磨浮机磨矿过程流场模拟与实验研究.pdf

中图分类号婴垒三 分类号U D C 鱼2 l 硕士学位论文 学校代码幽 密级公珏 磨浮机磨矿过程流场模拟与实验研究 F l o wF i e l dN u m e r i c a lS i m u l a t i o na n d E x p e r i m e n t a l S t u d yo fM i l l i n gP r o c e s si nM i l lF l o t a t i o nM a c h i n e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 论文答辩日期猃』2 ￡ ，； 杨鹏 机械工程 机械设计及理论 机电工程学院 母福生副教授 答辩委员会主席罄 中南大学 二O 一二年五月二十日 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名弛 日期雄年』月≠日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 储签名弗啦翩签名边丝嗍生年三月上日 中南大学硕士学位论文 摘要 磨浮机磨矿过程流场模拟与实验研究 摘要磨浮机是球磨机和浮选机的组合创新，是以球磨机和浮选机为 基础的新设备，它把磨矿和浮选两个工序集中成了一个工序，缩短了 选矿时间，提高了工作效率，具有重要的研究意义。 本文从矿料与气泡的碰撞效率和粘附效率两个方面入手，建立浮 选效率模型，由此分析可知，矿浆浓度对浮选效率有较大影响。磨浮 机内流场包括矿浆湍流和钢球颗粒流，为全面分析磨浮机内的流场， 采用计算流体动力学和离散单元法进行数值模拟。 首先，分析圆钢球周围流场变化规律，考察了速度、湍动能等物 理量的值及其变化规律。其次，把整个磨浮机内流场进行简化，分析 整个流场的变化，为找到磨浮机磨矿效果最好时的矿浆浓度，在不同 的矿浆浓度的工况下做了一组仿真分析，得出了磨浮机磨矿效果最好 的矿浆浓度是3 0 ％～4 0 ％。此外，在不加入矿浆和通入气泡的情况下， 运用三维离散单元法对钢球颗粒流做了一组对比仿真分析，得出了磨 浮机磨矿效果最好时的螺旋叶片直径。 本文以某研究院的搅拌磨机为实验对象，以低品位铝土矿为实验 材料，针对不同的矿浆浓度分别做实验。通过矿料 2 0 0 目重量以及 ．2 0 0 目粒度分布规律，结合浮选时对矿浆浓度的要求，实验得出，矿 浆浓度在3 0 ％ - - - 4 0 ％区间是磨浮机最佳匹配值，这与仿真分析的结果 是一致的。图6 6 个，表8 个，参考文献6 5 个。 关键词磨浮机；磨矿效果；数值模拟；离散元法；矿浆浓度 中图分类号T D 4 5 3 I I 中南大学硕士学位论文A b s t r c a i F l o wF i e l dN u m e r i c a lS i m u l a t i o na n dE x p e r i m e n t a lS t u d yo f M i l l i n gP r o c e s si nM i l lF l o t a t i o nM a c h i n e A b s t r a c t M i l lf l o t a t i o nm a c h i n ei sac o m b i n a t i o ni n n o v a t i o no fb a l lm i l l a n df l o t a t i o nm a c h i n e ．I ti san e wp r o d u c tb a s e do nb a l lm i l la n df l o t a t i o n m a c h i n e ．a n ds h o r t e nm i n e r a l p r o c e s s i n g t i m ea n di m p r o v ew o r k e m c i e n c yt h r o u g hc e n t r a l i z i n gt w op r o c e s si n t oo n e ． F r o mt h i st w o a s p e c t s o fc o l l i s i o n e f j c i c i e r c y a n da t t a c h m e n t e 伍c i e n c yo fm i n e r a lp a r t i c l ea n db u b b l eF l o t a t i o n ．e 伍c i e n c ym o d e li S c o n d u c t e d ．i ti Sc o n c l u e dt h a tm i n e r a lp u l pc o n c e n t r a t i o n h a sag r e a t i n f l u e n c eo nf l o t a t i o ne f n c i e n c y ．