高纯石英砂浮选机设计及动力学测试.pdf

1 3 6 有色金属 选矿部分 2 0 1 7 年增刊 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．z 1 ．0 2 9 高纯石英砂浮选机设计及动力学测试 冯天然，张跃军，史帅星 北京市高效节能矿冶装备工程技术研究中心，矿物加工科学与技术国家重点实验室， 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 6 0 摘要高纯石英砂作为一种极具战略意义的非金属材料，广泛应用于多个领域。浮选法是高纯石英砂除杂的常用方 法，但较粗的给矿粒度给浮选工艺造成了较大难度。本文基于实验室小试的探索并对石英砂矿石性质的分析，提出了一种石 英砂除杂浮选机的设计思路，并且试制了一台试验样机，该机具有叶轮中置、槽体底部安装循环桶和假底的结构特点，以减少 矿化气泡的上升距离并加强底部矿浆循环。动力学测试结果表明，这台工业样机空气分散度较高，底部循环能力强，可以满 足石英砂除杂提纯的动力学环境要求。 关键词高纯石英砂；反浮选；中置叶轮 中图分类号T D 9 2 3文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 S 0 - 0 1 3 6 - 0 4 D e s i g no fS p e c i a lF l o t a t i o nE q u i p m e n tf o rH i g h P u r i f yQ u a r t z S a n da n dh y d r o d y n a m i cr e s e a r c h F E N GT i a n r a n ，Z H A N GY u e j u n ，S t t IS h u a i x i n g B e r i n gE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro nE f f i c i e n ta n dE n e r g yC o n s e r v a t i o nE q u i p m e n to fM i n e r a lP r o c e s s i n g ， S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM i n e r a lP r o c e s s i n g ，B e o i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t e o fM i n i n g M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t A sak i n do fn o n ．m e t a l l i cm a t e r i a l ，h i g h p u r i f yq u a r t zs a n dh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ． F l o t a t i o ni sap o p u l a rw a yt op r o c e s sq u a r t zs a n d ．B u ti ti si nd i f f i c u l tp o s i t i o nf o rf l o t a t i o nt og e th i g h p u r i f yq u a r t z p r o d u c td u et ol a r g ea m o u n to fc o a r s ep a r t i c l e sc o n t a i n e di nt h ef e e d ．I nt h i sp a p e r ，ad e s i g np r i n c i p l eo fs p e c i a l f l o t a t i o nc e l lf o rh i g h p u r i f yq u a r t zs a n dh a sb e e np u tf o r w a r db a s eo nl a b o r a t o r yt e s ta n do r ep r o p e r t ya n a l y s i s ，a n d t h ep i l o ts c a l es p e c i a lf l o t a t i o nc e l lh a sb e e nd e v e l o p e dt om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h eq u a r t zs a n df l o t a t i o np r o c e s s ． T h es p e c i a lf l o t a t i o nc e l lf o rh i g h ．