叶轮参数对BK6500矿浆调浆槽动力学影响研究.pdf

2 0 1 4 年第5 期有色金属 选矿部分8 1 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s m l 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 4 ．0 5 ．0 2 0 叶轮参数对B K 6 5 0 0 矿浆调浆槽动力学影响研究 张建辉，陈强，王青芬 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要为了填补大型矿浆调浆搅拌槽研究的空白，在B K 6 5 0 0 搅拌槽内进行了叶轮参数对单相流流场和两相流悬浮特 性影响的试验研究。对比4 P B “直叶片 叶轮和4 H B 4 螺旋叶片 叶轮的单相流流速和功耗，得到4 P B 叶轮单位循环流 量功耗是4 H B 叶轮的1 ．2 5 倍；对比4 P B 叶轮和4 H B 叶轮的两相流悬浮特性，得出4 H B 叶轮能够实现矿物的均匀悬浮，而 4 P B 叶轮在电机满负荷时仍不能实现均匀悬浮。所以大型矿浆调浆搅拌槽应优先选用4 H B 叶轮。该试验结果对大型矿浆调浆 搅拌槽的工业应用具有指导意义。 关键词B K 6 5 0 0 矿浆调浆槽；单位循环流量功耗；4 H B 叶轮；均匀悬浮 中图分类号T I M 6 3文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 4 0 5 0 0 8 1 0 4 R e s e a r c ho nt h eE f f e c to fI m p e l l e rP a r a m e t e ro nt h eD y n a m i c si nB K 6 5 0 0P u l pC o n d i t i o n e r Z H A N GJ i a n h u i ，C H E NQ i a n g ，W A N GQ i n g f e n 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 eo 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 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t E x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o fs i n g l e p h a s ef l o w c h a r a c t e r i s t i c sa n dd o u b l ep h a s es u s p e n s i o n c h a r a c t e r i s t i c sa f f e c t e db yi m p e U e rp a r a m e t e r si st a k e ni nB K 6 5 0 0c o n d i t i o n e ri no r d e rt of i l lt h eg a pi n r e s e a r c ho fl a r g ep u l pc o n d i t i o n e r ．I ns i n g l ep h a s ef l o w ，4 P Bi m p e H e ra n d4 H Bi m p e l l e ra r ec o m p a r e di n f l o w f e a t u r e sa n dt h ep o w e rc o n s u m e d ．T h er e s u l ts h o w st h a tt h ep o w e rc o n s u m e dp e rc y c l e v o l u m eb y4 P B i m p e H e ri S 1 ．2 5t i m e so ft h a tb y4 H Bi m p e l l e r ．I nt w o p h a s ef l o w ．4 P Bi m p e l l e ra n d4 H Bi m p e l l e ra r e c o m p a r e di ns u s p e n s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ．T h er e s u l ts h o w st 1 1 a tw i t I ll e s sp o w e rc o n s u m e d ．