螺旋溜槽流場特性與分離性能研究進展

高淑玲,孟令國,魏德洲，宋振國,袁俊

1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.礦物加工科學(xué)與技術(shù)國家重點試驗室,北京 100160；3.北京礦冶科技集團有限公司,北京 100160

前言

作為利用離心力與重力復(fù)合力場的典型重選設(shè)備，螺旋溜槽憑借獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的分選性能[1]在生產(chǎn)現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。隨著優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源匱乏程度的加劇以及生產(chǎn)環(huán)保要求的不斷提高，加強對物料重選的過程調(diào)控從而促進生產(chǎn)質(zhì)效提升，不失為一種可行的重要途徑。

自1941年問世以來，研究及工程技術(shù)人員圍繞螺旋溜槽分選理論、工藝與設(shè)備等方面開展了大量卓有成效的研究與實踐，理論脈絡(luò)逐漸清晰，研究視角及試驗手段日趨多元，為進一步發(fā)揮復(fù)合力場分選的獨特優(yōu)勢創(chuàng)造了條件。

1 螺旋溜槽流場特性研究進展

從動力學(xué)角度，分選物料處于螺旋溜槽所創(chuàng)造的回轉(zhuǎn)流場中，依據(jù)運動差異實現(xiàn)分離。當顆粒組成一定時，重選分離效果從根本上取決于顆粒所處的流體力場特性。因此深層次研究螺旋溜槽流場特性是十分必要的。采用計算流體力學(xué)方法(computational fluid dynamics，簡稱CFD)對分選流場進行模擬計算是當前流場研究的一個重要手段[5-9]。

印度的Kapur和美國的Meloy[10]對螺旋溜槽的幾何參數(shù)進行了詳細描述，研究了用于各種水文流態(tài)的冪次定律對螺旋溜槽流場模擬的適應(yīng)性，旨在開發(fā)可用于模擬和工業(yè)型螺旋溜槽設(shè)計的有效模型。研究結(jié)果表明，在所檢驗的四個冪次定律中，采用過渡流和混合流的冪次定律來模擬螺旋溜槽流場最為適宜，水面線輪廓、流速、水深和流量等流場特征參數(shù)都獲得了比較準確的描述。

Jain[11]對螺旋槽內(nèi)的流體質(zhì)點進行受力分析，嘗試解釋不同作用力對二次環(huán)流產(chǎn)生的原因，他認為在流場截斷面內(nèi)存在一條徑向方向上受力為零的線，高于此線時離心力作用較強，流體易向外緣流動，反之則重力作用較強，流體易向內(nèi)緣流動。該研究對于加深理解二次環(huán)流的產(chǎn)生及其流動形式具有參考價值。

澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Matthews等人[12]利用RNGk-ε湍流模型和VOF方法模擬螺旋溜槽流場，可以獲得水流橫向剖面輪廓、主流速度分布、水深分布、不同徑向位置的雷諾數(shù)變化曲線、不同水深處的速度等數(shù)值特征。研究表明，當給礦量為6 m3/h時，螺旋溜槽上的自由表面充分發(fā)展，通過模擬獲得的在不同徑向距離處的水深值與試驗值非常接近，除了在溜槽外端出現(xiàn)的5.5 mm、7.8 mm和10.3 mm，比對應(yīng)的測試值6.5 mm、9.0 mm和14.0 mm低以外，其它位置的模擬結(jié)果都是非常令人滿意的；水深隨徑向距離的變化曲線也與認識一致，即水流深度沿徑向從內(nèi)向外逐漸增加，邊壁對水流的影響越來越小，因此流速從內(nèi)向外也不斷增大，流態(tài)由層流逐漸發(fā)展為過渡流和紊流；數(shù)值模擬所獲得的二次環(huán)流特征也與試驗現(xiàn)象基本一致。

在國內(nèi)，作者[13-14]采用流場測試與CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對螺旋溜槽流場進行了系統(tǒng)的試驗研究，發(fā)現(xiàn)φ300 mm螺旋溜槽中的流場特征為：水流主要在外緣匯聚，水流厚度由內(nèi)向外呈現(xiàn)先逐漸增大、后急劇增大、在近邊壁處又降低的特征；水流速度由槽底向水層表面逐漸增加，在水層表面達到最大值，且在某一水深處逐漸趨于平穩(wěn)，該水深值因所處徑向位置而異，數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)趨勢一致；水流湍動能由槽底向水層表面逐漸降低，在槽底各徑向位置的湍動能差別相對較小，而越靠近水層表面這種差別越大；在螺旋溜槽中存在明顯的橫向二次環(huán)流，徑向流速的分界點亦因徑向位置不同而異。

江西理工大學(xué)李華梁、劉惠中等[15]采用RNGk-ε湍流模型對φ600mm螺旋選礦機中的水流進行數(shù)值模擬，清晰顯示了流膜沿徑向的鋪展狀態(tài)、流速和環(huán)流強度的差異：在靠近內(nèi)緣的精礦區(qū)和部分中礦區(qū)，水流速度很慢，流場為層流，環(huán)流作用很微弱；在靠近外緣的尾礦區(qū)，水流速度很快，流場為紊流，松散礦層的作用很明顯，環(huán)流作用也更強烈。

相似研究還包括，王春光[16]采用k-ε湍流模型對圓管中的螺旋流場進行模擬計算，研究發(fā)現(xiàn)在流場中存在二次流動現(xiàn)象，同時圓管螺旋流軸向速度的數(shù)模結(jié)果與PIV實測結(jié)果吻合較好，進一步證實了計算模型的準確性；張志雁等人[17]采用RSM模型對矩形截面螺旋管道紊流中的二次流進行數(shù)值模擬，在矩形螺旋管道的不同管軸半徑連接面上發(fā)現(xiàn)一對明顯的二次渦，它們處于中心略微偏向外邊壁的位置，但隨著雷諾數(shù)的增大，二次渦的位置變化不大。