T h ei n n e rf l o wf i e l do fm i l lf l o t a t i o n m a c h i n ei n c l u d em i n e r a lp u l pt u r b u l e n c ea n ds t e e lb a l lp a r t i c l ef l o w , c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sa n dd i s c r e t ee l e m e n tm e t h o di sc a r r i e do u t t oa n a l y s et h ef l o wf i e l dc o m p l e t e l y ． F i r s t l y , t h ef l o w f i e l dc h a n g i n gl a wa r o u n ds t e e lb a l l ，v e l o c i t ya n d t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yi st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n ．S e c o n d l y , t h ew h o l e f l o wf i e l di ns t i r r e dt a n ki Ss i m p f i e da n da n a l y z e dt of i n do u tm i n e r a lp u l p c o n c e n t r a t i o n ．i nw h i c hm i l lf l o t a t i o nm a c h i n ew o r k i n ge f f e c ti Sb e s t ．A g r o u po fs i m u l a t i o na n a l y s i su n d e rt h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fd i f f e r e n t m i n e r a l p u l p c o n c e n t r a t i o ni s c o m p l e t e d ，t h e b e s tm i n e r a l p u l p c o n c e n t r a t i o ni s3 0 ％a n d4 0 ％b ym a n yp h y s i c a lq u a n t i t i e s ．I n a d d i t i o n ．s t e e lb a l lp a r t i c l ef l o wi Ss i m u l a t e dw i t ht h r e ed i m e n s i o nd i s c r e t e e l e m e n tm e t h o du n d e rt h ec o n d i t i o no fn om i n e r a lp u l pa n db u b b l e ，t h e s p i r a lb l a d ed i a m e t e rv a l u e i So b t a i n e dw h e nm i l lf l o t a t i o nm a c h i n e w o r k i n ge f f e c ti Sb e s t ． T h es t i r r e dm i l lm a c h i n eo far e s e a r c hi n s t i t u t ei St h ee x p e r i m e n t o b je c t ，l o wg r a d eb a u x i t e i se x p e r i m e tm a t e r i a l ，d i f f e r e n tm i n e r a lp u l p c o n c e n t r a t i o ni se x p e r i m e n t e dr e s p e c t i v e l y ．T h r o u g ht h ew e i g h to f 2 0 0 m e s ha n dg r a n u l a r i t yd i s t r i b u t i o no f ．2 0 0m e s h ，c o m b i n a t i o nw i m r e q u i r e m e n t so fm i n e r a lp u l pc o n c e n t r a t i o ni nf l o t a t i o n ，i tc a r lb ei n c l u d e d ●● 一 ‘●●●●’ t h a tw h e nt h em i l lf l o t a t i o nm a c h i n ew o r k i n ge f f i c i e n c yi sh i g h e s t ，t h e m i n e r a lp u l pc o n c e n t r a t i o ni Sb e t w e e n30 ％a n d4 0 ％，w h i c hi Sc o n s i s t e n t w i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s ．