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第3 2 卷第6 期 2 0 0 3 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g &T e c h n o l o g y V 0 1 .3 2N o6 N o v .2 0 0 3 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 3 0 60 6 7 80 5 跳汰床层运动参数的特性分析 匡亚莉,何亚群,陈建云,杨海旺 中国矿业大学化工学院,江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要应用跳汰模型实验系统和高速动态分析系统,研究了跳汰床层在不同操作条件下的分层 过程.研究表明,利用高速动态分析系统可以清晰地观察跳汰床层在1 0 1 ~0 .5 1 0 “s 内的运 动情况.通过观察和分析,绘制了跳汰床层运动的位移、速度、加速度、能量和受力曲线,揭示了跳 汰床层分层过程的一些现象和机理. 关键词跳汰床层;高速动态分析;分层;运动特性 中图分类号T D9 2 8 .1文献标识码A 跳汰选已有1 0 0 多年的历史,是煤炭分选的最 主要工艺之一[ 1 ] .跳汰分选工艺以它成熟、生产能 力犬、运行成本低而见长,因而得到广泛应用.但其 在生产中调节因素多,运动规律复杂.多年来,人们 力图对跳汰分选过程从机理上进行研究,但由于实 验手段和科技发展水平的限制,只是提出了一些假 说、经验公式等,没有能够详细、系统地观察和分析 真实的跳汰过程口~“. 本论文使用了先进的实验分析手段高速 动态分析系统,对跳汰过程进行了观察和分析,得 到了一些有用的结果.高速动态分析系统是由高速 摄像仪和图像分析软件组成的分析系统.高速摄像 仪可以在每一秒钟内拍摄1 0 0 ~20 0 0 幅图片,并 可以以0 .8 幅/s 以上或一0 ,8 幅/s 以下的速度反 复回放,或手动单幅放送.该设备专用的图像分析 软件N E WM O V I A S ,可以根据在每1 幅图片上选 择的点进行运动参数分析.应用该系统,可以观察 实验对象在1 02 n 0 .5 1 0 _ 3S 的微小时间内的运 动状况 可以称为毫秒级观察分析实验 .本论文将 跳汰过程在1 0 _ 2s 时间段的变化展现出来,直观、 反复、细致地观察和分析实验现象,从而得到一些 常规手段观测不到的现象. 1 实验 1 .1 实验系统 模型实验系统是由图1 所示的u 形槽和高低 压风系统组成,带有数控电磁风阀,模拟侧鼓式单 槽跳汰机的分选.分选槽是用有机玻璃制成,可清 晰地观察床层的运动情况[ “. 图1 实验模型系统示意图 F i g .1E x p e r i m e n t a lf a c i l i t ys y s t e m 1 .2 数控风阀系统 数控风阀系统可以单独控制模型实验系统.除 了常规的对周期、进气、排气和膨胀期进行在线设 定修改外,风阀控制还可进行二次进风 补气 设 定,用以改善床层的松散条件.风阀周期是指风阀 运动一周所需的时间,其调整范围为0 .8 ~2 .5S . 风阀的其他工作参数,即进气期、排气期、膨胀期、 休止期,都设定为周期的百分数,4 期之和为 1 0 0 %.补气期是膨胀期内的一次短期进气.各参数 的调节范围设计为进气期1 0 %~4 0 %,排气期 1 0 %~4 0 %,膨胀期1 0 %~6 5 %,补气期5 %~ 2 0 %. 1 .3 实验用物料 实验用的物料形状为正圆柱体橡胶颗粒,粒度 收稿日期;2 0 0 30 4 2 2 作者茼介匡亚莉 19 5 4 ,女,天津市 ,中国矿业大学教授,工学博士,从事矿物加工爱该领域计算机应用方面的研究 万方数据 第6 期匡亚莉等跳汰床层运动参数的特性分析 为2 5m m 即圆柱体的直径和高都为2 5r a m 和 1 3i n i i ] ,密度分别为1 .3g /c m 3 和1 ,7g /c m 3 .物料 性质见表1 . 表1 实验用物料性质 T a b l e1 P r o p e r t i e so ft h em a t e r i a lu s e di n t e s t 麓7 。。罂徊色丽_ 筹笔矿丽 i _ ■厂1 F 1 F 1 厂一 2 517绿3999 131 .3红22 1 317绿22 ;i 煎 合计 61 82 02 1 1 .4 实验过程与条件 表2 列出了1 0 组实验的操作参数,是从6 4 组 探索实验中选取出来.表中跳汰低压风的风压是在 实验过程中摸索出来的,最高风压不能超过8 k P a , 否则水和物料会全部跳出槽体这与实际生产情况 层较薄的原因.实验过程中没有补加水. 