浮选机叶轮工作参数对气泡尺寸分布特征的影响

高淑玲，孟令国，孙文瀚，沈岩柏，崔宝玉

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

浮选是微细颗粒实现有效分离的常用方法，在矿石分选和煤炭洗选加工等生产现场应用广泛[1]。作为固体颗粒的浮游载体，气泡的尺寸分布特征对浮选动力学过程及工艺指标具有重要影响[2-4]，在生产及研究中往往借助于浮选设备工作参数的合理选择予以调节。影响浮选机内气泡尺寸的因素主要包括发泡方式与操作条件、叶轮工作参数、矿浆溶液性质等几个方面[5-6]。在诸多影响因素中，针对叶轮转速、充气量和起泡剂方面的研究目前最为活跃[7-17]，研究线条可归结为两方面，一方面是单因素对气泡尺寸的影响分析[18];另一方面是多因素协同的作用效果探讨。相关研究结果逐步明确了叶轮转速和充气量的适宜工作区间，对起泡剂分子结构和浓度范围的效能也有了更深层次的认识，为浮选过程适宜工作参数的选取及相互配合奠定了较好的基础。总的来看，起泡剂对于改善气泡尺寸特征可以起到一定作用，然而当起泡剂用量超过临界兼并浓度后，其调控作用明显降低，此时的气泡状态主要依赖于周围的流体动力学环境。通过调节浮选机的工作参数可以实现气泡尺寸特征的二次调控，然而不合理的参数设置会破坏流场的稳定性，进而影响气泡弥散与颗粒悬浮，因此良好的流场环境对气泡尺寸特征以及矿物分选至关重要。

充气机械搅拌式浮选机具有充气量可调、叶轮磨损轻、适应范围广、利于大型化等诸多优点，目前在大型选矿厂得到了广泛应用。叶轮兼具搅拌矿浆和分散空气的功能，是浮选三相体系获能的关键单元部件，其几何参数及安装尺寸在根本上决定着流体通道的大小和流体特性，进而影响气泡弥散和颗粒悬浮。然而由于试验条件和检测手段的限制[19]，目前针对叶轮直径及其离底间隙等结构参数方面的研究还比较少，对叶轮工作参数之间交互作用的考查也不够深入。基于此，本研究选择KYF型充气机械搅拌式浮选机(50 L)作为研究对象，采用高速摄像机对浮选机特定区域的气泡进行拍摄和尺寸测量，系统考查叶轮直径、叶轮离底间隙、叶轮转速3个因素两两交互对气泡尺寸分布特征的影响，查明上述叶轮参数对气泡尺寸特征的影响规律，为浮选机内叶轮的选择和安装操作参数选取提供依据。

1 研究方法

1.1 气泡尺寸测量系统

浮选机内气泡尺寸测量系统借鉴HUT测定方案[20]，其示意图和实物图分别如图1和图2所示。

图1 气泡尺寸测量系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the bubbles sizemeasurement system

图2 气泡尺寸测量系统实物图Fig.2 Bubbles size measurement system

取样装置由取样管、观察室、聚乙烯遮光板以及球心阀组成。 观察室长120 mm、宽100 mm、厚6 mm，取样管的内径为10 mm，长度为400 mm。在试验开始前，先打开上部球心阀，将取样管底端置于浮选机中轴面内径向为150 mm、轴向为270 mm的位置(浮选机中轴面的坐标图见图3)。利用洗耳球将含气泡溶液吸入观察室，待溶液充满观察室后关闭球心阀，进而调节浮选机各工作参数，运行平稳后利用高速摄像机对观察室中的气泡进行持续拍摄，期间确保每次拍摄到的气泡总量不少于1 000个。

1.2 气泡尺寸数据分析

在高速摄像机拍摄的视频中每隔0.5 s截取一张图片，在图像处理软件OLYCIA中对这些气泡原图进行切割和降噪处理，然后进行尺寸数据提取，具体过程如图4所示。

图3 浮选机中轴面坐标图Fig.3 Coordinate of the middle-vertical-planein the flotation machine

图4 气泡图像处理过程Fig.4 Processing of bubbles image

采取表面积平均直径d32(也称为Sauter直径)作为某设定条件下的气泡平均直径，它表示与实际气泡具有相同表面积的球体直径，计算公式见式(1)[14]。

(1)

