XJM-S型浮選機浮選槽內(nèi)流場實驗研究＊

魏昌杰 程宏志 石 煥 宋云霞 李志斌

（天地 （唐山）礦業(yè)科技股份有限公司，河北省唐山市，063000）

XJM-S型浮選機浮選槽內(nèi)流場實驗研究＊

魏昌杰 程宏志 石 煥 宋云霞 李志斌

（天地 （唐山）礦業(yè)科技股份有限公司，河北省唐山市，063000）

浮選槽中內(nèi)部流場的合理性是保證浮選過程有效進行的前提，本文采用PIV粒子成像測速技術(shù)對XJM-S型機械攪拌式浮選機的內(nèi)部流場進行試驗研究，從截面流線和截面速度矢量兩個方面對流場進行了分析，并討論了內(nèi)部流場對浮選過程的影響。結(jié)果表明，浮選槽內(nèi)流體的多種運動狀態(tài)可以和浮選過程合理匹配，促進了浮選過程的有效進行。

PIV系統(tǒng) XJM-S浮選機 流場測試 浮選過程

1 引言

浮選是煤泥分選的主要方法，機械攪拌式浮選機是最主要的煤泥分選設(shè)備，目前機械攪拌式浮選機主要以XJM-S型浮選機為代表，現(xiàn)有的XJM-S型機械攪拌式浮選機已形成4 m3、6 m3、8 m3、12 m3、14 m3、16 m3、20 m3、24 m3、28 m3和45 m3這10種規(guī)格，約占全國煤泥浮選設(shè)備總量的70%。雖然專家在研究XJM-S型浮選機流場這方面做了很多的工作，但是浮選槽內(nèi)流體運動狀態(tài)一直停留在宏觀認識階段，尚未形成理論基礎(chǔ)。自PIV粒子成像測速系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展以來，借助這一手段對攪拌器內(nèi)部流場進行了試驗研究，研究效果顯著，為探索浮選槽內(nèi)流場提供了方向，為完善浮選理論提供了依據(jù)。

2 實驗

2.1 試驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)主要由PIV粒子成像測速系統(tǒng)，通過相似放大原理制作的XJM-S8L型浮選機，由槽體、葉輪、定子和假底組成。槽體外型尺寸為200 mm×200 mm×200 mm，葉輪直徑為54 mm，葉輪形狀為傘狀葉輪。

PIV的測試原理是將脈沖激光器產(chǎn)生的光束經(jīng)透鏡散射后形成的片光源入射到流場待測區(qū)域，CCD攝像機以垂直片光源的方向?qū)试搮^(qū)域。利用示蹤粒子對光的散射作用，記錄下相鄰兩次脈沖激光曝光時粒子的圖像，形成兩幅PIV底片 （即相同測量區(qū)域相鄰時刻的圖片），底片上記錄的是整個待測區(qū)域的粒子圖像，對底片進行后處理，可以將粒子圖像以速度矢量云圖的形式顯示出來，利用Tecplot軟件對速度矢量云圖進一步處理，可得到流體運動參數(shù)。

2.2 測試方法

圖1為PIV測試系統(tǒng)圖，在測試的過程中，打開激光器發(fā)射器，其發(fā)出的激光照亮浮選機槽體，在槽體上形成一個照亮的截面，調(diào)整CCD相機，相機垂直于激光照亮區(qū)域。通過同步控制器控制激光器發(fā)射器和CCD相機，相機所拍攝激到的光照亮截面上粒子的運動軌跡，將拍攝到的數(shù)據(jù)以照片的形式傳輸?shù)诫娔X主機上。通過PIV系統(tǒng)軟件對拍攝的數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，得到流體的矢量云圖、流線圖和速度矢量圖等。通過使用后處理軟件Tecplot對矢量云圖進行處理，得出流體運動的相關(guān)參數(shù)。

圖2為PIV測試浮選機槽體截面圖，分別對圖2所示的截面進行流場測試，測試方法見圖1。移動激光發(fā)射器，激光在圖2所示的截面上形成片光，CCD相機垂直照射槽體照亮區(qū)域。測試從槽體外壁開始，每隔20 mm為一個測試截面，分別為10-10、30-30、50-50、70-70、90-90、100-100，共6個截面。

調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速，當葉輪線速度v=6.30 m／s時，開啟PIV系統(tǒng)，對浮選槽各個截面進行實驗室測試。對測試的結(jié)果運用Tecplot后處理軟件進行圖片處理，得到流體運動的流線圖和矢量圖。

3 結(jié)果與討論

本文取截面流線和速度矢量進行理論分析，圖3和圖4中所示的L為槽體底面尺寸，H為槽體高度方向上的尺寸，單位為mm。

3.1 截面流線分析

圖3為槽體不同截面流線圖。由圖3可知，從（a）～ （f）為槽體不同截面上的流線圖，圖中顯示了不同截面上的流線趨勢。對流線的分析從兩個區(qū)域上展開，一是假底上流線，圖中H=60～230 mm之間的流線；二是假底下流線，圖中H=30～55 mm之間的流線。