4 H Bi m p e l l e rC a n s u s p e n s et h em i n e r a lu n i f o r m l y ．b u t4 P Bi m p e l l e rc a n n o t ．S ot h e4 H Bi m p e l l e ri sp r i o rt o u s ei n l a r g ep u l p c o n d i t i o n e r ．’n l er e s u l th a sg u i d i n gs i g n i f i c a n c ei ni n d u s t r i a la p p h c a t i o no fl a r g ep u l pc o n d i t i o n e r ． K e yw o r d s B K 6 5 0 0p u l pc o n d i t i o n e r ；p o w e rc o n s u m e dp e rc y c l e - v o l u m e ；4 H Bi m p e l l e r ；s u s p e n s e u n i f o r m l y 随着我国国民经济的发展，对资源的需求量越 来越大，矿产资源开发规模不断扩大，千万吨级选 矿厂不断涌现，迫切需要研制大型调浆搅拌槽来满 足我国矿山建设的需要[ 川。调浆搅拌槽一般在浮 选作业前端，搅拌目的是将药剂与矿浆快速调和均 匀，同时要保障搅拌槽不得有粗矿砂沉槽，调浆搅 拌槽通常设计为带中心导流筒结构【2 ] 。叶轮是机 械搅拌设备的关键部件，规格较大的或新开发的搅 拌设备，需要进行一定的试验研究，寻求最佳的叶 轮形式、尺寸和操作参数，并经中试后才能应用于 工业装备中I s ] 。目前其他研究者所进行的研究主 要集中在小型搅拌槽方面。如陈文民等[ 4 ] 在伽．8 m 的导流筒搅拌槽中研究了流体流动和颗粒悬浮特 性，胡锡文等[ 5 ] 在西0 ．3 7 5m 的搅拌槽中对8 种叶 轮进行了试验比较，证实了轴流叶轮的搅拌功率要 低于径流叶轮，朱凯等[ 6 1 在4 , 2m 的搅拌槽中进 行了清水正交试验和人工配矿验证试验，得出叶片 倾斜角度、叶轮安装高度以及叶轮转速的最佳值与 搅拌介质是清水还是矿浆无关。本文通过试验研究 了叶轮形式及其操作参数对B K 6 5 0 0 大型调浆搅拌 槽内矿物分散和悬浮性能的影响。 1 试验装置及测试方法 B K 6 5 0 0 大型矿浆搅拌槽 咖6 ．5m x 7m ，有效 收稿日期2 0 1 4 0 2 2 4修回日期2 0 1 4 - 0 4 - 2 9 作者简介张建辉 1 9 8 1 一 ，男，河北邯郸人，工程师，硕士，主要从事搅拌和浓密设备的研究工作。 万方数据 8 2 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第5 期 容积2 0 0m 设计用于江铜集团日处理量3 75 0 0t 的浮选前矿浆调浆搅拌。矿浆搅拌槽结构简图如图 1 所示，主要由槽体、导流筒、叶轮等部件组成。 槽体 图1大型搅拌槽结构简图 F i g ．1 S t r u c t u r ed i a g r a mo fc o n d i t i o n e r 对于固液悬浮操作，多采用直叶片叶轮和螺旋 叶片叶轮[ 引。本试验选择叶轮形式如图2 ，分别是 4 直叶片叶轮 4 P B 和4 螺旋叶片叶轮 4 H B ． 弑一 a 4 直叶片叶轮 4 P B b 4 螺旋叶片叶轮 4 H B 图2 试验所用叶轮 F i g ．2I m p e n e r su s e di ne x p e r i m e n t 试验所用仪器和工具见表1 。 表1试验仪器和工具列表 T a b l e1I n s t r u m e n t sa n dt o o l sl i s tu s e di ne x p e r i m e n t 单相流流场测试方法1 4m 深处 循环筒 中部位置 流体的轴向速度受导流筒上下端流体径 向运动的扰动较小，故在此深度测量流体的轴向速 度。轴向上升速度越大越有利于更大颗粒的矿物悬 浮；2 在槽体底部测量流体的径向速度，径向速 度越大，越有利于颗粒的离底悬浮；3 通过多点 测量导流筒内的液体流速得出的循环流量和电流 值，计算单位循环流量功耗。 两相流悬浮特性测试方法由于所需矿浆量很 大，试验矿物由一7 4I x m 粒度含量1 5 ％的石英砂 代替江铜集团实际矿物粒度一7 4 恤m 含量6 5 ％ 在搅拌槽正常运转的情况下，将矿物加入搅拌槽 内。搅拌均匀后，取出搅拌槽各个深度下的矿浆样 品，检测矿浆浓度和矿物粒度分布，以此判定是否 均匀悬浮。