p u r i f yq u a r t zs a n di sf e a t u r e db ym i d d l ep o s i t i o n e di m p e l l e r ，f a l s eb o t t o ma n dd r a f t t u b e ，w h i c hc o u l dd e c r e a s et h er i s i n gd i s t a n c eo fm i n e r a l i z e db u b b l ea n ds t r e n g t h e nt h ec i r c u l a t i o nc a p a c i t yo ft h e l o w e rp a r to ft h ef l o t a t i o nc e l l ．H y d r o d y n a m i cs t u d yi n d i c a t e st h a th i g ha i rd i s p e r s i o nd e g r e ea n ds t r o n gl o w e rs l u r r y c i r c u l a t i o nc o u l db ep r o d u c e db yp i l o ts c a l es p e c i a lf l o t a t i o nc e l l ，w h i c hi sh e l p f u lt oc r e a t eas u i t a b l eh y d r o d y n a m i c e n v i r o n m e n tf o rq u a r t zs a n dp r o c e s s i n g ． K e yw o r d s h i g h p u r i f yq u a r t zs a n d ；r e v e r s ef l o t a t i o n ；t h ei m p e l l e ri nt h em i d d l e 石英砂是一种非金属矿物质，是多种工业加工 的原材料，特别是S i O 含量高于9 9 ．9 ％的高纯石 英砂。，由于其独特的物化学特性，使其具有耐高 温、热膨胀系数小、高度绝缘等特性，近年来随着经 济的发展和科学的进步，高纯石英砂产品的需求量 不断增长，广泛应用在光伏产业、电子信息、通讯以 及航天等多个行业，在新材料、新能源战略性新兴产 业中具有重要的战略地位。 使用浮选法去除石英砂中的杂质元素有一定的 特殊性。2 j ，石英砂浮选人料粒度较粗且粒级单一，人 选粒度一般为0 ．1 ～0 ．8m m ，矿浆浓度为2 5 ％～ 3 5 ％，如此给矿粒级分布导致了气泡与矿粒粘附力 较弱，易脱落，且给矿颗粒直径增加的同时，也大大 增加了矿浆均匀悬浮的难度，易沉槽。 本文在实验室探索的基础上，并分析了石英砂 浮选除杂的选别要求，提出了一种石英砂除杂提纯 的K Y S Y 型自吸气机械搅拌式浮选机的结构设计思 路，并试制了一台4m 3 工业样机，通过动力学测试 牦薯禺羿i 驾昊薇”1 9 8 7 ． ，男，北京人，硕士研究生，工程师，主要从事浮选设备的研发与推广工作作者简介冯天然 - ，男，北京人，硕士研究生，工程师，主要从事浮选设备的研发与推广工作 万方数据 2 0 1 7 年增刊冯天然等高纯石英砂浮选机设计及动力学测试 1 3 7 来考察该机型的结构设计是否可以满足石英砂选矿 的动力学环境要求。 1 K Y S Y 型浮选机设计 1 ．1 实验室探索 为了更好地分析石英砂的浮选要求，首先在实 验室建立了一套试验系统，来进行初步探索，试验系 统由3 0 L 有机玻璃槽体、搅拌器、电机及变频器等组 成，槽体由有机玻璃制成，可直观观察到槽内矿浆的 悬浮情况，槽体尺寸4 6 0m m 3 5 0m mx3 3 0m m ，配 置2 0 ％浓度石英砂矿浆，叶轮转速由变频器调节，调 节范围在5 0 6 ～7 2 3r ／m i n 。在叶轮转速不断升高的 过程中我们发现，随着叶轮转速的增高，槽体底部仍 然会有较明显矿砂沉积，如图1 所示，而且液面的翻 花现象也愈发显著。可以看出，仅通过单方面增加 输入转速，难以解决槽体底部矿砂沉积问题，并且在 冰 格 惫 士 籀 图1 槽体底部矿砂沉积 F i g ．1 S e d i m e n ti nt h ec e l l 转速不断增高的同时，液面翻花现象加剧，这也不利 于形成稳定的泡沫层。 