常压管道取样器的设计及运用.pdf

- 8 0 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第6 期 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 6 ．0 6 ．0 1 9 常压管道取样器的设计及运用 严凡涛1 ，李传伟1 ，王志民1 ，王楠2 1 ．北京矿冶研究总院矿冶过程自动控制技术国家重点实验室，北京1 0 2 6 2 8 ； 2 ．山东黄金矿业 莱州 有限公司三山岛金矿，山东莱州2 6 1 4 4 2 摘 要利用S o l i d w o r k s 软件对常压管道取样器管道内矿浆流场进行仿真分析，对比取样器在现场的实际使用效果，证 明取样器的结构设计方法是合理的。该方法为设计其它类型的取样器提供了一定的指导。 关键词管道取样器；取样刀口；取样代表性 。 中图分类号T D 4 6 3 ；T D 9 2 8 ．9文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 6 0 6 - 0 0 8 0 - 0 3 R e s e a r c ha n dU s eo fG r a v i t yP i p eS a m p l e r Y A NF a n t a 0 1 ．L IC h u a n w e i i ，W A N DZ h i m i n l ，W A N GN a n 2 J ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM i n i n gP r o c e s so fA u t o m a t i o nC o n t r o lT e c h n o l o g y ，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 ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 2 6 2 8 ，C h i n a ；2 ．S a n s h a n d a oG o l dM i n e ，S h a n d o n g G o l dM i n i n gI n d u s t r y L a 如h o u C o ．，L t d ．，L a i z h o uS h a n d o n g2 6 1 4 4 2 ，C h i n a A b s t r a c t U s et h eS o l i d w o r k ss o f tt os i m u l a t ea n a l y s i ss l u r r yf l o wf i e l d i nt h eg r a v i t yp i p es a m p l e r ，a n d c o m p a r ew i t ht h e a c t u a lu s er e s u l to fs a m p l e r ．I ti sp r o v e dt h a tt h es i m u l a t i o nm e t h o di sc o r r e c t ．T h em e t h o d p r o v i d e ss o m eg u i d e sf o rd e s i g n i n go t h e rt y p es a m p l e r s ． K e yw o r d s p i p es a m p l e r ；s a m p l i n gc u t t e r ；s a m p l i n gr e p r e s e n t a t i v e n e s s 取样器，顾名思义，即从整个物料 或工艺流 中 截取一部分有代表性的样品，以便进行化验和分析， 从而了解整个物料的技术参数。取样器的核心是取 样刀口，取样器通过取样刀口对物料进行取样，取样 的目的是使获得的样品具备代表性。要实现对物料 取样的代表性，取样器必须满足以下两个原则 1 可以从整个工艺流中切取固定厚度的“一片” 样品。 2 被切取的“一片”样品可以完整地经过取样刀 口流出而不溢出或者堵塞。 