按照选定的实验条件,逐一在实验模型机中进 行操作并用高速摄像机以1 0 0 幅/s 的速度拍摄r 实验过程. 对摄制的1 0 组共161 6 0 幅图像进行了逐步 分析.分析的过程比较烦琐. 首先,将⋯组实验的图像文件调人高速动态分 析系统进行回放,选择合适的分析对象,确定每一 幅图像中欲分析的颗粒数.这一过程需要考虑所 选颗粒的代表性,分析过程的容易度,分析结果的 可用性等.然后,利用高速动态分析系统的专用图 像分析软件N E WM O V I A S ,在计算机屏幕上,按 照选定点数,以及点的排列顺序,在每一幅图像上 逐一用鼠标点取每一个点,点数和顺序都必须一 致.按照每幅图5 个点计算,一组图像16 1 6 幅,需 要点80 8 0 个点.使用专用软件将这些点按顺序 不同,可能是由于U 形槽的断面没有变化,以及床 排列,计算,可得出各种曲线 裹2 实验条件 T a b l e2C o n d i t i o n so ft h et e s t 警周舭进蓼瑚5 苫H 。蓼7 怒尝嚣警周鼽进≯埔苫。蓼7 怒篙雾号“%“/M n 见表1 12 1 1 1 6 2 2 000 0 5 511 .3 1 62 200 .0 0 5 试样0 1 3 1 2试样1 5 2 1 5 6 11 3】62 21 000 0 6 试样2 2 1l21 02 Z 0 0 .0 0 56 2l5 2 - 21 3 试样1 7 11 .31 62 21 00 .0 0 5 试样3 2 31 97 2l _ 5 3 21 .21 62 270 .0 0 58 11 .3 1 6 Z 2 1 000 0 5 试样3 3 31 0 试样1 8 21 .5 3 4139 11 .31 62 21 00 .0 0 6 试样3 4 1131 62 200 .0 0 59 21 .5 试样2 4 2151 0 11 .31 92 2100 .0 0 6 试样4 1 0 2 i 3 注周期是指风阀运动一十循环所需要的时间,s { 进气期、排气期和补气期均为周期的百分数 1 .5 实验结果升初期、上升末期、下降初期、下降末期和休止期. 用高速动态分析系统的专用图像分析软件对阶段的划分是以颗粒运动速度、加速度曲线的转折 所拍摄图像进行了逐步分析,得到1 ,1 6 3 ,5 2 0 组数点为界限.图2 中3 组曲线分别为时间t 相对于位 据,包括不同粒度、不同密度颗粒和水在每1 0 1s移s ,速度。,加速度m 图3 中的3 组曲线分别为时 内的位移、速度、加速度等的数据;绘制曲线4 0 0 余间t ,相对于位移s ,能量E 和受力F 曲线.在横坐 条,包括颗粒和水的位移、速度、加速度、受力、动标上的每一个刻度是一个跳汰周期 s .图中曲线 能、动量等.后面分析了其中的部分曲线. 2 为低密度颗粒; 3 为高密度颗粒; 6 为液面. 2 颗粒与水的运动过程 的是轰釜嚣茔嚣淼乞尝茎星 根据实验曲线的特点 图2 ,3 ,将跳汰过程中低位置后立即上升. 水和颗粒的运动过程分为5 个阶段进行分析,即上 颗粒和水的速度变化出现差别,在整个分选过 万方数据 中国矿业大学学报第3 2 卷 程,水速变化幅度较颗粒大,上升初期和求期 图中 A ,B 阶段 ,颗粒的速度迟于水速增加而先于水速 达到零;下降初期和末期 图中C ,D 阶段 ,颗粒速 度先于水速达到最大,也先于水速达到零.由此看 出,上升期,水速大于颗粒速度,对颗粒运动起推动 作用,而F 降期,水速小于颗粒运动速度,对颗粒的 沉降起阻碍作用. 颗粒和水的加速度变化体现了二者受力的差 别,在起始点,水的加速度已经是最大,而颗粒的加 速度刚刚开始增加,而在A 阶段结束时,二者几乎 同时达到零;B 阶段,二者同时下降;C 阶段,颗粒 的加速度先达到负的最大,也就是其上升速度接近 零;D 阶段,颗粒的加速度先于水达到最大值,因为 此时颗粒下降,重力的影响突出. 能量曲线表现了水和颗粒的动能.当二者的 速度达到最大时 A 阶段末期 ,能量也都达到最大 值,但水的能量约为颗粒能量的6 倍.在B 阶段 末,颗粒速度为零,水速接近于零,则二者的能量也 3 跳汰分层过程描述 等于零或接近零.在c 阶段,颗粒的动能又达到 最大,水的能量也迅速上升,这是因为二者向下运 动速度迅速增大.应当注意到,在此阶段,颗粒的 动能上升较水快,这是由于向下运动时,颗粒受到 的重力较水大,增加了运动速度.同时,颗粒的动 能较第A 、B 阶段增加了4 倍左右,说明重力在此 阶段是动力而不是阻力,或者说,下降期间颗粒受 到的阻力较上升期小得多.在D 阶段水的动能增 至最大时,颗粒已经停止运动,动能为零.受力曲 线与加速度曲线相似,这是因为,力与加速度是成 正比的,故不再叙述.值得注意的是,在运动开始 瞬间,水的受力较颗粒大得多.当颗粒受力达到最 大,开始下降后,水的受力仍然保持短暂的最大值. 说明在上升初期,颗粒的受力主要受水的支配.