铜山口铜矿水力旋流器数值优化试验研究_曾祥龙.pdf

收稿日期2019-09-15 作者简介曾祥龙 （1965） ， 男， 教授级高级工程师， 硕士。 总第 521 期 2019 年第 11 期 金属矿山 METAL MINE 铜山口铜矿水力旋流器数值优化试验研究 曾祥龙罗静 1 （大冶有色金属集团控股有限公司， 湖北 黄石 435005） 摘要为提高大冶有色铜山口铜矿选矿厂FX500水力旋流器的分级精度、 降低底流夹细量， 通过数值模拟方 法系统考察了旋流器结构参数和操作参数对旋流器分离性能的影响， 结果表明 ①适当增加入口流速、 降低给矿浓 度， 可从整体上降低底流夹细量和溢流跑粗量； ②适当增大柱段高度和小锥锥角， 可进一步降低底流夹细量； ③适当 增大沉砂口上锥角角度， 对底流中的微细粒级有洗涤作用， 能进一步降低底流夹细量； ④现场对比试验证实， 旋流 器结构优化后底流-75 μm粒级夹细率下降了1.78个百分点。研究结果为铜山口铜矿水力旋流器的优化与改造提 供了技术支撑。 关键词水力旋流器数值模拟分离性能结构参数操作参数 中图分类号TP352.1， TD921.5文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -11-155-06 DOI10.19614/ki.jsks.201911026 Experimental Study on the Numerical Optimization of Hydrocyclone in Tongshankou Copper Mine Zeng XianglongLuo Jing2 （Daye Nonferrous Metals Group Holdings Co.， Ltd.， Huangshi 435005， China） AbstractIn order to improve the classification accuracy of FX500 hydrocyclone in tongshankou copper mine and re- duce fine particles in underflow，the influence of structure parameters and operation parameters on the separation perfor- mance of hydrocyclone was systematically investigated by means of numerical simulation . The results indicated that ①Fine particles in underflow and coarse particles in overflow could be decreased as a whole through increasing the inlet veloc- ity and reducing the concentration of ore feeding. ②By increasing the height of column segment and the cone angle， fine parti- cles in underflow were further reduced. ③In addition，fine particles were further washed from underflow and reduced their misplacement in underflow via increasing the upper taper angle of grit mouth. ④The results of on-site experiments verified that the -75 μm particles in underflow of the optimized hydrocyclone decreased by 1.78 percents compared with that of the original hydrocyclone. These results would provide technical supports for optimizing and reing the hydrocyclone of tong- shankou copper mine. KeywordsHydrocyclone， Numerical simulation， Separation perance， Structure parameters， Operation parameters Series No. 521 November2019 分级作业是选矿工艺中的重要环节， 通过分级 可将粗粒级返回磨矿， 合格粒级则及时进入下道工 序， 其工作状态直接关系到选别指标和经济效益。 水力分级旋流器是一种常用的分级作业设备， 其依靠动力设备提供的离心力， 使矿粒根据自身粒 径与密度的差异实现分离。