式中：n为气泡的个数；di为第i个气泡的当量直径。

另外，为了考查气泡尺寸分布情况，统计了不同直径的气泡数量及其比例，计算了气泡直径均方差，用于表征气泡的均匀性。

1.3 试验条件选取

本文所采用的叶轮叶片为后倾式，倾斜角度为40°，叶片数量为4个，叶轮腔直径为45 mm。 为了系统研究叶轮直径、叶轮离底间隙和叶轮转速之间的交互作用，选取3种规格的叶轮：Φ150 mm、Φ175 mm、Φ200 mm；叶轮离底间隙调节范围为24～36 mm；叶轮转速考虑满足颗粒悬浮的要求，其考查范围为300～450 r/min。在考查以上叶轮参数之前，预先通过条件试验确定采用仲辛醇作为起泡剂，用量为14 mg/L(临界兼并浓度)，充气量为0.32 m3/h，以兼顾拍摄和图像分析的要求。因此在试验过程中，浮选溶液表面张力和气含率均保持统一。在考查叶轮参数的两两交互作用时，第3个条件也维持定值。

2 试验结果与讨论

2.1 叶轮直径和叶轮转速交互对气泡尺寸特征的影响

叶轮离底间隙取定值-32 mm，分别采用3种规格的叶轮，在任一叶轮直径条件下，调整叶轮转速为300 r/min、350 r/min、400 r/min和450 r/min，同步考查叶轮直径和叶轮转速对气泡尺寸特征的影响，结果如图5所示。

从图5(a)中可以看出，当叶轮直径一定时，随叶轮转速增大，气泡尺寸明显减小，在3种不同的叶轮直径下，调高转速可使气泡平均直径从1.8～1.2 mm降至0.65 mm左右，气泡尺寸的降低幅度随叶轮直径增大而降低，即当叶轮直径采用较小的150 mm时，转速对气泡尺寸的调节作用更为显著，而叶轮直径增大后，转速的影响趋弱。在相同转速下增大叶轮直径同样会使气泡尺寸减小，这一调节作用在较低转速(300 r/min、350 r/min)条件下较为显著，而当转速升至400 r/min以上时再增大叶轮直径，气泡尺寸的降低幅度变得很小。并且，叶轮直径从150 mm增大到175 mm时气泡尺寸的降低幅度较大，而其从175 mm增大到200 mm时，气泡尺寸的降低幅度要小一些，尤其是在较高转速下。

从图5(b)中可以看出，叶轮直径和叶轮转速越大，气泡直径方差越小，表明气泡尺寸愈加均匀，即两因素对气泡尺寸的均匀性都产生了正效应。 任一因素对气泡均匀性的改善幅度亦是随着另一因素的升高而变缓，进一步印证了两因素之间的协同交互作用。

综上分析可知，增大叶轮直径和提高叶轮转速都能起到降低气泡尺寸的作用，同时还改善了气泡尺寸分布的均匀性，且二者之间具有显著的交互作用。任一因素在另一因素的较低设定值时所发挥的调节作用更为明显，叶轮直径的影响在高转速条件下会达到平衡，气泡大小趋于稳定。这是因为，低速旋转的小直径叶轮对气流的剪切能力较弱，生成的气泡尺寸大且均匀性不佳。随着叶轮直径增大和叶轮转速升高，叶轮的剪切能力逐渐提高，气泡尺寸变小且分布特征渐趋一致。综合考虑，较大叶轮直径和中等叶轮转速是较为适宜的浮选机工况条件，此时既可获得均匀性良好的微细气泡，同时还有利于降低浮选过程的功率消耗。

2.2 叶轮离底间隙和叶轮转速交互对气泡尺寸特征的影响

根据2.1部分试验结果，选择采用较大的叶轮直径(175 mm)，考查叶轮离底间隙和叶轮转速两因素对气泡尺寸特征的影响。通过升降叶轮以调整叶轮离底间隙为24 mm、28 mm、32 mm和36 mm，在每一叶轮离底间隙下再依次改变叶轮转速，试验结果如图6所示。

从图6(a)中可以看出，在任一叶轮离底间隙下，气泡平均直径也都随着叶轮转速升高而减小。以叶轮离底间隙为32 mm时为例，当叶轮转速由300 r/min提高到350 r/min时，气泡平均直径由1.34 mm降到0.91 mm，下降幅度为0.42 mm，而当叶轮转速由350 r/min继续增至400 r/min和 450 r/min时，气泡平均直径则由0.91 mm降到0.80 mm和0.64 mm，下降幅度相对较小。由此可知，随着叶轮转速不断升高，气泡尺寸变小，但降低幅度却越来越小，这一影响规律与2.1部分试验结果一致。此外，当叶轮转速一定时，叶轮离底间隙越小，气泡平均直径越小。间隙调整所引起的气泡尺寸变化，在较低和中等叶轮转速范围内表现比较明显，而在较高叶轮转速(450 r/min)下，气泡尺寸随之变化甚微，进一步表明，机械结构因素对气泡尺寸的调节存在平衡点。欲发挥结构参数对气泡尺寸特征的调节效能，叶轮转速不宜选取过高。