满足以上两条取样原则的取样器，将使物料中 的颗粒机会均等地进入取样刀口并排出，保证取样 具有代表性。否则，在取样的过程中，物料中的大颗 粒，或是密度大的颗粒将有与普通颗粒不均等的机 会进入取样刀口并流出形成样品，造成样品浓度、粒 度和品位等工艺指标参数不具代表性或代表性差。 对于常压矿浆管道，参考国内的取样器的结构， 其取样刀1 5 通常是一根直管对矿浆截面进行截取。 由于往往忽视了流体在管道内的运行速度及下沉速 度的影响，导致被切取的“一片”矿浆无法完整地通 过整个取样刀口，经常是管道下部的矿浆排出，而上 部的矿浆很少或者难以排出，最终使得获取的矿浆 样品代表性差。同时受取样管的结构所限，导致取 样管容易被堵塞，维护困难引。 通过学习国外公司在取样器设计领域独特的经 验和技术，同时结合国内取样器在使用中普遍存在 的问题，北京矿冶研究总院设计了一种常压管道取 样器，其独特的D 形取样刀口能够保证良好的取样 代表性，且维护少，刀口不容易堵塞。本文主要是介 绍取样器的结构特点，并用S o l i d w o r k s 软件模拟矿浆 在管道中的流场，理论证明设计的合理性，结合在实 际使用中的效果，证实了取样器设计合理。 1 常压管道取样器的结构和特点 常压管道取样器主要用于在水平无压的自流管 道上对通过的矿浆进行取样， 该型取样器主要由箱体、取样刀口及排矿箱等 零部件组成，其结构如图1 所示。 箨薯品羿i 掣毙髫矗1 9 1 8 1 ． 赞易毙鼎；0 瑟芏，工程师，主要从事选矿自动化仪器仪表的设计T 作。作者简介严凡涛 ，男，湖北天门人，硕士，工程师，主要从事选矿自动化仪器仪表的设计作。 万方数据 2 0 1 6 年第6 期严凡涛等常压管道取样器的设计及运用 8 l 图1常压管道取样器结构 F i g ．1 S t r u c t u r eo fg r a v i t ys a m p l e r 各零部件具有如下特点 1 取样箱体形状为方形。当矿浆从圆形管道流 进取样箱体时，容易在箱体内自我搅拌，形成紊流， 便于矿浆进行分层。 2 取样刀口形状为D 形。矿浆在管道中流动， 由于受到重力及管道压力的双重作用，其各个层面 上的速度不尽相同，运动轨迹为抛物线形。D 形取 样刀口综合考虑了矿浆在管道中的流动轨迹，其形 状依据矿浆在管道中的流速进行设计，使矿浆中上 层的矿浆与下层的矿浆机会均等地进入取样刀口， 同时D 形取样刀口通常比普通的直管形取样刀口的 取样量大，极大地增加了取样代表性。 3 排矿箱形状为梯形。根据矿浆的流量而设计 的排矿箱，确保每次通过取样刀口截面的矿浆能够 完全排出，而不出现堵塞或者溢流，满足分析仪器或 者化验室的样品需求。 2 取样器管道内矿浆流场分析 以某选矿厂所用的常压管道取样器为例，对取 样器内的矿浆流场进行模拟，目的是分析矿浆通过 取样刀口时其流场的变化，以便判断最终取样效果。 本次模拟采用S o l i d W o r k s 软件中的插件f l o w s i m u l a t i o n ，流体为泥浆H 引。 2 ．1 建立模型 为方便划分网格，对箱体、取样刀口和排矿箱的 模型进行简化，使其形状尽可能的规则。简化后的 模型如图2 所示。 2 ．2 设置边界条件 根据现场提供的工艺参数，设置进矿口流体流量 为0 ．2 7 6m 3 ／s ，指定出矿口和取样E l ，如图2 所示。 图2 取样器模型 F i g ．2 M o d e lo fs a m p l e r 2 ．3 设置目标 本次模拟的目标为流体在管道中的流量分布 趋势。 2 ．4 划分网格 取样刀口作为矿浆流量分布的重点，网格分布较 密，其他地方则较稀疏，划分好网格后的取样器效果 图如图3 所示。 图3 取样器网格模型 F i g ．3 M e s hm o d e lo fs a m p l e r 2 ．5 结果分析 沿着矿浆在取样器中的流向，在取样器箱体中 心截面，其流场分布示意图如图4 所示。从流场图 可以看出，矿浆流速在取样器箱体中发生变化，经过 取样器刀口时，速度逐渐变小。多余的矿浆在经过 取样器刀E l 时，速度逐渐变大，最终恢复进入取样器 箱体时的速度。在整个取样过程中，除流入取样刀 口的矿浆的流速进行改变外，其它矿浆速度未发生 变化，不影响整个管道中矿浆的流量。 