KYZ-B浮选柱捕收区的动力学特性研究 | 沈政昌，史帅星，张明，等

本期推荐

本期推荐北矿机电科技有限责任公司沈政昌等对KYZ-B浮选柱捕收区基于"浮选柱元"理论的设计思路和基于该思路稳流栅板和分区板结构特点的研究。论文题目为:KYZ-B浮选柱捕收区的动力学特性研究，发表在《有色金属( 选矿部分)》2016年第3期。

引文格式

沈政昌，史帅星，张明，等.KYZ-B浮选柱捕收区的动力学特性研究[J].有色金属( 选矿部分)，2016(3):77-82.

KYZ-B浮选柱捕收区的动力学特性研究

沈政昌，史帅星，张 明，樊学赛，姚明钊

（北京矿冶研究总院 矿物加工科学与技术国家重点实验室 北京市高效节能矿冶技术装备工程技术研究中心，北京 100160）

摘要：文中介绍了KYZ-B浮选柱捕收区基于“浮选柱元”理论的设计思路和基于该思路稳流板和挡流板的结构特点。稳流板为锥形多孔板可强化浮选柱内气相弥散；挡流板将捕收区分为若干个独立单元。通过CFD方法研究了引入挡流板区及稳流板后各独立分区内的气液两相流的流动特征。仿真结果表明：分区内回旋流大幅减弱少，柱塞流特征明显。稳流板对气相的有导向作用，使气相在个截面内均匀分散。基于“浮选柱元”理论设计的三种规格的KYZ-B型浮选柱在德兴铜矿工业应用取得了良好的选矿指标。

关键词：KYZ-B浮选柱，捕收区，分区，稳流板，流体动力学

中图分类号：TD456；TD923 文献标志码：A 文章编号：1671-9492(2016)03-0000-00

Hydrodynamic Characteristics Investigation of Collecting Zone in KYZ-B Flotation Column

SHEN Zhengchang, SHI Shuaixing, ZHANG Ming, FAN Xuesai, YAO Mingzhao

（Beijing Engineering Research Center on Efficient and Energy Conservation Equipment of Mineral Processing, State Key Laboratory of Mineral Processing, Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy, Beijing 100160, China）

Abstract：The paper demonstrates the design principle of the attachment zone in KYZ-B flotation column. The steady flow plates contributes to the gas dispersion. Based on the “flotation column cell” principle, the attachment zone is divided several parts and the steady flow plate is introduced. The fluid dynamics is individual in every divided part. The flow streamline is close to plug flow. The steady flow plate has impacts on gas directing and gas dispersion is uniform in every section.

Key words: KYZ-B flotation column, attachment zone, divided part, fluid dynamics

浮选是最重要的矿物分选的方法之一，广泛应用于有色金属及黑色金属的选别。近年来，随着矿产资源品位降低、嵌布粒度粗、细分布不均、矿物组成复杂导致设备选别性能变差等问题日益显著，浮选工艺、浮选设备的研究面临严峻的挑战[1]。浮选柱是浮选设备的重要组成，浮选柱不同于浮选机之处是柱体内没有搅拌系统，因其占地面积小、结构简单、适合于选别细粒级矿物等特点，在选矿厂有大量的应用[2]。近10年，浮选柱向多样化、大型化方向发展，浮选柱全（短）流程技术得到了推广，应用范围不断扩大。以KYZ-B浮选柱为例，目前最大规格直径达5.6 m，应用于铜矿、钼矿、铅锌矿、铁矿、磷矿、萤石矿等多种矿物选别，已推广200 多台套[3]。不同的浮选机类型有其不同的技术特点，表1介绍了主流应用的浮选柱。

表1 浮选柱主要类型及特点

Table 1 Main types and features of flotation column

研究人浮选柱类型技术特点美国Erize 公司CPT浮选柱独特的气泡发生技术Jameson教授Jameson浮选柱基于流态化思想，实现粗颗粒预先浮选西门子矿业Hybrid 浮选柱基于流态化思想，实现粗颗粒预先浮选北京矿冶研究总院KYZ-B浮选柱基于“浮选柱元”的分区设计，增设稳流板中国矿业大学FCSMC浮选柱管流矿化、旋流力场和逆流碰撞结合表1中的浮选柱技术特点各不相同，为了实现良好的选别效果，根据各自的结构和工作原理进行不同的动力学分区。KYZ-B型浮选柱的结构主要由大高径比柱体、顶部给矿器、底部气泡发生器 、动力学参数控制单元等构成，如图1所示。

