我国超大型浮选机技术的研发与应用.pdf

第3 4 卷 2 0 1 4 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N Dh Ⅱ门■- L f L U R G I C A LE N G n E E R I N G V 0 1 ．3 4 A u g u s t2 0 1 4 我国超大型浮选机技术的研发与应用① 沈政昌，米建国，陈东 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要分析了现代矿业发展对超大型浮选机的技术需求，介绍了国内外超大型浮选机技术的发展现状；论述了我国超大型浮选 机技术的特点，阐述了我国超大型浮选机技术的发展历程与关键技术；概述了C F D 技术应用于超大型浮选机技术的设计研发近况； 最后介绍了我国超大型浮选机技术的应用情况，阐明了我国今后超大型浮选机技术的发展与研究方向。 关键词超大型；浮选机；研发；应用 中图分类号T D 4 5 6文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 8 ．0 0 4 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 4 0 8 0 0 1 6 0 4 随着建设“资源节约型、环境友好型”社会的推 进，提高资源综合利用率，实现“低消耗、低排放、高效 率”已经成为未来矿产资源开发的核心。我国铜、铁、 铝、镍、钨、锡等大宗主要金属矿山普遍面临贫、杂、细 以及资源不断枯竭的严峻局面，而我国综合利用的矿 种只占已开发利用矿种总数的5 0 ％左右，对共生、伴 生矿进行综合开发的只占1 ／3 。因此，利用大型高效 节能选矿技术装备对复杂矿、贫矿、难处理等矿产资源 大规模综合开发利用已迫在眉睫。当前在研的最大浮 选机单槽容积已达6 0 0m 3 ，而单槽容积大于1 0 0m 3 浮 选设备近年来已经大量进入工业应用，并且效果显 著【lJ 。大型及超大型浮选机的浮选流程能够有效降 低能耗、减少选矿厂占地面积、简化操作管理和减少维 护成本。因此，研制开发和应用超大型高效节能选矿 设备对我国数量丰富的复杂难处理资源的大规模开发 和综合利用具有极其重要的意义。 1 超大型浮选机技术的发展现状 国内外公司正在研发大型化、高效化、多样化和自 动化的浮选装备，现已用于生产实践的浮选机单槽容 积达到3 2 0m 3 。目前国际上有代表性的浮选机有 O u t o t e c 公司O K T a n k C e l l 型浮选机、F L s m i d 山公司 W e m c o 浮选机和D o r r O l i v e r 浮选机、M e t s o 公司 R S C T M R e a c t o rC e l lS y s t e m 浮选机，俄罗斯国立有色 金属研究所中Ⅱ型浮选机，北京矿冶研究总院 B G R I M M X C F ／K Y F I I 型浮选机和J J F I I 型浮选机 等‘2 1 。 从2 0 世纪4 0 年代开始，浮选机开始朝着大型化 发展，特别是近3 0 年，浮选机容积至少增大了l O 倍， 比2 0 世纪4 0 年代增大了1 0 0 倍。浮选机大型化经历 了相当长的一段发展时期，历年浮选机单槽容积变化 见图1 。 年份 图l浮选机单槽容积开发历程 从图1 可以看出，在2 0 世纪相当长的一段时间 内，浮选机大型化发展速度缓慢，进入2 0 0 0 年后，浮选 机大型化发展迅速。目前，单槽容积大于3 0 0m 3 浮选 机已在国内外多个选矿厂安装应用。如2 0 0 9 年，中铝 秘鲁T o r o m o c h 项目采购了B G R I M M 公司生产的2 8 台 3 2 0m 3 浮选机。2 0 0 9 年F L S m i d t h 生产的两台 S u p e r C e U s T M 一3 0 0 在美国K e n n e c o t tC o p p e r t o n 选矿厂 进行了工业试验，并成功应用在铜钼混浮流程。2 0 1 3 年，中国黄金乌山二期安装了B G R I M M 公司生产的1 6 台3 2 0m 3 浮选机也已正式投入生产一』。 