只 是在上升末期,重力才开始起作用. 应当说明,受力曲线表现的是综合受力的结 果,即不单单代表水的推动力或者其他力,而是各 种力综合作用的合力.在后面,只是简称受力. 图2 跳汰过程的各种参数曲线对比之一 F i g .2M o t i o nc u r v e si nj i g g i n gp r o c e s s e s 1 图3 跳汰过程的各种参数曲线对比之二 r i g .3M o t i o ne l l r v e si nj i g g i n gp r o c e s s e s 2 通过分析,得到所选颗粒的位移曲线和分层情 况如图4 .图中每一条曲线表示一个颗粒形心的位 移轨迹.用不同编号表示不同密度颗粒的位移曲 线.在初始位置时,高密度颗粒位于低密度颗粒之 上,1 ~2 个跳汰周期之后,高密度颗粒置换到低密 度颗粒之下.两条曲线交叉的情况表示两个颗粒 的上下位置发生变化,即表示不同密度的颗粒出现 分层.仔细观察图4 包含的各组实验的位移曲线, 发现无论是在哪一组实验条件下,分层 即曲线出 现交叉 都发生在颗粒上升末期.而在下降期,各 一一晕商制 |已量≈趟艟曩 呈q 簿罩 璺q 删箍 万方数据 第6 期 匡亚莉等跳汰床层运动参数的特性分析6 8 1 种粒度的位移曲线几乎平行. 在慢速放送图像时观察到,在一个跳汰周期 中,不同密度的颗粒运动和分层的过程是 在进气初期,颗粒开始运动.在最初几个毫 秒,上层低密度、小粒度颗粒先开始向上跳起,紧接 着,整个床层整体开始上升. 在上升期中,最下层高密度颗粒首先减速,逐 渐向上波及其他颗粒,继而已经减速的颗粒停止上 升,转向下降,由此使床层松散. 在上升期末,高密度颗粒基本全部停止上升, 而低密度颗粒大部分还在上升.若两个不同密度 的颗粒位置相近,则低密度颗粒就会上升到高密度 颗粒之上. 当所有颗粒停止上升后,粒群开始下降,而液 面维持短暂的上升后,也转为下降. 在下降期,粒群保持在所有颗粒都停止运动、 转为下降瞬间的相对位置,直至停止运动、床层密 实. 在床层开始密实时,有些颗粒会翻转、水平移 动,小颗粒会钻隙向下. 图4 给出了3 组实验的颗粒位移曲线中,不同 密度和不同粒度颗粒发生相对位置交换的部分.在 各组曲线中,6 号曲线都代表液面的位移.图中的 实验411 ,2 号颗粒 密度1 .7g /c m 3 ,粒度2 5r a m { 豁 剞 4 结论 a 】实验4 - 的初始位置在1 ,4 号颗粒 密度1 .3g /c m 3 ,粒度 2 5r a m 的上方,在第一个周期,2 号颗粒落到了4 号颗粒之下,第二个周期,2 号颗粒又和1 号颗粒 交换了位置,从而完成了分层.从图中很清楚地看 到,两次位置的交换都发生在上升期,而在下降期, 三个颗粒的位移曲线蹬曲率都没有变化,即在垂直 方向上没有相对位移,或者说速度没有相对变化. 图中实验511 ,2 号颗粒 密度1 .7g /c m 3 的初始 位置也在1 号颗粒 密度1 .3g /c m 3 的上方,同样, 在第二个周期,两者位置的交换发生在上升期末. 图4 中实验713 ,加入了粒度】3m r i l 的不同 密度颗粒.图中标记为1 号颗粒 密度1 .7g /e r a a , 粒度1 3 r a m ,2 号颗粒 密度1 .3g /c m 3 ,粒度 1 3 r a m ,3 号颗粒 密度1 .3g /e r a 3 ,粒度2 5 r a m , 4 号颗粒 密度1 .7g /c m 3 ,粒度2 5r a m .在起始位 置,4 号颗粒位于3 号颗粒之上,在第一个周期即 降到3 号颗粒之下,同样,位置变换发生在上升末 期.2 号颗粒在下降末期钻隙下降到3 号颗粒下 面,但在上升时又置换到3 号颗粒上方,位置变换 也发生在上升期. 经过对比分析,可以得出结论,不同密度的颗 粒发生相对位置改变,或者说发生分层,发生在跳 汰周期的上升期,且大部分在上升期的后半期. 图4 颗粒的位移与分层 F i g .4 T h ei n t e r s e e t i o n a lp a r to fp o s i t i o nc H r v e s 1 使用高速动态分析系统,可以系统地、动态 地观察和分析实际跳汰分选过程,获得常规方法所 得不到的结果. 2 使用2 种粒度、2 种密度的实验颗粒,在不 同操作条件下,获得了相应的位移、速度、加速度、 能量和受力曲线.水和颗粒对应的上述曲线有明 显差别. 3 在跳汰分层的5 个阶段中,上升初期的影 响最大.在上升初期颗粒综合受力的大小和颗粒 0 实验7 - 1 - 3 本身所处的位置,决定颗粒在该周期能否分层.这 一结论与目前公认的研究结果不同,是在本论文研 究条件下得出的. 4 在上升期,水为颗粒提供了主要动力;在下 降期,重力是主要的影响因素. 5 由曲线分析得知,在此实验条件下,颗粒分 层主要发生在上升期. 