rId6

图1浮选柱系统结构示意图

Fig.1 Sketch structure of flotation column system

1—风机；2—风包；3—减压阀；4—转子流量计；5—总水管；

6—总风管；7—充气器；8—排矿阀；9—尾矿箱；10—气动调节阀；

11—仪表箱；12—给矿管；13—推泡器；14—喷水管；15—测量筒

压缩空气通过充气器产生微泡，从柱体底部缓缓上升；矿浆由距顶部柱体约1.2 m处给入，矿粒与气泡在柱体中逆流碰撞，气泡颗粒附着后，依靠浮力泡沫区，经过二次富集后产品从泡沫槽流出。未矿化的矿物颗粒随矿流下降经尾矿管排出。KYZ-B浮选柱的浮选动力学区域如图2所示，一般可分为捕收区和泡沫区。捕收区是浮选柱最重要的动力学区域，一般定义为浮选柱的给矿口以下到气泡发生器所在部位。该区域的主要浮选动力学行为是：气泡的发生与分散、矿粒与气泡的碰撞和附着和气泡颗粒聚合体的运输等；泡沫区为脉石颗粒与矿化气泡可充分分离，通过二次富集作用提升泡沫品位到设计指标，通过竖直和水平输送将目的矿物顺利地流入泡沫槽。

rId7

图2 浮选柱动力学分区

Fig.2 Hydrodynamics area in flotation column

浮选柱设计反过来要满足动力学特性。设计内容首先必须包括柱体结构与型式，气泡发生效率和性能、给矿器结构与分布等，其次还包括一些与柱内流体动力学无关的结构，如排泡方式，冲洗水方式和冲洗水流量，尾矿阀门的形状等，另外除需考虑具有良好的选别性能外，浮选柱设计还必须简化结构，尤其是矿浆中工作的零件属易损件，需经常检修更换，设计中要保证这部分零件数量少、简单、容易更换。但无论怎样，捕收区的设计在浮选柱系统设计占据有核心地位。

2浮选柱捕收区设计

捕收区作为浮选柱浮选行为发生的核心单元，是浮选柱的研究设计的重点。设计要求必须满足下述条件：（1）压缩空气通过充气器作用形成高速射流气泡必须快速充满浮选柱截面积。充气器出口处空气流速可达到超音速状态，空气流与矿浆流存在巨大的速度梯度，将空气流切割成适宜矿物浮选的微小气泡；疏导气泡快速分散，达到高气泡表面积通量的目的；（2）捕收区的矿浆流型应接近柱塞流特征。需保证升气泡与下降的疏水性颗粒形成纯净的逆流矿化条件，减少回旋流的出现，使有用矿物可被携带至泡沫区富集排出时间最短。KYZB浮选柱以“浮选柱元”理论设计原则，分散稳流板和挡流板的设计促进了浮选柱元动力学性能的实现。

2.1分散稳流板

KYZ-B浮选柱设计了强化气泡的分散稳流板，不仅要考虑流体的过流面积，防止中间过流孔处气体流量过大，而且，稳流板的倾斜角度对气液分散性能影响显著。稳流板为多孔的锥形版，安装在浮选柱充气器的上部。其结构如图3所示。

稳流板

高压空气

rId9图3 稳流板结构和位置

Fig.3 Structure and location of the steady flow plate

试验表明倾斜角度A=30°为佳。稳流板的倾斜度过小或过大，对气泡起不到导向作用；不合理的倾斜度还可能造成中部过流孔气体流量过大，恶化空气分散效果，如图4。稳流板可以对充气器喷出的空气流起到导向的作用，使气泡具有径向流动，保证气相在径向、圆周方向分散均匀。

无稳流板稳流板倾斜度0°稳流板倾斜度30°图4 不同稳流板配置气相分散效果Fig.4 Different steady flow plate configuration gas phase dispersion effect

2.2矿浆挡流板

KYZ-B浮选柱的矿浆挡流板，将大直径的浮选柱柱内空间划分成多个单独作用的区域，降低捕收区内大尺度涡流出现概率，避免回旋流[4]。大型浮选柱由于给矿口面积相较于柱体横截面过小，矿浆会在横截面方向混合，形成回旋流。将捕收区进行分区，使每个分区具有较为“独立”的小浮选柱的分选特性，有利于产生稳定分选环境，从而奠定大型浮选柱高效选别的基础。根据“浮选柱元”设计理论，各独立分区的过流面积相等，4 m直径的浮选柱捕收区分为S0-S8的9个面积相等的分区，如图5。

rId13

图5浮选柱捕收区分区

Fig.5 Division in flotation column collection zone

3浮选柱捕收区流体动力学型的仿真研究

浮选柱主要包括柱体、推泡装置、给矿器、气泡发生系统、泡沫喷淋水系统、液位控制系统等。本文主要以直径2.6 m、高度13 m浮选柱作为物理模型，研究浮选柱内流体动力学环境，重点研究浮选柱捕收区内的气液两相流体动力学特性，如图6浮选柱物理模型。

图6浮选柱物理模型

Fig.6 Flotation column physical model

本文应用CFD方法研究有无稳流板及挡流板对浮选柱内流体动力学特性的影响。对浮选柱物理模型进行六面体网格化，气液两相流的模拟采用欧拉-欧拉方法，空气进口边界为速度入口，空气出口为degassing边界即只允许气泡逸出，矿浆进口为速度进口，出口为压力出口。

