周期式电磁高梯度磁选机分选流场特性研究.pdf

1 0 6 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 2 2 周期式电磁高梯度磁选机分选流场特性研究 刘兴美，李小静，刘石梅，曹传辉，周岳远 长沙矿冶研究院有限责任公司，长沙4 1 0 0 1 2 摘要通过C F D 模拟仿真软件对实验室型周期式电磁高梯度磁选机分选腔中矿浆的流动行为进行分析研究。结果表 明矿浆悬浮液在介质堆床层中以轴向运动为主、径向扩散为辅；分选腔突扩结构造成矿浆进入介质堆需经历较长行程才能均 匀分布于分选腔横截面，造成介质堆有效空间减小，且不利于弱磁性微粒的捕集。 关键词周期式电磁高梯度；多孔介质；C F D 中图分类号T D 4 5 7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 0 6 - 0 5 S t u d yo nS e p a r a t i o nF l o wF i e l do fP e r i o d i cE l e c t r o m a g n e t i c H i 曲G r a d i e n tM a g n e t i cS e p a r a t o r L 1 UX i n g m e i ，L IX i a o j i n g ，L I US h i m e i ，C A OC h u a n h u i ，Z H O UY u e y u a n C h a n g s h aR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g M e t a l l u r g yC o ．，L t d ．，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，C h i n a A b s t r a c t A n a l y s i so ft h ef l o wb e h a v i o ro ft h es l u r r yi nt h em a t r i xf o rl a b o r a t o r yp e r i o d i ce l e c t r o m a g n e t i ch i g h g r a d i e n tm a g n e t i cs e p a r a t o rt h r o u g hC F Ds i m u l a t i o ns o f t w a r e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es l u r r ys u s p e n s i o ni sm a i n l y c o m p o s e do fa x i a ls e e p a g ei nt h em a t r i x ，l e s so fr a d i a ld i f f u s i o n ．T h es t r u c t u r eo ft h ec a n i s t e rc a u s e st h a tt h es l u r r y d i s t r i b u t i n ge v e n l ya c r o s st h ec r o s ss e c t i o no ft h em a t r i xt a k i n gl o n g e rt r i p s ．A tt h es a m et i m e ，t h ee f f e c t i v es p a c eo f m a t r i xi sr e d u c e da n dn o tc o n d u c i v et ot r a pw e a km a g n e t i cp a r t i c i e s ． K e yw o r d s p e r i o d i ce l e c t r o m a g n e t i ch i g hg r a d i e n tm a g n e t i cs e p a r a t o r ；p o r o u sm e d i a ；C F D 周期式电磁高梯度磁选机作为高梯度磁分离技 术的典型代表，利用聚磁介质在较高磁场强度的均 匀磁场中磁化，并产生很高的磁场梯度，形成作用于 微细粒级弱磁性颗粒上的磁场力，来对抗流体作用 力、重力等竞争力作用，使磁性颗粒与非磁性颗粒高 效分离的关键装备。