1 ．2 石英砂浮选特性分析 石英砂浮选的特殊性主要是其入料粒度粗且粒 级单一，矿粒易从气泡脱落。以本文测试用连云港 东海某石英砂原矿为例，粒级分布见图2 ，其给矿中 粒径 D 卯 为2 3 2 ．2 斗m ，给矿粒级远高于常规机械 搅拌式浮选机给矿一7 4 斗m 占6 0 ％～7 0 ％。粗颗粒 具有粒径大、质量大的特点，在静力学条件下，矿粒 脱落是由于作为脱落力的重力增大的缘故；在湍流 条件下，矿粒质量的增大或者平均脉动速度的增大， 均导致矿粒惯性脱落力的增加。同时，粗颗粒目标 矿物很难在气一液界面上稳定漂浮，即使矿物颗粒 与气泡附着，但气泡已不能以一定的速度将矿粒运 载浮升到液面。另一方面高纯石英砂提纯浮选给料 S i O 含量通常大于9 5 ％，采用反浮选工艺，除去铁等 杂质，产品要求纯度高，矿浆需达到离地悬浮状态， 需要有较强的搅拌区，如矿粒不能有效悬浮，则会出 现矿物沉淀或分层现象，不能使气泡与药剂和目标 杂质矿物充分碰撞矿化，导致杂质矿物留存在底流 精矿中，增加石英砂精矿中的杂质总量，影响精矿 品质。 所以，通过上述的实验室探索及浮选特性分析， 通过常规结构浮选机仅通过加大叶轮转速，无法解 决矿浆沉积问题，特殊设计的反浮选除杂浮选机需 要满足以下几点要求 1 槽体下部要有较强的矿浆循环能力，避免矿 浆沉槽，达到离底悬浮状态； | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |||||||||||||||||||||||| 粒径／恤m含量／％l fI ， 1 0 0 ．0 0 01 1 ．1 2 J l】 2 0 0 ．0 0 04 1 ．9 9 3 0 0 ．0 0 06 3 ．5 5 ／ ， 零 4 0 0 ．0 0 07 6 ．8 l | ＼ 妊 5 0 0 ．O o o 8 5 ．2 6 ， 隶 | 容 6 0 0 ．O o o9 1 ．4 3 器 7 0 0 ．0 0 9 5 ．7 0 |8 0 0 ．0 0 09 8 ．4 l l 1 ．4 rO ．7 9 0 0 ．o o O9 9 ．6 7 J ，． 1 0 0 0 ．o o Ol o o ．0 0 0 ．0 万方数据 1 3 8 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 气机械搅拌式浮选机，其结构特征如图3 所示。 K Y S Y 型浮选机叶轮一定子系统中置，中置的叶轮一 定子系统使叶轮处于一个相对较浅的浸没深度，浸 没深度浅则会相对地使吸气量增大，较大的吸气量 并同时气泡分布均匀稳定，可创造多气泡共同运载 粗粒矿物上浮的有利条件‘3o ，同时，中置的叶轮一定 子系统有效的缩短了运输区距离J ，缩短了粗粒目 标矿物的升浮距离，减小了其脱落概率。 叶轮定子系 循环桶 假底 图3K Y S Y 型浮选机结构特征 F i g ．3 T h eS t r u c t u r a lf e a t u r e so fK Y S Yf l o t a t i o nc e l l 另一方面，假底和导流管的槽体结构设计，可强 制槽内矿浆按图3 所示固定流场在浮选机下部进行 大循环，以避免沉槽，增大底部矿浆的再循环量，使 矿浆多次通过叶轮腔，增大目标杂质矿物在叶轮腔 的矿化概率。增加假底和导流管结构，同时能减小 浮选槽底部的磨损，延长浮选机使用寿命。假底板 的高度以及导流筒的直径须保证足够量的矿浆能通 过假底和槽底之间并通过导流管进行下循环。此种 结构的设计可以很好地保证粗颗粒矿物的悬浮。 2 K Y S Y 型浮选机性能测试与讨论 从上节可以看出，K Y S Y 型自吸气机械搅拌式浮 选机针对高纯石英砂反浮选除杂的工艺要求进行了 特殊设计，本节将通过清水动力学测试对不同转速 条件下的吸气量o 及矿浆条件下深槽取样，通过这 两方面对K Y S F 型4m 3 浮选机试验机型的吸气能力 和矿浆悬浮性能进行测试与评价。 2 ．1 清水动力学测试 通过第2 节的分析得到结论，由于高纯石英砂 反浮选除杂人料粒度粗且粒级单一的特性，需要浮 选机要有较大的吸气量且平稳的气泡分布，以达到 多气泡共同运载粗粒上浮的目的。自吸气浮选机吸 气量及空气分散均匀度影响由叶轮一定子系统结 构、叶轮浸没深度以及叶轮转速决定，我们采用排水 积气法在不同测量点测量，在叶轮浸没深度为10 5 0 m m 条件下，对2 0 7 、2 1 8 、2 3 0 、2 4 2 、2 5 4 、2 6 7r ／m i n 六 个转速变量条件下，对充气量进行了测定，并计算了 相应转速条件下的空气分散度，测量结果见图4 。 图4 不同转速条件下吸气量与空气分散度 F i g ．