顆粒粒徑對(duì)浮選機(jī)固—液兩相流場(chǎng)分布特征影響研究

牛福生，王學(xué)濤，張晉霞

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省安全技術(shù)及開采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

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顆粒粒徑對(duì)浮選機(jī)固—液兩相流場(chǎng)分布特征影響研究

牛福生1，2，王學(xué)濤1，張晉霞1，2

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.河北省安全技術(shù)及開采重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

針對(duì)充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)，運(yùn)用CFD流體模擬軟件進(jìn)行了顆粒粒徑對(duì)浮選機(jī)固—液兩相流場(chǎng)分布特征的影響研究。通過(guò)模擬分析可知：離散相礦物顆粒與連續(xù)液相兩相之間相互作用較小，流場(chǎng)分布特征基本保持一致，微細(xì)粒礦物顆粒粒徑對(duì)浮選機(jī)內(nèi)部固—液兩相流場(chǎng)特性影響較小。轉(zhuǎn)子及定子表面壓力分布值與顆粒粒徑有較大的關(guān)系，且在此處區(qū)域附近湍流動(dòng)能較大，保證了礦物顆粒在該區(qū)域的較好分散性。

顆粒粒徑；浮選機(jī)；固液兩相；流場(chǎng)特征

礦物浮選是在固-液-氣三相混合流體中進(jìn)行的，其內(nèi)部流動(dòng)特性非常復(fù)雜，且不易觀察和監(jiān)測(cè)，因此給浮選過(guò)程中的流體特征研究工作帶來(lái)很大的難度[1-2]。而浮選機(jī)的性能指標(biāo)很大程度上取決于浮選機(jī)內(nèi)部多相流場(chǎng)的特性，不合理的流場(chǎng)分布特征將會(huì)導(dǎo)致分選指標(biāo)差，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)浮選工藝的要求[3]。

當(dāng)前對(duì)浮選過(guò)程中內(nèi)部流場(chǎng)特征的研究大多數(shù)是基于單一液相介質(zhì)，同時(shí)采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法進(jìn)行研究，受浮選機(jī)內(nèi)部流體單一液相介質(zhì)的限制，目前對(duì)實(shí)際浮選過(guò)程中的固-液-氣三相混合流體無(wú)法進(jìn)行精確檢測(cè)。浮選機(jī)內(nèi)部的多相流動(dòng)過(guò)程是礦物浮選分離的基本物理、化學(xué)過(guò)程，浮選過(guò)程中復(fù)雜的多相流體運(yùn)動(dòng)特性決定了浮選機(jī)的主要浮選動(dòng)力學(xué)性能、浮選分離指標(biāo)和浮選分離效率[4-5]。

隨著計(jì)算流體力學(xué)的不斷進(jìn)步，針對(duì)浮選機(jī)內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)特征研究有了新的研究與發(fā)展方向[6]。由于礦物在實(shí)際浮選過(guò)程中內(nèi)受三相混合流體作用以及流體壓力、流量、濃度、礦物體顆粒大小、形狀、浮選機(jī)工作參數(shù)等眾多因素的影響，目前對(duì)礦物浮選過(guò)程的流體運(yùn)動(dòng)特征尚無(wú)統(tǒng)一且完整的描述方法[7-8]。因此，本論文利用CFD方法研究0.1m3的KYF充氣攪拌式浮選機(jī)的流場(chǎng)分布，探討了礦物粒徑對(duì)選機(jī)固—液兩相流場(chǎng)分布特征影響，研究結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步改進(jìn)浮選機(jī)流場(chǎng)特性，改善浮選機(jī)的分選效果具有一定的指導(dǎo)意義。

1　計(jì)算模型及邊界條件

1.1計(jì)算模型

0.1m3KYF型充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)基于Solidworks建模結(jié)構(gòu)見圖1，槽體設(shè)計(jì)為溢流收縮式柱形槽體，該浮選機(jī)的主要特點(diǎn)是同時(shí)具有浮選柱和機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的特點(diǎn)，既可使粗礦物顆粒懸浮，同時(shí)又可獲得較高精礦品位。浮選機(jī)主要部件幾何參數(shù)見表1。

