大型矿浆调浆搅拌槽的设计及工业应用.pdf

2 0 1 3 年第6 期有色金属 选矿部分 7 3 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ，j ．i s s I I ．1 6 7 l 一9 4 9 2 ．2 0 1 3 ．0 6 ．0 1 8 大型矿浆调浆搅拌槽的设计及工业应用 王青芬，张建辉 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要介绍大型调浆搅拌槽的设计思路和关键零部件循环筒、叶轮、排砂管的设计要点，工业应用实践表明应用大 型调浆搅拌槽搅拌矿浆，矿浆浓度、粒度分布均匀，无明显粒度分层现象，说明调浆搅拌槽技术参数设计合理。 关键词调浆搅拌槽；循环筒；排砂管 中图分类号T F 3 5 l文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 3 0 6 0 0 7 3 一0 4 D e s i g na n dI n d 吣t r i a lA p p U c a t i o no fL a r g e S c a l eP I l l pC o n d i t i o n e r 翮ⅣGQ 咖锄，Z 酗ⅣG 优n n h u z B e 扰叼G e n e 删R e s 叩r c hI n S 蹴I 上比。厂施n f 叼n n d 胁t n I u 捌，j E i e 扰叼】D D I ∞，C h z ，l n A b s t r a c t T l h ed e s i g nt h o u g h to ft h el a 玛e s c a l ec o n d i t i o n e ra n dt h em a i nd e s i g np o i n to fk e yp a r t s s u c ha sc i r c u l a t i o nc o l u m n ， i m p e l l e ra n dc o a r s es i z ed i s c h a L r 驴t u b ew e r ei n t m d u c e di n t h i sp a p e r ．I n d u s t r i a l a p p l i c a t i o np r a c t i c es h o w e dt h a tb o t ht h ep u l pd e n s i t ya n ds i z e d i s t r i b u t i o nw e r eu n i f b 肌l yd i s t r i b u t e di nt h e t a n k ，a n ds t r a t i 6 c a t i o nw a sn o tf o u n d ， s ot h et e c h n i c a lp a m m e t e r so fc o n d i t i o n e ra r er e a s o n a b l e ． K e yw o r I l s c o n d i t i o n e r ；c i r c u l a t i o nc o l u m n ；d i s c h a 昭et u b e 矿浆调浆搅拌槽在浮选工艺中调节矿浆与药剂 的快速、均匀混合，为浮选创造良好的条件，是浮 选工艺必要的调浆搅拌设备。近几年，大型浮选机 的成功研制及工业应用，也推进了调浆搅拌槽的大 型化。虽然大型搅拌槽研究较多，但其都为储槽、 浸出、结晶类型搅拌槽，对大型调浆搅拌槽研究较 少。国内大型矿山采用的大型浮选机都是北京矿冶 研究总院研制生产的，与其配套的大型调浆搅拌槽 如江铜的中6 ．5m 、西6m 调浆搅拌槽，乌山二期 工程的中8m 调浆搅拌槽 也是北京矿冶研究总院 设计生产的。笔者根据设计、制造、生产实践经验 介绍大型调浆搅拌槽的设计方法及工业应用情况。 1大型调浆搅拌槽的整体设计 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循 环筒结构 见图1 ，主要包括主轴部件、槽体、 循环筒、电机装置、横梁、叶轮等部件组成。 电机经三角带带动主轴叶轮顺时针旋转，轴流 型叶轮，使矿浆在循环筒内以轴向流动为主，径向 图1 搅拌槽结构简图 F i g ．