浮选法适用于90%的有色金属，50%以上的黑色金属的选别，是矿物加工领域重要的选别方法[1]。浮选机是实现浮选过程的关键装备，浮选机的性能优劣直接影响决定着整个选矿厂的生产指标，因此不断提高浮选机对不同矿物的适应性、优化浮选机的性能对提高选矿厂生产效益、改善矿物资源利用率至关重要。近年来，矿产资源贫、细、杂化日益严重、禀赋恶化明显，对浮选机的处理能力、多样化、单体性能提出了更高的挑战。大型浮选机在提高选别指标、降低基建投资、智能控制、节约能耗等方面优势明显，而且选矿厂规模的日益扩大，因此，浮选机的大型化是浮选机发展的重要方向[2]。自上世纪40年代，浮选机的研究人员就开展了浮选机大型化的基础研究，经过长期的技术研究和积累，CFD技术的引入[3-10]，近20年来浮选机的大型化进程明显加快。
1.大型浮选机的研究进展
近年来，随着国际及国内经济的高速发展，工业生产对矿产资源的需求量日益增大，浮选机的大型化成为了各主要浮选机研发机构的研究重点和热点。芬兰Outotec公司实现了Tank Cell，Skim Air型浮选机的大型化，并在澳大利亚进行了适应性研究。丹麦FLsmidth公司完成了Wemco Smart Cell, Dorr-Oliver和XCELL型浮选机的大型化，且在美国进行了性能对比试验研究;北京矿冶研究总院研发了KYF-320m3浮选机，并取得了成功的工业应用，为当前世界上最大工业应用的浮选机;其它浮选机研发机构，如美卓、Bateman等公司，也深入开展了相关方面的研究。本文重点介绍具有代表性的OK-TankCell型浮选机、Wemco 1+1TM浮选机、BGRIMM浮选机的放大原则。
1.1 OK-TankCell型浮选机
Outotec公司以浮选柱为原型，加入了机械搅拌装置，开发成功了OK-TankCell型充气机械搅拌式浮选机，并于1983年在皮哈萨米选矿厂取得了工业应用。OK-TankCell型浮选机开发了FloatForce搅拌机构，实现了叶轮区矿浆和空气的分区流动;设计了内部周边环形溢流槽、外部周边环形溜槽、内部中央多纳圈型溜槽、内部径向溜槽和混合型溜槽。世界范围内，OK-TankCell型浮选机总安装台数达2000多台。Outotec公司在浮选机放大过程中应用自身的浮选机放大技术，其主要包括：转子-定子系统结构参数的放大;槽体几何形状的放大;矿物悬浮能力相似;泡沫特性相似。以此为基础，Outotec公司根据浮选机放大原则先后研发了100m3、200m3、300m3浮选机，并在矿山取得了成功工业应用，500m3浮选机也已完成设计研发，并在芬兰完成了工业试验，并初步完成了620m3浮选机研究设计工作。
1996年，美国Phelps Dodge公司莫伦西-麦特卡尔夫铜矿选矿厂在铜浮选粗选回路中以“2-2-2”方式配置了6台100m3 OK-TankCell型浮选机。由于厂房空间原因，回路设计中将浮选槽按“U”型布置，功率消耗有了明显的降低，浮选指标优异。1999年5月，80台100m3 OK-TankCell型浮选机在智利BHP/RTZ埃斯康迪达铜矿选矿厂投入生产，与以前所用浮选机相比，OK-TankCell型浮选机的应用使BHP的精铜矿铜品位和回收率有很大程度的提高。2007年，新西兰Macraes金矿选矿厂粗选作业中选用了3台300m3 OK-Tankcell，回收率提高了3%[11]。
图1 OK-TankCell型浮选机结构示意图
1.2 Wemco 1+1TM浮选机
Wemco1+1TM自吸气机械搅拌式浮选机以其独特的浮选机放大规则为依据。1987年，Degner等人提出以一系列流体动力学参数为核心的Wemco 1+1TM自吸气式浮选机放大规则，放大规则能够保证其结构放大的同时其流体动力学特性相似[12]。其放大规则包括：
