浮选柱及其控制技术的研究进展

程琪林，罗立群

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070)

浮选柱及其控制技术的研究进展

程琪林，罗立群

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070)

针对细粒、复杂、低品位的物料分选，浮选柱以其结构简单、占地小和易自动控制等优点倍受青睐。简述了浮选柱的分选特征、性能优势和研究进展，比较了几种常见浮选柱的分选机理、特征和各自的性能优势，重点阐述了浮选柱过程控制参数的特点、控制途径和控制算法的研究进展及存在的不足，展望了浮选柱未来的发展方向。

浮选柱；气泡发生器；PID控制；泡沫层厚度；液位控制

随着品位低、嵌布粒度细、矿物组成复杂的难选矿石的比例日益增大，应用结构简单、占地面积小、成本低、建设周期短和精矿质量好的浮选柱倍受选矿界的青睐，特别是近年来改进了柱体结构形式、发泡方式与结构之后，在基础理论和自动控制技术方面取得了长足的进展[1]。本文简要介绍了浮选柱的分选机理及几种常见浮选柱的特点，指出其各自的性能优势，重点阐述了浮选柱控制参数特征和控制技术的研究进展与存在的缺陷，展望了对浮选柱未来的发展方向。

1 浮选柱的特征、优势及进展

1.1 浮选柱的分选特征

浮选柱发展至今已有50多年的历史，柱体一般为细长筒型构造，柱高多为9～15 m，直径0.5～3.0 m，其断面形状一般为圆形、方形或上方下圆形。浮选时已调好药剂的矿浆从柱体上部的给矿管给入，受重力作用下沉与下端通入的气泡逆流接触，对流相遇过程发生在整个捕集区内，使目的矿物微粒和气泡能够充分碰撞和吸附，疏水性颗粒与气泡结合形成矿化气泡并缓缓上升至泡沫槽中，在柱体上部形成矿化泡沫层，进入精矿槽受冲洗水冲洗而成为精矿，没有在气泡上附着的脉石矿物作为浆状尾矿从柱体底部排出[2]。

浮选柱柱体可分为矿化区和精选区两个部分，有用矿物的回收率主要由矿化区进行的子过程来决定，而精选区则直接影响精矿品位。设计浮选柱模型时一般对这两个部分的动力学过程进行单独分析[3]。

1.2 浮选柱的性能优势

浮选柱在结构上的优势主要体现在结构简单、占地面积小、无机械运动部件、安全节能等方面；而浮选工艺优势则包括以下几方面。

1) 优越的捕集区气泡与矿粒吸附环境。一是常规浮选机矿化区仅在转子周围区域，而在浮选柱中，从给料口到气泡入口的整个容积都是矿化带，容积利用率要高得多；二是浮选柱浮选动力学稳定，气泡相对较小，分布更为均匀；三是具有浮选机无法比拟的精选区，泡沫层厚度可达1～2 m，并有冲洗水逆流清洗，富集比高。

2) 高倍的矿化几率和可调的气泡空间分布。传统浮选机中，矿物颗粒与气泡的吸附主要靠转子产生的紊流速度差来实现，能量主要消耗于产生高度紊流，不能直接应用于矿化过程，能量利用率低，高强度的紊流削弱了矿粒与气泡吸附的概率。浮选柱捕集区矿粒与气泡逆向接触比浮选机平稳，空气利用率和设备单位处理能力高：一是绝对速度低而相对速度高，紊流强度低，矿物颗粒不易从泡沫上脱落，矿浆内部能够形成比较理想的流体力学条件；二是浮选柱的充气量和气泡在大小、空间和时间的分布可通过气泡发生器方便地调节和控制，可操作性强。

3) 大量均匀的微泡适合细粒、复杂矿物分离。浮选柱通过气泡发生器产生大量直径很小的活性微泡，对于微细颗粒，直径偏大的气泡上升速度快，上升过程中气泡周围产生的流线使细粒偏离，降低两者碰撞吸附几率；小气泡上升速度慢，产生紊流小，细粒偏离流线的可能性更小，更适用于微细粒级别矿物的选别[4]，如静电复印和激光打印废纸的脱墨[5]。

