浮選機(jī)葉輪工作參數(shù)對氣泡尺寸分布特征的影響

高淑玲，孟令國，孫文瀚，沈巖柏，崔寶玉

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

浮選是微細(xì)顆粒實(shí)現(xiàn)有效分離的常用方法，在礦石分選和煤炭洗選加工等生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用廣泛[1]。作為固體顆粒的浮游載體，氣泡的尺寸分布特征對浮選動(dòng)力學(xué)過程及工藝指標(biāo)具有重要影響[2-4]，在生產(chǎn)及研究中往往借助于浮選設(shè)備工作參數(shù)的合理選擇予以調(diào)節(jié)。影響浮選機(jī)內(nèi)氣泡尺寸的因素主要包括發(fā)泡方式與操作條件、葉輪工作參數(shù)、礦漿溶液性質(zhì)等幾個(gè)方面[5-6]。在諸多影響因素中，針對葉輪轉(zhuǎn)速、充氣量和起泡劑方面的研究目前最為活躍[7-17]，研究線條可歸結(jié)為兩方面，一方面是單因素對氣泡尺寸的影響分析[18];另一方面是多因素協(xié)同的作用效果探討。相關(guān)研究結(jié)果逐步明確了葉輪轉(zhuǎn)速和充氣量的適宜工作區(qū)間，對起泡劑分子結(jié)構(gòu)和濃度范圍的效能也有了更深層次的認(rèn)識，為浮選過程適宜工作參數(shù)的選取及相互配合奠定了較好的基礎(chǔ)?？偟膩砜矗鹋輨τ诟纳茪馀莩叽缣卣骺梢云鸬揭欢ㄗ饔?，然而當(dāng)起泡劑用量超過臨界兼并濃度后，其調(diào)控作用明顯降低，此時(shí)的氣泡狀態(tài)主要依賴于周圍的流體動(dòng)力學(xué)環(huán)境。通過調(diào)節(jié)浮選機(jī)的工作參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)氣泡尺寸特征的二次調(diào)控，然而不合理的參數(shù)設(shè)置會(huì)破壞流場的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響氣泡彌散與顆粒懸浮，因此良好的流場環(huán)境對氣泡尺寸特征以及礦物分選至關(guān)重要。

充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)具有充氣量可調(diào)、葉輪磨損輕、適應(yīng)范圍廣、利于大型化等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前在大型選礦廠得到了廣泛應(yīng)用。葉輪兼具攪拌礦漿和分散空氣的功能，是浮選三相體系獲能的關(guān)鍵單元部件，其幾何參數(shù)及安裝尺寸在根本上決定著流體通道的大小和流體特性，進(jìn)而影響氣泡彌散和顆粒懸浮。然而由于試驗(yàn)條件和檢測手段的限制[19]，目前針對葉輪直徑及其離底間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)方面的研究還比較少，對葉輪工作參數(shù)之間交互作用的考查也不夠深入。基于此，本研究選擇KYF型充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)(50 L)作為研究對象，采用高速攝像機(jī)對浮選機(jī)特定區(qū)域的氣泡進(jìn)行拍攝和尺寸測量，系統(tǒng)考查葉輪直徑、葉輪離底間隙、葉輪轉(zhuǎn)速3個(gè)因素兩兩交互對氣泡尺寸分布特征的影響，查明上述葉輪參數(shù)對氣泡尺寸特征的影響規(guī)律，為浮選機(jī)內(nèi)葉輪的選擇和安裝操作參數(shù)選取提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 氣泡尺寸測量系統(tǒng)

浮選機(jī)內(nèi)氣泡尺寸測量系統(tǒng)借鑒HUT測定方案[20]，其示意圖和實(shí)物圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 氣泡尺寸測量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the bubbles sizemeasurement system

圖2 氣泡尺寸測量系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Bubbles size measurement system

取樣裝置由取樣管、觀察室、聚乙烯遮光板以及球心閥組成。 觀察室長120 mm、寬100 mm、厚6 mm，取樣管的內(nèi)徑為10 mm，長度為400 mm。在試驗(yàn)開始前，先打開上部球心閥，將取樣管底端置于浮選機(jī)中軸面內(nèi)徑向?yàn)?50 mm、軸向?yàn)?70 mm的位置(浮選機(jī)中軸面的坐標(biāo)圖見圖3)。利用洗耳球?qū)⒑瑲馀萑芤何胗^察室，待溶液充滿觀察室后關(guān)閉球心閥，進(jìn)而調(diào)節(jié)浮選機(jī)各工作參數(shù)，運(yùn)行平穩(wěn)后利用高速攝像機(jī)對觀察室中的氣泡進(jìn)行持續(xù)拍攝，期間確保每次拍攝到的氣泡總量不少于1 000個(gè)。