参考文献 [ 1 3 陈迹.跳汰选煤的理论与实践[ M ] .北京煤炭工 业出版社,1 9 8 7 .1 - 9 9 . E ■簿掣 万方数据 6 8 2中国矿业大学学报第3 2 卷 [ 2 ] 霍森.跳汰分选机理与在线检测控制的研究[ D ] . 北京中国矿业大学,1 9 9 9 .1 02 4 . [ 3 ] 萨梅林HA .跳汰的理论及其应用[ M ] .张荣曾,译. 北京煤炭工业出版社.1 9 8 0 .1 - 8 0 . [ 4 ] S t e i n e rHJ .Ac o n t r i b u t i o nt ot h et h e o r yo fJ i gS i n P A P T1 S i m u l a t ec r i t e r i ao ft h em o t i o no fJ i gL a y e r s [ J ] M i n e r a lE n g i n e e r i n g .1 9 9 6 ,9 6 6 7 56 8 6 . [ 5 j 李贤国,张荣曾.重力选矿原理E M ] .北京煤炭工业 出版社,1 9 9 2 ,8 0 1 2 0 . [ 6 3 匡亚莉.跳汰分选机理及专家知识库研究[ D ] .徐州 中国矿业大学化工学院,2 0 0 2 . A n a l y s i sA b o u tM o t i o nP a r a m e t e r so fJ i g g i n gB e d K U A N GY a l i .H EY aq u n .C H E NJ i a ny u n ,Y A N GH a l w a n g S e h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ,C U M T ,X u z h o u J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ,C h i n a A b s t r a c t T h em o t i o np a r a m e t e r so fs t r a t i f y i n gc o u r s ei nj i g g i n gw e r es t u d i e dw i t hj i g g i n gs y s t e ma n dh i g h s p e e dd y n a m i ca n a l y s i sm e t e ru n d e rt h e d i f f e r e n to p t e r a t i n gc o n d i t i o n s .U s i n gh i g h s p e e dd y n a m i ca n a l y s i s t h em o t i o no fj i g g i n gb e dw a so b s e r v e dw f l h i na ni n t e r v a lo f1 0 0 .5 1 0 ~S .S os o m ep h e n o m e n aw e r e f o u n dt h a tc o u l d n ’tf i n dw i t hc o m m o nm e a n s .F r o mt h ee x p e r i m e n ta n da n a l y s i s ,t h ec u r v e so fp o s i t i o n , v e l o c i t y ,a c c e l e r a t i o n ,e n e r g y ,a n df o r c ew e r eo b t a i n e dw i t ht h es p e c i a la n a l y s i ss o f t w a r e .I ti n d i c a t e st h a t t h ed y n a m i cc a u s a t i o no fs t r a t i f y i n gi sp u l g i n gw a t e ra n da s c e n d i n gf l o wp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e . K e yw o r d s j i g g i n gb e d ;h i g hs p e e da n a l y s i sm e t e r ;s t r a t i f i c a t i o n ;h y d r o d y n a m i cp r o p e r t i e s 责任编辑王玉浚 万方数据
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