4I n s p i r a t i o nc a p a c i t ya n da i rd i s p e r s i o n d e g r e ea td i f f e r e n ti m p e l l e rs p e e d 由图4 可以看出，在同一叶轮浸没深度下，随着 转速的升高，吸气量由最低0 ．5 8c m ／s 线性升高至 1 ．3 0c m ／s ，无拐点出现，吸气量升高明显，同时在叶 轮转速逐步升高的这一过程中，空气分散度在3 ．3 ～ 4 ．4 范围内变化，并无出现持续增高或恶化的情况， 说明浮选机吸气量在0 ．5 8 ～1 ．3 0c m ／s 范围内进行 调节时，气泡在槽内分散均匀。 2 ．2 悬浮能力测试 高纯石英砂降杂提纯采用反浮选工艺，产品要 求S i O 纯度高，这就要求了浮选机底部矿浆循环能 力强，矿浆不分层，达到离底悬浮状态，为考察矿浆 的悬浮能力，在浮选机吸气搅拌和不吸气仅搅拌两 个状态下，测定了浮选机内不同深度矿浆层面的浓 度分布和粒级分布情况，采用虹吸法进行测试，在距 溢流堰下方2 5 0 、5 0 0 、7 5 0 、10 0 0 和l2 5 0m m 深处共 5 个矿浆层面采样，取样点如图5 所示，并使用激光 粒度分布仪对每个矿浆层面的粒度进行了分析，分 析结果见图6 、7 、8 。 图6 反映的是在K Y S Y 型4m 3 试验机型距溢流 堰5 个矿浆层面的矿浆浓度分布，可以看出，在距离 溢流堰2 5 0m m 位置，矿浆浓度最低，该位置为泡沫 区与分离区交界处，S i O 在此区域上浮较少，大部分 掉落浮选槽内，多为杂质矿物，这符合反浮选降杂提 纯工艺特征，随着矿浆层面的下移，矿浆浓度逐渐升 高，在2 1 ％～2 5 ％范围波动，在两种测试状态下，均 万方数据 2 0 1 7 年增刊冯天然等高纯石英砂浮选机设计及动力学测试』曼墅 在距离溢流堰7 5 0m m 时，矿浆浓度达到最大值，该 位置位于叶轮强搅拌区，矿浆在此位置循环量大，浓 度高。两种测试状态下，所反映特点一致，矿浆在分 离区和空气混合搅拌区浓度分布较均匀。 4 0 3 0 零 捂 逡2 0 矮 ※ 海l O 图55 个不同矿浆层面 F i g ．5 F i v ed i f f e r e n ts l u r r yl e v e l s 。∥ ／／ 。L 峦矿茹广] 布一。。 距溢流堰距离／m m 图6 不同矿浆层面浓度分布 F i g ．6 C o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no f d i f f e r e n ts l u r r yl e v e l s 图7吸气搅拌条件下粒级分布 F i g ．7 F r a c t i o nd i s t r i b u t i o no ni n s p i r a t i o nc o n d i t i o n 冰 嚣 U 3 0 2 0 1 0 } l2 5 0 m m Pl0 0 0h i m J 一7 5 0 m m 一5 0 0 m m 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 粒级／m m 图8 搅拌条件下粒级分布 F i g ．8 F r a c t i o nd i s t r i b u t i o no ns t i r r i n gc o n d i t i o n 图7 、8 反应的是在两种测试状态下，槽内矿浆 粒度分布情况，可以看出，在仅搅拌不吸气条件下各 矿浆层面粒度分布均匀，没有出现粗细粒分层现象； 在搅拌吸气条件下，距溢流堰5 0 0m m 层面粗颗粒分 布小于其他三个层面，细颗粒分布大于其他三个层 面，在该层面，细粒级杂质矿物持续上浮，粗粒有用 矿物返回槽内，在距溢流堰7 5 0 、10 0 0 、12 5 0m m 矿 浆层面粒度分布均匀。 3结论 K Y S Y 型自吸气浮选机依据高纯石英砂反浮选 提纯降杂的工艺特点进行了全新的结构设计，其叶 轮中置、槽体底部循环筒和假底的设计，使得该浮选 机有较强的吸气能力、较强的底部矿浆循环能力，矿 粒槽内悬浮均匀，有效的解决了石英砂选别易沉槽、 粗粒矿物不易上浮的问题。然而试验机型也暴露出 与矿浆接触部分的材质选择问题，石英砂选别产品 要求纯度高，任何外在的二次污染都会降低产品的 品质，设备的防护及耐磨材质的选择，是该机型工业 化应用需要进一步解决的问题。 参考文献 [ 1 ] 申保磊，郑水林，张殿潮．高纯石英砂发展现状与趋势 [ J ] ．中国非金属矿工业导刊，2 0 1 2 5 4 - 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