(1)槽体液面单位面积的表观气体流速。它由进入浮选槽中气体流量决定。浮选机液面处的单位面积气体流量小，会导致疏水矿物的回收率降低，而单位面积气体流量过大，则会出现矿浆表面扰动或翻花现象。为了保证泡沫层平稳，一般浮选机作业时所允许的最大单位面积气体流量为10.67~12.2m3/m2min。
(2)分散器区域气体和矿浆的停留时间。它可以表征气泡与矿粒碰撞接触时间，由单位时间内处于分散器区域中的矿浆和气体总体积决定。浮选机分散器的体积就是分散器腔所包含的容积。
(3)分散器的功率强度。表示每个立方英尺分散器体积的功率，也是由分散器区域所决定的另外一个参数。
(4)浮选槽的循环强度。循环强度表示矿浆在浮选槽内穿过吸气机构的机会。浮选槽内循环强度越大，分散器区域内矿浆与进入的气体接触机会越多。
(5)矿浆在竖管中的速度。该速度为矿浆在竖管中的单位面积的流量，它取决于通过竖管横截面的液体速度。为了改善大型浮选机中固体悬浮特性，避免大型浮选机沉槽的问题，浮选机规格的增大的同时需适当提高矿浆速度。因此，这个参数可对浮选机内矿物悬浮效果定量化。
(6)气体流量数(Q/DN3;Q为气体流量、N为转子转速、D为转子直径)，表示搅拌系统的吸气能力，直接决定自吸气式浮选机进气速率的大小，决定了浮选机的吸气量。
Wemco1+1TM自吸气机械搅拌式浮选机130 m3的浮选机有400多台已用于世界多地的矿山，160 m3浮选机也已在南美洲投入生产。2004年，FLSmidth公司研制的SmartCell-250 m3浮选机，在Mineral Los-Pelambres矿山进行了工业试验，代替了粗选回路中的SmartCell-160 m3浮选机，能耗费用减少7%，安装功率降低15%。试验成功后，Mineral Los-Pelambres公司为提高处理率，采购了10台257m3的浮选机，将日处理量由12万t提高到14万t。2014年，FLSmidth公司在IMPC国际选矿会议上公布了其660m3 Super Cell浮选机。
图2 Wemco浮选机工作原理与结构示意图
1.3 BGRIMM浮选机
BGRIMM型浮选机是由北京矿冶研究总院研发的充气机械搅拌式浮选机，如图3，已在国内各大矿山取得了成功的工业应用，并已走入国际市场。
图3 BGRIMM型浮选机结构示意图
BGRIMM型浮选机主要特点在于：独特的叶轮-定子系统，叶轮采用后倾高比转数叶片，大循环量低压头，矿浆充分悬浮，矿粒分布均匀;低阻尼直悬式定子[30]，改变矿浆流向，起导流定向作用;双推泡锥槽体结构、创新的双泡沫槽，内泡沫槽不仅可以推送泡沫，而且保证浮选泡沫及时顺利排出，增加了泡沫厚度，缩短了泡沫输送距离，有利于泡沫层稳定;预分配定向流动空气分配器能够使空气分散均匀，充气矿浆混合物流动路线合理，气泡比表面积大，增大了气泡和颗粒的碰撞粘附概率[13]。
BGRIMM充气机械搅拌式浮选机的放大方法可概括为：
充气量：大小可以调节，浮选机放大时充气部件不变。
槽体放大：以槽体横截面面积与叶轮直径的比值
为放大因子，槽体放大遵守放大规则：
。
叶轮放大：包括叶轮尺寸放大和叶轮搅拌雷诺数放大。叶轮尺寸放大的放大因子为叶轮直径，放大规则为：
。叶轮搅拌雷诺数放大一定程度上取决于浮选机规模的大小：当浮选机容积较小时，整个系列的浮选机叶轮设计可以依据浮选槽内悬浮准数相等的原则;当浮选机容积较大时，以悬浮准数为放大因子，其放大规则为：
。
槽内流体动力学特征相似：以S/D倍的叶轮线速度为放大因子，其放大依据为：
。
上述方法不仅适用于充气机械搅拌式浮选机，也适用于自吸气机械搅拌式浮选机，不同点在于自吸气机械搅拌式浮选机放大过程还应考虑吸气部件的放大[14]。
表1 BGRIMM浮选机大型化进程
BGRIMM浮选机的主要发展进程如表1所示。2013年，北京矿冶研究总院借助先进的流体仿真技术，设计完成了500、600m3超大型浮选机[15]。CFD仿真技术的成功应用，极大加速了浮选机大型化的研发周期。浮选机大型化趋势不变的大背景下，北京矿冶研究总院继而研发了680m3超大型浮选机，经过CFD仿真计算证明680m3超大型浮选机具有优秀的流体动力学特性，为超大规模选矿厂提供更多的配置方案选择。
