近二十年来,随着矿产资源入选品位的降低和处理规模的增大,大型浮选设备的应用日益广泛,浮选机大型化已成为浮选设备的主要发展方向。2019年世界上最大规格的680m3充气机械搅拌式浮选机已投入生产。然而,以几何相似和动力学相似为基础的浮选机大型化方法,将矿浆作为均匀相考虑,忽略了矿浆中粗、细颗粒的差异以及浮选机大型化过程运输区距离显著增加的影响,造成大型浮选机粗颗粒回收率低的问题日益凸显。厘清浮选过程中粗颗粒的运动特性及浮选机运输区的调控方法是解决该问题的关键。因此,论文利用CFD仿真计算、3D-PIV测试、在线浮选动力学测试与工业试验等研究方法,以实验室尺度和工业尺度充气机械搅拌式浮选机浮选机为对象,研究分析浮选过程中粗颗粒的悬浮特征、上浮过程中矿化气泡粗颗粒负载的变化特点和运输区结构特征,进而对强化粗颗粒回收的大型充气机械搅拌式浮选机的设计方法开展系统研究,得到了如下研究结果:研究了不同尺度浮选机内粗颗粒的悬浮特征及影响因素。建立了实验室尺度浮选机悬浮试验系统,研究了叶轮离底悬浮临界转速的影响因素,确定了浮选机叶轮离底悬浮临界转速的结构影响系数和充气量影响系数;分析了粒度、叶轮转速、矿浆浓度和充气速率对粗、细颗粒差异悬浮的影响,研究发现,粒度和矿浆浓度对粗颗粒悬浮影响显著,与之不同的是,粒度和叶轮转速对细颗粒悬浮影响显著。对比研究了三种浮选过程中五种工业尺度浮选机内固体颗粒的悬浮特征,研究发现粗细颗粒差异化悬浮在浮选机上部区域普遍存在,随着浮选机容积变大其上部区域的固体颗粒的粗、细粒级粒度悬浮差异变大,高浓度分选条件下粗颗粒在浮选机运输区存在悬浮突变截面,在同一台浮选机内不同粒级重量悬浮与金属量悬浮两者变化并不一致。研究了浮选机内湍流强度的分布特征和矿化气泡上浮过程中负载粗颗粒部分的变化特征。建立了浮选机内液体流动湍流强度的实验室尺度测试系统和工业尺度CFD计算模型,研究表明浮选机上部湍流强度随转速的增加而增大,沿槽体向上在低转速下湍流强度先升高后降低,高转速下先升高后降低然后又升高;工业尺度浮选机内推泡锥和渐缩型的槽体结构使上部区域内液体改变了流动方向,在浮选机中心和槽壁中间区域流动形成了较强的湍流强度;与实验室尺度差别较大。建立工业尺度浮选机气泡负载测试系统,研究表明,粗选和扫选作业浮选机上部区域气泡重量负载能力变化不一致,在粗选作业浮选机内气泡上浮过程中其重量负载能力先降低再升高,扫选作业则是逐渐降低;粗选作业气泡上携带的+0.125mm粗粒级产率上浮过程中逐渐降低,细粒级产率逐渐升高,扫选作业趋势刚好相反。提出了通过减少气泡-颗粒集合体上浮输运距离和浮选机叶轮上部区域的湍流强度都可以减少粗颗粒脱落机会,从而改善粗颗粒的分选效果的思路。研究了充气机械搅拌式浮选机运输区的结构特征。建立了实验室尺度浮选机PIV测试系统,研究表明,运输区处在一个循环流场中,其几何特征较为清晰,呈近梯形。运输区在浮选机中心截面左右对称,在叶轮上方和溢流堰下方有近似直线的上下边界线,其靠近中心区域的内边界由运动方向相反的两条斜线和循环流场零速点连接而成,外边界贴近槽壁。提出了了通过提升叶轮空间位置和增大叶轮射流角调控运输区上下边界方法,并通过实验室选矿试验验证调控方法提高粗粒级矿物回收率的有效性。提出了以运输区调控为核心的强化粗颗粒回收的大型浮选机设计原则,开发了叶轮离底距离、导流装置及底部流动强化装置的设计方法。研究设计了强化粗颗粒回收容积为160 m3浮选机,建立了由2台160 m3浮选机组成的粗颗粒磷灰石浮选工业试验系统,并开展了工业验证试验。结果表明:与平行生产的40 m3粗颗粒浮选机相比P2O5回收率提高约14个百分点,其中-0.15+0.074mm粒级回收率提高了约13个百分点、-0.25+0.15mm粒级回收率提高了约12个百分点,+0.25mm粒级回收率提高了约10个百分点,粗粒级回收率提高幅度较大。以上研究表明:强化粗颗粒回收的160m3浮选机分选动力学环境适合于粗颗粒矿物的分选,证明了浮选机设计思路的正确性。论文综合采用多种分析测试方法,揭示了粗颗粒矿物在矿浆中的悬浮特征及上浮过程中矿化气泡上粗颗粒矿物负载变化规律;阐明了充气机械搅拌式浮选机运输区的结构特征;开发了大型浮选机强化粗颗粒回收的设计方法。论文研究结果丰富了浮选设备应用基础理论,完善我国在大型机械搅拌式浮选机粗颗粒回收研究上的不足,提升了我国浮选装备水平。