪磷礦浮選試驗結果Fig.5 Results of test for phosphate flotation with various-diameter stirring impeller

從圖 5 可知：隨著轉速的增加，選礦效率呈現出先迅速增大達到一個最大值后再緩慢下降的趨勢；轉速在 1 000～1 100 r/min，不同葉輪直徑對選礦效率沒有明顯差異；轉速在 1 200～1 800 r/min，葉輪直徑對選礦效率表現出明顯的差異性，當葉輪直徑為 36 mm 時，選礦效率明顯比其他葉輪直徑下的選礦效率高。由此可見，將電動機轉速調整到一定范圍內，當葉輪直徑為 36 mm 時，選礦效果比較好。因此該葉輪確定為最優試驗葉輪，并對比雙葉輪浮選機與常規浮選機浮選的浮選性能。

3.4 浮選對比試驗研究

采用常規浮選機與雙葉輪浮選機進行浮選對比試驗。常規浮選機采用 1 L XFD 單槽浮選機，其攪拌系統由一個轉子和一個定子組成，其中轉子上有12 個葉片，每個葉片與半徑呈 60°傾角，并且均勻分布[18]，葉輪直徑為 70 mm。試驗采用上述相同的浮選流程，將新型雙葉輪浮選機的電動機轉速調到 1 400 r/min，常規浮選機的電動機轉速調到 1 800 r/min，分別進行浮選試驗，結果分別如表 1、2 所列。

表1 新型雙葉輪浮選機浮選試驗結果Tab.1 Results of flotation test for new-type dual-impeller flotation machine %

表2 常規浮選機浮選試驗結果Tab.2 Results of flotation test for conventional flotation machine %

綜合表 1、2 可知：新型雙葉輪浮選機相較于常規浮選機而言，精礦品位提高了 1.58 個百分點，精礦回收率提高了將近 30 個百分點，選礦效率提高了將近 11 個百分點，分選效果較好。新型雙葉輪浮選機在較低轉速下就可實現常規浮選機較高轉速下的分選作業，符合國家節能減排的政策。

4 結論

（1）由充氣量試驗、懸浮試驗和浮選試驗結果表明：轉速對充氣量、懸浮顆粒質量分數以及選礦效率的影響規律表現出一致性，即隨著轉速的增大，3 個尺寸 32、34、36 mm 的攪拌葉輪的充氣量都不斷增大，懸浮顆粒質量分數都不斷減小，選礦效率都是先增加后減小。

（2）葉輪直徑對充氣量、懸浮顆粒質量分數以及選礦效率的影響規律明顯不一致，當轉速在 1 400～1 800 r/min 時，葉輪直徑越大，充氣效果越好，懸浮效果越好，選礦效率也越好，然而轉速較低或較高，效果會變差。因此，最終確定為葉輪直徑為 36 mm 時為最優試驗葉輪。