2 我国超大型浮选机技术的特点 北京矿冶研究总院作为我国浮选设备的引领者， 在浮选机大型化方面做出了杰出的贡献，2 0 0 8 年底成 功研制的K Y F 一3 2 0 充气机械搅拌式浮选机，容积达 ①收稿日期2 0 1 4 - 0 7 - 0 1 作者简介沈政昌 1 9 6 0 一 ，男，江苏常熟人，教授级高级工程师，博士，主要从事浮选设备的设计、优化等方面研究。 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月沈政昌等我国超大型浮选机技术的研发与应用 3 2 0m 3 ，是目前世界上投入生产应用的单槽容积最大 的浮选机，单台浮选机的铜富集比可达2 0 ，硫富集比 可达7 0 ，单机功耗1 6 0k W 。 K Y F 超大型浮选机结构图如图2 所示。主要特 点在于独特的叶轮．定子结构形式，叶轮采用高比转 数后倾叶片，大循环量低压头，矿浆悬浮充分，矿粒分 布均匀；低阻尼直悬式定子，径向矿流平稳；创新的双 泡沫槽、双推泡锥槽体结构，内泡沫槽兼有推送泡沫功 能，保证浮选泡沫及时顺利排出，有利于缩短泡沫输送 距离及增加泡沫厚度，泡沫层稳定；预分配定向流动空 气分配器，空气分散均匀，充气矿浆混合物流动路线合 理，气泡表面积大，浮选效率高。 图超大型浮选机结构 3 我国超大型浮选机技术的研发 北京矿冶研究总院于2 0 0 0 年研制成功我国第一 台具有自主知识产权的大型浮选设备K Y F - 5 0 型 充气机械搅拌式浮选机，开始在国内外的大中型矿山 获得广泛应用，为超大型浮选机技术的开发奠定了基 础。2 0 0 5 年研制成功了我国第一台超大型K Y F ．1 6 0 型浮选机，开启了我国超大型浮选机技术篇章。2 0 0 7 年研制成功了K Y F 一2 0 0 浮选机，目前已在江铜集团大 山选矿厂成功应用，这标志着我国大型浮选设备的研 制无论是单槽容积还是选别性能上均达到了国际先进 水平。2 0 0 8 年底进一步研制成功了当时世界上单槽 容积最大的超大型浮选机K Y F - 3 2 0 型浮选机，标 志我国的浮选设备技术已达到国际领先水平。 针对浮选机大型化过程中普遍存在的粗粒矿物回 收率低、细粒矿物回收效果差、短路概率高、泡沫输送 慢等世界性难题，历经十年努力，对大型、超大型浮选 机的矿化理论、设计技术、设备结构及工程化应用进行 了研发和技术创新。 3 ．1 设计原则 北京矿冶研究总院作在浮选动力学理论研究及实 践应用的基础上，通过探索超大型浮选机流体动力学 的特殊规律，确定了浮选机内部各粒级矿物与气泡的 碰撞、粘附、脱落过程及影响这些过程的原因，并据此 提出了K Y F 系列超大型浮选设备的设计原则M J ①保证浮选槽内能充人足量空气，使空气在矿浆中充 分地分散成大小适中的气泡，保证槽内有足够的气液 分选界面，增加矿粒与气泡碰撞、接触和粘附的机会； ②叶轮一定子系统所产生的流体动力学状态要满足浮 选动力学的要求，以利于粗粒矿物与气泡集合体的形 成和顺利上浮，建立一个相对稳定的分离区和平稳的 泡沫层，减小矿粒的脱落机会；③叶轮搅拌力适中，流 程畅通无阻，槽底不会有沉砂，同时保证较粗矿粒充分 悬浮；④定子应有利于叶轮产生的旋转矿流变成径向 矿流，形成细微空气泡，降低能耗；⑤适当加大槽深， 延长气泡上升距离，以增加矿粒与气泡的碰撞机会； ⑥充气量易于调节，操作简单方便；⑦可在全负载下 开、停车；⑧通过控制给气、给药、补水、调节液面，可 迅速调节浮选过程，实现自动化控制∞o 。 3 ．2 矿化理论研究 在理论上，对运输区高度与粗颗粒矿物回收率的 关系进行了深入研究，提出“提高运输区高度有利于 粗粒矿物回收”的理论新观点，明确了提高粗粒级矿 物指标的技术路线。指出运输区内气泡和矿粒的相对 速度小，粗颗粒矿物被捕获的概率高；提高运输区高 度，粗颗粒矿化气泡被输送更高，分离区相对变短，粗 颗粒矿物从矿化气泡上脱落的概率相应减小。此外从 分离区脱落的粗颗粒矿物在运输区内越早被捕获，矿 化气泡的上升距离越短，二次脱落的概率越小MJ 。 提出了大型浮选机“叶轮腔预矿化”的新观点。 为扩展矿化区域、提高矿化概率和改善细粒级矿物回 收明确了技术方向。通过强化叶轮腔内的流动，高速 气流被强制分散，在叶轮腔内被剪切成细小气泡，并以 一定速度弥散，在受到矿浆阻滞后气泡运动速度急剧 减小。叶轮腔内气泡速度梯度大、紊流强度高，故气泡 与矿粒，尤其是与细颗粒发生惯性碰撞的概率大，矿化 与回收效率显著提高。 3 ．3 设计技术研究 北京矿冶研究总院系统地提出了B G I u M M 浮选 机大型化设计技术。