圖1　0.1m3KYF型充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)

表1　浮選機(jī)主要部件幾何參數(shù)

轉(zhuǎn)子直徑/mm定子直徑/mm葉片傾角/°槽底直徑/mm槽頂直徑/mm槽體高/mm12018030360300360

同時(shí)，為了最大限度減少浮選機(jī)整體模型交接面的數(shù)量，并根據(jù)浮選機(jī)槽體內(nèi)部流動(dòng)特征的不同，將槽體內(nèi)部分為氣體域、旋轉(zhuǎn)域和槽內(nèi)區(qū)域，應(yīng)用ICEM網(wǎng)格劃分平臺(tái)，對(duì)浮選機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算域進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，浮選機(jī)計(jì)算域網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)平均值為0.83，其中質(zhì)量參數(shù)超過(guò)0.6的網(wǎng)格占總計(jì)算網(wǎng)格的96%以上，滿足CFX對(duì)網(wǎng)格計(jì)算的要求。

1.2邊界條件

針對(duì)數(shù)值模擬的流體相數(shù)確定模型壁面邊界條件，在液相數(shù)值模擬中，由于液相黏度的影響采用應(yīng)用最為廣泛的無(wú)滑移邊界條件，即No Slip模型。

由于浮選機(jī)內(nèi)部存在旋轉(zhuǎn)域的劃分，故存在多域之間的交界面，而動(dòng)-靜流體域、流體域-固體域之間的交界面設(shè)置較為關(guān)鍵，直接影響數(shù)值模擬的精度和準(zhǔn)確性。旋轉(zhuǎn)域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)(Rotating)，根據(jù)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式，初步計(jì)算設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為450rpm，即450轉(zhuǎn)/min。

礦物浮選過(guò)程是濃度很稀的礦漿在浮選機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，因此選擇適合濃度較低的離散相在連續(xù)相中的湍流模型—標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，離散相固體礦物顆粒湍流模型為離散相零方程模型。

1.3礦物顆粒物性參數(shù)和浮選機(jī)工藝參數(shù)的設(shè)定

礦物顆粒介質(zhì)選定CFX自帶的球形固體顆粒，分別對(duì)不同粒徑、不同密度、不同黏度的礦物顆粒進(jìn)行模擬，其中顆粒平均直徑包括50μm 、74μm、120μm三個(gè)水平，礦物密度為5.0×103kg/m3，礦物動(dòng)力黏度3.0×10-2Pa·s，礦物顆粒體積分?jǐn)?shù)均為5%。

2　顆粒粒徑對(duì)浮選機(jī)固-液兩相流場(chǎng)分布特征影響

2.1速度分布特征

對(duì)礦物浮選過(guò)程中粒徑分別為50μm、74μm、120μm的礦物顆粒的固-液兩相流體特征進(jìn)行數(shù)值模擬，在CFX-Post中分別提取液相水、固相礦物顆粒速度特征分布，其液相速度跡線分布特征值模擬結(jié)果見圖2，固相速度跡線分布特征見圖3。

由圖2、圖3液相和固相速度跡線圖可知，礦物顆粒和連續(xù)性流體水在轉(zhuǎn)子攪拌作用下，與單一液相流場(chǎng)速度分布特征相似，在浮選機(jī)內(nèi)部呈上下兩循環(huán)運(yùn)動(dòng)方式，三種粒徑的礦物顆粒對(duì)浮選機(jī)內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)軌跡影響很小，且固相和液相運(yùn)動(dòng)軌跡基本保持一致，由此可知微細(xì)粒礦物粒徑對(duì)浮選機(jī)固—液兩相流場(chǎng)中的流體運(yùn)動(dòng)軌跡影響較小。

