CGF-Y型高效浮选机的研制与应用

2022-06-22丁明辉

铜业工程 2022年2期

丁明辉

（中国黄金集团建设有限公司，北京 100012）

1 引言

浮选现已成为世界上矿物选别的最主要方法之一，浮选技术不仅应用于金属矿物和非金属矿物的分选,还广泛用于冶金、造纸、农业、食品、医药、微生物、环保等行业的回收、分离、提纯等环节。浮选机是矿物加工领域实现浮选分离最重要的选别设备之一［1］。因此，浮选机关键技术的研发，对于国内重工业、轻工业的发展都是非常有必要且非常有意义的。目前，浮选机主要包括机械搅拌式浮选机和射流浮选机［2］。目前规模化应用的浮选机以机械搅拌式浮选机为主，其又分为充气机械搅拌式浮选机和自吸气机械搅拌式浮选机［3］。由于其稳定、可靠的工作性能，在矿冶行业占有绝对优势的地位［4-5］。而在矿山选别流程中，传统的人工手动调节方式难以保证稳定性和精确性［6］，现代浮选自动化控制系统可以更好地实现对浮选过程的稳定控制，并且实现降本增效。因此，随着矿山选厂规模的日益扩大和市场竞争的加剧，实现大型化、高效化、节能化、自动控制化成为未来浮选机的发展方向［7-8］。

浮选机内气泡特征参数和流动规律的研究是浮选机研究的重点和难点［9-10］。当前对浮选过程中内部流场特征的研究大多数是基于单一液相介质，而在实际浮选过程中受矿物三相混合流体作用以及流体压力、流量、浓度，以及矿物体颗粒大小、形状、浮选机工作参数等因素的影响［11］，目前对矿物浮选过程的流体运动特征尚无统一且完整的描述方法［12-13］。

计算流体力学软件CFD作为一种现代模拟仿真技术运用到浮选机内部流场特性的研究领域已经有近30年的历史。通过总结国内外运用CFD技术模拟浮选机内部流场的研究文献可知，CFD数值仿真计算可以比较准确地预测浮选机的内部流场特性［14］，为浮选槽内浮选动力学环境的改善提供参考依据［15］。目前，在选矿及选煤行业，北京矿冶研究总院［16-18］、太原理工大学［19-20］、兰州理工大学等机构都运用CFD软件对相关选矿机械进行数值模拟分析，并且取得了一定的成果。

虽然CFD作为虚拟化的设计手段在设计周期、经济成本等方面有诸多优势，但预测结果的准确性和可靠性仍存在疑问。因此，结合CFD仿真分析和实验室浮选实验以及工业化试验进行浮选机流场研究十分必要。

2 研究方法

为解决上述问题，本研究结合浮选理论分析、三维建模及数值模拟分析、矿浆浮选实验等，利用Pro-E、CFD数值分析等软件，对浮选机内部多相流动浮选动力学进行数值计算，分析浮选槽内的循环结构、速度分布、悬浮情况、气泡分布、湍流强度分布等流动信息。在此基础上进行矿物颗粒矿化过程的研究，并结合浮选试验结果，对浮选机搅拌结构的形式和参数进行优化，改变传统浮选设备矿化形式单一，且矿化效率低的浮选现状，研发出具有针对性的、拥有自主知识产权的CGF-Y型高效节能浮选机。该种新型浮选机能够有效提高目的矿物的选别能力。

本课题通过多相流体动力学、计算流体动力学等相关理论以及数值模拟的方法，对机械搅拌式充气浮选机浮选过程中的多相流动进行研究。通过实验室矿浆实验、工业化测试等对比分析及验证，获得适用的浮选机三相流动特性数学模型，提供中小型浮选机的优化设计方案，同时为未来大型浮选机的设计奠定基础。

3 三维建模及数值模拟

首先利用三维造型Pro-E软件进行实体建模，建立正确的实体模型是计算网格生成的第一步；然后将实体模型导入目前流行的ICEM-CFD设计软件进行网格划分，为通过Fluent软件建立多相流动数学模型作准备。本研究对有效容积为4L、8m3、16m3的中、小型矿用浮选机的主轴结构及槽体进行三维建模及网格划分,如图1、图2、图3所示。

图1 浮选机Pro-E 软件实体模型

图2 浮选机定转子ICEM-CFD 网格划分

图3 槽体网格划分图

本研究在总结分析国内外近些年已发表的有关三相湍流流动模型基础上，充分考虑分散相颗粒与气相的相间作用，为确保较准确模拟浮选机的内流问题，大胆摒弃了工程上常用的由Reynolds时均方程出发的模拟方法（“湍流模型”），采用统计方法较为严格的RNG k-ε模型对浮选机的内部流场进行数值模拟与求解。通过计算得到浮选机内部流场的速度、各相的体积分数、湍流强度等参数，分析获得影响浮选机分离效率的因素，为整机关键部件结构的优化设计提供参考。

根据图4、图5可以看出，在浮选机主轴搅拌系统的作用下，浮选机内部明显分成了上部稳流区、下部湍流区两个区域，而在湍流区又有明显的大、小两个循环，气体分散很均匀，说明该浮选机搅拌系统搅拌能力强、湍流强度高、悬浮效果好，定转子对气体的剪切力较强，可以使气泡有效均匀分散于槽体内部。