由于试验的不可逆性，谨慎起见，本试 验分三步进行，分别在浓度1 1 ％、1 7 ％和3 1 ％条件 下进行试验，比较叶轮的搅拌隋况。单相流流速测量 点和两相流浓度取样点分布如图3 。图中X 轴表示 取样点和槽壁之间的距离，y 轴表示取样点深度。 图3 测量点分布图 F i g ．3 T h ed i s t r i b u t i o no fm e a s u r ep o i n t 2 结果与讨论 2 ．1 叶轮参数对流体流速和搅拌功率的影响 2 ．1 ．1 流体轴向速度y 4m 深度轴向流速如图4 所示。由图4 可知， 2 种叶轮不同转速时 4 P B 叶轮在1 1 5r ／r a i n 时， 电机电流已经达到电机额定电流，所以4 P B 叶轮 没有进行1 2 0d r a i n 的相关试验 在槽壁处的轴向 速度最大，离开槽壁后迅速衰减。并且能够看出导 流筒外壁附件存在一个与主体轴向流动方向相反的 二次流区域[ 3 ] 。 2 ．1 ．2 不同叶轮参数下流体径向速度y R 槽体底部的径向速度分布见图5 ，搅拌槽底部 径向流速沿径向是逐步衰减的，在槽壁处径向速度 最低。4 H B 叶轮的底部径向流速均高于4 P B 叶轮， 万方数据 2 0 1 4 年第5 期张建辉等叶轮参数对B K 6 5 0 0 矿浆调浆槽动力学影响研究 。船 爿／c m 图4 不同条件下轴向速度分布 F i g ．4 T h ea x i a l v e l o c i t y V A d i s t r i b u t ei n d i f f e r e n tc o n d i t i o n A l e i l l 图5 不同条件下底部径向流速度 F i g ．5 T h eb o t t o mr a d i a l v e l o c i t y V R i nd i f f e r e n t c o n d i t i o n 可以悬浮较粗的颗粒，所以4 H B 叶轮的悬浮效果 更好。 2 ．1 ．3 两种叶轮的单位循环流量功耗 在满足搅拌要求条件下，单位循环流量所消耗 的功率越低，设备搅拌效率越高，本文通过测量不 同转速下电机电流和导流筒内流速，计算出两种叶 轮在相同转速下的单位循环流量功耗如下4 P B 叶 轮在转速1 1 0 、l1 5r ／r a i n 时，单位循环量功耗为 4 ．8 8 3 x 1 0 。3 、5 ．1 8 2 x 1 0 。3k W ‰3 ，4 H B 叶轮的为 3 ．8 4 5x 1 0 。3 、4 ．1 3 8x 1 0 ’3k W h i m 3 ；当转速为1 2 0 d m i n 时，4 P B 叶轮超出电机额定功率，而4 H B 叶 轮单位循环量功耗为4 ．3 8 8 x 1 0 ‘3k W h ／m 3 。可以得 出4 P B 叶轮单位循环流量功耗比4 H B 叶轮功耗增 加约2 5 ％。这是因为4 P B 叶轮是轴向和径向混合 型叶轮，但是径向流对循环流量没有贡献，所以 4 P B 叶轮的单位循环流量功耗较大。同时径向流加 剧导流筒和叶轮的磨损，因此大型矿浆调浆搅拌槽 应优先选择能耗低且磨损较小的4 H B 叶轮。 2 ．2 叶轮参数对矿浆悬浮能力的影响 2 ．2 ．1 矿浆浓度1 1 ％条件下两种叶轮的悬浮特性 图6 为两种叶轮在转速11 5r ／m i n 条件下的矿 浆浓度分布情况，可以看出，在1 1 ％浓度情况下， 搅拌槽内各深度取样点矿浆浓度均在1 1 ％左右，矿 浆混合均匀，在槽体底部没有矿物沉积。说明2 种 叶轮在较低矿物浓度条件下均能达到矿物均匀悬浮 要求。 } ／ ⋯ 图6 搅拌槽矿浆浓度分布图 F i g ．6 T h ec o n c e n t r a t ed i s t r i b u t i o no ft h ep u l pi n c o n d i t i o n e r 2 ．2 ．2 矿浆浓度1 7 ％条件下两种叶轮的悬浮特性 在1 7 ％浓度条件下，搅拌效果见图7 ，两种叶 轮在11 5r ／r a i n 时靠近液面处与槽体底部矿浆浓度 存在明显差异，有明显沉槽现象。 Y ／e m 图7 搅拌槽矿浆浓度分布图 F i g ．7 T h ec o n c e n t r a t ed i s t r i b u t i o no ft h ep u l pi n c o n d i t i o n e r 万方数据 蹦 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第5 期 4 H B 叶轮在1 3 5r ／m i n 时，从图7 看出浓度分 布基本均匀，没有沉槽现象 4 P B 叶轮在11 5r ／m i n 时，电机已经满负荷；在1 3 5r ／m i n 时，电机严重 超负荷，无法正常运转。