YX型闪速浮选机流体动力学研究.pdf

1 4 0 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．z 1 ．0 3 0 Y X 型闪速浮选机流体动力学研究 孟玮，樊学赛，韩志彬，冯天然 北京市高效节能矿冶装备工程技术研究中心，矿物加工科学与技术国家重点实验室， 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要闪速浮选工艺应用于磨矿分级回路，主要用于回收产品粒度达到要求或已单体解离的有用矿物。当前国内应用 较多的主要为S k i mA i r 型闪速浮选机和Y X 型浮选机，其工作基本原理相同，但具体设计形式不尽相同。本文通过C F D 仿真 的方法，揭示了闪速浮选机内的流体运动规律和湍动能分布特征。闪速浮选机整体流线与常规浮选机类似，均形成上、下循 环的流场结构。叶轮搅拌产生的最大流体速度约为7 ．4m ／s ，这与常规浮选机最大流体速度类似，说明闪速浮选机和常规浮 选机的搅拌能力没有明显的差别。闪速浮选机叶轮区的湍动能远大于其它区域，叶轮区最大湍动能可以达到约3 ．2m 2 ／s 2 。 关键词闪速浮选；流体动力学；湍动能；流线 中图分类号T D 9 2 3文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 S 0 - 0 1 4 0 - 0 4 Y XF l a s hF l o t a f i o nC e UF l u i dD y n a m i c sS t u d y M E N GW e i ，F A NX u e s a i ，H A NZ h i b i n ，F E N GT i a n r a n B e i j i n gE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro nE f f i c i e n ta n dE n e r g yC o n s e r v a t i o nE q u i p m e n to fM i n e r a lP r o c e s s i n g ， S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM i n e r a lP r o c e s s i n g ，B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t e o fM i n i n g M e t a U u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ef l a s hf l o t a t i o np r o c e s si sa p p l i e dt ot h eg r i n d i n ga n dg r a d i n gc i r c u i t ，w h i c hi sm a i n l yu s e dt o r e c o v e rt h eu s e f u lm i n e r a l sw h o s ep r o d u c ts i z ei s r e q u i r e do r h a sb e e nm o n o m e rs e p a r a t i o n ．T h eS k i mA i rf l a s h f l o t a t i o nm a c h i n ea n dY Xf l o t a t i o nm a c h i n ea r em a i n l ye q u i p m e n t ，t h eb a s i cp r i n c i p l e sa r es a m e ，b u tt h es p e c i f i c f o r mo fd e s i g ni sd i f i e r e n t ．I nt h i sp a p e r ．C F Ds i m u l a t i o nm e t h o di Su s e dt or e v e a lt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l u i dm o t i o n a n dt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yd i s t r i b u t i o ni nf l a s hf l o t a t i o nm a c h i n e ．F l a s hf l o t a t i o nm a c h i n ei ss i m i l a rt ot h e c o n v e n t i o n a lf l o t a t i o nm a c h i n e ，a l lp r o d u c et h eu p p e ra n dl o w e rc i r c u l a t i o nf l o wf i e l ds t r u c t u r e ．T h em a x i m u mf l u i d v e l o c i t yp r o d u c e db yt h ei m p e l l e ra g i t a t i o ni s a b o u t7 ．4m ／s ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h ec o n v e n t i o n a lf l o t a t i o nm a c h i n e ， i n d i c a t i n gt h a tt h e r ei s n os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nt h es t i r r i n gc a p a c i t yo ft h ef l a s hf l o t a t i o nm a c h i n ea n dc o n v e n t i o n a l f l o t a t i o nm a c h i n e ．