圖2　不同粒徑液相速度跡線三圖

由圖3、圖4可知，在下循環(huán)區(qū)域液相和固相具有較高的運(yùn)動(dòng)速度，隨著距離槽體底部距離的增加，流體速度逐漸減小，在保證了下循環(huán)區(qū)域足夠的攪拌強(qiáng)度，使礦物顆粒在轉(zhuǎn)子葉輪的攪拌作用下充分與下循環(huán)區(qū)域的氣泡接觸、碰撞的同時(shí)，上升區(qū)流體具有相對(duì)較低的運(yùn)動(dòng)速度，保證了礦化氣泡在上升區(qū)域穩(wěn)定向上運(yùn)動(dòng)，泡沫穩(wěn)定區(qū)域流體速度最小，保證了浮選過(guò)程中泡沫層的穩(wěn)定，有利于提高礦物浮選回收率和精礦質(zhì)量。

由圖5、圖6可知，粒徑分別為50μm、70μm、120μm的三種微細(xì)粒礦物顆粒在浮選機(jī)內(nèi)部固—液兩相流場(chǎng)中，Z=100截面處流場(chǎng)速度大小分布基本一致，且固相礦物顆粒與液相流體水速度分布有較好的一致性，固-兩相流場(chǎng)中微細(xì)粒礦物顆粒粒度變化對(duì)流場(chǎng)速度分布影響較小，轉(zhuǎn)子區(qū)域流場(chǎng)速度大約是經(jīng)定子徑向射流流體流速的2.5倍，且經(jīng)過(guò)相鄰兩定子葉片的徑向射流存在流體相對(duì)速度較小的夾縫區(qū)，徑向射流分布特征與定子葉片數(shù)量有直接關(guān)系，針對(duì)細(xì)粒礦物顆?？梢赃m當(dāng)增加定子葉片數(shù)量增加礦漿在浮選機(jī)底部的分流作用。

圖3　不同粒徑固相速度跡線圖

圖4　不同粒徑Y(jié)=0液相速度云圖

圖5　不同粒徑Z=100固相速度云圖

圖6　不同粒徑Z=100液相速度云圖

2.2壓力分布特征

由圖7可知，礦物顆粒粒徑對(duì)轉(zhuǎn)子受壓有一定影響，其壓力分布特征與單一液相分布特征較一致，轉(zhuǎn)子表面高壓區(qū)同樣位于轉(zhuǎn)子葉片迎風(fēng)面外邊緣處，且存在葉片根部和葉片傾斜邊緣處兩個(gè)高壓分布點(diǎn)，葉片背風(fēng)面形成相對(duì)負(fù)壓區(qū)。由圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)圖上壓力分布值可知，隨著礦物粒徑的增加，轉(zhuǎn)子表面受壓增加，因此粗礦物顆粒對(duì)轉(zhuǎn)子葉片磨損程度更大，在浮選細(xì)粒礦物顆粒時(shí)可以適當(dāng)減小葉片厚度，浮選相對(duì)較粗礦物顆粒時(shí)可以適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子葉片厚度或?qū)D(zhuǎn)子葉片進(jìn)行耐磨工藝處理，進(jìn)而增加轉(zhuǎn)子葉片的耐磨度，減少實(shí)際浮選工藝中因轉(zhuǎn)子磨損而造成的攪拌強(qiáng)度低的問(wèn)題，從而在一定程度上增加礦物浮選分離效率。

由圖8可知，礦物顆粒粒徑對(duì)定子受壓同樣有一定影響，其壓力分布特征基本與單一液相分布特征較一致，定子表面高壓區(qū)位于定子葉片迎風(fēng)面外邊緣中心處，葉片背風(fēng)面形成相對(duì)負(fù)壓區(qū)，與實(shí)踐浮選工藝中定子磨損情況較一致。由圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)圖上壓力分布值可知，隨著礦物顆粒粒徑的增加，定子高壓分布點(diǎn)的壓力分布值反而略有減小，所以浮選相對(duì)較粗礦物可時(shí)，可以考慮適當(dāng)減少定子葉片厚度，增加礦漿在定子葉片間隙的流體流道。