假底上部的流體是以上升流、旋轉(zhuǎn)流和循環(huán)流為主?？拷鼣嚢铏C葉輪定子區(qū)域的90-90和100-100截面，以循環(huán)流為主，此時產(chǎn)生循環(huán)流的主要原因是由于定子循環(huán)孔的抽吸作用，將定子附近的流體吸入循環(huán)孔，這就為被浮礦粒與氣泡提供了多次碰撞的機會，滿足循環(huán)浮選的過程要求。葉輪定子附近區(qū)域的50-50和70-70截面，以循環(huán)流和旋轉(zhuǎn)流為主，循環(huán)流產(chǎn)生的原因是由于葉輪定子區(qū)域?qū)α黧w的抽吸作用，旋轉(zhuǎn)流產(chǎn)生的原因是由于流體的跟隨性。在假底紊流板的導(dǎo)向作用下，使帶有一定速度的流體做繞軸上升運動，受到葉輪定子區(qū)對流體的抽吸作用的影響，流體改向循環(huán)孔方向運動，形成了繞軸旋轉(zhuǎn)的循環(huán)流。遠離葉輪區(qū)域的流體做繞軸旋轉(zhuǎn)，受到從攪拌區(qū)上升流體的沖擊，導(dǎo)致流體在槽體上部的運動相當復(fù)雜。遠離葉輪定子區(qū)域 （靠近槽壁）10-10和30-30截面的流體主要做上升流和旋轉(zhuǎn)流。上升流是由于從定子葉片射出的具有一定速度的流體通過紊流板葉片，流體運動方向發(fā)生改變，此區(qū)域距離葉輪定子區(qū)域較遠，葉輪抽吸力弱，這部分流體做上升運動，上升速度并非是垂直向上的，就形成了旋轉(zhuǎn)流。

對圖3中 （a）～ （f）的分析可知，將浮選機假底上流體分為3個運動區(qū)間，即上升流區(qū)、循環(huán)流區(qū)和旋轉(zhuǎn)流區(qū)。這3個區(qū)域沒有明顯界限，并不是獨立存在的，都是具有相互關(guān)聯(lián)的。模糊劃分可以得到葉輪定子區(qū)域以循環(huán)流為主，葉輪定子區(qū)域附近以循環(huán)流和旋轉(zhuǎn)流為主，遠離葉輪定子區(qū)域以上升流和旋轉(zhuǎn)流為主。

H=30～55 mm為假底下部區(qū)域，從 （a）～（d）流體都具有水平流線，（e）和 （f）流體向上運動，被葉輪吸入下層葉輪腔內(nèi)，可以得出，這一區(qū)域流體運動主要是旋轉(zhuǎn)流。

圖3 槽體不同截面流線圖

3.2 截面速度矢量分析

圖4為不同截面速度矢量圖。由圖4中的各圖可見，從 （g）～ （l）為槽體不同截面上的速度矢量分布和速度云圖。圖中箭頭大小表示該點的速度大小，箭頭的方向表示該點的速度指向，整個矢量箭頭與該點處流線相切，該點的速度是水平速度U和垂直速度V的合速度。從上圖速度矢量分布，可以對槽體在高度上進行分區(qū)域分析。在槽體高度方向上，大致分成3個區(qū)域，H=30～55 mm為假底下部區(qū)域，H=60～160 mm為槽體中部區(qū)域，H=160～225 mm為槽體上部區(qū)域。

對流體流線分析可以得出，假底下H=30～55 mm區(qū)域主要是以旋轉(zhuǎn)流為主，從速度矢量（g）到 （j）可以看出，以水平速度U 為主，垂直速度v可以忽略，中心區(qū)域速度最大，兩側(cè)較小，說明假底下礦漿在以槽體中心為圓心以不同半徑旋轉(zhuǎn)。從10-10到70-70截面可以看出，假底下速度區(qū)域越來越小，這一現(xiàn)象的原因是由于流體的旋轉(zhuǎn)，越靠近中心區(qū)，可視旋轉(zhuǎn)半徑越小，旋轉(zhuǎn)半徑以外的部分速度垂直于截面，在矢量圖上顯示為零。

H=60～160 mm為攪拌機構(gòu)所在的區(qū)域，該區(qū)域攪拌強度最強，循環(huán)吸漿能力最強，流體具有的速度最高，礦漿處于強烈的湍流狀態(tài)。由于葉輪的攪拌和循環(huán)抽吸作用，流體處于上升和循環(huán)流動狀態(tài)。上升流和循環(huán)流都有助于礦粒對氣泡的捕捉，強湍流有助于礦粒與氣泡的選擇吸附，為礦粒的懸浮提供能量。從 （k）和 （l）可以看出，強攪拌作用使得葉輪抽吸力較強，流體被吸入循環(huán)孔。