1.2 氣泡尺寸數(shù)據(jù)分析

在高速攝像機(jī)拍攝的視頻中每隔0.5 s截取一張圖片，在圖像處理軟件OLYCIA中對這些氣泡原圖進(jìn)行切割和降噪處理，然后進(jìn)行尺寸數(shù)據(jù)提取，具體過程如圖4所示。

圖3 浮選機(jī)中軸面坐標(biāo)圖Fig.3 Coordinate of the middle-vertical-planein the flotation machine

圖4 氣泡圖像處理過程Fig.4 Processing of bubbles image

采取表面積平均直徑d32(也稱為Sauter直徑)作為某設(shè)定條件下的氣泡平均直徑，它表示與實(shí)際氣泡具有相同表面積的球體直徑，計(jì)算公式見式(1)[14]。

(1)

式中：n為氣泡的個(gè)數(shù)；di為第i個(gè)氣泡的當(dāng)量直徑。

另外，為了考查氣泡尺寸分布情況，統(tǒng)計(jì)了不同直徑的氣泡數(shù)量及其比例，計(jì)算了氣泡直徑均方差，用于表征氣泡的均勻性。

1.3 試驗(yàn)條件選取

本文所采用的葉輪葉片為后傾式，傾斜角度為40°，葉片數(shù)量為4個(gè)，葉輪腔直徑為45 mm。 為了系統(tǒng)研究葉輪直徑、葉輪離底間隙和葉輪轉(zhuǎn)速之間的交互作用，選取3種規(guī)格的葉輪：Φ150 mm、Φ175 mm、Φ200 mm；葉輪離底間隙調(diào)節(jié)范圍為24～36 mm；葉輪轉(zhuǎn)速考慮滿足顆粒懸浮的要求，其考查范圍為300～450 r/min。在考查以上葉輪參數(shù)之前，預(yù)先通過條件試驗(yàn)確定采用仲辛醇作為起泡劑，用量為14 mg/L(臨界兼并濃度)，充氣量為0.32 m3/h，以兼顧拍攝和圖像分析的要求。因此在試驗(yàn)過程中，浮選溶液表面張力和氣含率均保持統(tǒng)一。在考查葉輪參數(shù)的兩兩交互作用時(shí)，第3個(gè)條件也維持定值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 葉輪直徑和葉輪轉(zhuǎn)速交互對氣泡尺寸特征的影響

葉輪離底間隙取定值-32 mm，分別采用3種規(guī)格的葉輪，在任一葉輪直徑條件下，調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速為300 r/min、350 r/min、400 r/min和450 r/min，同步考查葉輪直徑和葉輪轉(zhuǎn)速對氣泡尺寸特征的影響，結(jié)果如圖5所示。

從圖5(a)中可以看出，當(dāng)葉輪直徑一定時(shí)，隨葉輪轉(zhuǎn)速增大，氣泡尺寸明顯減小，在3種不同的葉輪直徑下，調(diào)高轉(zhuǎn)速可使氣泡平均直徑從1.8～1.2 mm降至0.65 mm左右，氣泡尺寸的降低幅度隨葉輪直徑增大而降低，即當(dāng)葉輪直徑采用較小的150 mm時(shí)，轉(zhuǎn)速對氣泡尺寸的調(diào)節(jié)作用更為顯著，而葉輪直徑增大后，轉(zhuǎn)速的影響趨弱。在相同轉(zhuǎn)速下增大葉輪直徑同樣會(huì)使氣泡尺寸減小，這一調(diào)節(jié)作用在較低轉(zhuǎn)速(300 r/min、350 r/min)條件下較為顯著，而當(dāng)轉(zhuǎn)速升至400 r/min以上時(shí)再增大葉輪直徑，氣泡尺寸的降低幅度變得很小。并且，葉輪直徑從150 mm增大到175 mm時(shí)氣泡尺寸的降低幅度較大，而其從175 mm增大到200 mm時(shí)，氣泡尺寸的降低幅度要小一些，尤其是在較高轉(zhuǎn)速下。