2.3湍流動(dòng)能分布特征

由圖9可知，礦物顆粒粒徑對(duì)液相湍流動(dòng)能影響不大，在定子和轉(zhuǎn)子區(qū)域附近湍流動(dòng)能較大，該處的強(qiáng)湍流保證了礦物顆粒在該區(qū)域的較好分散性，較大的湍流動(dòng)能使礦物顆粒具有較強(qiáng)的動(dòng)能，在轉(zhuǎn)子的高速攪拌作用下，礦物顆粒充分與礦漿中的氣泡接觸、碰撞，最終形成礦化氣泡，經(jīng)上升區(qū)運(yùn)輸至平穩(wěn)的泡沫層，最終實(shí)現(xiàn)有用礦物和脈石礦物的分離。

圖7　轉(zhuǎn)子壓力云圖

圖8　定子壓力云圖

圖9　不同粒徑Y(jié)=0液相湍流動(dòng)能云圖

3　結(jié)　論

1)離散相礦物顆粒與連續(xù)液相兩相之間相互作用較小，流場(chǎng)分布特征基本保持一致。微細(xì)粒礦物顆粒粒徑對(duì)浮選機(jī)內(nèi)部固—液兩相流場(chǎng)特性影響較小。

2)隨著礦物粒徑的增加，轉(zhuǎn)子表面受壓增加，浮選相對(duì)較粗礦物顆粒時(shí)可以適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子葉片厚度或?qū)D(zhuǎn)子葉片進(jìn)行耐磨工藝處理。

3)隨著礦物顆粒粒徑的增加，定子高壓分布點(diǎn)的壓力分布值略有減小，浮選粗礦物可以適當(dāng)減少定子葉片厚度，增加礦漿在定子葉片間隙的流體流道。

4)礦物顆粒粒徑對(duì)液相湍流動(dòng)能影響不大，在定子和轉(zhuǎn)子區(qū)域附近湍流動(dòng)能較大，保證了礦物顆粒在該區(qū)域的較好分散性。

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紫金礦業(yè)銅板塊“井噴式”崛起 我國(guó)銅供給又添生力軍：

“紫金山日處理4.5萬(wàn)t銅礦項(xiàng)目”建成投產(chǎn)

未來(lái)幾年內(nèi)，我國(guó)又將崛起一個(gè)重量級(jí)產(chǎn)銅企業(yè)。紫金礦業(yè)明確，10月7日，福建"紫金山日處理4.5萬(wàn)噸銅礦項(xiàng)目"建成投產(chǎn)，紫金礦業(yè)礦產(chǎn)銅產(chǎn)量將在今年突破15萬(wàn)t，以此為起點(diǎn)，隨著一批新項(xiàng)目的如期投產(chǎn)，未來(lái)2～3年，紫金礦業(yè)銅板塊將"井噴式"崛起，逐步進(jìn)入全國(guó)領(lǐng)先、全球前列。

中國(guó)是全球最大銅消費(fèi)國(guó)和進(jìn)口國(guó)，銅進(jìn)口量約占全球的40%以上，對(duì)外依存度十分高。作為我國(guó)重要的黃金和有色金屬生產(chǎn)企業(yè)，紫金礦業(yè)在礦產(chǎn)黃金實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的基礎(chǔ)上，在礦產(chǎn)銅方面亦是壯志酬籌。

據(jù)紫金礦業(yè)介紹，除本次建成投產(chǎn)的項(xiàng)目以外，公司正在建設(shè)將陸續(xù)釋放的銅礦產(chǎn)能包括多寶山銅業(yè)技改項(xiàng)目、剛果金科盧韋齊銅礦建設(shè)項(xiàng)目，這些項(xiàng)目將在2～3年內(nèi)陸續(xù)建成投產(chǎn)，將使紫金礦業(yè)整體礦產(chǎn)銅產(chǎn)量突破30萬(wàn)t，而國(guó)內(nèi)最大的銅礦生產(chǎn)企業(yè)2015年的產(chǎn)量在20萬(wàn)t左右。

