自吸气浮选机叶轮倾角对浮选机性能的影响研究.pdf

2 0 1 7 年增刊有色金属 选矿部分 1 2 3 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 6 自吸气浮选机叶轮倾角对浮选机性能的影响研究 陈飞飞，陈东，樊学赛，张明 北京矿冶研究总院北矿机电科技有限责任公司，北京1 0 0 1 6 0 摘要搭建了J J F - O ．2 试验平台，设计加工了3 种不同倾角的叶轮，通过清水试验测试了不同条件下吸气量和功耗的大 小，探究了不同浸没深度条件下3 种叶轮的差异，探究了叶轮插入深度的影响。结果表明，前倾角度叶轮功耗大吸气量小；后 倾叶轮吸气量大功耗小，标准叶轮集中了两者的优点；随着插人深度的增加，吸气量基本保持不变而功耗逐渐减小。 关键词自吸气浮选机；叶轮倾角；浸没深度；插入深度 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 2 3 - 0 4 I n f l u e n c eo fA n g l eo fI m p e l l e rB l a d e so nS e l f - A e r a t i n gF l o t a t i o nP e r f o r m a n c e s C H E NF e i f e t ．C H E ND o n g ，F A NX u e s a i ，Z H A N GM 讥g B G R I M MM a c h i n e r y A u t o m a t i o nT e c h n o l o g yC o ．，L t d ．，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 f M i n i n g M e t a l l u r g yB e i f i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t J J F - O ．2e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw a ss e tu pa n dt h r e ed i f f e r e n ti n c i d e n ts e l f - a e r a t i n gi m p e l l e rw e r e d e s i g n e d ．I n f l u e n c eo fs h a d eo ni n s p i r a t i o nc a p a c i t ya n dp o w e rc o n s u m p t i o nu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o nw e r ee x p l o r e d ． T h ee x p e r i m e n t a ld a t es h o w st h a tl e a nf o r w a r di m p e l l e rh a sh i g hp o w e rc o n s u m p t i o na n dl o wi n s p i r a t i o nc a p a c i t y ．b u t b a c k w a r di m p e l l e rh a sh i g hi n s p i r a t i o n c a p a c i t ya n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ．S t a n d a r di m p e H e rh a sh i g ha i r i n s p i r a t i o nc a p a c i t ya n dp o w e rc o n s u m p t i o n ．W i t ht h ei n c r e a s eo fd e p t ho fi n s e r t i o n ，a i ri n s p i r a t i o nc a p a c i t yk e e p b a s i c a l l yt h es a m ea n dp o w e rc o n s u m p t i o nd r o p s ． K e yw o r d s s e l f - a e r a t i n gf l o t a t i o nm a c h i n e ；i n c i d e n to fi m p e l l e r ；s u b m e r g e n c e ；d e p t ho fi n s e r t i o n 1 背景 矿产资源禀赋的不断恶化及选厂规模的不断扩 大，促进了大型高效浮选机的研发及各种新型药剂 的研制，因而进一步促进了浮选技术的发展。