泡沫分选机的研究.pdf

3 8 有色金属 选矿部分2 0 0 7 年第3 期 张建一”，张文明1 ，潘鑫2 ，陈东2 1 ．北京科技大学土木与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 32 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要根据泡沫分选的特点，针对粗颗粒选别环境设计了新型的泡沫分选机试验系统，通过浮选动力学的清水 对比试验研究，找到了最优的气泡发生器。同时在安徽铜陵冬瓜山铜矿选矿厂进行了矿浆试验，对于粗颗粒而言，泡沫 分选装置系统的选别能力要优于J J F - 1 3 0 型浮选机。矿浆试验证明，泡沫分选机系统在粗颗粒矿物选别方面具有很好的 发展前景，值得进一步研究。 关键词浮选；粗颗粒；泡沫层；微孔气泡发生器 中图分类号T D 4 6 5 文献标识码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 0 7 0 3 - 0 0 3 8 - 0 5 j ‘ ，’ 浮选设备要求适宜的入选粒度，工业生产中的 最佳粒度一般都分布在0 ．0 1 ～0 ．1 m m 之间[ 1 ’2 - 3 一，但 不同矿物种类的浮选入选的最佳粒度范围有很大的 差异。如锡石的最佳浮选粒度范围为0 ．0 0 3 0 ．0 2 m m ，石英为0 ．0 1 0 ．0 4 m m ，萤石为O ．0 5 ～0 ．1 5 r a m 【5 ，司。粒度超过最佳范围的为粗粒，低于最佳范围的 为细粒。当矿物入选粒度超过最佳范围时，目的矿物 的浮选分离工艺指标将会恶化。在研究粗颗粒浮选 的过程中，前苏联于2 0 世纪7 0 年代就提出了泡沫 相分离的概念。其原理就是将调好的矿浆给到厚度 为1 5 0 ～1 0 0 0 m m 的泡沫层顶部，疏水性比较强的矿 物颗粒与气泡接触形成矿化气泡滞留在泡沫层上 部，随着泡沫层的运动作为泡沫产品排出，而疏水性 比较差的矿物和亲水的脉石颗粒将被清洗水清洗到 矿浆中，最后作为尾矿排出。 随着矿物不断地被开采，我国许多矿产资源贫 化程度加剧，有用矿物分布越来越细和越来越杂，这 对矿物浮选工艺和设备提出了更高的要求。首先，如 果能够提高最佳浮选粒度上限采用粗磨条件下进行 一次性抛尾，对选出的连生体矿物细磨至单体解离 后再选别回收有价金属，将会大大降低磨矿成本，不 仅可以提高资源的利用率，同时还可以减少能源消 耗，降低选矿成本，达到最佳的技术经济指标。其次， 为了满足其它选矿工艺的粒度要求，也要求提高浮 选粒度上限，如重选厂的浮选脱硫，它需要在粗磨条 件下进行，因为磨矿粒度太细会严重恶化目的矿物 的重选指标，所以对重选前要进行脱硫的矿物也有 重要意义；再次，对于矿物嵌布粒度较粗的矿石，如 果提高最佳人选矿物的粒度上限，使之在较粗的磨 ‘收稿日期2 0 0 7 - - 0 2 0 5 作者简介张建一 1 9 7 9 一 ，男，河北吴桥人，硕士。 矿条件下浮选，则既可以降低磨矿功耗，减少选矿成 本，又可以防止矿石过粉碎而造成金属流失，而且可 以提高精矿脱水效率；第四，粗粒浮选还可以降低捕 收剂的用量[ 7 ] 。由此可见，研究粗颗粒矿物的浮选 原理及设备，有着重大的社会及经济意义。 1泡沫分选设备试验系统的建立 泡沫分选设备试验系统结构如图1 所示，主要包 括以下几个部分气源部分、矿浆预处理部分、选别设 备部分和液位控制部分。主槽体选用的是长方体型槽 体，气泡发生器选用的是塑料微孑L 气泡发生器。 4 图1 试验系统示意图 F i g1E x p e r i m e n ts y s t e m l 一空气压缩机；2 - 球阀；3 - 玻璃转子流量计；4 - 搅拌桶； 5 一球阀；6 - 尾矿箱；7 - 给矿槽；8 一分选设备；9 - 溢流堰； 1 0 一气泡发生器；1 1 一尾矿管；1 2 一设备支架； 1 3 一液位调节支架 万方数据 2 0 0 7 年第3 期张建一等泡沫分选机的研究 3 9 该系统工作过程如下首先开启空气压缩机l ， 使其供气压力稳定在一定的数值范围之内，然后打 开球阀2 和5 ，给气泡发生器1 0 充气，然后向设备 8 中加入一定量的水，水面在气泡发生器上方大约 3 0 m m 左右，向水中加入起泡剂，此时就会有大量的 泡沫产生，泡沫层厚度和高度不断增加，最后到达设 备的溢流堰部分，整个选别系统的准备工作就绪。