其被广泛应用于非金属矿 高 岭土、长石等 除铁提纯、金属矿选矿、污水处理及石 油化工等领域，尤其在高岭土精制工业成果显著。 国外经过长期的理论研究与工程实践，已具备成熟 的工艺技术，并实现周期式电磁高梯度磁选机的设 备定型与大规模工业化应用；国内起步较晚，正处于 工业化推广阶段，设备大型化尚存在矿浆分布不均 匀等一系列问题，严重制约着我国高梯度磁分离技 术的发展。展开分选流场分布特性研究，有助于寻 找造成周期式电磁高梯度磁选机矿浆分布不均匀的 关键因素，为设备大型化提供技术支撑。 1 周期式电磁高梯度磁选机的结构特 点与分选机理 周期式电磁高梯度磁选机经过多年的优化设 计，各国均有相应的改进机型，但主体结构较为一 致，包括螺线管磁系、磁极头、铠装磁路、分选腔、聚 磁介质堆等部件。最具代表性的便是美国的P E M 8 4 型周期式电磁高梯度磁选机，其结构简图见图1 ⋯。 鉴于螺线管磁系的特殊结构，在设备大型化设计中 激磁功率随线圈直径呈线性增加，但处理能力与之 呈平方关系递增怛o ，故大型设备具有更低的单位生 产成本。国外大型化工业设备分选腔直径达35 0 0 m m ，国内目前仅长沙矿冶研究院有限责任公司研制 规格为15 0 0m m 的设备应用于工业化生产。 收稿日期2 0 1 7 - 0 7 - 1 5 作者简介刘兴美 1 9 9 0 一 ，男，河南信阳人，硕士，工程师，主要从事磁选工艺及设备研究。 万方数据 2 0 1 7 年增刊刘兴美等周期式电磁高梯度磁选机分选流场特性研究 1 0 7 E 磁性产 ＼＼ 忿心≮逵≮潮缓缀≮慕蕊蕊浏 蕊≤≮艾S 汝蕊闷蕊过S 慕蕊S 零料 3 ／4 ／1 0 ／ o ／9～ I 岫 ∞k 5 图l周期式电磁高梯度磁选机的主体结构简图 F i g ．1 T h es t r u c t u r ed i a g r a mo fp e r i o d i c e l e c t r o m a g n e t i ch i g hg r a d i e n tm a g n e t i cs e p a r a t o r 1 一螺线管；2 一分选腔；3 一聚磁介质；4 一铠装铁壳；5 一给料阀； 6 一排料阀；7 一流速控制阀；8 、9 - - 冲洗阀l O 一磁极头 周期式电磁高梯度磁选机分选作业的目的为实 现弱磁性微粒与非磁性微粒的高效分离。其分选机 理主要为弱磁性微粒的捕集机理。弱磁性微粒在聚 磁介质堆中受到磁力、流体作用力、重力、颗粒间相 互作用力等各种作用力的作用，其能否被聚磁介质 捕获取决于磁力是否起主导作用。重力、磁场力与 弱磁性微粒的特征尺寸呈三次方关系，而流体作用 力与之呈线性关系。周期式电磁高梯度磁选机处理 的物料中弱磁性组分一般为微细粒组成，当其特征 尺寸小于1 0I x m 时，其他作用力较磁场力与流体作 用力而言可忽略不计”J 。目前计算弱磁性微粒的流 体作用力均假设在层流分选的理想状态下进行，而 实际分选过程中由于矿浆分布不均匀造成矿浆悬浮 液流经聚磁介质堆局部时流速较大，破坏弱磁性微 粒被捕集的必要条件，从而影响磁性微粒与非磁性 微粒的分离效果。 2C F D 模型 聚磁介质堆一般由导磁不锈钢材料制作的钢 毛、钢网、钢棒等堆积而成。高岭土精制工业常用的 钢毛介质堆是由长纤维状钢毛介质按照一定的技术 要求压制成蓬松的床层矿。矿浆悬浮液在介质堆床 层孑L 隙结构运动是典型的纤维状多孔介质渗流问 题。本文基于F l u e n t 流体计算平台对周期式高梯度 磁选机分选流场特性展开分析研究。 