去年，公司通過(guò)并購(gòu)最終享有卡莫阿控股公司54.4%的權(quán)益后，一躍成為中國(guó)擁有海內(nèi)外銅資源儲(chǔ)量最大的企業(yè)。剛果(金)卡莫阿銅礦擁有銅資源儲(chǔ)量2500萬(wàn)t，平均品位為2.3%～2.6%，是世界級(jí)超大未開發(fā)高品位銅礦，加上今年1月在該礦卡庫(kù)拉勘探區(qū)發(fā)現(xiàn)新的超高品位銅礦，項(xiàng)目資源儲(chǔ)量將突破3000萬(wàn)t高品位銅，相當(dāng)于中國(guó)現(xiàn)今銅資源量的1/3。

“這些項(xiàng)目可以使公司未來(lái)礦產(chǎn)銅產(chǎn)量進(jìn)軍全球前列。”紫金礦業(yè)陳景河董事長(zhǎng)表示。

更重要的意義還在于，該項(xiàng)目將成為中國(guó)低品位資源利用新的典范。資料顯示，中國(guó)銅礦平均品位為0.87%，而紫金山銅礦平均品位約為0.4%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于我國(guó)的平均值。項(xiàng)目的建成投產(chǎn)將提高我國(guó)低品位資源利用率，進(jìn)一步改善和提升礦山采選經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

該項(xiàng)目總投資約8億元，由紫金礦業(yè)自行設(shè)計(jì)、自行建設(shè)和施工，僅用16個(gè)月就圓滿完成了建設(shè)任務(wù)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)起點(diǎn)高，工藝先進(jìn)，裝備一流，項(xiàng)目配備的半自磨機(jī)和球磨機(jī)為亞洲最大的磨機(jī)，浮選機(jī)、旋流器、渣漿泵等關(guān)鍵設(shè)備均達(dá)到國(guó)際最大或一流標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目2.5萬(wàn)t為浮選工藝，2萬(wàn)t為堆浸生物冶金工藝，年產(chǎn)銅金屬量將達(dá)到3萬(wàn)t，伴生金780kg，伴生銀20t，副產(chǎn)硫精礦35萬(wàn)t，年銷售收入可以達(dá)到11億項(xiàng)目2.5萬(wàn)t為浮選工藝，2萬(wàn)t為堆浸生物冶金工藝，年產(chǎn)銅金屬量將達(dá)到4.3萬(wàn)t，伴生金780kg，伴生銀20t，副產(chǎn)硫精礦35萬(wàn)t，產(chǎn)值可達(dá)16億元。

在環(huán)保工藝方面，項(xiàng)目結(jié)合低品位金銅伴生資源的特點(diǎn)，以浮選工藝為主，具有選礦回收率高、可以綜合回收金銀硫等伴生元素的優(yōu)點(diǎn)。既提高了資源綜合利用水平，延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限，又減輕了環(huán)保壓力，還降低了生產(chǎn)成本，將創(chuàng)造較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。它的建成達(dá)產(chǎn)，將使紫金山成為中國(guó)重要的銅礦產(chǎn)地之一。

Influence of particle size on the flow field characteristics for solid liquid two phase flow in flotation machine

NIU Fu-sheng1，2，WANG Xue-tao1，ZHANG Jin-xia1，2

(1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China； 2.Key Laboratory of Mineral Development and Security Technology of Hebei Province，Tangshan 063009，China)

Effect of particle size on flow field distribution characteristics of solid liquid two phase flow in flotation machine is studied by using CFD fluid simulation software.Through the simulation analysis shows that discrete phase between the mineral particles and continuous liquid phase interaction is smaller，flow field distribution characteristics are basically consistent，fine particle mineral particle size on the flotation machine internal solid liquid two-phase flow characteristics has little effect.The surface pressure distribution of rotor and stator is related to the particle size，and the turbulent kinetic energy is larger in the vicinity of the region，which ensures the better dispersion of mineral particles in the region.

particle size；flotation machine；solid liquid two phase；flow field characteristic

2016-07-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51474087)；河北省百名優(yōu)秀創(chuàng)新人才支持計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：BR2-214)

牛福生(1974-)，男，教授，博士，主要從事復(fù)雜難選礦理論與工藝研究。

TD91

A

1004-4051(2016)10-0137-05