T h et u r b u l e n c ee n e r g yo ff l a s hf l o t a t i o nm a c h i n ei m p e l l e ra r e ai sm u c hl a r g e rt h a nt h a t o fo t h e r r e g i o n s ．a n dt h em a x i m u mt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yo fi m p e l l e rz o n ec a nr e a c ha b o u t3 ．2m 2 ／s 2 ． K e yw o r d s f l a s hf l o t a t i o n ；f l u i dd y n a m i c s ；t u r b u l e n c ee n e r g y ；s t r e a m l i n e 闪速浮选工艺应用于磨矿分级回路，主要用于 回收产品粒度达到要求或已单体解离的有用矿物， 提前回收经过球磨机已单体解离金、银、铜等高比重 矿物⋯，能够有效避免磨矿分级回路的循环积累，显 著减少过磨现象，尤其是对于粗粒金、银、铜等高比 重矿物更为适应。第一代闪速浮选机安装在哈马斯 拉蒂选矿厂，主要目的是防止矿物过磨而使金损失 在矿泥中，提高金的回收率，随着矿物加工科技的发 展，闪速浮选工艺已越来越多的应用于磨矿分级回 路中。闪速浮选工艺图见图1 。 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 6 7 4 0 3 4 收稿日期2 0 1 7 _ 0 8 - 1 5 作者简介孟玮 1 9 8 7 ． ，男，山西临汾人，主要从事浮选设备设计、优化等方面研究。 球磨机 旋流器 IL 浮选作业 ／函速浮选机 图1闪速浮选工艺 F i g ．1 F l a s hf l o t a t i o np r o c e s s i n g 最终精矿 万方数据 2 0 1 7 年增刊有色金属 选矿部分 1 4 1 当前国内应用较多的主要为S k i m A i r 型闪速浮 选机和Y X 型浮选机，其工作基本原理相同，但具体 设计形式不尽相同。S k i m A i r 闪速浮选机结构示意 图见图2 ，主要由槽体、叶轮、M u l t i ．M i x 定子、推泡 锥、泡沫溜槽、排料管一夹管阀、皮带轮驱动系统等 组成拉J 。Y X 闪速浮选机结构如图3 所示，主要有槽 体、定子、叶轮、主轴、传动机构等。Y X 型闪速浮选 机的特点在于1 在叶轮定子下，独特设计矿浆循环 筒，增加底部矿浆的循环能力，使可浮矿物多次进入 叶轮区；2 叶轮上部槽体区域设计循环通道，产生上 循环，增加搅拌力度和均匀性，同时使药剂与矿粒充 分接触；3 槽体采用锥形底，使过粗颗粒在离心力的 作用直接排出浮选机内．保证工艺畅通． 图2S k i m A i r 闪速浮选机 F i g ．2 S k i m A i rf l a s hf l o t a t i o nc e l l 图3Y X 型闪速浮选机 F i g ．3 Y Xf l a s hf l o t a t i o nc e l l C F D C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s ，计算流体力 学 方法随着计算机技术的发展，已越来越多的应用 于浮选机等流体机械的研究和研发优化中，为设备 的研究提供更为全面准确的信息。本文以北京矿冶 研究总院研发的Y X - 4 型闪速浮选机为研究对象，通 过C F D 仿真的方法，揭示了闪速浮选机内的流体运 动规律和湍动能分布特征。 1 C F D 仿真策略 湍流模型的确定是湍流模拟中至关重要的因 素，浮选机内由于叶轮搅拌，叶轮区湍流强度很大， 对湍流模型的选择关系着浮选机模拟的准确性，通 常主要湍流模型包括标准k - s 方程、R N Gk - e 方程 和可实现的后一占方程等。不同的湍流模型需要对比 研究，结合试验数据确定最佳的湍流模型。本文采 用标准k - 6 湍流模型，该湍流模型在国内外浮选机 的C F D 仿真研究中已取得了成功广泛应用。3J 。 C F D 计算对叶轮旋转的仿真可通过多重参考坐 标系方法实现，网格划分处理过程中，将浮选机物理 模型分为两个子区域，即叶轮区和槽体区 如图4 、 图5 所示 ，叶轮区和槽体区的数据传递交互通过动 静交界面实现。叶轮区内为动区，使用旋转参考坐 标系；槽体区为静区，使用静I 卜参考坐标系。 图4 槽体区网格 F i g ．4 C e l lZ O l l el l l f f s h 图5 叶轮区网格 F i g ．5l m p e l l ez I I Cm e s h 万方数据 1 4 2 有色金属 选矿部分 2 0 1 7 年增刊 C F D 计算选择了高阶离散格式，计算的收敛残 差控制在1 0 。5 以下，并监测槽体内一点的速度值，计 算至监测点速度值波动控制在5 ％以内。 2 流体动力学特性研究 浮选机为有用矿物的回收提供适宜浮选的流体 动力学环境，常规浮选机设计理论认为浮选机内会 形成流体的上、下循环流动，流体由叶轮甩出后，在 定子的导向作用下沿径向撞击至槽壁，再向上运动； 底部流体由于叶轮搅拌的负压作用被抽吸至叶轮。 闪速浮选机整体流线和常规浮选机类似，均形成上、 下循环的流场结构‘4 ，如图6 所示。但闪速浮选机 给矿为旋流器沉砂，难免会出现过粗颗粒，为了保证 流程的畅通和浮选机不出现沉槽，闪速浮选机的给 矿位置在槽体锥部上方，且给矿流向方向为锥体的 切向，过粗颗粒进入浮选机内后，由于离心力的作用 会直接进入锥体，由底部排矿口排出。而常规粒级 矿物颗粒会进入浮选机叶轮区与气泡碰撞矿化，进 行正常的浮选行为。 慧，4 翱‘”飙M 瞎‘“⋯ ⋯ ⋯j ‘t 一⋯’ 。’’～⋯ ‘；●嚣_ 岫 | 1 { 髓’∞口 篡 ’y 氇 也、鼍．一 其它区域，叶轮区最大湍动能达到约3 ．2m 2 ／s 2 ，槽 体区域其它区域湍流强度则显著变弱，如图8 所示。 ●冀●●蛳 ／ ‘3 “嗍 f 1 2 ●■∞●， i ●月b p ∞ 簟嚣竺 耙r 1 } j 图7浮选机横截面速度矢量图 F i g ．7V e l o c i t yv e c t o ri n c r o s ss e c t i o n 鬻 辐酾蔷霉i 霉。{ _ 黧 图8 浮选机内湍动能分布 F i g ．