2 ．1 多孔介质模型 多孔介质模型采用经验公式定义多孔介质的流 动阻力。本质上是在C F D 控制方程的动量方程中增 加一阻力源项，包含粘滞阻力项与惯性损失项。对 于均匀填充的钢毛介质堆为均质多孑L 介质，其阻力 源项见式1L 4 1 。 ，．．1、 s j 一l 刍。 c 2 Pl “ ㈠ 沁戈、 ，、z 1 、U厶 ’ 式中S i z 、Y 、z 方向上的动量源项； p 4 L 一矿浆悬浮液的密度与黏度，k s ／m 3 、P a S ； 口一表观流速，m ／s 。 1 二、c 一多孔介质床层的黏滞阻力系数、惯性阻 O t 力系数，1 ／m 2 、1 ／m 。 1 在计算多孔介质模型时，土、c 两参数需提前 O t 测量设定，具体测量试验可参考关于高梯度磁选机 聚磁介质堆流体阻力特性研究的报道[ 5 ] 。 2 ．2 计算域物理模型与网格划分 在实验室型周期式电磁高梯度磁选机中，矿浆 由进料管进入分选腔中的聚磁介质堆，然后经出料 管流出完成分选作业。工业机磁极头上开多孔作为 矿浆流通通道，可看做是实验室型的组合。本文以 试验型设备为研究基础，鉴于其分选机构具有良好 的对称性，可简化为平面模型，计算域的具体模型尺 寸见图2 。 图2 计算域几何模型及特征尺寸图 F i g ．2C o m p u t a t i o n a ld o m a i ng e o m e t r ym o d e la n df e a t u r es i z ec h a r t 网格划分实质是将流体计算域划分为大量更小 的、无重叠的子区域，控制方程作用于这些子区域来 求解计算域内的流动规律。鉴于研究对象计算域模 型较为简单、对称性良好，所以可进行结构化网格划 万方数据 1 0 8 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 分，局部网格图见图3 。 图3计算域网格划分局部图 F i g ．3 T h el o c a lf i g u r eo fc o m p u t ed o m a i nW d 2 ．3 参数设置 参数设置主要是流体流动边界条件设置 进、出 口边界条件，各接触面条件等 及流动区域物理模型 选择与设置。根据研究对象的性质选择速度人口、 压力出口边界条件；在聚磁介质堆填充区域选择多 孔介质物理模型，并根据具体研究条件设置孔隙度、 粘滞阻力系数与惯性阻力系数。 本研究以高岭土矿浆悬浮液作为研究对象，其 为固液两相流，根据其固含量特征与在分选腔的流 动的斯托克斯数范围选择m i x t u r e 模型，以六偏磷酸 钠作为分散剂，在添加量为3 ％时，矿浆经搅拌调浆 在通过聚磁介质堆床层期间可作为均质多相流，故 两相间无滑移速度。 3 仿真结果与流场分布特性分析 鉴于研究对象特殊的对称性，计算域区矿浆的 流动方向为x 轴、径向对称面内任意方向为y 轴。 另外为对比分析介质堆分选空间中不同区域位置上 的矿浆的流动特性，可在计算域内选取一系列特征 线 面 ，通过分析各特征线上的速度分布规律来说 明分选空间的流场分布特性。故在介质堆计算域平 面分别选取x 0 、菇 一0 ．0 2 5 、戈 一0 ．0 5 、戈 一0 ．0 7 5 ；y 0 、Y 0 ．0 1 、Y 0 ．0 2 、Y 0 ．0 3 、Y 0 ．0 4 一系列特征线。 3 ．1 介质堆计算域内流线图分析 流线图是描述某时刻介质堆空间各流体质点的 流动方向的曲线，曲线上任一点的切线方向表示该 流体质点的速度矢量方向。通过流线图可以整体把 握矿浆悬浮液在介质堆中的流动特征。仿真试验所 得介质堆计算域内的流线图见图4 。 由图4 介质堆计算域内矿浆渗流流线图可知 介质堆中一0 ．0 5 戈 0 ．0 5 的区域流线呈现与对称 轴平行，说明矿浆悬浮液基本上为轴向运动而径向 运动几乎可以忽略。介质堆中一0 ．1 z 一0 ．0 5 与 0 ．0 5 z 0 ．1 的端部区域流线呈现明显的弯曲现 象，且在进、出口边缘尤为显著，说明这两个区域矿 浆悬浮液具有较为强烈的径向运动。 