从图6(b)中可以看出，缩小叶轮离底间隙以及提高叶轮转速均有利于降低气泡直径方差，提高浮选机内气泡尺寸的均匀性。叶轮离底间隙对气泡尺寸均匀性的正效应同样是在较低和中等叶轮转速(450 r/min以下)范围内更为明显。

图5 叶轮直径和叶轮转速对气泡尺寸特征的影响曲线Fig.5 Influence curves of impeller diameter and speed on the size characteristics of bubbles

图6 叶轮离底间隙和转速对气泡尺寸特征的影响曲线Fig.6 Influence curves of impeller off-bottom clearance and speed on the size characteristics of bubbles

综上分析可知，在低叶轮转速(300 r/min)条件下，缩小叶轮离底间隙可使气泡直径方差降低0.06，增大叶轮直径可使气泡直径方差降低0.30，此时调整后者对气泡均匀性的改善效果更为明显；在中等和较高叶轮转速(350 r/min、400 r/min、450 r/min)时，增大叶轮直径和缩小叶轮离底间隙对气泡直径方差的调整幅度在0.01～0.02之间。

2.3 叶轮直径和叶轮离底间隙交互对气泡尺寸特征的影响

根据2.1部分和2.2部分考查的结构参数条件可知，在低叶轮转速时叶轮直径对气泡的调节效应大于叶轮离底间隙，而在较高叶轮转速时二者的影响显著性差别较小。因此选择叶轮转速400 r/min，在此操作条件下依次调整叶轮直径和叶轮离底间隙，进一步考查这两个结构参数交互时对气泡尺寸特征的影响，试验结果如图7所示。

从图7(a)中可以看出，在相同的叶轮直径下，改变叶轮离底间隙对气泡直径具有一定的调节作用，但可调幅度较小，最小气泡尺寸均是在最小叶轮离底间隙下获得。通过缩小叶轮离底间隙，气泡平均直径分别减小了0.06 mm、0.09 mm和0.07 mm。在4个叶轮离底间隙下，当叶轮直径由150 mm增大到175 mm时，气泡平均直径的减小幅度分别为0.14 mm、0.17 mm、0.11 mm和0.10 mm，显然，叶轮直径发挥了更显著的作用；当叶轮直径继续增大到200 mm时，只在较大的叶轮离底间隙下使气泡尺寸小幅度下降。

从图7(b)中可以看出，在较小的叶轮直径(150 mm)下调整叶轮离底间隙，气泡均匀性的变化趋势不明显，但当叶轮直径增大后，气泡直径方差与叶轮离底间隙则呈现出明显的正相关，此工况下通过缩小叶轮离底间隙可以明显改善气泡尺寸分布的均匀性。此外，在相同的叶轮离底间隙下增大叶轮直径对改善气泡均匀性也是有利的。

图7 叶轮直径和叶轮离底间隙对气泡尺寸特征的影响曲线Fig.7 Influence curves of impeller diameter and impeller off-bottom clearance and on the size characteristics of bubbles

综上分析可知，当叶轮以较高转速运动时，增大叶轮直径对气泡尺寸的调节效应比缩小叶轮离底间隙要更为显著，但存在调节平衡点。当叶轮直径的调节作用趋弱时，通过缩小叶轮离底间隙可对气泡大小进行微调。叶轮直径和离底间隙对气泡均匀性具有明显的交互影响，叶轮直径越大，越易于发挥叶轮离底间隙对气泡均匀性的正向影响。

3 结 论

1) 叶轮工作参数对浮选机内的气泡尺寸特征具有显著影响。增大叶轮直径、缩小叶轮离底间隙、提高叶轮转速均可使气泡尺寸减小，同时也改善了气泡尺寸分布的均匀性。

2) 叶轮直径及叶轮离底间隙与叶轮转速之间具有显著的协同交互作用。在较低叶轮转速和中等叶轮转速(300～400 r/min)下，更有利于发挥叶轮尺寸及其安装参数对气泡尺寸的调控作用，同时也更为符合生产节能要求，利于提高浮选技术经济指标。

3) 叶轮直径对气泡尺寸的调控效应比叶轮离底间隙更显著，但当叶轮直径的影响趋弱时，可通过后者对气泡尺寸进行微调。两个结构参数还具有一定的交互作用，叶轮直径越大，叶轮离底间隙对气泡尺寸均匀性的影响越明显。