2. 680m3超大型浮选机浮选机研究
浮选机内流体动力学特性很大程度上决定着浮选动力学表现，应用CFD方法分析浮选单相(水)的流态特征、气泡弥散情况及矿物颗粒槽体内的分布，为680m3浮选机的工业应用奠定理论基础。
2.1 流体动力学分析
2.1.1 水动力学分析
浮选机不同流体区域需要不同的流动特性，通常将浮选机内部分为搅拌混合区、运输区、分离区和泡沫区。浮选机不同区域湍流强度和速度分布不同，叶轮区为实现矿浆抽吸，提高叶轮区矿物颗粒和气泡的碰撞、粘附概率需要较大的湍流强度。如图4、图5所示，浮选机叶轮区出现了速度和湍流强度的峰值，叶轮的周边射流效应及抽吸作用明显。浮选机定子主要起稳流导向作用，防止流体在浮选机内打转，将叶轮甩出的周向流转变为轴向流，向上输送矿物颗粒，如图6、图7所示。680m3浮选机流线趋势，湍流强度分布特性及流体最大速度均与已成功工业应用的320m3、200m3、160m3浮选机类似。
浮选机上部液面应该保持相对平稳的流体环境，不能出现“打转”现象。为此，关注距离溢流堰500mm、1000mm处横截面的流线图(图8，图9)，可以看出，流体仍以径向流为主，并无明显旋转流，说明定子充分发挥了稳流导向的作用。
2.1.2 气固分散特性
图10和图11分别为中心截面680m3浮选机的气泡分布和固体颗粒分布。680m3浮选机内空气分散度高，气泡无明显聚集和短路行为。矿物颗粒槽体内分散均匀，底部无颗粒沉积。说明其具有优异的气泡分散、颗粒悬浮性能。
2.2放大相似准数分析
图12所示为浮选机容积与功率准数Np和循环强度的关系。功率准数反映浮选机内各部件的几何结构特征和工作参数的关系[1]，浮选机放大过程中需保证几何结构相似放大的同时，工作参数存在相似关系。浮选机由70m3放大至680m3过程，功率准数均保持在5.4附近。循环强度表示流体或矿浆在槽内循环的能力，体现设备有效容积同叶轮泵吸作用之间的关系，很大程度上影响气泡与颗粒的碰撞概率。循环强度随着槽体容积的放大，有增大的趋势。
图13所示为浮选机容积与功率强度、气体流量数Na和弗劳德数Fr的关系。功率强度表示单位容积浮选机消耗的功耗。气体流量准数Na是浮选机放大非常重要的准则，直接表征气泡在槽内的上升速度，反映了充气量同叶轮泵吸作用之间的关系。弗劳德数Fr是非常重要的相似准数，反映的是离心力和惯性力之间的比值，具体到浮选机则表示叶轮的泵吸作用和静水压头之间的比值，关系到固体颗粒在浮选机的悬浮。随着槽体容积的放大，大型浮选机功率强度变小，意味着处理相同给矿量矿物大型浮选机更为节能。在不同规格的浮选机弗劳德数相似均在0.5附近，气体流量准数均在0.15附近，表现出了很好的一致性。
3.结论与展望
浮选机大型化仍是浮选机发展的重要方向，近20年来，浮选机实现了70m3-300m3的放大过程，320m3浮选机也在矿山上取得成功应用，500m3、600m3级别超大型浮选机已成为浮选机研发的新动向、新趋势。北京矿冶研究总院基于CFD方法研发出了680m3超大型浮选机，延续了BGRIMM系列浮选机优异的流体动力学性能，为新型、超大规模选矿厂浮选机配置提供了新的技术方案。
致谢
本研究获得国家自然科学基金项目(No. 51074027&No.51474032)的支持。CFD计算由国家超级计算天津中心的“天河一号”超级计算机完成，感谢支持。
参考文献
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声明：
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编辑：中冶有色技术网
来源：北京矿冶研究总院、 北京市高效节能矿冶技术装备工程技术研究中心
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