1 S t l l l c t u r eo fc o n d i t i o n a lt a n k 1 槽体；2 一给矿管；3 一横粱；4 一电机装置；5 一主轴部件 6 一溢流口；7 一叶轮；8 一循环筒 收稿日期2 0 1 3 0 l 一2 2修回日期2 0 1 3 一0 9 2 5 作者简介王青芬 1 9 6 6 一 ，安徽全椒人，研究员，主要从事矿浆搅拌、重选设备、脱水设备研究。 万方数据 7 4 有色金属 选矿部分2 0 1 3 年第6 期 流速小，充分利用搅拌能量。矿浆在循环筒内由上 向下流动，而在槽体内循环筒外则从下向上流动， 矿浆在搅拌槽内形成一个大的循环圈，使矿浆和药 剂充分混合均匀，当循环流量足够大时就能保持矿 物始终处于悬浮状态。 叶轮是调浆搅拌槽的关键零件，它直接影响调 浆搅拌槽的技术性能，包括矿浆循环量、搅拌功 率、颗粒的悬浮状态、矿浆药剂混合的均匀性等， 因此搅拌叶轮是设计的重点。 轴流式叶轮轴向流量大、功耗小，因此在设计 时优先考虑采用轴流式结构叶轮，轴流式叶轮按低 扬程的轴流泵流量计算公式计算[ 1 ] 式中D 为叶轮直径，m ；Q 为叶轮排量，n 1 3 ／s ；％ 为容积效率，一般取0 ．9 0 0 ．9 5 ；唬为叶轮轮毂直 径；G 为轴面流速，I 以；C 庐 O ．0 6 0 ．0 8 3 、／Q 舻， 凡为叶轮转速，r ／m i n ；加是轮毂比，一般取 0 ．3 0 0 ．6 0 。 由于固体颗粒的加入，搅拌槽流体轴向速度会 明显降低 见图2 [ 引，槽体近壁处上升流速降低， 流体循环流量下降，搅拌槽性能降低。对于低浓度 矿浆，搅拌槽矿浆循环流量降低约2 5 ％左右。 f ， 昌 一 、 魁 瑙 厘 暴 浓度 1 0 0 一函 ／％ 图2 轴向速度与固体浓度关系图 F i g ．2 ’n l eI l e l a t i o n s h i pb e t w e e na x i ss p e e da n d s o l i dc o n c e n t 】．a t i o n D 一叶轮直径；卜槽体直径；c 一叶轮距槽底距离； 国一固体体积含量 搅拌槽槽体近壁上流区液相速度与颗粒的干扰 沉降速度之比约为11 5 ～1 2 0 时固体颗粒可基本达 到均匀悬浮，近壁上流区液相速度跟叶轮排量Q 成正比‘引。因此，直径同样大的矿浆调浆搅拌槽， 由于矿浆性质的差异，要求叶轮最低排量p 不相 等，电机安装功率要求也不一样。在生产实践中根 据矿浆性质差异，需要增加或减小叶轮排量，安装 不同功率的电机，而一般制造厂不会考虑矿浆性质 对搅拌性能的影响，往往相同直径的搅拌槽电机安 装功率都是一样的，在应用中会出现沉槽现象。笔 者已经针对若干选矿厂搅拌槽沉槽问题进行了改进 设计，都取得了圆满的成功。 轴流式叶轮采用整体铸造、加工、静平衡、整 体外表面衬耐磨材料，叶轮在衬耐磨材料后再次做 静平衡，确保叶轮安装后运转平稳。 3 功率计算 搅拌器的搅拌轴功率按通用公式[ 3 】计算 P 产蠡P q p n 3 D 5 2 风为搅拌功率；P 0 为功率准数，与搅拌液体 的雷诺数僻e 、叶轮结构有关；七为功率准数总 系数，与叶轮参数相关；，l 为搅拌转速，栅n ；D 为搅拌叶轮直径，m ；p 为液体密度，k g ／m 3 。 搅拌功率也可以用公式【4 ] 表示 P 即g Q 。He b 式中仇* ，舻，肌* 厅够，g 为重力加速度，P 为 液体密度。Q ，为叶轮排量，与叶轮直径d 3 为成正 比例，风为搅拌剪切量，与叶轮线速度平方成正 比例。因此，在设计搅拌槽时首先要考虑搅拌目 的，根据搅拌目的设计计算叶轮直径和转速。如储 存搅拌槽其搅拌目的是保持矿浆悬浮不沉淀，设计 优先考虑采用大直径叶轮、低转速运行，可以节约 搅拌能耗，但设备投资费用会增加。 4 循环筒结构设计 循环筒是矿浆调浆搅拌槽内矿浆循环流动的通 道，其作用一是增加矿浆循环量，加速药剂与矿 浆的混合；二是在循环筒内矿浆从上向下流动，在 循环筒外矿浆自下向上流动，形成矿浆从槽底到液 面大循环流动，避免矿浆循环短路和局部混合。循 环筒设计主要技术参数有循环筒内径、循环筒高 度、循环筒底部通道参数。 4 ．1 循环筒内径 循环筒内径应与叶轮外径相适应，叶轮外径与 循环筒内径差值的一半称为叶轮间隙。