6 6f i g u r e s ，8t a b l e s ，6 5r e f e r e n c e s ． K E YW O R D S M i l lf l o t a t i o nm a c h i n e ；G r i n d i n ge f f e c t ；N u m e r i c a l I I I s i m u l a t i o n ；D i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ；M i n e r a lp u l pc o n c e n t r a t i o n ． C l a s s i f i c a t i o n T D 4 5 3 I V 中南大学硕士学位论文 目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 磨浮机概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 搅拌磨机国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 ．1 搅拌磨机发展历史⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．2 粉碎理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．3 数值模拟方法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 浮选柱国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 ．1 浮选柱发展历史⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 ．2 回收率分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 本文研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．4 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 ．2 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4 ．3 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 磨浮机浮选特性理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 磨浮机浮选效率研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．1 气泡与颗粒碰撞效率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．2 颗粒在气泡表面粘附效率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．1 ．3 浮选浓度对浮选效率的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 磨浮机内单个钢球周围湍流特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 3 ．1 磨浮机内钢球周围流场数学模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 ．1 数值模拟方法的选定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．1 ．2 流动条件的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．1 ．3 计算区域有限元模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．1 ．4 计算区域边界条件的设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．2 磨浮机内钢球周围流场特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 ．1 特定平面内不同入口速度条件下速度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．2 ．2 不同线段上动压力变化规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 V 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．2 ．