1.3 浮选柱的研究进展

浮选柱的发展是经历曲折后重现光明，主要得益于：①充气方式和材料多样化，充气性能不断提高，使用寿命逐步延长；②采用多种浮选新技术和电、磁、真空、溶气等方法；③采用较高水平的自动控制技术；④应用范围不断扩大[6]。20世纪80年代以来，随着人们对浮选柱结构参数和数学模型研究的不断深入，多种新型浮选柱层出不穷。其中最具代表性的有：Jameson浮选柱，充填介质浮选柱，旋流-静态微泡浮选柱，CPT浮选柱和KYZ浮选柱等，几种常见浮选柱的浮选机理、特点与应用情况如表1所示。

2 浮选柱的控制参数

2.1 柱体高度

选择合适的柱体高度不仅能够有效地控制厂房的基建投资，而且矿粒在柱体中停留的时间也会受到影响。一般来说，矿物可浮性越差，所需要的柱体高度就越高，但是，柱体过高时，不仅浮选柱本身造价高，维护困难，而且也会提高矿粒与气泡脱落的概率，降低精矿回收率。因此，针对不同矿物类型，要因地制宜选择合适的柱体高度。

2.2 矿浆浓度

众所周知，矿浆浓度越大，单位体积矿浆中所含矿物微粒越多，一方面能够增加矿粒与微泡碰撞粘附几率，减少气泡兼并，提高气泡利用率；另一方面也能降低气泡平均上升速度与矿粒掉落可能性，但是浓度过高不仅会造成夹带，影响精矿品位，也易造成浮选柱工作效率过低，甚至导致柱体堵塞等情况发生。

2.3 充气品质

较小的气泡直径对于微细粒矿物才能发挥较好的浮选效果。有研究认为，当颗粒直径大于5 μm时，气泡大小的影响尤为明显[7]；适量的气泡能够提高气泡与矿粒碰撞吸附的几率，提高产品回收率。但充气量过大也会造成机械夹带而影响精矿品位，不能形成稳定的泡沫层。另外，合适的气体流速则可以提高捕集区矿化气泡的稳定性[8]。

2.4 循环压力

循环压力为浮选柱工作提供能量来源，浮选柱核心组件气泡发生器的充气速率和柱体内旋流力场强度均由其决定，其影响机理与充气量类似。另外，随着循环压力增大，柱体内旋流力场强度也随之增大，气固絮团能够快速地从旋流中心上升至精选区，未矿化的脉石矿物受离心力场作用从底部排出形成尾矿。

2.5 冲洗水与泡沫层厚度

适量的冲洗水能够有效提高精矿的品位，及时带走泡沫层中的精矿，强化泡沫二次富集作用，提高浮选柱分选效果。冲洗水速率是浮选柱重要的变化参数，针对不同情况，速率均有其对应的合适数值。在低于该数值时，随着速率提高，泡沫二次富集作用增强，但是超过极限值后，上涌泡沫与下流冲洗水逆流混合，易导致矿浆环流和再循环，降低精矿品位。

泡沫层厚度增加能够加强泡沫二次富集作用，提高浮选的选择性，但是也会导致捕集区容积减小，降低回收率。

3 控制技术的发展

3.1 控制途径

自动控制基本策略就是以液位监测和尾矿调节为核心，系统将液位检测信号与给定值比较，然后通过控制算法得出即时尾矿排量，最后再通过调节排放量以形成闭环控制[22]。

3.1.1 液位控制

在无人工干预或者干预很少的情况能够以稳定的状态生产出合格的产品是浮选柱生产自动化的基本要求，亦即稳定控制，包括浮选柱液位控制、矿浆流量控制和偏流控制，其中液位控制是最为关键的部分[23]。液位控制包括液位检测和控制两个步骤。目前，液位检测常用的方式有超声波液位变送器和静压式液位计。