8 T u r b u l e n c ek i n e t i ce n e r g y d i s t r i b u t i o n 图6 浮选机纵截面速度矢量图 3结论 F i g ．6V e l o c i t yv e c t o ri nv e r t i c a ls e c t i o n 浮选机叶轮旋转输人能量，使流体形成了旋转 流，流体高速从叶轮区甩出并撞击到定子。浮选机 定子设计的主要目的是稳流和导向，即将叶轮排出 的旋转流转变成径向流。由浮选机内横截面的速度 矢量图，可以明显看出定子的稳流导向作用。叶轮 搅拌产生的最大流体速度约为7 ．4m ／s ，这与常规浮 选机最大流体速度类似，说明闪速浮选机和常规浮 选机的搅拌能力没有明显的差别，如图7 所示。 叶轮搅拌决定着浮选内的流体动力学特性，是 流体运动的能量输入源，浮选机叶轮区也是发生矿 物颗粒的重要区域，有用矿物颗粒和微小气泡在叶 轮区发生碰撞矿化。因此，叶轮区的湍动能远大于 1 闪速浮选机的整体流线和常规浮选机类似， 均形成上、下循环的流场结构，上循环有利于矿化颗 粒的向上运输，保证矿化气泡能及时回收；下循环对 底部矿浆颗粒离底悬浮至关重要。 2 闪速浮选机定子的稳流导向作用。叶轮搅拌 产生的最大流体速度约为7 ．4m ／s ，这与常规浮选机 最大流体速度类似，说明闪速浮选机和常规浮选机 的搅拌能力没有明显的差别。 3 闪速浮选机叶轮区的湍动能远大于其它区 域，叶轮区最大湍动能可以达到约3 ．2m 2 ／s 2 ，槽体 区域其它区域湍流强度则显著变弱。 雾 鏊噶鬻◇，． 一一，一 万方数据 2 0 1 7 年增刊孟玮等Y X 型闪速浮选机流体动力学研究 参考文献 [ 1 ] 夏晓鸥．闪速浮选的理论与实践[ J ] ．国外金属矿选矿， 1 9 9 3 1 0 4 7 - 5 7 ． [ 2 ] N E W C O M B EB ，B R A D S H A WD ，W I G H T M A NE ．T h e h y d r o d y n a m i c so f a n o p e r a t i n gf l a s hf l o t a t i o nc e l l [ J ] ． M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 1 3 ，4 1 8 6 - 9 6 ． 上接第1 2 6 页 [ 5 ] M U N D A L EVD ，J O S H IJB ．O p t i m i z a t i o no fi m p e l l e rd e s i g n f o rg a si n d u c i n gt y p em e c h a n i c a l l ya g i t a t e dc o n t a c t o r s [ J ] ． T h eC a n a d i a nJ o u r n a lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，1 9 9 5 7 3 1 6 1 ．1 7 2 ． [ 6 ] P A T I LSs ，J O S HJB ．S t a b i l i t yo fg a s - i n d u c i n gt y p ei m p e l l e r s [ J ] ．T h eC a n a d i a nJ o u r n a lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，1 9 9 9 7 7 7 9 3 8 0 3 ． [ 7 ] P O N C I NS ，N G U Y E NC ，M I D O U XN ，e ta 1 ．H y d r o d y n a m i c s a n dv o l u m e t r i cg a s l i q u i dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n to fa s t i r r e dv e s s e le q u i p p e dw i t hag a s - i n d u c i n g i m p e l l e r [ J ] ． [ 3 ] 沈政昌，卢世杰，史帅星，等．基于C F D 和P I V 方法的单 相K Y F 浮选机流场分析研究[ J ] ．有色金属 选矿部 分 ，2 0 1 3 2 4 7 - 5 2 ． [ 4 ] 沈政昌，卢世杰，史帅星，等．基于P I V 的K Y F 浮选机单 相流场测试与分析[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 3 1 5 9 _ 6 4 ． C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e ，2 0 0 2 5 7 3 2 9 9 - 3 3 0 6 ． [ 8 ] P A T I LSs ，J O S H IJB ．O p t i m u md e s i g no fm u l t i p l e i m p e l l e r s e l f - i n d u c i n gs y s t e m [ J ] ．I n d u s t r i a l E n g i n e e r i n gC h e m i s t r y R e s e a r c h ，2 0 0 3 4 2 1 2 6 1 1 2 7 5 ． [ 9 ] P A T W A R D H A NAW ，J O S H lJB ．H y d r o d y n a m i c so fa s t i r r e dv e s s e le q u i p p e dw i t ha g a s i n d u c i n gi m p e l l e r [ J ] ． I n d u s t r i a l E n g i n e e r i n gC h e m i s t r yR e s e a r c h ，19 9 7 3 6 3 9 0 4 - 3 9 1 4 ． [ 1 0 ] 陈剑锋，肖飞凤．试论某型浮选机叶轮叶片倾角[ J ] ．矿 山机械，2 0 0 6 1 6 8 - 7 0 。5 ． 万方数据