3 不同线段上湍动能变化规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 磨浮机内钢球颗粒流数值模拟及结构参数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4 ．1 磨浮机内钢球颗粒间接触数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．1 ．1 钢球颗粒接触力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 ．1 ．2 离散单元法计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．2 磨浮机内钢球颗粒流三维离散元模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．3 磨浮机内钢球运动数值模拟结果分析及对磨矿效果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．3 ．1 叶片直径对磨矿效果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 l 4 ．3 ．2 叶片节距对磨矿效果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 磨浮机内流场数值模拟及工艺参数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 5 ．1 流体力学基本方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．2 磨浮机内流场数值模拟过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 ．1 磨浮机三维模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．2 ．2 螺旋搅拌叶片几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．2 ．3 计算区域非结构化网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 5 ．2 ．4 计算区域边界条件设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 5 ．2 ．5 磨浮机流场数值模拟求解模型设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 5 ．3 磨浮机流场模拟结果分析及对磨矿效果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．3 ．1 不同矿浆浓度下螺旋叶片曲面速度对磨矿效果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．3 ．2 不同矿浆浓度下中间平面湍动能对磨矿效果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．3 ．3 不同矿浆浓度下选定线段压力对磨矿效果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 6 磨浮机实验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 6 ．1 实验设备与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 6 ．1 ．1 实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 6 ．1 ．2 实验材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 6 ．1 ．3 实验安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 6 ．2 实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 6 ．2 ．1 矿料 2 0 0 目重量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 6 ．2 ．2 不同矿浆浓度下矿料．2 0 0 目粒度分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 6 ．3 实验结果与数值模拟结果对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 V I 中南大学硕士学位论文目录 7 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 7 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 攻读硕士期间研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 V I I 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 磨矿和选别是选矿工艺的两个重要工序，选别按方式不同可以分为磁选、重 选和浮选等，磨矿和浮选工艺是选矿工艺流程的重要组成部分。