浮选 机作为最重要的浮选设备，在浮选过程中发挥着重 要的作用，通过叶轮的搅拌及定子的稳流作用为浮 选过程提供相应的动力学环境。按照动力学分区， 浮选机通常可以分为4 个区域，分别为搅拌混合区、 运输区、分离区和泡沫区。自吸气浮选机作为浮选 机的重要组成部分，应用范围广泛，优点突出，集中 体现在能自吸空气和矿浆，基建投资少。 众所周知，早期工业应用的浮选机主要是自吸 气浮选机，广泛应用于有色金属、黑色金属及非金属 矿山的选别作业⋯。随着选厂规模的不断扩大，对 浮选机处理能力的要求也不断扩大，而自吸气浮选 机在大型化的过程中进程相对缓慢，随着基础理论 研究的不断深入及现代流体力学测试方法的出现， 得以让自吸气浮选机的高效大型化成为可能。近十 年来，北京矿冶研究总院在自吸气浮选机的理论及 实践方面做了大量的研究，并将计算流体力学仿真 技术应用在浮选机大型化的全周期，取得了巨大的 进展，实现了自吸气浮选机的大型化，推动了大型自 吸气浮选机的工业化。 叶轮定子作为自吸气浮选机的关键部件对整个 浮选机的性能起到了至关重要的作用，一方面要实 现矿浆的搅拌混合，使矿浆充分悬浮并形成特定的 流场；另一方面，叶轮高速旋转，在叶轮区形成负压 实现自吸空气。早期低浸没深度自吸气浮选机容积 的不断增大，槽体深度也不断加大，在一定范围内可 以通过增大叶轮转速来满足吸气量的要求。研究人 员经过大量的实践探索，通过抬高叶轮定子的位置 收稿日期2 0 1 7 0 8 1 5 基金项目国家自然科学基金面上项目资助 5 1 5 0 4 0 2 5 作者简介陈飞飞 1 9 9 2 一 ，男，江西吉安人，主要从事浮选设备设计、优化等方面研究。 万方数据 1 2 4 有色金属 选矿部分 2 0 1 7 年增刊 一般距离液面4 0 0 6 0 0m m 来实现对气量的要 求，并通过假底和循环筒来强化矿浆的循环，通过分 散罩结构来实现空气均匀分散。 自吸气浮选机叶轮的发展经历了一段很长的发 展过程。研究过程中关注的主要是叶轮临界吸气转 速N C G ，吸气量Q g ，体积量传递系数K L a 及其建模分 析等。大体来说自吸气叶轮可以分为两种旧』，一种是 叶轮一定子型式；另一种是叶片上开孔的中空白吸叶 轮。国外对叶片上开孔的中空白吸叶轮研究较为充 分，根据伯努利方程，在临界吸气转速N C G 时，中空自 吸叶轮在叶片开孔处的压力降刚好克服静压头。随 着转速的进一步增加，吸气量不断增大口。 叶轮一定子型式叶轮的研究主要集中在叶轮一 定子的结构尺寸、吸气量Q g 、体积传递系数K L a 等。 1 9 6 3 年E U T E N E U R L 4o 最早介绍了该型自吸叶轮。 M U N D A L E 1 9 9 5 ”o 试验研究了叶轮高径比、叶片数 量、叶片倾角等对吸气量的影响。P A T I L 1 9 9 9 旧1 等分析了叶轮一定子型自吸叶轮的吸气过程，认为 卷吸过程形成的涡流结构和从定子叶片导流出去的 径向出流对吸气性能有重要影响。P O N C I N 2 0 0 2 o 刊基于试验研究建模分析了叶轮转速同叶轮 浸没深度、体积量传递系数以及功耗等的关系。许 多学者结合试验研究建模分析了自吸叶轮关键结构 参数同临界吸气转速、吸气量等的关系”引。早期叶 轮一定子型式的自吸气浮选机叶轮为半开式结构， 而这种结构在工业应用中存在使用周期短、吸气量 不足等问题。主要问题在于轴向回流和径向滑流对 叶轮造成的磨损严重。基于这点，S F I I 型浮选机的 叶轮改进为上下封闭叶片，小型试验和工业试验都 证明了上下封闭叶片的优越性。目前国内应用最广 的自吸气浮选机J J F 型浮选机采用的是直叶片星型 叶轮，通常认为上部叶轮主要起自吸空气的作用，下 部叶轮起循环矿浆的作用。当然这个过程中还出现 了一些别的结构型式的叶轮，例如南非某专利提出 了具有斗式叶片的自吸气浮选机叶轮，用以提升矿 浆的上升流，并在斗式叶片之间设计有直叶片，增强 矿浆搅拌混合能力。 陈剑峰等0 。对浮选机叶片的倾角做了一定的 研究，从理论上计算了前倾与后倾两种叶轮的过流 面积，并通过功耗来比较两种叶轮的优劣。