H=160～225 mm為遠離攪拌機構(gòu)區(qū)域，受葉輪吸漿能力限制，少量流體進入循環(huán)孔，流體主要做旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)運動的產(chǎn)生是受中部上升流引起的。

3.3 內(nèi)部流場對浮選過程的影響

槽體下部流體運動的動能主要是由葉輪旋轉(zhuǎn)對礦漿的抽吸引起的，流體主要做旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)運動分布到整個底部槽體斷面，槽底不會出現(xiàn)沉槽現(xiàn)象。

槽體中部區(qū)域是攪拌機所在區(qū)域，礦漿在該區(qū)域受到葉輪的強烈攪拌，做強湍流運動，形成足夠多、足夠穩(wěn)定的氣泡。氣、液、固三項在此段得到充分地混合，礦粒具有足夠的能量，礦粒和氣泡也有足夠的碰撞接觸機會形成礦化氣泡。受到上升流的影響，礦化氣泡被及時送到泡沫層，作為精礦排出，沒有礦化的氣泡受到循環(huán)流的作用，進入上層葉輪腔，提供二次礦化機會。

槽體上部礦漿運動相對穩(wěn)定，為泡沫的富集提供場所。旋轉(zhuǎn)運動可使泡沫層向槽壁運動，被刮泡器刮出，也可以使得高灰細泥物料脫離氣泡的吸附，具有精選的作用。

圖4 槽體不同截面上的速度矢量分布和速度云圖

4 結(jié)論

對截面流線分析可知，將槽體內(nèi)流體運動分為4個區(qū)間，葉輪定子區(qū)域，以循環(huán)流為主；葉輪定子區(qū)域附近以循環(huán)流和旋轉(zhuǎn)流為主；遠離葉輪定子區(qū)域，以上升流和旋轉(zhuǎn)流為主。

速度矢量分析結(jié)果為在槽體高度上，流體運動狀態(tài)大致分為3段，即槽體上部為旋轉(zhuǎn)流段、槽體中部為上升流和循環(huán)流段、槽體下部為旋流段。

浮選槽中流體運動狀態(tài)符合浮選工作過程，同浮選機提出的在浮選槽下部需要產(chǎn)生劇烈攪拌和強湍流運動，以保持礦粒懸浮，將空氣彌散為細小氣泡，為礦粒和氣泡提供充分的碰撞機會和碰撞動能。在浮選槽上部，又要建立一個相對穩(wěn)定的分離區(qū)和平穩(wěn)的泡沫層，減小礦粒的脫落機會，從而提高浮選速度是一致的。

［1］程宏志，張孝鈞，石煥等 .我國選煤用機械攪拌式浮選機的新進展 ［J］.選煤技術(shù)，2006（5）

［2］李彪，謝廣元，張秀峰等 .旋流微泡浮選柱提高精煤回收率的試驗研究 ［J］.中國煤炭，2011（10）

［3］謝冬梅，崇立芹 .煤用浮選機的使用現(xiàn)狀及技改措施探討 ［J］.煤炭加工與綜合利用，2006（3）

［4］程宏志，路邁西，石煥等 .振蕩法提高浮選選擇性的作用機理 ［J］.煤炭學(xué)報，2007（5）

［5］程宏志 .機械攪拌式浮選機相似轉(zhuǎn)換原理 ［J］.煤炭學(xué)報，2000（12）

An experimental study on flow Field of XJM-S flotation machine cells

Wei Changjie，Cheng Hongzhi，Shi Huan，Song Yunxia，Li Zhibin
（TianDi（Tangshan）Mining Science＆Technology Co.，Ltd，HeBei，TangShan 063000，China）

In process of flotation，reasonable internal flow field is the basic requirement，which will influence the flotation efficiency.In this paper，the inner flow field of XJM-S flotation machine was investigated through the analysis of vector of section streamline and section velocity by particle image velocimetry，and also discuss the affection of flotation process by internal flow field.The results showed that variety of motion state of fluid can reasonable collocate with flotation process，which will increase the efficiency of flotation.

PIV system，XJM-S flotation machine，flow field experiment，flotation process

TD943

A

天地 （唐山）礦業(yè)科技有限公司工藝技術(shù)創(chuàng)新基金 （KJ-JJ-2011-TSKY-02）

魏昌杰 （1984-），男，陜西旬陽人，碩士，助理工程師，就職于天地 （唐山）礦業(yè)科技有限公司，主要從事煤泥浮選設(shè)備和工藝的研究。

（責(zé)任編輯 王雅琴）