浮选柱的研究

1916—1920年, Towne与Flinn等人设计了充气式浮选柱并在Inspiration和其它斑岩铜矿进行了试验。运行稳定时, 较厚的泡沫层能得到较高品位的精矿, 但是遇到沉槽、跑槽、空气分散器堵塞的问题时, 生产就得中断, 浮选柱的研究兴趣因此而消褪。

20世纪50年代中期, 克林顿·林斯沃斯在史密斯-道格拉斯公司工作, 开始了浮选机充气研究, 以减少浮选机的搅拌强度。1945—1985年, 史密斯-道格拉斯公司在佛罗里达地区开采处理磷矿石以生产磷肥, 生产中逐渐意识到应该对浮选机做出相应改进。1953年Hollingsworth设计的浮选机由一个长而浅的槽体和一个多孔的底部组成, 并通过底部的多孔膜对矿浆向上冲水, 一年之内, 他们采用这种方案对浮选柱进行了设计, 保留了浮选机的矿浆冲水装置, 同时在浮选柱上增加一系列充气器, 这些充气器在竖直方向的三个位置穿过浮选柱壁安装。每个充气器由一个含大量针眼小孔的橡胶管组成, 当压缩空气通过充气器时产生气泡。但是充气器产生的大气泡, 影响了浮选效果, 后将充气器制造成一个文丘里管的形式, 使水流诱导足够的空气进入, 以产生浮选时所需的小气泡。这就不再需要给入压缩空气, 诱导吸入的空气量由水流进入装置收缩区域的角度决定。1964年博登化学公司收购了史密斯-道格拉斯公司, 积极地推动了浮选柱的发展。

从20世纪60年代开始, 充气式浮选设备设计有顺流碰撞 (气泡和颗粒向着相反的方向流动) 和逆流碰撞 (气泡和颗粒以相同的方向进入, 在强烈的混合中发生相互碰撞) 。此时, 浮选柱泡沫层添加喷淋水去除夹带的脉石, 成为提高精矿品位的关键特点。

1961年, 加拿大人皮埃尔·布廷 (Pierre Butin) ^[1,2]申请了带泡沫冲洗水装置的现代意义的浮选柱专利后, 浮选柱研究很快传入美国、前苏联和澳大利亚等国家。

直至20世纪70年代, 大量的设备制造商开始关注浮选柱。Deister选矿厂公司就是其中之一, 该公司由从事矿物分选的德国移民Emil Deister创立。Deister选矿厂公司最初以摇床为基础业务, 20世纪70年代晚些时候开始拓展浮选柱业务。最初, 他们的浮选柱研究工作得到了Clinton Hollingsworth的帮助, 对早期博登化学公司的设计进行了一些修改, 并在佛罗里达Tenoroc磷选厂进行了直径为2 m的样机试验, 试验结果很理想。1978年Deister选矿厂公司获得了独家专利权生产和出售Flotaire浮选柱。在Donald Zipperian的经营下, 迎来了公司此后20多年的发展。直到1985年, Deister浮选柱采用压缩的空气流来抽吸水和起泡剂进入文丘里管, 以产生足够的充气量, 并且保证较小水量进入浮选柱。这一方案解决了早期设计的浮选柱内大量的水稀释矿浆的难题。后来, Deister浮选柱由内部充气器和外部充气器组成并采用浸没冲洗水装置。

20世纪70年代后, 由于当时的浮选柱出现气泡发生器易堵塞、其零部件经常脱落和破裂、充气效果不良造成浮选柱内流态不稳定、停机必须排出机内滞留矿浆以及缺乏按比例放大的正确方法等一系列问题, 浮选柱研究进入低潮。

20世纪80年代以后, 浮选柱研究再次掀起热潮, 研究人员主要从气泡发生器^[3]、充填介质^[4]、柱体高度^[5]、矿浆停留时间、按比例放大、给矿排矿方式、数学模型、自动控制八个方面入手开展研究, 在这八个进展方面的推动下, 涌现出多种新型高效的浮选柱, 如原苏联研制的ФП系列浮选柱、英国Leeds大学研制的Leeds浮选柱、美国犹他大学Miller发明的旋流充气式浮选柱等。尽管上述浮选柱在充气性能和运行稳定性方面均有较大的进展, 但在第二次浮选柱研究热潮中最有代表性的, 当属澳大利亚Jameson教授设计的Jameson^[6,7,8]浮选柱和美国Roe Hoan Yoon教授设计的微泡浮选柱。