從圖5(b)中可以看出，葉輪直徑和葉輪轉(zhuǎn)速越大，氣泡直徑方差越小，表明氣泡尺寸愈加均勻，即兩因素對氣泡尺寸的均勻性都產(chǎn)生了正效應(yīng)。 任一因素對氣泡均勻性的改善幅度亦是隨著另一因素的升高而變緩，進(jìn)一步印證了兩因素之間的協(xié)同交互作用。

綜上分析可知，增大葉輪直徑和提高葉輪轉(zhuǎn)速都能起到降低氣泡尺寸的作用，同時(shí)還改善了氣泡尺寸分布的均勻性，且二者之間具有顯著的交互作用。任一因素在另一因素的較低設(shè)定值時(shí)所發(fā)揮的調(diào)節(jié)作用更為明顯，葉輪直徑的影響在高轉(zhuǎn)速條件下會(huì)達(dá)到平衡，氣泡大小趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)?，低速旋轉(zhuǎn)的小直徑葉輪對氣流的剪切能力較弱，生成的氣泡尺寸大且均勻性不佳。隨著葉輪直徑增大和葉輪轉(zhuǎn)速升高，葉輪的剪切能力逐漸提高，氣泡尺寸變小且分布特征漸趨一致。綜合考慮，較大葉輪直徑和中等葉輪轉(zhuǎn)速是較為適宜的浮選機(jī)工況條件，此時(shí)既可獲得均勻性良好的微細(xì)氣泡，同時(shí)還有利于降低浮選過程的功率消耗。

2.2 葉輪離底間隙和葉輪轉(zhuǎn)速交互對氣泡尺寸特征的影響

根據(jù)2.1部分試驗(yàn)結(jié)果，選擇采用較大的葉輪直徑(175 mm)，考查葉輪離底間隙和葉輪轉(zhuǎn)速兩因素對氣泡尺寸特征的影響。通過升降葉輪以調(diào)整葉輪離底間隙為24 mm、28 mm、32 mm和36 mm，在每一葉輪離底間隙下再依次改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從圖6(a)中可以看出，在任一葉輪離底間隙下，氣泡平均直徑也都隨著葉輪轉(zhuǎn)速升高而減小。以葉輪離底間隙為32 mm時(shí)為例，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速由300 r/min提高到350 r/min時(shí)，氣泡平均直徑由1.34 mm降到0.91 mm，下降幅度為0.42 mm，而當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速由350 r/min繼續(xù)增至400 r/min和 450 r/min時(shí)，氣泡平均直徑則由0.91 mm降到0.80 mm和0.64 mm，下降幅度相對較小。由此可知，隨著葉輪轉(zhuǎn)速不斷升高，氣泡尺寸變小，但降低幅度卻越來越小，這一影響規(guī)律與2.1部分試驗(yàn)結(jié)果一致。此外，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，葉輪離底間隙越小，氣泡平均直徑越小。間隙調(diào)整所引起的氣泡尺寸變化，在較低和中等葉輪轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)表現(xiàn)比較明顯，而在較高葉輪轉(zhuǎn)速(450 r/min)下，氣泡尺寸隨之變化甚微，進(jìn)一步表明，機(jī)械結(jié)構(gòu)因素對氣泡尺寸的調(diào)節(jié)存在平衡點(diǎn)。欲發(fā)揮結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣泡尺寸特征的調(diào)節(jié)效能，葉輪轉(zhuǎn)速不宜選取過高。

從圖6(b)中可以看出，縮小葉輪離底間隙以及提高葉輪轉(zhuǎn)速均有利于降低氣泡直徑方差，提高浮選機(jī)內(nèi)氣泡尺寸的均勻性。葉輪離底間隙對氣泡尺寸均勻性的正效應(yīng)同樣是在較低和中等葉輪轉(zhuǎn)速(450 r/min以下)范圍內(nèi)更為明顯。

圖5 葉輪直徑和葉輪轉(zhuǎn)速對氣泡尺寸特征的影響曲線Fig.5 Influence curves of impeller diameter and speed on the size characteristics of bubbles

圖6 葉輪離底間隙和轉(zhuǎn)速對氣泡尺寸特征的影響曲線Fig.6 Influence curves of impeller off-bottom clearance and speed on the size characteristics of bubbles

