KYF磷矿用浮选机研制
磷矿是制取磷肥和生产黄磷、磷酸及其他多种磷化产品的重要化工原料矿物，具有基础化工原料和支农原料双重属性，在国民经济和社会发展中具有重要地位和作用。随着国民经济的快速发展，对磷资源的需求量在不断的扩大，磷矿资源的大量消耗给我国磷矿资源的未来带来了隐患。我国现有磷矿资源呈现出富矿资源少，中低品位矿多，矿物颗粒细，嵌布紧密，有害杂质多，选矿难度非常大等特点，而浮选方法是目前世界上最为有效的选矿工艺，因而对于磷矿的工艺流程、药剂制度及设备设计等进行研究是选矿工作者长期以为的研究方向。
北京矿冶研究总院长期致力于设计及制造各种类型的选矿设备，结合磷矿具有浮选泡沫量大、泡沫黏度大、流动性差等特点，研制出磷矿专用的浮选机。该浮选机满足了磷块岩浮选工艺对浮选机的特殊要求，使我国选磷浮选机技术达到并超过了国内外先进水平，目前选磷浮选机已形成了单槽容积为1~200m3的系列机型，共16种规格。
1、KYF磷矿用浮选机的研制
1.1、KYF磷矿用浮选机设计原则
根据浮选机设计方法及浮选流体动力学理论，结合磷矿选矿工艺特点，确定浮选机内部有用矿物颗粒与气泡的碰撞、黏附、脱附过程及其物理因素对此过程的影响因素，提出选磷浮选机最佳流体动力学参数，并据此提出适于KYF磷矿用浮选机的设计原则。
1）充气量可调范围大，调整精度高，其最小充气量要能调到0.05m3/m2.min左右。
2）浮选机液面要平稳，由于磷矿在气泡上附着力不强，因此要保持分离区矿浆稳定，否则会造成已附着的矿粒脱落，影响分选指标。
3）磷矿常规的浮选方法有直接浮选、反浮选、正—反浮选、反—正浮选及双反浮选工艺。KYF磷矿用浮选机综合考虑磷矿浮选特点，槽内搅拌力不能太强，以免影响气泡矿化，同时也不能太弱，因为磷矿物沉降速度快，易发生沉槽，因此选磷浮选机搅拌力要适中。任爱军、魏明安等通过研究叶轮转速对硅钙质胶磷矿双反浮选的影响也证明了其要求的搅拌力的范围较窄。
4）磷矿捕收刘主要分为改性脂肪酸、阳离子捕收剂、两性捕收剂、混合捕收剂等，磷矿选矿抑制剂主要有磷酸盐类抑制剂和含磷矿物抑制剂等。磷矿选矿中通常不仅要脱硅还要脱镁，使用的脂肪酸类药剂常会使矿浆中气泡更小，上升速度更慢，矿浆中含有大量微泡，因此要求叶轮—定子系统满足槽内含有大量微细气泡的浮选动力学要求。
5）同时大量的捕收剂和抑制剂的加入使得磷矿浮选泡沫细而黏，从槽内排出的泡沫不易破碎，流动性很差，浮选机要求及时快速回收泡沫，同时要考虑中矿泡沫返回问题，保证流程畅通。
6）由于磷矿浮选对于充气量较为敏感，补加水量及药剂用量均对选矿指标有较大的影响，因而先进的自动控制系统对于保证浮选机的工艺性能是非常必要的。
KYF磷矿用浮选机除了满足上述要求外，还应满足如结构简单、操作方便、功耗低、易损件寿命长和容易维修等常规浮选机的要求。
1.2、KYF磷矿用浮选机主要结构及参数设计
根据设计原则要求，KYF磷矿用浮选机采用外加充气式，充气量可任意调节。该设备由叶轮、空气分配器、定子、主轴、轴承体和槽体等组成，结构图如图1所示。浮选机的工作原理是：当叶轮旋转时，由鼓风机给入的低压空气经过空心轴，空气分配器进入叶轮叶片间，与此同时，叶轮从槽底部抽吸槽内矿浆，与空气在叶轮叶片间充分混合后，由叶轮周边排出，经定子稳流定后向后进入槽中，矿化气泡上升到槽子表面形成泡沫层。