该设备具有占地面积 小、 处理能力大、 分级效率高的特点， 在金属选矿厂 得到广泛应用 ［1-2］。近年来， 随着计算机技术和数值 算法的迅速发展， 数值试验方法在水力旋流器的研 究中发挥着越来越重要的作用。通过数值模拟， 能 够分析水力旋流器参数变化对内部流场特性及颗粒 分离效果的影响； 数值试验方法具有不需物理样机、 不需辅助设备、 模拟结果清晰、 参数信息全面等诸多 优点， 能够为高性能水力旋流器的设计与优化提供 理论基础和技术依据 ［3-5］。 针对大冶有色铜山口铜矿选矿厂 2系列与 MQY5.036.4型球磨机配套的FX5006型旋流器 底流夹细、 溢流跑粗， 影响后续选别作业指标的问 题， 本研究基于 Fluent 软件， 采用 RSM 模型计算湍 流， 以 Mixture 模型模拟颗粒分离结果， 系统考察了 155 ChaoXing 金属矿山2019年第11期总第521期 FX500旋流器操作参数和结构参数对颗粒分离性能 的影响， 从而为水力旋流器的优化改造提供技术支 撑。 1现场水力旋流器存在的问题 铜山口铜矿石经一段磨矿后， 采用 FX500旋流 器进行分级， 沉砂返回一段球磨机， 溢流进入铜浮选 作业。一段旋流器的给料、 溢流与沉砂筛析结果见 表1、 表2。 从表1可以看出， 旋流器给矿浓度为53.00、 溢 流浓度为 34.50、 沉砂浓度为 74.60； 溢流-75 μm 产 率 为 71.90， 按 - 75 μm 计 的 分 级 效 率 高 达 61.61， 满足设计要求。 从表2可以看出， 现场旋流器给料和溢流粒度组 成两级分化严重， 即细颗粒和粗颗粒含量远高于中 等粒级颗粒含量； 溢流细度虽然满足设计要求， 但 180～125 μm粒级含量高达20.90； 沉砂中各细粒级 分配率均高于 20， 尤其-38 μm 粒级分配率高达 22.75。 2FX500水力旋流器数值模型建立和验证 水力旋流器的数值模拟以物理定律和流体力学 方程为基础， 可以较准确地反映其结构参数和操作 参数对流场的影响以及流体和颗粒之间的相互作 用， 模拟结果与激光多普勒测速仪 （LDV） 物理试验结 果高度吻合， 数值模拟为合理预测及优化水力旋流 器性能提供了可能 ［6-7］。 2. 1FX500水力旋流器数值模型的建立 首先使用Solidworks软件和ICEM软件对现场所 采用的FX500水力旋流器进行建模和完全六面体网 格划分， 其结构尺寸和网格划分情况见图1。 从图1可以看出， 网格划分采用完全O型剖分获 得六面体网格， 并在器壁及溢流管处进行加密处理， 以增强对壁面效应和空气柱的捕捉。 为保证模拟精度， 确定合理的计算时间， 进行了 网格无关性检验， 结果见图2。 从图2可以看出， 当网格数量达到7.0105时， 切 向速度分布基本不再发生变化， 因此， 确定FX500水 力旋流器采用的网格数量为7.0105个， 可同时满足 计算精度和计算速度。 2. 2FX500水力旋流器的模拟策略 水力旋流器内部是复杂多相流的强旋转剪切湍 流运动， 数值模拟过程主要分成两步进行。第一步， 只考虑清水相和气相， 湍流的计算采用RSM湍流模 型， 气-液交界面的跟踪采用VOF模型， 通过计算可 以得到气-液两相流流场特性； 第二步， 在稳定流场 中加入颗粒相 （密度为2 852 kg/m3） ， 湍流的计算仍采 156 ChaoXing 2019年第11期曾祥龙等 铜山口铜矿水力旋流器数值优化试验研究 用RSM湍流模型， 利用Mixture模型计算颗粒相和气 相的运动， 考查水力旋流器的分离性能。 2. 3水力旋流器模型可靠性分析 为考察最终数值试验模型的可靠性， 完全采用 现场操作参数， 以实现现场工况下旋流器分离性能 的最大还原， 结果见图3； 物理试验和数值试验溢流 和沉砂产品粒度组成见图4。 从图3可以看出， 当给料入口流速为2 m/s （即矿 浆处理量为180 m3/h） 时， 数值试验结果与现场取样 结果吻合程度较好； 数值试验结果中底流夹细量要 低于实际值， 可能与模拟过程中未考虑壁面摩擦、 温 度、 给料流量波动和测量误差的影响相关。但整体 来讲， 数值试验结果很好地还原了相同工况下水力 旋流器的分级结果， 特别是对d50的预测较为准确。 从图4可以看出， 数值模型能够准确地模拟出实 际分离情况， 具有良好的可靠性。 2. 4FX500水力旋流器主要考察参数 FX500水力旋流器的结构参数和操作参数、 具体 每组试验参数见图1和表3。由于本研究的主要目的 是解决水力旋流器底流的夹细问题， 而入口和溢流 管结构主要影响处理量， 因此， 主要考察的结构参数 为下锥段部分。模拟参数设定以现场旋流器测绘参 数和取样数据为基础值， 当某一参数发生变化时， 基 础参数里其他项不变。 注 小锥角指旋流器中从上向下的第3段锥的锥角， 沉砂口上锥 角为沉砂口与小锥连接部分的锥角。 3试验结果与讨论 3. 1旋流器参数对分离效果的影响 利用数值试验方法， 考察了不同参数对水力旋 流器分级效果的影响。