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浮选机节能技术研究的新探索 沈政昌卢世杰刘桂芝 摘要以浮选动力学理论和叶轮搅拌、 混合理论为基础， 提出了一种新型结构的浮选 机， 并对其叶轮 定子系统结构形式及参数、 运转参数等对功耗的影响及浮选动力学进行了研 究， 在此基础上， 设计了可有效降低能耗并能满足流体动力学状态要求的半工业样机， 进行清水 试验和半工业带矿试验， 对比试验均取得了较好的效果， 在选别指标略优的情况下， 节能幅度在 “左右。 关键词浮选机； 节能； 研究 中图分类号’文献标识码* 据统计， 全世界有色金属矿物约有 ,采用浮选法回收， 黑色金属矿物则有 ,采用浮选方法， 而浮选作业在选矿厂占 总能耗的 , - ， 因此， 如何降低浮选 能耗， 提高选矿厂经济效益自然引起了普遍 关注。但综观国内外现有浮选设备， 其设计 重点主要放在提高选别指标方面， 尽管也在 不同程度上考虑了节能问题， 但由于未对浮 选机节能进行专门研究， 节能效果还不能满 足工业生产的实际要求。 为此， 本文以浮选动力学理论和叶轮搅 拌、 混合理论为基础， 分析叶轮 定子系统 结构形式及参数、 运转参数等对功耗的影 响， 设计可有效降低能耗并能满足流体动力 学状态要求的浮选机， 在进行了大量浮选动 力学研究的基础上， 设计了半工业规模的浮 选机并进行清水试验和半工业带矿试验。 .总体思路 叶轮 定子系统作为机械式浮选机的 核心， 结构形式的选择是否合理、 几何参数 是否正确直接关系到浮选机的节能效果和 选别性能。目前， 浮选机叶轮可采用的 种 形式包括离心式、 混流式和轴流式等， 轴流 式叶轮又可分为风扇形涡轮、 倾斜平桨叶轮 及螺旋桨型叶轮等 种。为确定节能型叶 轮的基本形式， 分别对竖直叶片、 倾斜叶片、 弯曲叶片的蜗轮型叶轮及螺旋桨型叶轮等 ’ 种形式的叶轮装置进行分析试验， 叶轮结 构如图 . 所示。试验结果表明， 在叶轮直径 相同、 试验条件一致的情况下， 带有垂直直 叶片和垂直弯曲叶片的蜗轮型叶轮能耗最 高， 而带有 个叶片的螺旋桨型叶轮的能耗 最低， 仅为带有 个垂直平叶片的蜗轮型叶 轮能耗的 ./0。 根据试验研究， 螺旋桨型叶轮可作为节 能型浮选机叶轮的基本形式； 为保证在叶轮 区造成足够的压头、 实现自吸空气的功能， 在螺旋桨叶轮的叶片上、 下面设翼片， 其作 用在于当循环矿浆流经翼片时， 在翼片背后 形成负压， 翼片的作用还包括在叶轮区形成 强紊流条件， 保证矿粒与气泡具有较高的碰 撞、 黏附几率； 此外， 为有效实现矿浆导流， 在叶轮上方设导流环。 “ 收稿日期 “,,. , ““ 作者简介 沈政昌 （., ） ， 男， 北京矿冶研究总院教授级高工， 长期从事浮选机研究。北京， .,,,’’ 万方数据 浮选机的基本工作原理为 当叶轮旋转 时， 螺旋叶片完成矿浆循环， 矿浆流经上、 下 翼片时， 在翼片的背部形成负压， 空气则由 叶轮轮毂上的吸气孔进入并被上、 下翼片粉 碎、 切割成为细微气泡， 矿浆和气泡在螺旋 叶片间完成混合、 碰撞及黏附过程， 经定子 稳流定向后矿化颗粒顺利上浮。 叶轮结构参数试验研究 在确定了叶轮的基本结构形式后， 本文 对浮选机进行了浮选动力学研究， 以确定节 能型浮选机叶轮 “ 定子系统的最佳结构参 数。 “试验装置 叶轮形式及参数优化试验装置如图 所示。