超声波液位变送器即浮球与超声波探测器联合检测，这是目前工业使用较为广泛的检测方式。超声波液位检测原理图如图1所示，当矿浆液面变化时，处于浮选柱捕集区与精选区界面的浮球会产生垂直方向的位移，而浮球顶端带有反射板，超声波液位计就可以测出其与浮球顶端反射面的距离[24]。但由于液位波动频繁，浮球难以稳定，而且易粘附矿粒，影响测量结果精度。

图1 超声波液位检测原理

静压式液位计则是依靠安装在捕集区特定位置的压力传感器来采集反映不同液面高度的压力信号，并转换成DC标准电流信号输送至PLC，PLC通过转换信号并与给定值分析对比，然后输出信号来调节隔膜阀的开度，控制尾矿排量以维持液面高度在设定值左右稳定波动[25]。

此外，由于矿浆电导率会随其气泡含量产生变化，张志丰等[26]通过传感器确定矿浆气泡含量，测出矿浆电导率，并作出矿浆电导率特征曲线，进行曲线拟合，最后通过拟合曲线从整体上确定矿浆液位。

对于液位控制，一种方案是将尾矿通过U型管引导到一个与设定液位等高的尾矿箱中，利用U型管原理调节尾矿箱中尾矿排放口高度来控制液位。此方案主要缺点是系统响应速度不够快，但成本比较低、浮选设备对控制系统依赖性小[27]。另一种方案是通过直接调节入料量和尾矿排放量来控制，但因实际生产限制，通常只能调节尾矿排放量以达到控制液位的目的。

3.1.2 在线品质控制

在稳定控制的基础上，根据各分选过程的不同，随时调控各可调变量，使浮选柱在消耗最低值的药剂和能源的情况尽可能达到最佳分选效果。一方面，采用在线品位分析仪监测产品品位的变化，并依变化情况调整浮选柱运行过程中加入的捕收剂和起泡剂用量[28]。另一方面，泡沫层厚度控制同样是其中很重要的一环。基于MIA(多元图像分析)技术的泡沫图像分析仪器目前已广泛应用在浮选柱生产中，而且还可以作为很多实际问题的替代解决方案，比如检测水夹带和泡沫颜色、纹理等与水有关的内容，但是由于图像分析技术只能停留在表面特征层面，深层的本质信息依然不明[29]。

3.1.3 其他控制

充气流量对矿粒矿化程度及捕集区矿化气泡稳定性有直接影响，是浮选柱良好运行的重要参数。一般来说，充气流量是通过流量计，如旋转式流量计、涡街式流量计等进行测定，并通过球形阀自动控制[30]。

冲洗水控制主要是通过数字监控监视浮选柱顶部泡沫状况，通过泡沫的大小、黏性和溢出状况，再结合充气量和液位监测数值，综合调整冲洗水量。

3.2 控制算法

3.2.1 PID控制

图2 浮选柱PID控制结构

在浮选柱自动控制系统调节回路中，一般采用PLC可编程控制器的PID控制模块通过软件编程实现PID方程运算，并采用电动或者气动执行机构来实现[31]，其浮选柱PID控制结构如图2所示。实际生产中一般从浮选柱生产过程入手，使用可编程逻辑控制器(PLC)采集实时数据，然后进行数据处理和分析，并将结果反馈给浮选柱控制系统，指导系统再根据分析结果向PLC发出相应的指令以实现自动调控。

基于PLC的自动控制系统生产自动化程度低，其原因在于系统运行不能脱离操作人员的控制，而且浮选柱内部反应十分复杂，难以找到比较接近的数学模型而实现理想的PID闭环控制，导致生产精度低、可靠性差[32]。

张志丰等设计了一套变结构PID控制系统，应用比例增益，当液位偏差较大时加入比例增益来加速响应[33]。生产中通过实验确定合适的增益范围，当偏差在范围内时只对尾矿排放口进行调节，而当偏差超出范围时则以尾矿排放口调节为主，尾矿箱排放口调节为辅，实现两极调节。