他们从 过流面积的角度考虑，认为后倾叶轮较前倾叶轮过 流面积提高了4 0 ％左右，因此，在相同矿浆流量前提 下，后倾叶轮所受到的阻力更小，叶轮的功耗也更 小；如果阻力不变，则可以加大矿浆流量，从而强化 了浮选机内的矿浆循环性能，提高吸气量，然而他并 没有通过相关试验来验证它的准确性。 随着计算流体力学的不断发展，使得C F D 在浮 选机上的应用成为可能，并广泛用于研究浮选机槽 内的流场结构以及浮选机关键结构的优化设计上。 国内的研究则多集中于充气式机械搅拌式浮选机方 面，自吸气机械搅拌式浮选机的研究还很少，且多以 现有叶轮型式为基础．并未将现代流体测试和C F D 技术应用于叶轮型式的优化设计中。北京矿冶研究 总院在机械搅拌式浮选机上通过实验流体力学测试 与浮选机C F D 预测进行对比修正，大大提高了C F D 方法研究浮选机的准确性和可靠性，C F D 预测精度 可控制在1 0 ％以内。澳大利亚联邦科学研究院对 W E M C O 自吸气机械搅拌式浮选机数值模拟研究得 到了浮选机内气液固三相流态特性，并以数值计算 结果为基础，提出了浮选机的优化方案，F L S m i d t h 公 司对W E M C O 浮选机进行了大量工业试验，深入研 究了内部矿浆停留时间、循环量、短路概率等问题。 2 自吸气浮选机叶轮倾角对吸气量和 功耗的研究 2 ．1 试验装置与试验方法 为探究叶轮倾角对吸气量和功耗的影响，根据 几何相似、运动相似和动力相似设计了J J F O ．2 型浮 选机，并设计出3 种不同倾角的叶轮及配套定子，叶 轮线速度一般为6 8m ／s ，容积小时，线速度小些， 容积大时线速度大些。叶轮为高比转速叶轮，它具 有扬量大、压头低等特点。同一系列叶轮在设计过 程中功率因子一般保持不变N 。 P ／ p N 3 D 5 。叶 轮倾角分别为标准叶轮 0 。倾角 、前倾叶轮 前倾 3 0 。 及后倾叶轮 后倾3 0 。 ，叶轮结构及参数如图1 所示。为了确保在高转速条件下系统的稳定性以及 在叶轮离底较高的条件下能方便地进行多参数的调 尘 塑 n1 ／7 桨 尘旦Q 一_ J 疑 v* l 标准1 1 | _ 轮 h 晤顺叶轮 rl 前倾叶轮 图13 种倾角叶轮 F i g ．1I m p e l l e ro ft h r e ei n c l i n e da n g l e 隅圈 万方数据 2 0 1 7 年增刊陈飞飞等自吸气浮选机叶轮倾角对浮选机性能的影响研究 1 2 5 节，试验系统的搭建如图2 所示。为了便于观察试 验现象，整个实验室浮选机用有机玻璃制成。测试 系统主要由J J F 旬．2 型浮选机、变频器、扭矩传感器 图2 试验系统 F i g ．2T e s t i n gs y s t e m 等构成，浮选机主要结构包括叶轮、定子、槽体、分散 罩、竖筒和循环筒。 2 ．2 叶轮倾角的试验研究 为了探究不同转速条件下，前倾叶轮、后倾叶轮 与标准叶轮吸气量和功耗的差异，设计了一组试验 在保证浸没深度为4 0m m 、插入深度为1 0m m 、调节 间隙为1 0m m 的条件下，测试了3 种叶轮在1 1 个转 速条件下的吸气量和功耗值，试验数据如图3 所示。 由数据分析可以知道，三种叶轮的吸气量和功 耗都随着叶轮转速的增加而增大。就吸气量而言， 在不同转速条件下前倾叶轮的吸气量要比标准叶轮 的吸气量小2 ％～5 ％；后倾叶轮的吸气量在低转速 条件下要比标准叶轮大2 ％一1 0 ％，而在高转速条件 下要比标准叶轮小1 ．5 ％～5 ％；后倾叶轮的吸气量 整体比前倾叶轮的吸气量要大3 ％～1 0 ％。针对功 耗而言，标准叶轮整体比前倾大1 ％～5 ％，比后倾叶 轮整体大6 ％～9 ％，前倾叶轮功耗整体比后倾叶轮 大1 ．5 ％一6 ％。试验数据在一定程度上印证了陈建 峰等的观点，并与离心泵的设计原理相一致后倾叶 片当流量大时理论压头低，总理论压头中动压头较 小成份也较小，功耗也低。并且高比转速泵有压头 小流量大的特点。前弯叶片压头大而流量小，后弯 叶片压头小而流量大。 图3 三种叶轮功耗 a 和吸气量 b 的对比 F i g ．3C o m p a r i s o np o w e rc o n s u m p t i o n a a n di n s p i r a t i o nc a p a c i t y b o ft h r e ei m p e l l e r s 2 ．3 插入深度对前倾叶轮、后倾叶轮、标准叶轮的由数据分析可知，插入深度的变化对吸气量的 影响影响不大；针对功耗而言，随着插入深度的增加，功 为了探究插入深度对吸气量和功耗的影响，设耗逐渐减小，插入深度为1 0m m 条件下功耗比2 0 计了两组试验，首先在浸没深度为4 0m m ，调节间隙m m 插入深度大1 ．