选矿学者A ．F ． 塔加尔【l j 特指出“使矿石破碎是磨矿工艺中的重要职责所在，其任务还包括使 矿物和脉石相分离，此外，要使矿物细度变小，为下一道选矿工序做准备。“ 李 启衡拉J 在大量研究的基础上提出“没有充分解离和过度粉碎，都会使得选矿回 收率和精矿品位降低。“ 从两位学者的研究结果可以看出，磨矿对选矿厂的技术 指标有重大影响。浮选工艺是矿粒因自身表面疏水特性在气液表面发生聚集的过 程，目前应用最广泛的是泡沫浮选法，浮选同样是选矿工艺的重要组成部分，其 工艺过程关系到精矿的品位。 1 ．1 磨浮机概述 磨浮机结构兼有搅拌磨机和浮选柱的结构特点。电机经过减速器减速后，通 过联轴器带动螺旋搅拌器旋转，在钢球的挤压和剪切作用下，矿物颗粒得以破碎。 从简体底部通气管中冲入气体，压缩空气透过多孔介质在矿浆中漂浮，通过颗粒 与气泡相互作用，颗粒最终附着在气泡上实现浮选。图1 ．1 是磨浮机的结构简图。 磨浮机 球磨浮选机的简称 是球磨机和浮选机的组合，是将两种设备组合 成一种新的设备。它以球磨机和浮选机为基础，通过合理的结构设计，把两者组 合成一体。磨浮机在保证回收率和精矿品位的基础上，把磨矿和浮选简化为一个 工序，集磨矿和浮选功能于一体，在磨矿的同时，实现物料的浮选，具有结构简 单，功能齐全，占地面积小，工作效率高，适用范围广等优点。磨浮机是新产品， 目前还没有相应的研究工作，因此具有重大的研究意义，其应用前景广阔。 1 ．2 搅拌磨机国内外研究现状 1 ．2 ．1 搅拌磨机发展历史 S z e g v a r i [ 3 1 和K l e i n 于1 9 3 7 年首先提出搅拌磨机的概念，随后S z e g v a r i 在他 们的理论基础上，自主研发了搅拌磨机，并创办U P 公司来专业生产。正是因为 搅拌磨机的诸多优点，该设备迅速在世界范围内引发了技术研发和生产制造的高 潮。杜邦公司在上世纪五十年代研发了立式砂磨机【4 1 ，由于其能粉磨到微细粒级， 中南大学硕士学位论文1 绪论 这可广泛应用于微细研磨领域，比如油墨、涂料等领域。几乎与杜邦公司同时， 在1 9 5 3 年，日本研发了塔磨机，并成立了K u b o t aT o w e rM i l l 公司，该公司推出 三百多台设备，应用于矿业等行业【5 1 。在8 0 年代，为改变立式砂磨的许多弊端， 图1 - 1 磨浮机结构简图 图中 1 筒体 2 筒体上盖 3 进水管 4 喷淋板 5 轴孔管 6 泡沫收集槽 7 泡沫溢出孔 8 传动装置 9 轴承 1 0 减速器 1 1 联轴器 1 2 变频调速电机 1 3 传动轴 1 4 搅拌轴 1 5 轴承 1 6 选矿药剂管 1 7 进水管 1 8 药剂加入管 1 9 进矿管 2 0 放料口 2 1 尾矿排出管 2 2 搅拌螺旋 2 3 下迷宫体 2 4 上迷宫体 2 5 进水管 2 6 泡沫刮板 2 7 进气管 2 8 喷水嘴 2 9 检修门 3 0 电控系统 3 1 磨矿 介质 球 卧式砂磨机【6 】成为了研究人员的开发对象。D r a i s 公司集中了大量研究人员，在 成熟的技术基础上，研制了D C P 搅拌磨机，此磨机有诸多优点，在相同的体积 3 一 中南大学硕士学位论文1 绪论 能处理更多的原材料，占地面积小。在1 9 9 3 年，新一代搅拌磨机研制成功，此 磨机具有很小的介质球，大概分布在0 ．3 m m ．0 ．5 m m ，这提高了粉碎效率【7 ．8 】。现 在，搅拌磨机朝着更细粒级的方向发展，可以达到亚微米级，出现了超细搅拌磨 机，其中有代表性的有Z R l 2 0 型和S C 型。 现代科学中各种学科迅猛发展，如矿物加工和材料等学科，其对搅拌设备提 出了更高的要求，在这种情形下，超细搅拌磨机应运而生。在国外，有许多专业 生产此种类型设备的公百- - ] [ 9 - 1 4 ] ，如H O S O K A W A 细川公司 、U n i o n p r o c e s sI n C ． 美国联合工业矿物公司 、M e t s o 美国美卓公司 、N E T Z S C H 德国耐持公 司 、D r a i s 德国道莱士公司 等，此种搅拌磨设备结构简图如图1 ．2 。 我国重质碳酸钙、磁性材料、氧化铝等领域都使用搅拌磨机。河南某化工厂 引入耐持公司产品来帮助生产，产品的粒度达到了．3 H x n ≥9 5 ％；武钢粉末冶金公 司在国外搅拌磨机的指导下，可以使粒度达到2 ．5 9 m 。 o G 国 0 i 窖譬。 口。 图1 - 2 立式螺旋搅拌磨机 由于各种原因，我国搅拌磨机的开发起步较晚，但到现在已经有了3 0 年的 时间，发展到现在已经有了很大的进步【”‘2 0 】。我国第一台砂磨机在重庆化工机械 厂研发成功，在染料工业和涂料工业等行业都有广泛应用，这种设备我们称之为 高速搅拌磨机。 以国外高端技术为基础，双筒砂磨机、卧式砂磨机和密闭型砂磨机等相继问 世。1 9 8 4 年，长沙矿冶研究院研制了J M ．