将矿浆在取样器箱体中的流场用2 0 0 条迹线表 示，其在管道中的流场迹线图如图5 所示，从迹线图 可以看出，流经取样刀1 3 的矿浆，一部分通过刀口上 方与箱体之间的间隙流入到矿浆管道中，占总体矿 浆的2 0 ％，其它都流人取样刀口并从排矿箱全部流 万方数据 8 2 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第6 期 出，没有出现溢流或者堵塞现象，满足取样器取样的 两条原则，证明设计的合理性。 图4 流场分布图 l i g ．4 D i s t , ’i b u t i or 1 ff l o 、、 图5 流场迹线图 F i g ．5 F l o wt r a c kd r a w i n g 3工业运用 常压管道取样器生产出来以后，在山东黄金三 山岛金矿新立矿区进行了工业试验，取得了较好的 效果。在投入使用后，历时约半个月，对安装在原矿 管道上和精矿管道上的取样器各获取2 4 个样品，同 时在各取样器附近的取样点进行人工取样，所获取 的样品进行对比试验，获得的人工取样和取样器取 样样品数据对比图分别如图6 和图7 所示。 人工 1 35791 1131 517j 92 12 3 取样次数 图6 原矿品位数据对比图 F i g ．6C o m p a r i s o no fg r a d ed a t ef o rr a wo r e 7 0 6 0 二、 } 5 0 3 4 0 耄3 0 一C 薹2 0 凄1 0 O 一机械 , - - , 1 1 - - 人工 2 ．‘4 ，67Hq1 0 ll2 1 3 1 4 l ，1 6 l7 IH 1 9 2 } 2 1 2 2 2 3 2 4 取样次数 图7 精矿品位数据对比图 F i g ．7C o m p a r i s o no fg r a d ed a t ef o rc o n c e n t r a t e 从图6 可以看出，原矿人工取样的样品平均品 位为2 ．2 4g ／t ，取样器取样的样品平均品位为 2 ．2 6g ／t ，绝对误差为0 ．0 2 ∥t ，相对误差为0 ．8 ％。 从图7 可以看出，精矿人工取样的样品平均品 位为4 3 ．3 8g ／t ，取样器取样的样品平均品位为 4 3 ．5 2 ∥t ，绝对误差为0 ．1 4 ∥t ，相对误差为 0 ．3 2 ％。 通过以上4 8 组数据对比分析，取样器所取样品 品位与人工取样所取样品品位的变化趋势比较接近， 数据的相对误差和绝对误差都比较小，误差范围也在 选矿厂化验室可以承受的范围内，可以证明该取样器 所取矿浆的代表性比较好，可以完全代替人工取样。 4结论 结合取样器在现场的实际使用效果，同时对比 S o l i d w o n k s 软件模拟矿浆在取样器中通过取样刀口 时的流场图，可以在一定程度上证明模拟效果和实 际比较相吻合，设计比较合理。由于软件模拟对象 为泥浆，模拟的流场仅仅考虑了速度因素，且为理想 状态，无法真实地代替实际矿浆。与此同时，矿浆的 速度、粒度、浓度都不是固定不变的，管道的满贯率 也对取样代表性有一定的影响，如何将这些因素全 部考虑在内，建立更加接近实际的模型进行模拟和 设计，是将来设计取样器的研究方向。 参考文献 [ 1 ] 刘晓春．自动矿浆取样机的设计与应用[ J ] ．黄金科学技 术，2 0 0 4 ，1 2 2 4 6 4 8 ． [ 2 ] 彭镜泊．新型矿浆集中取样机的研制和应用[ J ] ．湖南有 色金属，2 0 0 2 ，1 8 5 1 0 1 1 ． [ 3 ] 杨朝虹，赵建军．可调式管道取样器[ J ] ．机电工程技术， 2 0 1 0 ，3 9 11 3 2 - 3 4 ． [ 4 ] 王福军．计算流体动力学分析c F D 软件原理与应用 [ M ] ．北京清华大学出版社，2 0 0 4 5 - 1 7 ． [ 5 ] 陈超祥，胡其登．S o l i d W o r k s R R F l o wS i m u l a t i o n 教程[ M ] ． 北京机械工业出版社，2 0 1 3 9 一1 9 ． 6 5 4 3 2 l一。_1．羔、{{蚌 万方数据