5 ％～4 ．5 ％，比3 0m m 插入深度 为1 0m m 的条件下试验了标准叶轮插人深度的变化大3 ％～7 ％。通过后倾叶轮我们进行了插入深度对 规律，进而在保证其它条件一致的前提下通过后倾吸气量和功耗影响的验证试验，试验数据如图5 叶轮来进行验证叶轮插入深度的影响。标准叶轮试 所示。 验数据如图4 所示。 万方数据 1 2 6 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 图4 标准叶轮插入深度对功耗 a 和吸气量 b 的影响 F i g ．4 I n f l u e n c eo fi n s e r t i o no ns t a n d a r di m p e l l e r ’p o w e rc o n s u m p t i o n a a n di n s p i r a t i o nc a p a c i t y b 图5后倾叶轮插入深度对功耗 a 和吸气量 b 的影响 F i g ．5 I n f l u e n c eo fi n s e r t i o no nb a c k w a r di m p e l l e r ’p o w e rc o n s u m p t i o n a a n di n s p i r a t i o nc a p a c i t y b 通过图5 可知，针对后倾叶轮而言，插入深度对 吸气量的影响不大，而功耗随着插入深度的增加功 耗降低，与插入深度为1 0m m 的相比，2 0m m 插入深 度的低0 ．5 ％～2 ．5 ％，3 0m m 插入深度的低3 ％～ 4 ．5 ％。通过验证，后倾叶轮插入深度对功耗和吸气 量的影响规律与标准叶轮一致。一般认为功率与转 速和循环量成正相关，与吸气量成负相关。在浸没 深度不变的情况下，上半部分起吸气作用的叶轮基 本不受影响，叶轮转速保持不变的情况下，吸气量基 本保持不变；而随着插入深度的增加，下半部分起循 环矿浆作用的叶轮有效排液面积减少，所以功率有 所降低。 3结论 在浸没深度为4 0m m ，插人深度为1 01 T I m ，调节 间隙为1 0m m 的条件下，标准叶轮吸气量最大，其次 是后倾叶轮，前倾叶轮气量最小；标准叶轮功耗最 大，其次是前倾叶轮，后倾叶轮最小。随着插入深度 的增加，吸气量基本保持不变，而功耗逐渐较小。 参考文献 [ 1 ] 沈政昌，卢世杰，陈东，等．J J F - 1 3 0 大型机械搅拌式浮 选机研究与设计[ J ] ．矿冶，2 0 0 8 ，1 7 4 8 1 - 8 4 ． [ 2 ] K A S A TGR ，P A N D I TAB ．R e v i e wo nm i x i n gc h a r a c t e r i s t i c s i ns o l i d - l i q u i da n ds o l i d l i q u i d - g a sr e a c t o rv e s s e l s [ J ] ．T h e C 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 ，2 0 0 5 8 3 6 1 8 6 4 3 ． [ 3 ] R I E L L YCD ，E V A N SGM ，D A V I D S O NJF ，e ta 1 ．E f f e c to f v e s s e ls c a l e u po nt h e h y d r o d y n a m i c s o fas e l f - a e r a t i n g concaveb l a d ei m p e l l e r [ J ] ．C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e ， 1 9 9 2 4 7 3 3 9 5 - 3 4 0 2 。 [ 4 ] E U T E N E U RGA ．G a si n j e c t i o ni n t ol i q u i d st h r o u g hat u b u l a r a g i t a t o r [ J ] ．C h e mI n gT e c h ，1 9 6 3 3 5 2 8 7 - 2 9 4 ． 下转第1 4 3 页 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