浅析浮选机叶轮工作参数对气泡尺寸分布特征的影响

浅析浮选机叶轮工作参数对气泡尺寸分布特征的影响

徐术彬

中国黄金集团内蒙古矿业有限公司 内蒙古满洲里 021400

摘要：气泡尺寸是衡量浮选动力学过程及其分选效果的重要依据。叶轮工作参数在根本上决定着流体通道大小和流体特性，进而影响气泡弥散和颗粒悬浮。本文采用高速摄像机对 ＫＹＦ 型浮选机内的气泡进行拍摄和尺寸分析，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。结果表明：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，同时也能改善气泡尺寸分布的均匀性；叶轮直径及离底间隙两个结构参数与叶轮转速之间具有显著的协同交互作用，在较低和中等叶轮转速下（ ３００～４００ｒ ／ ｍｉｎ ），叶轮结构参数对气泡尺寸特征的调控作用更为明显，叶轮转速则是在较小的叶轮直径（ １５０ｍｍ ）和较大的叶轮离底间隙下（３２～３６ｍｍ ）影响更为显著；两个叶轮结构参数相比，叶轮直径对气泡尺寸的调控效应比叶轮离底间隙更显著，同时二者也有一定的交互作用，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。研究结果可为浮选机内叶轮尺寸的选择和安装操作参数选取提供依据。

关键词：叶轮直径；叶轮离底间隙；叶轮转速；气泡平均直径；气泡均匀性；交互作用

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。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，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。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，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；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，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（５０Ｌ ）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。

一、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－３２ｍｍ ，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３００ｒ ／ ｍｉｎ 、 ３５０ｒ／ ｍｉｎ 、４００ｒ ／ ｍｉｎ和４５０ｒ ／ ｍｉｎ ，同步考查叶轮直径和叶轮转速对气泡尺寸特征的影响。

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１．８～１．２ｍｍ降至０．６５ｍｍ 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１５０ｍｍ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（３００ｒ ／ ｍｉｎ 、 ３５０ｒ ／ ｍｉｎ ）条件下较为显著，而当转速升至４００ｒ ／ 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１５０ｍｍ 增大到１７５ｍｍ 时气泡尺寸的降低幅度较大，而其从１７５ｍｍ 增大到２００ｍｍ 时，气泡尺寸的降低幅度要小一些，尤其是在较高转速下。

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。

二、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４００ｒ ／ 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。

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０．０６ｍｍ 、 ０．０９ｍｍ和０．０７ｍｍ 。在４个叶轮离底间隙下，当叶轮直径由１５０ｍｍ 增大到１７５ｍｍ 时，气泡平均直径的减小幅度分别为０．１４ｍｍ 、 ０．１７ｍｍ 、 ０．１１ｍｍ 和０．１０ｍｍ ，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２００ｍｍ 时，只在较大的叶轮离底间隙下使气泡尺寸小幅度下降。

在 较 小 的 叶 轮 直 径（１５０ｍｍ ）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。

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。

三、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（３００～４００ｒ ／ 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。

参考文献：

［１］马利凤，高淑玲，孟令国，等 ． 浮选气泡及其与颗粒作用研究进展［ Ｊ ］ ．金属矿山，２０１７ （ ８ ）： ２０ － ２６．