图7和图8比较了有无稳流板及柱体分区后柱体内各截面的气含率分布。可看出2、4、6、8、10 m各横截面的气含率在引入稳流板和柱体分区后得以改善，浮选柱内的空气弥散更均匀各个截面气含率相当。尤其在2、4、6 m横截面，有稳流板会使气体径向方向分散更好。然而，在没有稳流板的柱体内，由于空气射流受到矿浆的阻力，气泡的径向分布受阻。

图7各截面气含率分布（有稳流板）Fig.7 Gas holdup distribution (with steady flow board)图8各截面气含率分布（无稳流板）

Fig.8 Gas holdup distribution (without steady flow board)

浮选柱挡流板将浮选柱的捕收区分隔成若干独立区域，流动状况不会相互干扰。从图8和图9可看出，挡流板对气泡的流线能够起导向作用，KYZ-B浮选柱内空气流线光滑，各独立分区内的空气流向上，能够更为有效的与向下运动的矿物颗粒逆流碰撞矿化。然而，没有分区及稳流罩时，矿浆流由于给矿的不均匀性，会在横截面发生径向混合，导致浮选柱内形成回旋流。加之，矿浆三相流中气相主要受曳力作用，气泡会受到矿浆流的干扰，流线紊乱，如图10、11所示。

图8有稳流板浮选柱气相流线Fig.8 Gas phase flow(without steady flow board)

图9有稳流板浮选柱矿浆流线

Fig.9 Slurry flow(without steady flow board)

图10无稳流板浮选柱气相流线

Fig.10 Gas phase flow(with steady flow board)图11无稳流板浮选柱矿浆流线

Fig.11 Slurry flow(with steady flow board)

4浮选柱分选性能

德兴铜矿泗洲选矿厂处理能力为3.8万t/d，共分两个系统。2010年精选段进行技术改造，采用浮选柱和替代了原有的小型精选浮选机。用KYZ-B浮选柱取代原有GF/JJF-8浮选机。每个系统精选段选用Ф4.3×15浮选柱2台, Ф3.6×12浮选柱1台, Ф3.0×9.0浮选柱1台，分别在一步粗选，二步粗选、精选I、精选II和精选III作业使用。在精扫选作业采用GF/JJF-28 m3浮选机11台。浮选柱的稳流板和挡流板的设计见下表。

表2 不同型号浮选柱中稳流板和挡流板的设计

Table 2 Design of steady flow boards and damper boards in different flotation column

浮选柱型号作业名称挡流板数量稳流板角度Ф4.3×15一步粗选830Ф4.3×15二步粗选430Ф3.6×12精选I430Ф3.0×9.0精选II330一步粗选浮选柱精矿与二步粗选浮选柱精矿合并进入精选I和精选II，生产最终精矿。运行中的浮选柱见图12所示。

图12 运行中的浮选柱

Fig.12 Flotation Columns in Operation

流程考查和工业应用结果表明[5]，铜精矿品位为25.77%，二段铜回收率为98.33%，比工业应用前分别提高0.35 和0.87 个百分点，且铜精矿品位提高了 0.37个百分点；钼和金在原矿品位下降的情况下，回收率均比工业应用前有明显提高。

5结论

KYZ-B浮选柱稳流板设计不仅要考虑流体的过流面积，防止中间过流孔处气体流量过大，而且，稳流板的倾斜角度对气相分散也有显著影响。试验研究表明，倾斜角度30度为最佳。根据“浮选柱元设计”理论，捕收区每个分区具有较为“独立”的小浮选柱的分选特性，有利于产生稳定分选环境，从而奠定整个大浮选柱高效选别的基础。

浮选柱内的捕收区是实现矿物颗粒矿化的重要区域，捕收区的流体动力学环境应保证矿浆流尽可能接近柱塞流特征，气泡相在不同区域分散均匀。KYZ-B浮选柱，特殊设计了捕收区分区和稳流板。CFD仿真表明，较之无分区、无稳流板的设计，矿浆流线明显规整，气泡分散更为均匀。结合大型浮选柱的工业研究，论证了基于“浮选柱元”的放大理论的可靠性。

参考文献

[1]沈政昌, 史帅星, 卢世杰. KYZ- B型浮选柱系统的设计研究[J]. 有色金属（选矿部分），2006（4）：20-24.

[2]浮选柱的研究应用及发展趋势[J]. 有色金属（选矿部分），2011（增刊）:202-207.

[3]梁殿印，史帅星，冉红想.大型浮选及磁选设备新进展[J]. 矿业装备，2015（4）：41-43.

[4] 沈政昌，柱浮选技术[M]，北京：冶金工业出版社，2015.

[5] 胡仙凤，熊新海. 提高浮选柱系统选矿指标研究与应用[J]. 铜业工程，2014（5）：48-53.

来源: 上海光锥文化传媒有限公司

内容资源由项目单位提供