将 药剂和矿浆加入搅拌桶4 中，搅拌均匀后，给入到给 矿装置7 中，矿浆经过给矿装置7 给人到分选设备 中的泡沫层表面，疏水性的矿物颗粒被泡沫捕收并 随着泡沫的运动从溢流堰9 排出。亲水性的矿物和 脉石颗粒则会透过泡沫层进入到下面的矿浆之中。 最后通过尾矿箱6 经由尾矿管1 1 排出。在工作的过 程中，可以根据玻璃转子流量计3 的气体流量示数， 调节球阀2 改变设备充气量的大小，同时可以通过 液位调节支架1 3 来调节尾矿箱的高度，改变尾矿箱 和分选设备的液面高度差，控制尾矿流出的速度，从 而达到控制分选设备中液位的目的，维护整个系统 的平稳运转。 2 浮选动力学试验 气泡发生器作为泡沫分选机的核心部件，其工 作性能的好坏影响了整个设备的性能。为了更好地 考察不同气泡发生器的性能，在清水条件下比较研究 了8 种不同规格的气泡发生器，管径分为2 0 、3 0 m m 两种，微孔孔径分为2 0 、3 0 、4 0 、5 0 1 - L m 四种，在充气 量分别为O ．0 3 、0 ．0 5 、0 ．0 7 、0 ．0 9 m 3 ／m i n 的四种不同条 件下对每一个充气器进行了试验。以充气量和空气 分散度两个重要浮选动力学参数作为评价标准。 2 ．1 空气分散度与充气压力的关系 不同压力下2 0 m m 外径气泡发生器的充气量和 空气分散度的测量数据汇总见表1 。 表12 0 m m 外径空气分散度 T a b1T h ea i rd i s p e r s i o nr e s u l to f2 0 r a mo u t s i d ed i a m e t e r 压力／M P a0 ．0 4 1O ．0 4 50 ．0 4 9 微孔径充气量 ／“m一m m - 1 2 00 ．4 2 3 0 0 ．4 9 4 00 ．6 9 5 0 0 ．5 8 空气充气量空气充气量空气 分散度／ , n s m h - 1 分散度／ m 3 m h 4 分散度 1 2 ．1 61 ．2 55 ．4 41 ．4 73 ．3 9 7 ．9 4 1 ．0 5 1 0 ．1 51 ．4 22 ．6 7 5 ．2 51 ．1 03 ．8 41 ．4 95 ．7 0 9 ．4 91 ．0 38 ．5 41 ．2 53 ．7 7 根据表1 中的数据，2 0 m m 外径气泡发生器的 空气分散度随着充气压力变化的趋势如图2 所示。 不同压力下3 0 m m 外径气泡发生器的充气量和 空气分散度的测量数据汇总见表2 。 0 ．0 4 0 0 ．0 4 2 0 ．0 4 40 ．0 4 6O ．0 4 8 0 ．0 5 0 o ．0 5 Z 0 ．0 5 4 充气压力／M P a 图22 0 m m 外径气泡发生器的充气量和空气分散 度关系 F i g2 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na i ra m o u n ta n da i r d i s p e r s i o no f2 0 m mo u t s i d ed i a m e t e r 孔径1 - 2 0 p e r a ；2 - 3 0 p , m ；3 - - 4 0 p , m ；4 - - 5 0 1 x m 表23 0 m m 外径空气分散度 T ＆b2T h ea i rd i s p e r s i o nr e s u l to f3 0 r a mo u t s i d ed i a m e t e r 票荔麓 。删删s。．㈣ 微孔径 充气量空气充气量空气充气量空气 ／l * m ／ 一m i n ‘ 分散度一m 缸4 分散度K 一n m - I 分散度 2 0O ．6 91 0 ．6 91 ．0 65 ．