叶轮间隙过 小，一旦有非稳定流体通过叶轮时，可能造成主轴 摆动，叶轮与循环筒碰撞；间隙小，筒体磨损也相 对严重。叶轮间隙过大，则影响矿浆在槽体内的 循环流量。因此，叶轮间隙应根据搅拌槽规格、 矿物性质、叶轮大小选择，一般叶轮间隙在4 0 ～ 1 0 0m m 。 万方数据 2 0 1 3 年第6 期 王青芬等大型矿浆调浆搅拌槽的设计及工业应用 7 5 4 ．2 循环筒高度 循环筒高度应由搅拌槽稳定的液面高度与循环 筒上端的距离差 液面差 决定，循环筒越高，则 液面差越小。在叶轮直径和转速不变的情况下，循 环筒过高，由槽体流人到循环筒内的流量小于叶轮 理论排出量，则在循环筒和槽体上部会产生较大的 旋涡，吸人气体，增加无用功耗，并且槽体液面不 稳定。如果循环筒高度过低，会形成矿浆循环短 路，槽体上面的流体难以进入循环，造成矿浆搅拌 混合不均匀。 4 3 循环筒底部通道 循环筒底部出口的设计应将循环筒内的以轴向 流动为主的流体逐步导向，变为径向流体，减少能 量损失。叶轮排量、循环筒底部出口速度是决定搅 拌槽槽体底部是否有矿物沉积的关键，因此，在叶 轮排量不变的情况下，循环筒底部出口截面较小 时，出口流速较大，有利于颗粒悬浮。但是出口位 置过低，当设备不停车检修或停车不清槽时，矿物 可能埋住出口。为此，在设计下部循环筒时，在循 环筒锥体面上开若干长形孔槽，以备当循环筒出口 被矿物堵塞时，叶轮转动，流体将矿物逐渐冲蚀， 直到循环筒底部被冲开。 4 ．4 循环筒耐磨 大型调浆搅拌槽循环流量大，叶轮最大线速度 约9 ．5H 以，所以叶轮附近处的循环筒如果不采取 防护措施很快就会被矿浆磨穿，循环筒内衬耐磨材 料是非常必要的，一般内衬材料为橡胶或棕刚玉。 5 粗砂管设计 在磨机、旋流器构成的磨矿回路中，旋流器底 流返回磨机，旋流器溢流直接进入搅拌、浮选工艺 流程。一般情况下，旋流器溢流跑粗很难有效控 制，有的旋流器溢流甚至出现大于1 0m m 的颗粒 矿物，粗颗粒矿砂就会进入搅拌浮选流程。如没有 采取适当的技术措施则粗颗粒矿砂就会在调浆搅拌 槽内沉积，粗颗粒矿砂长时间积累就会堵塞循环筒 流道，无法形成矿浆循环，导致叶轮搅动矿浆在循 环筒内随叶轮旋转，并在调浆搅拌槽液面形成巨大 的旋涡。因此，根据实际工程应用经验，在设计矿 浆调浆搅拌槽时必须设计一个粗颗粒排砂管，利用 调浆搅拌槽的溢流堰与浮选机的液位差及搅拌动能 原理将不能完全悬浮的、动态沉积在槽体底部的粗 颗粒矿物排出调浆搅拌槽。因此，系统流程设计时必 须考虑调浆搅拌槽与浮选机之间有一定的液位差。 6 叶轮相对高度 等直径实心悬臂轴的一阶临界转速m [ ，】计算 公式为 厂云一 m - 1 1 4 7 以V 百亩而 4 矾为轴端当量质量总和，k g ；唬。为轴径， H 蚰；￡。为轴悬臂长度，- 砌；E 为轴材料的弹性模 量 G P a 。由公式可知叶轮质量越大，悬臂轴越长 则轴临界转速越小，因此，为保障设备运转的可靠 性，尽量采用小质量叶轮和短悬臂轴方案设计。 叶轮的相对位置高度对流体流场影响非常明 显，相对位置过高 即叶轮据槽体底部过高 ，在 循环筒内流体下行阻力高于流体上行阻力，则流体 不会形成循环流动，叶轮旋转只能带动循环筒内流 体旋转，在槽体表面形成巨大旋涡，表面上看，液 体搅拌运动剧烈，而实质上槽内中下部的流体根本 就没有加人流体搅拌、循环混合。 叶轮相对位置越低，轴的一阶临界转速m 越 低，因此设计时需要考虑增加轴径保障悬臂轴的稳 定性；低位叶轮搅拌槽在停车时最好将槽体内矿浆 放空，以防矿物沉积将叶轮压死，给搅拌槽再启动 带来麻烦。 兼顾流体运动流场和机械运转可靠性，采用 C F D 模拟流体流场，优化设计叶轮相对高度。 7 工业应用实践 根据上述设计思路，笔者设计、制作了2 台 B K 6 5 0 0 7 0 0 0 大型矿浆调浆搅拌槽应用于江西铜业 集团某选矿厂，取得了良好的搅拌效果。为考察调 浆搅拌槽的搅拌效果，笔者对选厂应用的大型调浆搅 拌槽进行取样，并对样品进行浓度、粒度分析[ 引， 结果见表1 和图3 ～5 。 表1矿浆浓度分布 7 I 铀l e1D i s t r i b u t i o no fs l u r r yc o n c e n t r a t i o n 0 ．5 1 ．0 2 ．O 3 ．