2 0 0 0 型、M Q L ．6 0 0 和J M ．7 0 0 型等磨 矿设备，现在长沙矿冶研究院在冶金、铅锌矿、钼矿和金矿等行业使用2 5 0 多台。 1 9 9 5 年，塔式磨浸机在中科院金属所成功问世，它能应用于再磨，在多种工况 下得到成功的使用。郑州东方机器厂和长沙矿冶研究院也取得了很好的成绩，开 发了搅拌磨机。与此同时，上海设计研究院开发了B M 4 0 0 型、B M 4 0 0 型和B M 9 0 型搅拌磨机。 搅拌磨机主要在以下领域中应用【2 1 ‘2 5 】 ①移毋移国il 中南大学硕士学位论文 1 绪论 第一个领域是矿山行业再磨领域。例如铜精矿、铝矿和铅锌矿等，要求．3 0 0 目≥8 9 ％或者更细。 第二个领域是油墨和颜料等领域。这主要用作分散、研磨和混合应用等，要 求粒度细，一般均为微米级或者亚微米级别。 第三个领域是非金属矿。比如造纸颜料重质碳酸钙。 第四个领域是新材料行业，比如电子材料、电池材料和金属材料等。 第五个领域是环保材料，比如高炉渣、硫酸烧渣、粉煤灰以及矿山尾矿综合 利用领域。 1 ．2 ．2 粉碎理论研究现状 J ．T h e u e r k a u f 和J ．S c h w e d e s T e c h n i c a lU n i v e r s i t yB r a u n s c h w e i g 对搅拌磨机 进行了运动学分析，结果对设计搅拌磨机有指导作用。J ．S c h w e d e s [ 2 6 】教授对钢球 运动、能耗和应力强度做了详细的分析，在雷诺数R e 2 0 0 0 得出了能量密度曲 线，应力强度为 田山 ‰K 2 1 - 1 式中盯似一介质球应力强度，N ／m 2 d G M 一介质球尺寸，m ； P C M 一介质球密度，K g ／m 3 ； 形一介质球切线速度，m ／s ； N ．t e a h e 教授‘2 7 】推出搅拌磨机功率尸 P 2 ．1 5 D 2 玎2 P 1 - 2 式中p 一液体密度，k g ／m 3 ； D 一螺旋搅拌器直径，m ； ，广搅拌转速，r ／s B a d d o n 公式在实际生产中应用广泛 尸5 ．5 厢 1 - 3 式中卜搅拌槽内体积，m 3 。 1 ．2 ．3 数值模拟方法概述 随着计算机技术迅速发展，工程技术领域涌现了很多计算机辅助设计技术， 如C A D ，C A E ，A N S Y S ，F E M ，D E M 和C F D 方法等，对于磨浮机的数值仿 真，主要是D E M 和C F D 。 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1 离散单元法 离散单元法 D i s e r e t eE l e m e n tM e t h o d ，简称D E M 是由美国C u n d a l lP ．A 在 1 9 7 1 年提出的【2 8 乏9 1 ，最开始是从研究岩体开始的【3 0 1 。1 9 7 7 年，C u n d a l lP ．A 和 M a i n i ．T 等研究人员在原来的基础上改进了离散元模型，把岩石块的形变考虑在 内，研究出了通用程序U D E C E 3 1 1 。与此同时，S t r a e k t 3 2 1 和C u n d a l l [ 3 3 1 研究出了球 颗粒程序，此程序可用于研究其运动学规律，输出力学参数，得到的结果与 B r e a r c h 等技术人员采用实验手段得到的结果基本符合，正是这次成功的开发， 使得离散单元法得N T “ 广泛认可，在颗粒的本构关系的研究中提供了新方法【3 4 1 。 有限单元法可以和离散单元法配合使用，两者相辅相成，互为补充，这解决了不 连续的材料问题，具有广泛的应用前景。H o e k i n g ．G 和W i l l a m e ．J ．R 在1 9 8 6 年的 一篇“离散元的理论基础”的论文，日本的K a w a i 提出了离散固体数值分析的 一种新途径一刚体与弹簧元∞g i de l e m e n ta n ds p r i n gm e t h o d ，成功地解决了问 题。 国内对离散元方法的使用【3 5 】刚刚开始，但是它已经在岩土工程、采矿工程 等方面引起广泛的重视和初步的运用。在机械工程领域这种离散元方法的应用刚 刚开始，有限元和离散元这两种方法的结合运用会有广泛的应用前景。 2 计算流体动力力学 近年来，国内的研究人员【3 6 】都已经认识到用计算流体力学来对流场进行仿 真。国内的研究人员取得一系列成果。 2 0 0 2 年北京化工大学周国忠【3 7 】教授对搅拌槽里湍流成功地进行了数值模 拟，并且将模拟结果与实验结果对比发现，此种C F D 方法能较好的反应搅拌槽 内流场变化规律。 2 0 0 1 年，北京化工大学马青山【3 8 】教授对搅拌桨周围的流场进行了数值模拟。 清华大学于李树青【3 9 】教授对搅拌器周围流场进行了数值计算。 1 ．3 浮选柱国内外研究现状 1 ．3 ．1 浮选柱发展历史 浮选柱的设计思想最初源于1 9 1 5 年【4 0 1 ，但在2 0 世纪5 0 年代以后，直到美 国工程师P o u d d i n 发明了浮选机后，才出现真正意义上的浮选柱。