8 41 ．4 25 ．7 7 3 00 ．4 41 0 ．6 20 ．9 96 ．8 1 1 ．2 2 2 ．7 1 4 00 ．7 66 ．5 71 ．1 14 ．5 91 ．4 43 ．0 6 5 00 ．6 57 ．1 01 ．1 34 ．1 11 ．2 54 ．8 4 根据表2 中的数据，3 0 r a m 外径气泡发生器的 空气分散度随着充气压力变化的趋势如图3 所示。 充气压力棚P a 图33 0 m m 外径气泡发生器的充气量和空气分散 度关系 F i g2 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na i ra m o u n ta n da i r d i s p e r s i o no f3 0 m mo u t s i d ed i a m e t e r 孔径1 - 2 0 1 x m ；2 - 3 0 p , m ；3 - 4 0 斗m ；4 - - 5 0 p , m 从图2 和图3 可以看出，对于不同规格的气泡 发生器来说，当充气压力从0 ．0 4 1M P a 增加到0 ．0 5 3 M P a 时，槽体中的空气分散度呈下降趋势。主要原因 是当充气压力上升时，气泡发生器的充气量不断地 万方数据 4 0 有色金属 选矿部分2 0 0 7 年第3 期 增大，导致气泡发生器正上方聚集了大量气泡上浮， 从而在气泡发生器正上方产生一股上升流，气泡在 这股上升流中的上升速度远远大于在其它位置的上 升速度，最终导致气泡发生器产生的气泡还没有来 得及分散开来就已经上浮到水面上，从而引起空气 分散度的降低。 2 ．2 气泡大小与充气压力的关系 对于不同规格的充气器来说，随着充气压力和 充气量的上升，气泡大小并没有明显的变化，气泡的 直径主要分布在3 5 r a m 之间，如图4 所示。 图4 气泡拍摄照片 F i g4 T h ep h o t o g r a p ho fa i rb u b b l e 2 ．3 泡沫驻留时间与充气压力的关系 泡沫驻留时间的平均测量数据见表3 ，从表中 的数据可以看出，随着气泡发生器微孔孔径的增大， 泡沫驻留时间逐渐缩短，这主要是因为对管径相同 的气泡发生器来说，在一定的充气压力下，随着微孔 孔径的逐渐增大，充气量也慢慢增大，气泡上升的速 度加快，从而引起泡沫驻留时间的减少，但是差别不 是很大，泡沫驻留时间基本上在5 7 8 之间。 表3泡沫平均驻留时间 T a b3T h ea v e r a g er e s i d e n c et i m eo ff r o t h 微孔孔径，岬 2 03 0 4 05 0 泡沫驻外径2 0 m m 6 ．9 16 ．2 56 ．5 75 ．5 9 留时f 曰，8 外径3 0 r a m6 ．1 35 ．8 25 ．4 35 ．0 7 通过对八种不同规格的充气器在不同压力和不 同充气量条件下的测量和研究，得到以下结论 1 随着充气压力和充气量的增加，分选设备中 的空气分散度呈下降趋势； 2 充气压力和充气量的变化对气泡直径的影响 并不大，绝大多数气泡的直径分布在3 ～5 m m 之间； 3 充气压力和充气量的变化对泡沫驻留时间 的影响并不大，泡沫驻留时间随着充气量和充气压 力的增加缓慢地增加，总的来说驻留时间在在5 ～7 s 之间； 4 充气压力和充气量的变化对泡沫层的稳定 性影响最大，当充气压力达到0 ．0 5 3 M P a 的时候， 水面都出现了不同程度的翻花现象，泡沫层开始 出现不同程度的波动，这种情况在使用所有规格 的气泡发生器时都存在，而且此时的空气分散度同 其它几个充气压力下的数值相比也降到了最低。 综合以上因素，最终确定选用外径2 0 m m 微孔 2 0 1 山m 的气泡发生器，充气压力为0 ．0 4 1 M P a 左右。 3 矿浆试验 3 ．1 矿石性质 矿浆试验在铜陵有色金属 集团 公司冬瓜山选 矿厂进行。冬瓜山铜矿矿石为热液蚀变强烈的变质 原生硫化铜矿，主要金属矿物有黄铜矿、黄铁矿、磁 黄铁矿及磁铁矿等。主要脉石矿物有石榴石、石英、 滑石、蛇纹石及粒硅镁石等。