3.2.2 模糊控制

浮选柱内部固液作用情况十分复杂，反应过程非线性，很难得到精确的数字化的测试数据。Swati Mohanty提出一种基于类神经网络的模型预测控制系统，通过采集大量系统运行数据调整适宜的控制范围，控制器实时对系统状态进行评估，当系统达到预先设置的条件时，就会触发相应的参数调整[34]。而且，在运行过程中还能够根据实际生产情况调整或增加控制规则，并预测未来的系统状态，提前作出反应。

3.2.3 模糊与PID 双模控制

模糊与PID双模控制即利用模糊控制的快响应速度和强适应性等优点去改善纯PID控制的滞后性，并保持PID控制优良的精确度。浮选柱检测偏差信号传输到控制器进行识别，当偏差较大时使用模糊控制器以加快响应速度，偏差较小时采用PID控制器以消除静差，提高控制精度[35]。

3.3 技术展望

浮选柱较传统浮选机的最大优势在于容易实现自动控制，后续技术发展需要考虑以下几方面。

1) 优化控制参数，提高响应精度。从优化稳定控制方面入手，设置矿浆浓度、pH、浮选泡沫检测回路，完善充气、加药自动控制系统等，提高算法与控制的结合度，并不断引入更为先进的检测方式，提高测试精度，采取有效方式将生产过程中的参数直观地显示在计算机屏幕上，并能够允许用户通过接口程序在线修改[36]。

2) 注重柱内流体动力学研究。由于对浮选柱内部流态的了解还不够透彻，需要加强浮选柱内部的流体动力学问题研究，如泡沫在浮选柱内停留时间、泡沫兼并、泡沫流态、气液混合状态[37]，以及固液颗粒的流场等等动力学过程。通过研究其动力学特征和流态规律，从而掌握与控制内部流体的流态，实现自动控制。

3) 积极开展柱式分离动力学模型与模拟。优化浮选控制的上层理念是如何获取最好的经济可行性，即实现最有利益的控制操作，通过建立基于给矿品位与分离速率的分选品位-收率模型和曲线而优化浮选控制[38]。基于建模的方法和专家系统，今后需要加大研究力度，以求获得更多的技术突破。

4 结语

浮选柱作为一种极具发展前途的矿物选别设备，在50多年的发展历程中经历曲折后重现光明，目前已倍受青睐。对选定的柱高比和柱型，可选择或控制矿浆浓度、充气品质、循环压力和冲洗水等参数，采用液位、在线品质或充气流量等控制途径，利用PID或模糊算法，对其容易实现自动控制。后续技术发展可从优化控制参数，提高响应精度，注重柱内流体动力学研究和开展动力学模型与模拟着手，以求获得更多的技术突破。

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Development of flotation column and its control technology

CHENG Qi-lin，LUO Li-qun

(1.College of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China;2. Hubei Province Key Laboratory of Mineral Resources Processing & Environment, Wuhan 430070，China)

Aiming at minerals separation of fine particles, complexity and low grade, column flotation have been acclaimed owing to its several advantages such as simple structure, small footprint and ease of autocontrol, etc. Separation characteristics, performance predominance and research advances of column flotation were briefly summarized. The comparison of sorting mechanism, functions and each of performance advantages of common column flotation were outlined and discussed. It focused on process control parameters features, methods and algorithm progress of process control technologies and defects of column flotation. Eventually, future direction of development of column flotation was prospected.

column flotation; bubble generator; PID control; foam layer thickness; liquid level control

2013-12-26

国家科技支撑计划项目资助(编号：2013BAE04B03)

程琪林(1990-)，男，安徽安庆人，硕士研究生，研究方向为金属矿高效分选利用，E-mail: qilinc1990@gmail.com。

罗立群(1968- )，男，湖南长沙人，博士，高级工程师；研究方向为矿物资源高效分选与二次资源综合利用，E-mail: lqluollq@hotmail.com。

TD923

A

1004-4051(2015)01-0115-05