O 4 ．O 5 ．0 6 ．0 6 ．5 3 2 ．1 3 2 ．2 3 2 ．2 3 2 ．2 3 l _ 3 3 2 ．3 3 2 ．4 3 1 ．6 3 0 ．7 3 1 ．2 3 1 ．4 3 1 ．3 3 l - 3 3 1 ．4 3 1 ．3 3 1 ．8 3 2 ．0 3 1 ．8 3 1 ．6 3 1 ．6 3 1 ．9 3 1 ．8 3 0 ．6 3 2 ．1 3 1 ．9 3 1 ．7 3 2 ．0 3 1 ．9 3 2 ．0 3 2 ．O 3 1 ．8 3 2 ．1 3 1 ．7 3 1 ．7 3 1 ．9 3 1 ．7 3 2 ．0 3 2 ．1 3 2 ．0 3 I ．8 万方数据 7 6 有色金属 选矿部分2 0 1 3 年第6 期 表中深度表示取样位于调浆槽液面下的深度， 调浆槽液位总高65 0 0m m ，距离表示取样位置距 离调浆槽中心的距离。从表1 可以看出，无论调浆 搅拌槽槽底、槽壁、槽与循环筒中间及槽上液面各 处的矿浆浓度基本均匀一致。 1 0 0 9 0 堡 8 0 絮 7 0 6 0 5 0 4 45 37 49 61 2 0 一1 8 0 一2 4 0 粒级／“m 图3 槽壁处矿浆粒度分布 F i g ．3 S i z ed i s t r i b u t i o no fs l u I T yb e s i d et h ew a l l 粒级／m 图4 槽壁与循环筒中间处矿浆粒度分布 F i g ．4 S i z ed i s t r i b u t i o no fs l u n ya tt h ew a l la n d c i r c u l a t i o nc o l u m n 图3 ～5 中曲线表示不同深度的矿浆粒度分布 图，从粒度分布图看出调浆搅拌槽各处的粒度分布 偏差不大，可以认为矿浆粒度均匀，无明显粒度分 层现象。 北京矿冶研究总院设计、研制的系列矿浆调浆 搅拌槽、储存搅拌槽、提升搅拌槽和磷矿专用调浆 搅拌槽近4 年推广应用近3 0 0 余台，并且远销到沙 特、澳大利亚、赞比亚、蒙古等国家。2 0 1 2 年北 京矿冶研究总院为中国黄金公司设计制作了1 台 G B K 8 0 0 0 8 0 0 0 矿浆调浆搅拌槽，2 0 1 2 年7 月顺利 投产，标志着国内最大的矿浆调浆搅拌槽设计、应 零 ＼ 咖 把 粒级，仙m 图5 槽体循环筒外壁处矿浆粒度分布 F i g ．5 S i z ed i s t r i b u t i o no fs l u I T yo u t s i d et h e c i r c u l a t i o nc o l u m n 用成功。 8 结论 1 设计的轴流式叶轮排量大，调浆槽矿浆浓 度分布均匀，一1 7 8 恤m 的颗粒能够均匀悬浮；槽体 内矿浆没有明显的矿浆粒度分层现象。 2 设计的排砂装置，能够排出 1 0m m 的粗颗 粒矿物，避免粗颗粒矿物沉积、压槽，解决了搅拌 槽粗颗粒沉槽问题。 3 搅拌槽叶轮结构参数、叶轮排量设计合理， 满足矿浆与药剂均匀混合要求。 4 循环筒结构参数设计合理，矿浆在槽体内 上、下循环通畅，无矿浆短路现象。 5 大型调浆搅拌槽设备运行可靠，运行指标 达到设计要求，关键零部件整体式叶轮使用寿命超 过1 年。 参考文献 [ 1 ] 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会．机械工 程手册 第1 4 卷 [ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 8 5 ． [ 2 ] 包雨云，黄雄斌，施力田，等．搅拌槽内固体颗粒对液相 速度影响的研究[ J ] ．化学工程，2 0 0 2 5 2 9 3 3 ． [ 3 ] 曲文海．压力容器与化工设备使用手册 下册 [ M ] ．北 京化学工业出版社，2 0 0 0 2 4 l ，2 8 5 ． [ 4 ] 陈志平，章序文，林兴华，等．搅拌与混合设备设计选型 手册[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 4 8 7 ． [ 5 ] 北京矿冶研究总院．高效矿浆搅拌槽试验报告[ R ] ．北京 北京矿冶研究总院，2 0 0 9 ． 万方数据