石英砂涡流自循环非金属浮选提纯装备的研究

袁 扬

（吉林省地质技术装备研究所，长春 130103）

高纯石英砂广泛用于光伏、电子、高端电光源、薄膜材料以及国防科技等领域，是高端制造行业不可替代的原辅材料。浮选是石英砂提纯过程中重要的工艺过程。然而，高纯石英对于粒度有严格要求（40 ～70 目、70 ～140 目），导致被浮选的石英砂矿浆具有浓度高、粒度大的特点。现有浮选机结构简单，无法实现高浓度、大粒径石英砂矿物的有效提纯。此外，浮选槽材料为金属，会造成浮选后的精矿被污染，影响后续的工艺过程。因此，提出研发具有涡流自循环非金属浮选机构的高纯石英砂浮选样机，为石英砂资源的高效开发利用提供技术支撑[1]。

1 研究现状

浮选技术广泛应用于细粒嵌布的金属矿物、非金属矿产以及化工原料矿物等的分选。利用晶体表面的晶格缺陷，使向外的疏水端部分插入气泡，这样在浮选过程中气泡可以将指定的矿粉带走，达到选矿的目的。浮选是石英砂提纯过程中重要的工艺过程，但现有的浮选技术不适用于石英砂矿物的提纯。一方面，浮选后的微生物浸出工艺主要是用微生物浸除石英砂颗粒表面的薄膜铁或浸染铁，因此普通浮选机的金属机体容易对矿物造成二次污染。另一方面，普通浮选机不适用于石英砂矿浆的浓度和粒度，浮选效率较低。因此，需要针对石英砂矿浆的性质特点和后续工艺的技术要求，研制具有防止二次污染、寿命长、效率高的石英砂专用设备[2]。

2 要解决的关键技术问题

2.1 气-液-固三相流体涡流自循环高效搅拌技术

石英砂矿浆在浮选槽内能否被充分搅拌，是石英砂高效提纯的关键。通过创新结构设计，采用涡流自循环实现包含石英砂矿物的气-液-固三相流体在浮选槽内充分循环搅拌是要解决的关键技术问题。

2.2 非金属浮选槽无污染浮选技术

金属浮选槽对石英砂精矿的二次污染问题是影响石英砂高效提纯的瓶颈问题，直接影响后续提纯工艺的运行。采用非金属材料制作浮选槽结合涡流自循环高效搅拌机构，在实现高效搅拌的同时减少矿浆对浮选槽内壁的磨损，是要解决的关键技术问题。

3 采取的技术路线

3.1 涡流自循环搅拌机构设计

在现有矿物浮选机搅拌机构的基础上，结合涡流自吸机构，设计针对矿物浮选的涡流自吸结构，实现矿浆的自循环搅拌。

设计叶轮、定子、槽体以及中心筒结构，结构形式要具备以下能力[3]。

第一，叶轮能满足大矿浆流量下矿粒充分悬浮，提高矿粒和气泡混合效率；第二，定子结构要能将叶轮产生的矿浆流转化为径向矿浆流，形成稳定泡沫层；第三，中心筒结构要具备矿浆再循环功能，增加矿粒和气泡的结合率。

通过数值模拟研究能够形成气-液-固三相流体涡流自循环的叶轮、定子、槽体、中心筒结构等关键部件的结构尺寸，设计加工涡流自循环搅拌机构。

石英砂浮选设备的总体结构如图1 所示，主要搅拌循环结构的布置如图2 所示。

图1 石英砂浮选设备

图2 主轴部件结构

3.2 多场耦合条件下三相流体涡流自循环运动特性研究

通过小型石英砂浮选实验模拟，研究不同石英砂粒径、充气量和液体流速等参数条件下石英砂矿浆流场的变化特性，明确三相流体涡流自循环过程中矿浆流场对石英砂浮选效率作用机制，确定可提高石英砂矿物浮选效率的参数组合与结构形式。通过经验公式计算搅拌机构主要运转参数，并通过小型浮选机实验对参数进行调整验证[4]。图3 为专为模拟实验而设计的石英砂实验室浮选机。

图3 石英砂实验室浮选机

大量的浮选实验和理论研究表明，适合机械搅拌式浮选机的固体完全离底悬浮的临界转速计算公式为[5]

式中：nc为临界转速，r·min-1；Ks为槽体几何形状因子，取值为0.8 ～0.9；D槽为浮选机槽体直径，m；dp为矿浆中大颗粒直径，mm；B为浮选机内矿浆固体质量与液体质量的比值；v为矿浆的运动黏度，MPa·s；g为重力加速度，m·s-2；ρs为固体颗粒的密度，g·cm-3；ρ1为液体密度，g·cm-3。

3.3 非金属浮选槽与涡流自循环搅拌机构协同优化设计

根据不同非金属材料的加工难易程度、耐腐性、耐磨损等基础物性，初步选择非金属材料。开展材料磨损试验，研究不同非金属材料在石英砂矿浆流动条件下的磨损程度和矿浆固有成分的演化规律，优选非金属材料。

设计不同结构尺寸的非金属浮选槽，设计有两方面要求：一是槽体结构要具有减少四角矿砂堆积的功能，长宽要适合叶轮的直径，降低功耗，减少磨损；二是槽深要使在浮选过程中形成比较平稳的泡沫层和较长的分离区，提高精矿质量和回收率。

此外，要针对不同的槽体结构开展不同参数条件下涡流自循环浮选实验，结合浮选效率和槽体磨损程度，优化涡流自循环搅拌机构。

3.4 石英砂专用浮选机的研制

制造工程样机设计充气量监测系统、转速监测系统、浓度监测系统和功率监测系统，使石英砂浮选机具备浮选过程全程自动监测和参数显示功能。结合不同类型石英砂矿物和不同石英砂矿浆浓度，测试系统各功能。通过浮选实验获得浮选率参数，基于效率最优原则，进一步优化石英砂浮选机结构参数和运转参数。选择石英砂选矿企业和科研院所对其性能进行验证，结合实际对其主要参数和结构进行适当调整并最终定型。图4 为定型后批量生产的石英砂浮选机。

图4 连云港某企业批量生产的石英砂浮选机

4 结语

采用涡流自循环技术的石英砂浮选机成功实现了石英砂矿浆在浮选槽内的充分搅拌，浮选机在自吸气条件下通过新型叶轮定子产生的气-液-固三相流体可高效浮选石英砂矿物。非金属材料在石英砂浮选机上的应用不但解决了石英砂精矿二次污染影响石英砂高效提纯的问题，还实现了在高效搅拌的同时减小矿浆对浮选槽内壁的磨损，延长了浮选机的使用寿命。实践证明，该机节能、高效、寿命长，具有较为广阔的应用前景。