图4 介质堆计算域内矿浆渗流流线图 F i g ．4 T h es e e p a g ef l o wc h a r to ft h ep u l pi nt h em a t r i x 3 ．2介质堆计算域渗流速度分布分析 介质堆中矿浆渗流的流场分析主要任务便是分 析其中的流速分布规律。矿浆悬浮液在介质堆中的 流速分布不仅影响矿浆的扩散特性，而且对弱磁性 微粒的流体作用力起主导作用，进而直接影响设备 对高岭土提质降杂的效果。速度分布云图能够直观 地反映计算域空间各点的速度大小。仿真试验得介 质堆计算域内矿浆渗流速度分布云图见图5 。 图5介质堆计算域内矿浆渗流速度分布云图 F i g ．5 T h ec o u n t e ro fv e l o c i t yo ft h ep u l pi nt h em a t r i x 由图5 介质堆计算域内矿浆渗流速度分布云图 可知介质堆计算域内的速度分布整体上呈现良好 的对称性。介质堆两端距端面约3 0m m 的空间渗流 速度分布变化显著，中心区域渗流速度大、变化梯度 大；靠近介质堆边缘及大部分端面区域渗流速度小、 变化梯度小；造成这种现象的原因在于分选罐的进、 出口效应。介质堆中段空间渗流速度分布无明显差 异，这是因为计算域内速度的最大值与最小值间跨 度较大，速度云图无法显示出较小的差异特征。故 矿浆悬浮液在介质堆中渗流的速度分布特性还需借 助特征截面 线 上的速度分布曲线加以说明。轴 向、径向特征线上的速度分布曲线见图6 。 由图6 中轴向特征线上的渗流速度分布曲线可 知进、出口端厚2 5m m 的介质堆中矿浆渗流速度显 著减小或增大。轴向速度分布基本上呈现对称变 化。进口端距端面2 5m m 的介质堆分选空间中， 0 0 0 O 0 O E 、扣 万方数据 2 0 1 7 年增刊刘兴美等周期式电磁高梯度磁选机分选流场特性研究 1 0 9 Y 0 ．0 3 的区 域渗流速度由0m n m ／s 缓慢上升。距端面2 5m m 至 5 0m m 区域内矿浆的渗流速度以较小的变化速率降 低或增加至1 0m m ／s 左右。在一0 ．0 5 ≤戈≤0 ．0 5 的 介质堆分选空间中矿浆悬浮液基本保持1 0m m ／s 的 渗流速度。 1 抽1 I ，1 径f _ 】J 特f I | I 绂i 。逮』蔓j 川忙k 图6 特征线上渗流速度速度分布曲线 F i g ．6 T h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o nc u r v eo fs e e p a g e v e l o c i t yi nt h ec h a r a c t e r i s t i cl i n e 由图6 中径向特征线上的渗流速度分布曲线可 知在一0 ．1 ≤戈 一0 ．0 5 的分选空间中介质堆中矿 浆的渗流速度沿径向快速降低，且越靠近介质堆进 口端面变化趋势越显著；而在一0 ．0 5 戈≤0 的分选 空间区域中矿浆的渗流速度沿径向基本保持在 1 0m m ／s ；至于在Y 0 ．0 5 的很小区域内渗流速度迅 速降低至0m m ／s 则是因为分选罐的壁面效应。 介质堆中形成以上渗流分布特性与分选罐的结 构有较大关联，突扩结构使得矿浆悬浮液必须以较 高的流速进入聚磁介质堆，然后逐渐渗流扩散至介 质堆横截面上直至具有稳定的渗流速度。矿浆悬浮 液扩散主要是由介质堆中心区域沿径向向边缘运 动，径向分速度能够较好的反映介质堆中矿浆悬浮 液的扩散况状。径向特征线上的径向分速度分布曲 线见图7 。 图7 径向特征线上径向分速度曲线 F i g ．7 R a d i a lv e l o c i t yC u F v eo fr a d i a l c h a r a c t e r i s t i cl i n e 由图7 径向特征线上径向分速度曲线可知矿 浆悬浮液在钢毛介质堆中由中心到边缘径向分速度 先增后减。由介质堆端面至中段径向分速度变化趋 势逐渐减弱，一0 ．