创建了我国自主的几何及悬浮相 似放大技术；创新发明了以泡沫表面低负载率及溢流 堰小载荷技术为基础的泡沫快速输送技术；创新开发 了单台大型浮选机的矿浆定向流动及物料选择性循环 技术；创建了矿浆驻留时间动态计算技术。 万方数据 矿冶工程第3 4 卷 3 ．4 结构创新研究 大型浮选机在结构上作出了重大创新。发明了 显著提高运输区高度的广域输出角叶轮、有效强化预 矿化过程的空气分配器、充分悬浮粗重矿物的阻流栅 板、快速回收泡沫及增强二次富集的双泡沫槽双推 泡锥。 4 C F D 技术应用于浮选机大型化 计算流体动力学 C F D ，C o m p u t a t i o n a lF l u i d D y n a m i c s 是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展 而发展的，用以模拟仿真实际的流体流动情况。浮选 机大型化时，由于设备造价和试验费用高、制作工期 长，利用数值模拟的方法可大大减少设备研制费用和 研制周期。目前，国内外已经将C F D 技术应用于浮选 机浮选槽内流场的数值模拟0 7 - 9 ] 。国外在此方面的研 究开始的比较早，成果较为突出的是澳大利亚联邦科 学与工业研究组织 C S I R O 与芬兰的O u t o k e c 公司。 C S I R O 在此方面的研究开始于2 0 世纪8 0 年代初期， 到目前为止，由于它的C F D 模型的高效性和较强的适 应性，已经广泛的应用于工业领域0 。1 1J 。 国内对于C F D 技术在浮选设备当中的应用起步 较晚，但目前已经取得了较大的进展，指导了我国浮选 机的设计。2 0 0 6 年，北京矿冶研究总院在K Y F - 1 6 0 浮 选机的研制过程中，首次利用C F D 技术对浮选机内的 气液两相流态进行分析，模拟了叶轮转速和充气量与 流态问的关系。2 0 0 8 年，北京矿冶研究总院在K Y F 一 3 2 0 浮选机的研制过程中，利用C F D 技术首次对浮选 槽体内部气液两相流体的流动特性进行了定性和定量 的分析，结果表明，叶轮搅拌效果明显，流体被充分混 合后在离心力的作用下被高速甩出，并形成向槽顶和 槽底的两个旋流；由于定子的稳流作用，被甩出的流体 速度急速降低并沿径向方向运动，在运输区平稳上升； 由于分离区紊流强度低，为矿化泡沫的富集提供了良 好的条件。C F D 模拟结果与工业试验结果相吻合，为 工业样机的设计提供了可视化的技术支撑。图3 ～4 是其在K Y F ．3 0 0 上的模拟效果。 一‘～ 图3K Y F - 3 2 0 叶轮和定子上不同区域的受力分布 W ●0 一 I ■．1 ●砷 『。 I； h ．．I 图4K Y F 一3 2 0 槽体内流场分布 近年来北京矿冶研究总院在结合实验室浮选机 C F D 模拟结果和3 D P I V 测试结果的研究分析的基础 上，进一步研究开发了6 0 0m 3 超大型浮选机技术，又 一次站在了行业研发的最前沿2 ‘13 I 。 5 我国超大型浮选机技术的应用 由于矿石的入选品位越来越低而处理量也愈来愈 大，大型、高效、节能的选别设备成为提高矿山经济效 益的一种途径。 江西铜业集团德兴铜矿1 3 00 0 0t ／d 技改项目采 用1 8 台2 0 0m 3 、9 台1 6 0i n 3 、1 6 台1 3 0m 3 等超大型浮 选机。工业应用结果表明铜回收率提高1 ．5 ％，精矿 品位提高O ．4 2 ％，比国外同类设备节能1 0 ％一1 5 ％。 中国黄金集团内蒙古矿业有限公司年处理26 0 0 万吨低品位铜钼矿石，采用了北京矿冶研究总院研制 的3 2 台1 6 0m 3 和1 8 台3 2 0m 3 超大型浮选机，是国内 高寒地区处理低品位矿石千万吨级大型矿山的代表。 选厂采用单体大型浮选槽内矿浆定向循环与驻留时间 动态计算技术优化了超大型浮选装备选型结果，成功 实施超大型浮选机和浮选柱的联合配置；同时采用浮 选过程关键参数单神经元多回路前馈控制技术，实现 工艺过程参数的优化控制，形成了技术先进的千万吨 级浮选流程机、柱联合的规模化工艺配置模式。整个 浮选流程应用过程中，系统运行良好，运行费用低，适 应了千万吨级大规模处理低品位铜硫矿工艺特点，取 得了很好的技术经济指标。 中铝秘鲁T O R O M O C H O1 4 ．7 万Ⅱ屯／日铜钼矿和中 铁资源伊春鹿鸣5 万吨／日钼铜矿也先后采用我国生 产的3 2 0I n 3 超大型浮选机技术。 