入口流速、 给矿浓度、 小锥角 角度、 柱段高度、 沉砂口上锥角角度和沉砂口直径对 沉砂粒度分配曲线的影响分别见图5～图10， 对固相 颗粒体积分数分布的影响见图11， 恒定给料流量情 况下对其他分离指标 （压力降、 产率和底流浓度） 的 影响见表4～表8。 从图5和图11 （ （a） ～ （c） ） 可以看出， 随着入口流 157 ChaoXing 金属矿山2019年第11期总第521期 速增大， 离心力场强度增强， 底流夹细量降低， 但整 体分离粒度增大。主要是由于高浓度给矿条件下， 过大的给矿流量容易导致小锥体和沉砂口处的颗粒 浓度升高， 更多中等粒级颗粒无法快速在零速包络 面 （LZVV） 外侧沉降， 只能从溢流口排出， 导致旋流 器分离粒度增大 ［8］。 从图6、 图11 （ （b） 、（d） 、（e） ） 和表4可以看出， 随 着给矿浓度增大， 水力旋流器底流夹细量和溢流跑 粗量均增加， 分离粒度增大。因此， 在满足实际生产 需要的基础上， 适当降低给矿浓度， 有利于提高旋流 器分级效率和分离精度。 从图7、 图11 （ （b） 、（f） 、（g） ） 和表5可以看出， 旋流 器小锥锥角的改变， 对下锥体的分离空间和三维速度 产生影响， 进而改变颗粒的沉降行为， 起到控制底流 产率和分离粒度的作用 ［9-10］。随着小锥角角度的增 大， 旋流器底流产率降低， 底流夹细量减少， 分离粒度 增大， 但对分离精度影响较小。因此， 为优化旋流器 结构， 降低底流夹细量， 可以考虑增大小锥锥角5～ 10， 但同时需要改变其他参数来保证分离粒度。 从图8、 图11 （ （b） 、（h） ） 和表6可以看出， 随着柱 段高度的增加， 底流产率和底流夹细量增大， 分离粒 度降低， 其与增大小锥锥角角度的作用相反。因此， 可以考虑增加柱段高度来配合小锥锥角的增大。根 据不同参数对流场的影响， 增加柱段高度可以在相 同压力降条件下增加处理量， 因此， 可考虑增加柱段 高度和降低给料浓度， 在保证生产处理量的同时， 降 低底流夹细量。 从图9、 图11 （ （b） 、 （i） 、 （j） ） 和表7可以看出， 与 其他参数相比， 沉砂口上锥角对整体分级结果影响 较小； 随着沉砂口上锥角角度的增加， 溢流跑粗量逐 渐增加， 但其造成的流场扰动对于底流中夹杂的微 细粒有二次洗涤作用。因此， 适当增加沉砂口上锥 角角度可降低底流夹细量。 从图10、 图11 （ （b） 、（k） 、（l） ） 和表8可以看出， 沉 砂口直径对分级结果有明显影响， 影响趋势与小锥 锥角类似。随着沉砂口直径的减小， 底流产率和夹 细量均明显下降， 分离粒度明显增大。因此， 沉砂口 直径的选择需要根据现场对底流浓度和产率的需要 确定。沉砂口可保持不变或减小5 mm， 在保证溢流 细度的前提下， 减少底流夹细量。 3. 2旋流器优化前后对比分析 通过对旋流器参数的数值模拟研究， 可优化旋 流器的结构和操作条件。为证实优化后的旋流器的 使用效果， 对优化前后的旋流器的分级效果进行了 对比研究。优化后的旋流器的结构参数为在原有基 础上， 柱段高度增加了100 mm， 小锥角度增加到25， 沉砂口锥角增大5。在其他参数一致的情况下， 对 比试验结果见表9。 由表9可以看出， 优化旋流器的分级效果优于现 场原有旋流器。优化旋流器底流-75 μm粒级夹细率 158 ChaoXing 为11.98， 而现场原有旋流器底流-75 μm粒级夹细 率为13.76， 前者比后者下降了1.78个百分点； 优化 旋流器底流-30 μm粒级夹细率为7.19， 现场原有旋 流器底流-30 μm粒级夹细率为8.79， 前者比后者下 降了1.60个百分点。结果可知， 优化旋流器底流夹 细量明显下降。 2019年第11期曾祥龙等 铜山口铜矿水力旋流器数值优化试验研究 159 ChaoXing 4结论 （1） 适当增加水力旋流器的入口流速， 增大离心 力场强度， 可降低底流夹细量； 给矿浓度降低3个百 分点左右， 可为颗粒径向沉降提供更大空间， 从整体 上降低底流夹细量和溢流跑粗量。 （2） 小锥锥角角度增大5～10， 可降低底流夹细 量； 柱段高度增大100 mm， 在保证水力旋流器处理能 力的情况下， 可抵消小锥角增大带来的溢流粒度变 粗的影响， 降低分离粒度。 （3） 沉砂口上锥角角度增大5， 在底流排出前对 其中的微细粒级具有进一步洗涤作用， 能够降低底 流夹细量； 沉砂口直径视现场具体情况， 保持不变或 减小5 mm， 在保证溢流细度的前提下， 降低底流夹细 量。 （4） 优化旋流器的分级效果明显优于现场原有 旋流器， 底流-75 μm粒级夹细量下降了1.78个百分 点； 底流-30 μm粒级夹细量下降了1.60个百分点。 参 考 文 献 刘伟.采用大直径水力分级旋流器对精煤磁选尾矿脱泥降灰 的优化研究 ［J］ .煤炭加工与综合利用， 2019 （3） 20-23. 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