其中含铜磁黄铁矿滑石 蛇纹石类型位于矿体下部，属难选类型，其分布率约 占总矿石量的3 0 ％左右。 矿石的构造主要有块状构造、浸染状构造、条带 状构造与脉状构造。黄铜矿常呈粒状浸染在脉石或 嵌布在黄铁矿、磁黄铁矿、磁铁矿与脉石颗粒的间隙 或裂隙中，并常被片状脉石所穿切，与脉石共生伴生 关系密切。 矿石以中、细粒嵌布为主，嵌布极不均匀。黄铁 矿嵌布粒度相对比较粗。磁铁矿与磁黄铁矿嵌布粒 度较细，矿石属细粒嵌布的多金属矿，要求细磨才能 充分解离。 3 ．2 矿浆来源和矿浆粒度组成 本试验采用正浮选的方法，泡沫为精矿，目的矿 物为铜。试验在半自磨溢流段进行。试验设备的给料 来自半自磨机的溢流，溢流矿浆的矿物颗粒各个粒 级的含量见表4 。 从表4 中可以看出，溢流矿浆中大于0 ．0 7 m m 的颗粒含量几乎占矿物总重的6 0 ％，另外矿浆中含 有大量粒度超过5 m m 的大颗粒，试验中为了防止尾 矿排放系统的堵塞，保证试验的顺利进行，取样的时 候在取样桶上面覆盖了一片孔径为5 m m 的筛网，将 粒度超过5 r a m 的大颗粒过滤掉了。 3 ．3 结果对比及数据分析 下面选取了比较有代表性的两次试验数据，就 泡沫产品中目的矿物在各个粒度级别的含量与J J F 一 1 3 0 型浮选机进行对比，对比数据见表5 。 在 o ．0 4 - 0 ．2 8 m m 的粗颗粒粒度范围内，从精矿 粒级重量百分含量的角度进行比较，泡沫分选装置 的两次试验数据同J J F 一1 3 0 型浮选机的选别结果相 万方数据 2 0 0 7 年第3 期’张建一等泡沫分选机的研究 4 1 ’表4半自磨机溢流矿浆粒度组成 T a b4T h ec o m p o s i t i o no fg r a i ns i z ei na u t a g e n o u sn 卜 t a b l i n gm i l lo v e r f l o w i n g 序号粒度／r a m重量，g重量百分比，％重量累积百分比伤 l1 6 ．0 0 21 4 ．0 0 8 ．2 0 O ．5 lO ．5 l 3 圪0 0 2 ．8 00 ．1 70 ．6 8 41 0 ．0 0 ＼2 5 ．7 01 ．5 82 ．2 6 58 ．0 02 2 ．4 01 ．3 83 ．6 4 66 ．∞ 2 6 ．5 0 1 ．6 3 5 ．2 7 73 ．0 07 5 ．6 04 ．6 69 ．9 3 81 ．6 03 7 ．6 02 ．3 21 2 ．2 5 90 ．9 07 0 ．7 04 ．3 61 6 ．6 1 1 0O ．6 05 3 ．9 0 3 ．3 21 9 ．9 3 1 1 0 ．4 5 6 9 ．3 0 4 ．2 7 2 4 ．2 0 1 20 ．2 81 2 7 ．7 07 ．8 73 2 ．0 7 1 3O ．2 01 0 0 ．1 06 ．1 73 8 ．2 4 1 40 ．1 5 1 0 0 ．6 0 6 ．2 04 4 ．4 4 1 5 0 ．1 3 6 8 ．4 0 4 ．2 14 8 ．6 5 1 60 ．0 91 2 2 ．3 07 ．5 35 6 ．1 8 1 70 ．0 74 1 ．1 02 ．5 35 8 ．7 1 1 80 ．0 58 8 ．2 0 ．5 ．4 36 4 ．1 4 1 9 0 ．0 4 6 5 ．4 0 4 ．0 36 8 ．1 7 2 0 0 ．0 45 1 6 ．9 03 1 ．8 31 0 0 矿样取自半自磨排矿，矿浆浓度8 1 ．6 8 ％，总重1 6 2 3 ．4 s 比较的关系如图5 所示。 两次泡沫分选出来的精矿产品和冬瓜山铜矿铜 硫分离作业流程段J J F _ 1 3 0 型浮选机的浮选结果相 比主要有以下差别 1 就总体情况而言，泡沫分选机的精矿品位还 不能和J J F 一1 3 0 型浮选机相比，这主要是因为半自 磨溢流的矿浆后来又经过了两段磨矿，矿石中的铜 矿物单体解离的程度大大增加，因此泡沫产品的品 位会随之升高。