1) Jameson浮选柱。这是一种工业上广泛应用的无机械浮选设备。1985年芒特艾萨矿委托纽卡斯尔大学的Jameson教授着手改进锌回路精选浮选柱气泡发生器设计的项目研究, 最初的想法是为高柱型浮选柱设计一个新的气泡发生器, 这种气泡发生器很快在矮柱型浮选柱上实现了同等性能, 这就是今天的Jameson浮选柱。1989年, 芒特艾萨铅锌选矿厂和Hilton铅锌选矿厂各安装了2台Φ1.9 m的Jameson浮选柱。这一时期Jameson浮选柱最重要的应用就是在新西兰煤选厂, 1988—1989年该厂安装了6台Φ1.5 m×3.5 m浮选柱并进行了试车。浮选柱分为三个区域, 分别是混合区、管道流动区和分离区, 其中混合区是气泡和颗粒强烈作用的区域。矿浆由泵送经孔板进入混合区, 产生一个高气压喷射流, 喷射出的流体气压陡然下降, 一部分空气自吸进入。

自从1986年发明Jameson浮选柱以来, 超过250台该浮选柱应用于多家选煤厂、选矿厂和工厂。Jameson浮选柱主要用于回收细粒煤, 也广泛用于从溶剂萃取/电解沉积中去除有机物。在金属矿选矿方面, Jameson浮选柱用来选别浮游速度快的矿物, 剩余浮游速度慢的部分用传统浮选机回收。与相似容积大小的机械搅拌浮选机或浮选柱相比, Jameson浮选柱要小很多。Jameson浮选柱安装数量增加迅速, 到1994年用于矿物泡沫浮选的Jameson浮选柱占据着无机械浮选机的领导地位, 这一地位一直保持到1999年, 在这5年内代替了大约41%的浮选柱的生产能力。安装业绩包括Jameson浮选柱用于菲莱克斯矿业公司和菲律宾Maricalum矿的铜精选和粗选作业, 与此同时, Jameson浮选机在澳大利亚煤炭工业几乎占据了主导地位。

2) 微泡浮选柱。美国Roe Hoan Yoon教授及其弗吉尼亚理工大学的同事开发了微泡浮选柱, 目的是要产生比传统浮选柱更小的气泡。物料从微泡浮选柱泡沫层下方给入, 与来自柱底部上升的小气泡流即“微泡”相遇。通过离心泵在浮选柱下部抽吸部分矿浆, 矿浆通过分布在柱外壁的静态在线混合器完成充气又返回到柱内, 产生微泡。静态混合器的设计能够满足产生微泡所必需的高能量耗散速度。独特的气泡发生装置不仅产生微泡, 而且能够在强紊流条件下, 允许气泡-颗粒间发生相互作用。泡沫层上添加冲洗水, 可以减少脉石夹带。第一台商业运用的微泡浮选柱安装在Pittston公司, 早期的其它微泡浮选柱安装在美国Holston和Lady Dunn厂。1995年, 澳大利亚第一台微泡浮选柱安装在Peak Downs厂, 全世界范围内有超过100台微泡浮选柱用于选矿厂和选煤厂。

随着浮选柱浮选技术研究的不断深入, 近几年又出现了多种新型高效的浮选柱, 如多产品浮选柱、稳流板浮选柱和机械搅拌浮选柱。

1) 多产品浮选柱

多产品浮选柱的设计思路是由俄罗斯IOTT研究所的Rubinstein提出的, 三产品浮选柱———3PC浮选柱就是在此基础上研制的。与常规浮选柱相比, 3PC浮选柱具有较高的浮选速率和富集比。泡沫中清除的夹带物作为一种产品被选择性地分离出来, 这样就避免了颗粒的再循环, 不会出现污染精矿的现象, 有利于提高精矿品位。

2) 稳流板浮选柱

针对轴向混合和泡沫兼并的问题, 密西根技术大学研制了带有水平稳流板的浮选柱, 水平稳流板由一些简单带孔的板组成, 能够很好地解决上述问题。美国西弗吉尼亚大学的Meloy在柱体内部添加了由充填物分成的若干个小槽, 使得浮选柱可以产出一组品位连续变化的产品, 类似于多段浮选柱。

3) 机械搅拌浮选柱

常规浮选柱更适合于细粒级矿物的回收, 而对浮选粗粒矿物的能力较低, 为改善粗粒浮选效果, 针对这个问题, 研究人员在浮选柱中添加了机械搅拌机构, 研制出了带有叶轮机构的浮选柱。