图4 实验室4L浮选机速度矢量图

图5 实验室4L浮选机转速210 rpm气体体积分数图

4 结构设计及实验验证

4.1 浮选机结构优化

结合系列清水试验以及计算机数值模拟的结果，对上述浮选机搅拌系统进行了结构设计优化，叶轮设计中主要考虑了下列问题：搅拌力要适中，不应在槽内造成较大的动压头。这是因为动压头大会造成分选区不稳定、液面翻花，影响气泡矿化，降低有用矿物的回收，同时增加了不必要的功率消耗。优化后的搅拌结构形式如下图6所示。

图6 CGF-Y型浮选机主轴搅拌系统

研发的浮选机搅拌系统，包括：叶轮、定子和主轴,叶轮固定在主轴下部，定子固定在叶轮外侧，叶轮包括骨架圆盘和叶轮叶片，骨架圆盘固定在主轴上，叶轮叶片固定连接在骨架圆盘上，叶轮叶片的外边缘为翼形曲面。该搅拌系统使浮选机具有更高的搅拌效率和湍流强度，增大了矿物颗粒的矿化概率，同时防止液面产生翻花现象，可有效提升浮选效果，同时可降低浮选机运行功耗，节约成本。

4.2 实验室矿浆实验

为论证结构优化设计后的CGF-Y 4L浮选机搅拌系统结构相较于实验室XFD-3L型浮选机的优越性，本实验以铜钼矿作为选别对象，以铜、钼的品位及回收率作为浮选机性能评价指标，实验流程如图7所示，实验结果如表1、表2所示。

图7 实验室矿浆实验

表1 CGF-Y 4L浮选机矿浆试验 %

表2 XFD-3L浮选机矿浆试验 %

通过两种浮选机的对比试验结果分析,可以看出：CGF-Y4L浮选机对铜、钼有更好的浮选回收效果。其中，钼的回收率提高5%。

4.3 甲玛铜矿8m3浮选机工业化测试

根据实验室对小型浮选机的实验效果，结合计算机建模仿真技术，研制了CGF-Y8型浮选机，为验证该浮选机的浮选效果，故在甲玛矿区进行工业化实验。

将8m3新型浮选机连接至甲玛小选厂浮选系统中，自动控制系统开启，控制恒定液位高度。调整至待测转速，加药制度与原系统一致。

取样时间要求：在9个班组内（共计72h）连续进行。期间，每隔1h取样一次，将每班组（8h）内取得的8次样作为一个班组内的样品。取样位置要求：对原矿（给矿槽处）、精矿（溢流堰处）及尾矿（浓密池处），采用3个取样器分别进行采样。对收集到的样品进行铜、钼品位检测，并计算回收率。如其中有样品损失等情况,需从头开始。矿浆实验结果如图8所示。

图8 甲玛工业化实验检测结果

CGF-Y8型浮选机在3d9个班次连续试验期间,设备运行平稳，未出现任何故障；液位自动控制系统工作正常，控制精度满足工艺要求；浮选机搅拌力强，泡沫层稳定，没有翻花的现象。

根据甲玛小选厂的工业化实验结果，当日处理量为600t/d、原矿为0.108%、精矿品位为4.9%、尾矿品位为0.069%、产率为0.9%时，可产精矿5.4t/d。根据目前铜精矿的价格（按铜5%价格1750元计算），估计每年可创经济效益345万元。

4.4 陕西太白金矿80m3浮选机工业化应用

本次试验采用的两台CGF-Y80型充气机械搅拌式浮选机及辅助设备，安装在陕西太白黄金矿业有限责任公司选矿厂。试验流程为：用2台中国黄金集团建设有限公司设计、制造安装的CGF-Y80型浮选机选别浮选系列的尾矿（作为扫选三），给矿自流给入，泡沫产品采用泵输送返回扫选二，尾矿自流至总尾矿箱。矿浆试验生产阶段在生产稳定后进行72h连续试验，分别对扫选三的原矿、精矿、尾矿进行采样和化验。

取样时间要求：每小时取1次，连续72h ，每班送样化验1次。

图9 CGF-Y 80型浮选机现场安装效果图

图10 CGF-Y 80型浮选机定转子现场安装效果图

通过对太白矿业80m3浮选机的连续72h的工业化实验，实验结果见表3。从实验结果来看，两台CGF-Y80型浮选机在陕西太白金矿运行稳定可靠，浮选机搅拌力较强，空气分散均匀，泡沫层稳定，指标良好，没有翻花现象，达到了设计要求。新型搅拌系统结构可实现气泡在矿浆中的均匀分散，能够保证矿浆有效；悬浮及矿化气泡快速浮出，可提供满足粗、细粒级矿物的浮选环境，达到提高浮选回收率的目的。同时，该浮选机控制系统操作简便，液位控制精度高，而且可实现手机APP远程操作功能。最终，太白矿业决定将两台设备正式并入太白金矿选厂的浮选流程，并作为太白矿业5200t/d选厂的扫三流程使用。目前，两台设备已在太白矿业运行数月，金的总回收率由原来的85.10%提高到89.03%，平均提高3.93%。