另外泡沫分选机在进行分选之前的 矿浆准备作业中没有添加抑制剂和p H 值调整剂， 表5 T a b5 颗粒粒度，n l m 图5 粒级含量对比 F i g5 T h ec o n t r a s ti nc o m p o s i t i o no fg r a d e l 一试验1 ；2 - 试验2 ；3 - J J F - 1 3 0 浮选出来的泡沫产品为滑石、黄铁矿、黄铜矿的混合 物，而且滑石和黄铁矿的天然可浮性要好于黄铜矿， 所以会造成精矿产品中铜的品位很低。这种情况在 0 ．2 0 0 ．4 5 r a m 的粒度范围内表现的最为明显，甚至 一度出现了精矿中铜的品位低于原矿的情况。而在 0 ．0 4 0 ．0 7 m m 的粒度范围内，泡沫分选机的品位要 略好于J J F 一1 3 0 型浮选机。 2 泡沫分选机的给料粒度远远大于J J F - 1 3 0 型 浮选机的给料粒度，后者的给料粒度主要集中在 一0 ．0 4 m m ，而前者一0 ．0 4 m m 级别的粒度分别只占给 矿总重的4 1 ．1 3 ％和3 0 ．4 ％，远远小于后者的8 5 ．9 ％。 在4 - 0 ．1 3 m m 的粗颗粒级别，泡沫分选机的给矿量几 乎达到给矿总量的一半左右，而J J F 一1 3 0 型浮选机 在这个粒度级别没有给料。 3 从图2 我们可以看出，在 0 ．0 4 0 ．2 8 m m 的 粒度范围内，泡沫分选机对粗颗粒的捕收能力要远 远强于J J F 一1 3 0 型浮选机，尤其是在0 ．0 7 r a m 和 0 ．0 9 m m 两个粗颗粒粒度级别上，泡沫分选机的捕收 能力表现的更为明显。 试验结果对比 T h er e s u l t o fe x p e r i m e n t a ld e v i c ec o n t r a s tf l o t a t i o nm a c h i n eJ J F - 13 0 万方数据 4 2 有色金属 选矿部分 2 0 0 7 年第3 期 4 结论 泡沫分选机采用的是向泡沫层直接给料的方 式，泡沫中空气一水界面面积大，疏水矿粒可以与大 量密集的气泡充分地长时间地接触，而且矿粒在泡 沫层中可附着在几个气泡上，而在浮选机矿浆中矿 粒一般只能附着在一个气泡上，相比之下润湿周边 大得多；另外由于设备本身没有叶轮等运转部件，矿 浆不会产生湍流脉动，泡沫层的稳定性大大提高，在 这样的条件下，粗颗粒矿物的捕收变得相对比较容 易。在冬瓜山选矿厂进行的试验结果证明了泡沫分 选机在粗颗粒矿物选别中的优势。由于粗颗粒分选 在节能降耗、提高选矿厂生产能力等方面具有重要 的意义，因此，泡沫分选法值得进行深入的研究。 参考文献 [ 1 ] 梁殿印，吴建明，沈政昌，等．矿物加工设备新进展[ J ] ． 矿冶，2 0 0 2 7 6 0 7 4 ． [ 2 ] 刘惠林，刘振春，王勇，等．粗颗粒浮选机的研制和应用 [ J ] ．矿冶，1 9 9 8 6 5 8 6 2 ． [ 3 ] D ．T a o ．R o l eo fb u b b l es i z ei nr i o t a f i o no fe o a l ea n d f i n ep a r t i c l e s [ J ] ．S e p a r a t i o nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ， 2 0 0 4 4 7 4 1 7 6 0 ． [ 4 ] R ．一H ．Y o o n ．T h er o l eo fh y d r o d y n a m i ca n ds u r f a c ef o r c e s i nb u b b l e p a r t i c l ei n t e r a c t i o n [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f M i n e r a lP r o c e s s i n g ，2 0 0 0 2 1 2 9 - 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