而4 H B 叶轮在1 3 5r ／m i n 时，电机仍未满负荷 。 2 ．2 ．3 矿浆浓度31 ％条件下4 H B 叶轮的悬浮特性 在3 1 ％浓度条件下，4 H B 叶轮在1 3 5r ／m i n 时 矿浆浓度分布见图8 。从图8 中可以看出浓度分布 基本均匀，没有沉槽现象。 堡 魁 蛏 饕| } 奄 y ／c m 图8 搅拌槽矿浆浓度分布图 F i g ．8 T h ec o n c e n t r a t ed i s t r i b u t i o no ft h ep u l pi n c o n d i t i o n e r 为了进一步验证搅拌槽内浓度分布均匀是否可 以表示均匀悬浮，再对4 H B 叶轮1 3 5d m i n 各深度 取样的样品进行粒度分析，结果见表2 。 从表2 可知，搅拌槽内各深度取样的矿浆样品 各级别的产率基本一致，没有粒度分层现象，即 4 H B 叶轮，在转速1 3 5r ／m i n 时，能够实现3 1 ％浓 度矿浆均匀悬浮。 目前2 台B K 6 5 0 0 和1 台B K 6 0 0 0 搅拌槽已在 江铜集团成功应用，1 台G B K 8 0 0 0 搅拌槽 国内 最大的矿浆调浆搅拌槽，单槽容积3 8 0m ， 在中 国黄金集团内蒙古矿业有限公司的成功应用，为 B K 系列调浆搅拌槽在国内外矿山企业的大量应用 奠定了基础，具有广阔的应用前景。 3 结论 通过试验研究叶轮参数对大型矿浆调浆搅拌槽 流体动力学的影响，得到结论如下 1 导流筒外，靠近槽壁处轴向上升流速最大， 表2矿物粒度分布负累积产率 T a b l e2T h en e g a t i v ec u m u l a t i v ey i e l do fp a r t i c l e s i z ed i s t r i b u t i o no ft h em i n e r a l，％ 粒￡- M t x m 取样深度Y ／c m 7 51 0 02 0 03 0 04 0 0 1 4 71 0 0 ．O 1 0 0 ．0l o o ．0 1 4 7 1 0 43 4 ．3 6 3 7 ．9 03 4 ．5 5 1 0 4 7 42 2 ．3 7 2 4 ．5 42 3 ．0 5 - 7 4 5 31 5 ．6 41 6 ．0 l1 3 ．7 6 - 5 3 4 3 9 ．3 51 0 ．4 28 ．0 5 - - 4 3 3 8 5 ．2 25 ．5 44 ．4 7 3 83 ．4 63 ．6 72 ．5 7 在靠近导流筒壁处存在速度向下的二次流。 2 4 H B 叶轮的底部径向流速大于4 P B 叶轮。 有利于矿物的离底悬浮。 3 本试验条件下，4 P B 叶轮单位循环流量功 耗约为4 H B 叶轮的1 ．2 5 倍。 4 在较低浓度情况下，4 H B 叶轮和4 P B 叶轮 均能实现矿浆的均匀悬浮。 5 在较高浓度情况下，4 H B 叶轮能够实现矿 浆的均匀悬浮，而4 P B 叶轮在电机满负荷情况下 仍不能实现矿浆的均匀悬浮。 综上所述，对于大型矿浆调浆搅拌槽，4 H B 叶 轮的综合特性优于4 P B 叶轮，所以工业应用应选 择4 H B 叶轮。 参考文献 [ 1 ] 董干国，王青芬，陈强，等．调浆搅拌槽研究与应用[ J ] ． 有色金属 选矿部分 ，2 0 1 3 z 1 2 3 0 2 3 5 ． [ 2 ] 王青芬，张建辉．大型矿浆调浆搅拌槽的设计及工业应 用[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 3 6 7 3 - 7 6 ． [ 3 ] 陈志平，章序文，林兴华，等．搅拌与混合设备设计选用 手册[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 4 1 0 8 ． [ 4 ] 陈文民，黄雄斌，高正明。固一液导流筒搅拌槽内流体流 动和颗粒悬浮特性[ J ] ．过程工程学报，2 0 0 7 ，7 I 1 4 _ 1 8 ． [ 5 ] 胡锡文，林兴华，刘海洋，等．8 种搅拌器搅拌特性的试验 研究[ J ] ．化工机械，2 0 0 5 ，3 2 5 2 5 9 2 6 2 ． [ 6 ] 朱凯，刘排秧．高效矿浆搅拌槽的试验研究[ J ] ．矿冶 工程，2 0 1 2 ，3 2 z 1 1 9 2 1 9 4 ． [ 7 ] 曲文海．压力容器与化工设备实用手册 下册 [ M ] ．北 京化学工业出版社，2 0 0 0 2 2 1 ． 啪一㈣一一般|詈伽狮鲫一脚一一㈣㈣跚跏 湖一枷薹||詈岍|耋册秘 帅m m 舶“ 趵弱 砌弱砣n王z帅慰躬M他钙弭_耄“砣Hi王 万方数据