前苏联和中国 都有过浮选柱开发和应用的高潮【4 l 】，但是并没有得到广泛推广【4 2 1 ，原因是当时 的浮选柱结构设计不够合理，这致使浮选柱不能够正常运行。白7 0 年代后，世 界范围内出现了新型的浮选柱【4 3 1 ，其中包括有美国戴斯特公司研发的浮选柱、 利兹浮选柱、美国D P I 浮选柱、美国杨锦隆 D ．C ．Y a n g 教授研制的V T C 型浮 中南大学硕士学位论文 1 绪论 选柱等。1 9 8 8 年加拿大詹姆斯 G ．J ．J a m e s 研发的詹姆斯浮选柱，该浮选柱在 给矿方式、结构设计和分选机理上都有全新的突破。国外有很多专业从事浮选柱 设计和安装的大型公司，如D o m i n 工程服务有限公司、加拿大浮选柱公司和美 国的C e r s t e r 选矿装置有限公司m 1 等。一般认为，近年美国开发的新型浮选柱是 浮选柱发展的新趋势H 5 4 6 1 。 1 ．3 ．2 回收率分析 图1 ．3 是浮选柱的结构简图，浮选柱工作时，矿物从柱体中部入料口进入， 冲洗水从柱体顶部淋下，矿物颗粒在自身重力下下降，空气由柱体底部导入，经 过多孔介质后形成微泡，微泡在矿浆中缓慢上浮，在矿浆中矿粒和微小气泡发生 碰撞和粘附，粘附有矿料的气泡浮至矿浆液面，经溢出得到泡沫和矿料颗粒的集 合体，剩下的矿料则由筒体底部排出。浮选作业包括下列过程【4 ‘刀 1 矿浆准备作业，浮选作业的矿浆浓度要在一定的区间范围内，要有利于浮 选作业的进行。 2 添加浮选药剂作业，浮选药剂可以改变颗粒的表面性质，也有其他的作 用，例如稳定气泡，使气泡的运动变得有规则，此外可以改变矿浆的化学组成， 这都可以营造出更加适合浮选的环境。 3 充气作业，气体由通气管道导入到矿浆中，在螺旋搅拌器的作用下，气 泡分散成微小气泡。 4 矿化泡沫的排除，泡沫自动溢出或经刮板刮出。 图1 - 3 浮选柱结构示意图 把浮选柱按比例放大曾是浮选柱应用推广的障碍，为解决这个难题，近十多 年来很多学者做了不懈努力，取得了一系列成果，其中F o c c y 和D i n h r [ 4 8 】的计算 中南大学硕士学位论文 1 绪论 方法被广泛接受。D o b b y 和F i n c h 把浮选区域分成两部分，捕收区和精选区，目 的是为了具体研究区域的动力学问题，再把各个区域整合成一个浮选区域模型， 在这基础上提出了整个浮选区域的回收率模型 冗， 硒可R k R c 习 1 - 4 7 R 々R 。 【1 一R 。J ’ 式中足一浮选柱回收率； R ，一捕收区回收率； R 。一精选区回收率。 这个模型在K a b r e d t h 公司进行检验，虽然指标没有全部落在回收率曲线上， 但在特定的捕收回收率条件下，曲线与实际情况接近，所以可认为这个模型是成 功的，并得到了大范围应用。 1 ．4 本文研究内容及技术路线 1 ．4 ．1 研究内容 本文主要研究内容包括以下几个部分 1 矿物颗粒与气泡的相互作用是浮选工艺的重要研究内容，关系到浮选效率 的大小，浮选效率可分为碰撞效率和粘附效率两部分来分析，磨浮机内矿浆流速 和矿浆浓度均对浮选效率产生影响。 2 磨浮机内钢球颗粒流运动复杂，其运动规律对包括螺旋搅拌器在内的整个 磨浮机系统都会产生影响，在理论分析复杂而且难以实现的情况下，本文在不同 的螺旋叶片直径条件下分别做了一组对比仿真，通过分析螺旋叶片的受力特性以 及整个磨浮机的功能变化规律得出磨浮机磨矿效果最好时的螺旋叶片直径值。 3 实际工况中，钢球周围有矿浆的存在，钢球的运动影响矿浆液体流，矿浆 的流动也会反作用于钢球，本文对钢球周围湍流进行了仿真，通过在不同入口速 度条件下的对比仿真，找出入口速度与磨浮机磨矿效果之间的关系，同时，这也 为整个磨浮机内流场的分析奠定了基础。 4 为了便于研究，对磨浮机内流场进行简化，并对流场进行仿真分析。对一 组不同的矿浆浓度值工况分别仿真分析，得到了能反映流场特性的各种物理量的 变化规律，通过对比分析结论，得出磨浮机磨浮效果较好时的最佳浓度值，为生 产实践提供参考。 5 实施磨浮机不同矿浆浓度工况实验，在其他因素确定的条件下，改变矿浆 中南大学硕士学位论文 1 绪论 浓度值进行一组实验，分析实验数据，找到磨浮机磨矿效果最好时的矿浆浓度值， 并与理论分析和数值仿真做对比，验证理论分析和仿真的正确性。 1 ．4 ．2 研究方法 针对以上内容，本文采用了下述方法 1 在理论部分，推出了浮选效率与碰撞效率和粘附效率的数学表达式。 2 运用离散元的方法对磨浮机内钢球颗粒流进行仿真模拟，通过编写程序， 建立了磨浮机钢球颗粒流物理模型，并施加转速，得出系统的力学特性。 3 采用计算流体动力学方法对钢球周围流场和磨浮机内整个流场进行仿真 模拟，通过不同矿浆浓度值的流场特性对比分析找到磨浮机磨矿效果最好时的矿 浆浓度值。 4 实验验证理论分析及数值模拟结果的正确性。 1 ．4 ．3 研究意义 本文的研究意义在于 1 提出了磨浮机的概念，磨浮机具有成本低、占地面积小和缩短工时等一系 列优点，可以提高选矿效率，具有广阔的应用前景。 2 分析了影响磨浮机浮选效率的因素，对研究浮选过程和提高浮选效率提供 参考。 3 使用离散元方法对磨浮机钢球颗粒流进行仿真模拟，为模拟