试验平台浮选槽容积为 ， 槽深 ’ ， 宽度为 *’ ； 上、 下翼片高度均为 ； 叶轮直径与槽体宽度的比值一般为 ’ , ’’， 试验中将叶轮直径设定为 *； 定子采用折角叶片， 可将轴流式叶轮产生切 向矿流转变为径向流， 避免矿浆旋转 （定子 结构见图 ） ； 分别采用交流变频调速器和 功率表对转速 进行调节和记录功耗情况。 图 - 种不同形式的叶轮简图 .竖直叶片蜗轮叶轮； /倾斜叶片蜗轮叶轮； 0弯曲叶片蜗轮叶轮； 1螺旋桨叶轮 图 节能型浮选机叶轮形式及参数优化试验装置示意图 空心轴； 循环筒； 叶轮； -电机； 变频器； *浮选槽； 2定子； 功率表 试验结果及分析 螺旋升角试验研究 分别对螺旋升角为 3、 3、 3、 -3进 行了平行对比试验， 试验结果见表 。 从表 试验结果看出， 螺旋升角为 3 时， 叶轮净功率较小且吸气量较大， 较为理 想。原因在于当叶轮直径一定时， 螺旋升角 大小直接决定叶轮叶片高度， 螺旋升角越 大， 叶片高度相应增大， 叶片旋转时所受到 的正阻力相应增加， 从而使得叶轮排开流体 的净功率增大； 同时随着叶片高度增加， 流 体通过叶轮叶片间的速度和循环量相应增 大； 造成负压增大， 吸气量增加， 使得叶轮区 的空气 “ 流体混合物比重减小， 在一定程度 “ 万方数据 上又降低叶轮旋转功率， 但此功率的减小， 不足以抵消由于叶片高度增大而引起的功 率增加值， 最终表现为叶轮所消耗的净功率 随着螺旋升角增大而增加。需要指出的是， 当螺旋升角偏小时， 虽然叶片高度减小降低 了叶轮排开流体所需的旋转净功率， 但由于 流体循环量的迅速减小又导致吸气量过度 偏小， 无法满足浮选作业的吸气量要求。 图 定子结构简图 综合上述分析， 螺旋升角为 “的情况 较为理想， 可以用此参数进行后续试验。 “““上、 下翼片高度试验研究 在螺旋升角优化试验中， 即便当叶轮转 速最 高 （’’ *,） 时， 吸 气 量 也 仅 在 ’- **“ *,左右， 不能满足浮选作业的 吸气量要求 （’ . “ **“ *,） 。而正如 前所述， 上、 下翼片的作用在于在叶轮区造 成足够的压头、 自吸空气， 因此必须适当增 大翼片高度以增加负压， 提高吸气量。为 此， 对翼片高度进行探索试验。文中， 分别 对上、 下翼片高度为 ’、 /、 0、 ’’ ** 进 行了平行对比试验， 结果见表 “、 表 。 表 螺旋升角比较试验结果 叶轮转速 （ *,1 ） ’’’’’“’’’’2’’’’ 功率 3 ““-“-’“22-“/0“-’“0- ““2/-“2’“/4’“0-’“’’4’ “/’“24-“//’“0“-“4/’“4/ 2“2’“-’“/2-“0’“4’“40’ 吸气量 （* * 1 “ *,1 ） ’“““’0’2’04’24“/’//’-/ “’2-0’2“0’22-’/0’’-22’-0/“ ’-’22’’//’4--’42’/-20 2’-’2’/’’2““’2-40’/0’/2/- 表 “ 不同上翼片高度对叶轮净功率及吸气量影响情况试验结果 叶轮转速 （ *,1 ） ’’’’’“’’’’2’’’’ 功率 3 ’**“““22“2“-’4“04“4-’ /**“2/-“2’“/4’“0-’“’’4’ 0**“0’“/’“-’“44’’-’ ’’**“/2’“/’“-’“4’0’-’ 吸气量 （* * 1 “ *,1 ） ’**’“-’““’22-’20’’-’“- /**’2-0’2“0’22-’/0’’-22’-0/“ 0**’20“’/0“’-0’0“’0000’42“’ ’’**’422’//0’-““-’02/’0“/’40“ 表 不同下翼片高度对叶轮净功率及吸气量影响情况试验结果 叶轮转速 （ *,1 ） ’’’’’“’’’’2’’’’ 功率 3 ’**“2/“00“/’“-“0“’“4’ /**“2/-“2’“/4’“0-’“’’4’ 0**““-“-’-“40-’2’’4- ’’**“/-“/0-“0’-“00’’- 吸气量 （* * 1 “ *,1 ） ’**’“-’2-’-2/’24’’204’2- /**’2-0’2“0’22-’/0’’-22’-0/“ 0**’“4’/’-4’/0’-4-’04 ’’**’4“’20’/“’4’/4“/’0/’042 “ 万方数据 通过前面的分析， 上、 下翼片的作用基 本相同。流经翼片的流体遇到翼片阻挡， 分 为两股， 一部分通过翼片继续原流动方向流 动， 而另一部分则顺着翼片沿径向排出。从 表 、 表 “ 试验结果可见， 随着翼片高度增 加， 叶轮功率及吸气量均呈现增大趋势， 但 当翼 片 高 度 增 加 到 一 定 值（如 、 ’’ ） 后， 吸气量增加趋势减缓而功率呈 显著增大趋势， 因此， 必须确定吸气量和叶 轮净功率的最佳匹配点， 由表 、 表 “ 结果 可以判断， 上、 下翼片高度的 最 佳 值 在 “ 左右。 “导流环参数试验研究 导流环的作用在于规范流体流动通道， 使流体能最大限度地通过叶轮区。这里对 导流环的作用进行了定性分析试验， 试验结 果见表 *。 表 * 导流环作用定性试验结果 叶轮转速 （, -./ ） ’’’’’’’“’’*’’’’ 有导流环 功率0 *1*’2’1““’’“’2’ 吸气量 （“ / -./ ） ’“*’*’*’’1*’1 无导流环 功率0 “’’*’’1’’’’ 吸气量 （“ / -./ ） ’1*’2’““’““’*“’ 由表 * 试验结果可见， 导流环对于叶轮 功率和吸气能力的影响十分显著。尽管无 导流环时功率很小， 但吸气能力呈急剧下降 趋势， 不能满足浮选作业的选别要求。 *叶轮转速试验研究 在完成了叶轮螺旋升角、 上下翼片高 度、 导流环作用的优化试验研究后， 以上述 叶轮为基础， 进行运转参数的优化试验。试 验结果整理后， 在不同转速下单位吸气量所 需叶轮净功率如表 所示。 表 单位吸气量所需叶轮净功率与叶轮转速关系 转速 （, -./ ）’’’’’’’“’’*’’’’ 叶轮净功率吸气量 〔0 （“ / -./） 〕 ***’1“*“*“*““ 由试验结果可见， 随着叶轮转速增加， 单位吸气量的叶轮净功率减小。需要注意 的是， 当叶轮转速过度增高 （“’’、 *’’、 ’’,-.） 时， 单位吸气量的叶轮净功率减 小趋势变缓， 而另一方面叶轮线速度随转速 成正比增加， 导致磨损情况加剧。因此， 在 半工业规模或工业样机设计时， 在达到浮选 作业吸气量要求的前提下， 须在单位吸气量 的叶轮净功率减小趋势曲线的拐点附近 选择合理的转速 （本试验拐点为 ’’ , -.） 。 “实验室型浮选机主要结构参数 通过对实验室型节能浮选机结构形式 及参数的浮选动力学研究， 积累了设计节能 型浮选机的大量资料， 实验室型 3 浮选机 主要技术参数如表 所示。 “半工业样机设计及试验研究 “半工业样机设计 表 实验室型浮选机主要结构参数 参数数值 槽体尺寸 （长 4 宽 4 高） ’ 4 ’ 4 “’ 叶轮 直径 叶片数量* 螺旋升角 5 翼片高度 “ 有导流环 定子内径 ’ 在确定实验室型浮选机主要结构参数 后， 进一步探讨节能型浮选机的浮选动力学 特性以作为放大设计的依据， 首先设计了容 积为 ’“的半工业型浮选机， 设计根据 相同形式浮选机须满足流体动力学相似条 万方数据 件的原则， 即几何相似、 运动相似和动力相 似原理， 保证弗鲁德准数相等。 “半工业规模样机清水对比试验 在确定了半工业规模节能型浮选机样 机的基本结构参数后， 与 “ ’型机械 搅拌式浮选机进行了清水平行对比试验， 分 别利用前述的交流变频调速器和功率表对 转速进行调节和记录功耗情况， 试验结果如 表 所示。 表 节能型浮选机与 “ 型浮选机清水对比试验结果 叶轮线速度 （* ） ,’-’.’./.’0 节能型 浮选机 水深功率 12,-20,’2’’,...0 ,’**吸气量 （*2 * / *34 ） ’-’00.2/2.--/ 水深功率12..,,,-’,..2- ’**吸气量 （*2 * / *34 ） ’//’’-.’00-/’,/2-0 水深功率12-,/0,0/’/’.’’/. ’’**吸气量 （*2 * / *34 ） ,/2../2.’.--.’-’-- “ 型 浮选机 水深功率 1’..2. ,’**吸气量 （*2 * / *34 ） /.-. 水深功率1..’/-, ’**吸气量 （*2 * / *34 ） ,02,’/’ 水深功率1.,-2’’--/ ’’**吸气量 （*2 * / *34 ） 200’0,.0.-’ 以浮选作业要求正常吸气量 *2*/ *34 的情况对比， 节能型浮选机能耗平均比 “ 型浮选机低 25左右， 效果比较理想。 半工业规模样机矿浆对比试验 22矿石性质 对比试验所用矿石为铜矿石， 属于硫化 多金属矿类型。带矿试验给矿粒度如表 - 所示。 表 - 给矿粒度组成 粒级*6 , , 6 ,2 ,2 6 ’ ’合计 产率 5/,-,/2. ,00.. 22/试验结果及分析 22/浮选机能耗情况对比 在半工业规模试验中， 节能型浮选机与 “ ’ 型机械搅拌式浮选机实耗功率对 比情况如表 0 所示。 表 0 实耗功率对比结果 浮选机安装功率71实耗功率71 节能型浮选机/’ “ ’ 型浮选机 0’ 节能型浮选机比 “ ’ 型浮选机节 省功耗 /2.-5， 节能效果明显。 22//浮选机选别指标对比 半工业规模节能型浮选机与 “ ’ 型机械搅拌式浮选机平行对比试验累计结 果见表 。 表 节能型浮选机与 “ ’ 型机械搅 拌式浮选机对比试验结果 5 浮选机 类型 原矿铜 品位 精矿铜 品位 尾矿铜 品位 回收率 节能型 浮选机 /’.-, “ ’ 型 浮选机 /’,.2-./ 由试验结果可见， 节能型浮选机无论在精 矿品位还是在回收率方面均优于 “ ’型 机械搅拌式浮选机， 选别指标较为理想。 ,结语 通过对叶轮搅拌以及混合理论等进行研 究， 经过大量的试验进行分析比较， 确定了节 能型浮选机的总体结构， 提出了一种新型节 能浮选机， 半工业样机的清水对比试验和带 矿半工业对比试验均取得了较好的效果。 本研究对浮选机的节能进行了有益的 探索， 为进一步降低选矿厂的浮选作业能耗 提供了新的技术思路。 万方数据