从对KYF磷矿用浮选机的结构和工作原理的分析可知，此类浮选机的关键部件与常规浮选机设计重点应放在槽体、叶轮和定子上。
1.2.1、槽体设计
KYF磷矿用浮选机槽底设计成“U”形，有利于粗重矿粒向槽中心移动，避免沉砂。由于外部充气，叶轮不需要负压吸气，因而可采用深槽设计。加大槽深可以使得气泡上升距离增大，气泡与矿物颗粒碰撞几率加大，气泡在槽内的弥散更为均匀。同时加大槽体深度，在浮选机容积固定的情况下，可以减少浮选机长宽，这样厂房的占地面积减小。
深槽设计可使浮选机叶轮直径减小，有利于功耗的降低，同时浮选机叶轮距离溢流堰更远，搅拌力对液面的影响减小。
对于磷矿反浮选工艺，由于矿浆常在酸性环境中进行浮选，因而槽体常需要防腐耐磨处理，保证设备的稳定性。
1.2.2、叶轮设计
叶轮是机械搅拌式浮选机最为关键的部件，其设计制造质量决定了浮选机的机械性能与浮选工艺性能。KYF磷矿用浮选机的叶侏罗纪设计主要考虑下列问题：1）搅拌力要适中，不应在槽内造成大大的速度头（叶轮圆周速度）。速度头过大不仅会造成分选区不稳定、液面翻花，降低有用矿物的回收，同时还增加了不必要的功率消耗。2）矿浆循环量要大，要有利于矿粒悬浮和空气分散。3）矿浆流线合理。4）结构简单，功耗低，使用寿命长。
叶轮形状：选磷浮选机的叶轮设计成叶轮片后倾、高比转数叶轮，结构如图2所示。后倾叶片流量大、理论压头低，且总理论压头中动压头较小，功耗低；高比转速叶轮也具有流量大、压头小的特点，符合磷矿用浮选的设计要求。
叶轮直径：叶轮直径是影响选别指标的重要参数之一。根据磷矿用浮选机的设计要求，在实验室对不同直径的小型浮选机进行试验，确定基准直径后，再通过相似放大的方法确定工业型浮选机叶轮直径。
叶轮转速：叶轮转速直接关系到浮选槽内矿粒的悬浮以及气泡和药剂的分散，同时也对矿粒和气泡的碰撞、脱落有重要影响。试验表明，如果转速低了，由于磷矿沉降速度较快，要么形成分层现象，要么形成积砂。如果转速高了，则易造成表面翻花，无法形成稳定的泡沫层，影响分选。因此，对磷矿浮选，应在保证不沉槽的情况下，尽量采用较小叶轮转速，有利于提高选磷工艺指标。
1.2.3、定子设计
浮选机槽内为气-液-固三相混合区，在三相紊流区，需要较强的搅拌强度，使矿浆呈现紊流状态，使矿粒与气泡发生碰撞和黏附，但分选区和泡沫区则需要相对稳定，因而定子必须能够将叶轮产生切向矿浆流转化为径向流，保证稳定的分离区和泡沫区。KYF磷矿用浮选机采用悬空式径向定子，由支腿固定在槽底，使定子下部区域矿浆流通面积大，有利于降低动力消耗，增强槽下部的循环和固定颗粒的悬浮。
1.2.4、CFD模拟
随着计算流体力学（CFD）技术的发展，更多地对于给定条件下反应器的流体流动状态进行预测成为可能。国内外大型选设备设计机构均采用CFD对其新型设备进行模拟，利用CFD能节约大量的研究经费，同时可以获得试验手段所不能得到的数据。通过CFD数值模拟，其结构和流体动力学特性如图3和图4。由图可知， KYF磷矿用浮选机槽体内的流体动力学状态和气体分散状况，浮选机搅拌力适中，气体分散均匀，与设计一致，可满足工业生产要求。
2、结语
KYF磷矿用浮选机在国内外率先成功地解决了磷矿选别要求充气量小、泡沫量大、泡沫黏难破碎输送等难题，实现了在小充气量、低转速的同时保证矿浆悬浮等磷矿选别的要求。通过CFD流体力学模拟进一步证明KYF磷矿用浮选机设计合理，能满足设计要求。