6 结语 开发具有我国自主知识产权、选别性能达国际领 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月 沈政昌等我国超大型浮选机技术的研发与应用 1 9 先的系列大型浮选设备并实现了工业化应用，填补了 我国浮选机大型化技术研究与应用的空白，使我国跃 人世界上掌握浮选机大型化关键技术的三个国家之 一，为选矿厂技术与装备升级、推动行业科技进步提供 了强有力的支撑。该系列设备的成功应用验证了我国 独立提出的大型浮选机相似放大理论，填补了国内大 型选矿设备研究及应用的空白，可广泛用于有色、黑 色、非金属矿物选别和污水处理，超大型高效浮选机技 术有力推动了我国浮选厂大型化、现代化的跨越式发 展，实现了低品位难处理矿产资源的大规模高效开发 与利用。 展望2 1 世纪，浮选设备的发展将面临着更加艰巨 的重任，将进一步向大型、高效、节能、专用、低操作成 本、低环境污染和更安全的方向发展。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] AA 拉符涅科．浮选设备的生产现状与主要发展方向[ J ] ．国外金 属矿选矿，2 0 0 7 1 2 4 1 2 ． 沈政昌．浮选机发展历史及发展趋势[ J ] ．有色金属 选矿部分 ， 2 0 1 1 S 1 3 4 4 6 ． 谭明，史帅星，杨丽君，等．浮选工艺流程发展历史与趋势[ J ] ． [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 有色金属 选矿部分 ，2 0 1 3 S 1 8 1 1 ． 沈政昌，卢世杰，杨丽君．K Y F 系列大型浮选机的研制开发与应 用[ J ] ．有色金属，2 0 0 8 4 1 1 5 1 1 9 ． 沈政昌．大型充气机械搅拌式浮选机研制[ c ] ∥中国有色金属学 会第六届学术年会，2 0 0 5 2 3 5 2 4 2 ． 沈政昌，卢世杰，陈东，等．大型机械搅拌式浮选机槽内固体悬 浮的研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 0 9 4 3 7 4 0 ． K o hP TL ，S c h w a r zMP ，Z h uY ，e ta 1 ．D e v e l o p m e n to fC F Dm o d e l o fm i n e r a lf l o t a t i o nc e l l s [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ．2 0 0 3 11 1 7 1 一 1 7 5 ． [ 8 ] G r o n s t r a n dS ，N i i t t iT ，R i r m eA ，e ta 1 ．E h a n e e m e n to f f l o wd y n a m i c s o fe x i s t i n gn o t a t i o nc e l l s [ c ] ／／I n O u t o k u m p uT e c h n o l o g y [ M ] ． E s p o o ，F i n l a n d ． [ 9 ] X 奥拉瓦伊年．芬兰奥托昆普公司浮选机的研究与开发[ J ] ．国 外金属矿选矿。2 0 0 2 4 3 2 3 4 ． [ 1 0 ]王昌安．国外浮选机的应用及发展[ J ] ．矿业快报，2 0 0 5 3 9 1 3 ． [ 1 1 ]杨英杰，黄光耀，李侠．计算机仿真在浮选过程中的应用[ J ] ． 有色冶金，2 0 0 6 1 4 6 4 8 ． [ 1 2 ]沈政昌，卢世杰，史帅星，等．基于C F D 和P I V 方法的单相K Y F 浮选机流场分析研究一K Y F 浮选机流场测试与仿真研究 二 [ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 3 2 4 7 5 1 ． [ 1 3 ] 沈政昌，樊学赛，杨丽君，等．单槽容积6 0 0m 3 充气机械搅拌式 浮选机流场研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 3 s 1 1 9 5 一 】9 8 ． 万方数据