1 ≤石 一0 ．0 5 区段变化显著， 一0 ．0 5 ≤戈 0 区段径向分速度基本上可以忽略不 计。在Y 0 ．0 2 附近区域径向分速度达到最大值， 这与进料管的尺寸有较大的联系。 由以上矿浆悬浮液的渗流速度分布特性，将分 选空间中进料端介质堆区域按划分为渗流扩散区、 渗流过渡区、渗流分选区。扩散区渗流速度显著变 化，矿浆悬浮液表现为从中心区域向边缘的扩散运 动；过渡区矿浆渗流速度缓慢变化至表观渗流速度， 并在径向有一定的扩散运动；分选区径向的扩散运 动几乎可以忽略，矿浆悬浮液以表观流速轴向运动 通过钢毛介质堆。由于分选空间特殊的对称性质， 出料端的介质堆区域亦可划分为分选区、过渡区、聚 集区。 4结论 借助于流体分析软件，并基于多孔介质模型对 实验室型周期式电磁高梯度磁选机的分选流场展开 分析研究，得出以下结论 1 矿浆悬浮液在聚磁介质堆中主要分为轴向传 质运动与径向扩散运动，并以轴向传质运动为主；介 质堆中矿浆渗流流场分布具有良好的对称性； 万方数据 1 1 0 有色金属 选矿部分 2 0 1 7 年增刊 2 根据径向扩散运动的强度将进料端介质堆空 间划分为扩散区、过渡区、分选区，并大致确定各区 域范围。扩散区径向渗流分速度较大，矿将分布不 均匀，主要是距介质堆端面约2 5 m m 以内的区域空 间；过渡区径向渗流分速度相对较小主要是扩散区 后继续向介质堆中段约2 5 m m 厚的区域空间；分选 区则为过渡区后的区域空间，径向渗流分速度几乎 可以忽略不计，矿浆在介质堆横截面上基本均匀 分布。 参考文献 [ 1 ] 孙时元，王德如，黄慧．国外选矿设备- Y - N 卞册 附国 内选矿设备[ M ] ．马鞍山冶金部马鞍山矿山研究院技术 情报研究室，1 9 9 0 3 2 3 3 5 0 ． [ 2 ] M O N T G O M E R YDB ．S o l e n o i dm a g n e td e s i g n [ M ] ．N e w Y o r k J o h nW i l e y ，1 9 6 9 ． [ 3 ] P A R K E RMR ．T h ep h y s i c so fm a g n e t i cs e p a r a t i o n [ J ] ． C o n t e m p o r a r yP h y s i c s ．1 9 7 7 ，18 3 2 7 9 - 3 0 6 ． [ 4 ] 韩占忠，王敬，兰小平．流体工程仿真计算实例与应用 [ M ] ．北京北京理工大学出版社，2 0 0 4 ． [ 5 ] 刘兴美，李小静，周岳远，等．高梯度磁选机聚磁介质堆 流体阻力特性研究[ c ] ／／第八届全国选矿专业学术年会 暨矿产资源绿色高效开发利用高峰论坛论文集．长沙矿 冶工程，2 0 1 6 2 2 3 - 2 2 6 ． 上接第9 2 页 5 磁选装备的大型化仍是未来发展的一个重要 趋势，对于新建、扩建大型选厂项目应该作为首选配 套设备，以提高选矿流程的产能，提高设备作业率， 降低设备维护成本。 参考文献 [ 1 ] 李泽理，李雯心，刘开坤，等．澳大利亚S I N O 铁矿提质扩 能探索研究[ J ] ．矿山机械，2 0 1 6 7 1 - 5 ． [ 2 ] 张广伟，李泽理，闫昊天．S I N O 铁精矿提铁降硅的工艺调 研与流程设计[ J ] ．矿山机械，2 0 1 3 1 1 1 0 7 1 1 1 ． [ 3 ] 刘士友．澳大利亚S I N O 铁矿选矿流程的探究[ J ] ．矿业 工程，2 0 1 2 ，1 0 1 2 4 - 2 6 ． [ 4 ] 李葆生，李泽理．澳大利亚S I N O 选矿厂运行调试问题分 析[ J ] ．矿山机械，2 0 1 4 8 1 0 5 1 0 9 ． [ 5 ] 王芝伟，宗金彪，史佩伟．粗颗粒分选大型磁选机的研制 与工业实验研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 3 增 刊1 2 1 9 - 2 2 1 ． 万方数据