綜上分析可知，在低葉輪轉(zhuǎn)速(300 r/min)條件下，縮小葉輪離底間隙可使氣泡直徑方差降低0.06，增大葉輪直徑可使氣泡直徑方差降低0.30，此時(shí)調(diào)整后者對氣泡均勻性的改善效果更為明顯；在中等和較高葉輪轉(zhuǎn)速(350 r/min、400 r/min、450 r/min)時(shí)，增大葉輪直徑和縮小葉輪離底間隙對氣泡直徑方差的調(diào)整幅度在0.01～0.02之間。

2.3 葉輪直徑和葉輪離底間隙交互對氣泡尺寸特征的影響

根據(jù)2.1部分和2.2部分考查的結(jié)構(gòu)參數(shù)條件可知，在低葉輪轉(zhuǎn)速時(shí)葉輪直徑對氣泡的調(diào)節(jié)效應(yīng)大于葉輪離底間隙，而在較高葉輪轉(zhuǎn)速時(shí)二者的影響顯著性差別較小。因此選擇葉輪轉(zhuǎn)速400 r/min，在此操作條件下依次調(diào)整葉輪直徑和葉輪離底間隙，進(jìn)一步考查這兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)交互時(shí)對氣泡尺寸特征的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

從圖7(a)中可以看出，在相同的葉輪直徑下，改變?nèi)~輪離底間隙對氣泡直徑具有一定的調(diào)節(jié)作用，但可調(diào)幅度較小，最小氣泡尺寸均是在最小葉輪離底間隙下獲得。通過縮小葉輪離底間隙，氣泡平均直徑分別減小了0.06 mm、0.09 mm和0.07 mm。在4個(gè)葉輪離底間隙下，當(dāng)葉輪直徑由150 mm增大到175 mm時(shí)，氣泡平均直徑的減小幅度分別為0.14 mm、0.17 mm、0.11 mm和0.10 mm，顯然，葉輪直徑發(fā)揮了更顯著的作用；當(dāng)葉輪直徑繼續(xù)增大到200 mm時(shí)，只在較大的葉輪離底間隙下使氣泡尺寸小幅度下降。

從圖7(b)中可以看出，在較小的葉輪直徑(150 mm)下調(diào)整葉輪離底間隙，氣泡均勻性的變化趨勢不明顯，但當(dāng)葉輪直徑增大后，氣泡直徑方差與葉輪離底間隙則呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)，此工況下通過縮小葉輪離底間隙可以明顯改善氣泡尺寸分布的均勻性。此外，在相同的葉輪離底間隙下增大葉輪直徑對改善氣泡均勻性也是有利的。

圖7 葉輪直徑和葉輪離底間隙對氣泡尺寸特征的影響曲線Fig.7 Influence curves of impeller diameter and impeller off-bottom clearance and on the size characteristics of bubbles

綜上分析可知，當(dāng)葉輪以較高轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)時(shí)，增大葉輪直徑對氣泡尺寸的調(diào)節(jié)效應(yīng)比縮小葉輪離底間隙要更為顯著，但存在調(diào)節(jié)平衡點(diǎn)。當(dāng)葉輪直徑的調(diào)節(jié)作用趨弱時(shí)，通過縮小葉輪離底間隙可對氣泡大小進(jìn)行微調(diào)。葉輪直徑和離底間隙對氣泡均勻性具有明顯的交互影響，葉輪直徑越大，越易于發(fā)揮葉輪離底間隙對氣泡均勻性的正向影響。

3 結(jié) 論

1) 葉輪工作參數(shù)對浮選機(jī)內(nèi)的氣泡尺寸特征具有顯著影響。增大葉輪直徑、縮小葉輪離底間隙、提高葉輪轉(zhuǎn)速均可使氣泡尺寸減小，同時(shí)也改善了氣泡尺寸分布的均勻性。

2) 葉輪直徑及葉輪離底間隙與葉輪轉(zhuǎn)速之間具有顯著的協(xié)同交互作用。在較低葉輪轉(zhuǎn)速和中等葉輪轉(zhuǎn)速(300～400 r/min)下，更有利于發(fā)揮葉輪尺寸及其安裝參數(shù)對氣泡尺寸的調(diào)控作用，同時(shí)也更為符合生產(chǎn)節(jié)能要求，利于提高浮選技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3) 葉輪直徑對氣泡尺寸的調(diào)控效應(yīng)比葉輪離底間隙更顯著，但當(dāng)葉輪直徑的影響趨弱時(shí)，可通過后者對氣泡尺寸進(jìn)行微調(diào)。兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)還具有一定的交互作用，葉輪直徑越大，葉輪離底間隙對氣泡尺寸均勻性的影響越明顯。