2 螺旋溜槽流場中顆粒運動研究進展

對于顆粒流的數(shù)值模擬，主要包括多相流方法和離散元法。根據(jù)流體力學(xué)理論，多相流方法包括歐拉-歐拉法和歐拉-拉格朗日法2大類[18]。兩種方法的區(qū)別在于，前者將固體顆粒視為流體，而后者則將其視為分散相，從這一點來講，采用拉格朗日法模擬顆粒運動行為更符合其物理性質(zhì)，而且它能夠捕捉每一個顆粒的運動軌跡，然而它僅適于固相體積分數(shù)較低的稀疏顆粒流。與拉格朗日法相比，歐拉法則可以處理固相體積分數(shù)較高的流場，但它不適于模擬運動行為復(fù)雜的顆粒流，難以捕捉到顆粒的運動軌跡。離散元法是一種處理非連續(xù)體受力問題的數(shù)值模擬方法，由于考慮了顆粒間的相互作用，因此從某種角度講，通過它可以更準確地獲得顆粒的受力、空間位置、速度、能量變化等信息。

埃及的Doheim等人[19]基于歐拉法和湍流模型，對螺旋溜槽中的顆粒流進行數(shù)值模擬，重點研究了顆粒的運動速度、分布和濃度等特征，并將顆粒流特性的預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果顯示兩種試驗研究結(jié)果具有良好的一致性，其中以采用RNG k-ε湍流模型-歐拉法所獲得的預(yù)測結(jié)果最為準確，而且此湍流模型的運行時間也最為適度。因此應(yīng)用該數(shù)值方法模擬螺旋溜槽中的顆粒流是可靠的，可將之作為解決工業(yè)上類似問題的參考。

韓國的Kwon[20]等人利用基于歐拉-拉格朗日的光滑粒子流體動力學(xué)(Smoothed Particle Hydrodynamics，簡稱SPH)成功地模擬了橢圓槽面螺旋溜槽中的液固兩相流，通過數(shù)值模擬得出實現(xiàn)最大分離效率所需要的溜槽高度、下傾角和剖面曲率。他們利用其他文獻中的試驗數(shù)據(jù)以及作者進行的微型HSC試驗結(jié)果，對模擬結(jié)果進行了驗證，研究表明模擬結(jié)果與試驗結(jié)果一致。這些研究可望在未來的螺旋溜槽結(jié)構(gòu)設(shè)計和操作條件優(yōu)化中發(fā)揮作用。

在國內(nèi)，作者在對φ300 mm螺旋溜槽進行流場模擬的基礎(chǔ)上，通過基于拉格朗日法的離散相模型(Discrete Phase Model，簡稱DPM)，對顆粒在螺旋溜槽中的運動行為進行模擬[13]，探討了顆粒密度、螺距、給礦量對顆粒運動行為的影響。結(jié)果表明，在相同的流場條件下，顆粒運動速度極值與其密度大小呈負相關(guān)；增大螺距可使顆粒的運動速度明顯增加，其對高密度顆粒的影響更大，有利于加速顆粒分帶；給礦量增大后，顆粒運動的隨機性增大，尤其對低密度顆粒的影響更為明顯，分帶延遲，不利于分選過程進行。

江西理工大學(xué)劉祚時、趙南琪等人[21]則是在φ600 mm螺旋選礦機流場模擬的基礎(chǔ)上，利用離散相模型建立了螺旋溜槽顆粒分選模型，分析了分選效果與礦物顆粒比重及粒度的關(guān)系，查明了礦物顆粒的運動規(guī)律。研究表明數(shù)值模擬結(jié)果與理論研究相吻合，驗證了螺旋溜槽重選分離原理，更加證明了數(shù)值模擬的可靠性。

印度的Mishra和Tripathy[22]采用離散元法模擬螺旋溜槽中的顆粒流(顆粒半徑為5 mm和2.5 mm)，可以計算得出當分離器置于不同位置時顆粒的分離效率。研究發(fā)現(xiàn)，當其徑向距離為0.15 m、螺旋高度在螺旋排料口以上0.25 m時，分離效率達到最大值38.72%，即最大分離效率在螺旋溜槽的第四圈末實現(xiàn)。同時將在0.15 m徑向位置所得到的試驗精礦品位與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，兩種方法所得精礦品位的平均值分別為56.67%和50.90%，數(shù)值模擬指標偏低，數(shù)值試驗精度需要進一步提高。

總的來看，對于螺旋溜槽中顆粒行為的模擬計算，以采用基于歐拉-拉格朗日法的多相流模型為主流，借助于此類模型計算得出的顆粒行為與實測及理論分析也更為接近。離散元法則更多地用于毫米級物料的運動模擬，例如：東南大學(xué)的耿凡、袁竹林等人采用離散元方法，對球磨機內(nèi)部顆粒(直徑為3、4、5 mm)的混合運動過程進行數(shù)值模擬，跟蹤球磨機內(nèi)的每一個顆粒，結(jié)合重力、摩擦力和碰撞力，建立了三維數(shù)學(xué)模型[23]；中國礦業(yè)大學(xué)趙啦啦基于軟球干接觸模型對振動篩面上顆粒流(粒徑范圍2～15 mm)的篩分過程進行了三維離散元法模擬研究，分析了煤料顆粒流在篩分過程中的運動狀態(tài)和篩分效率的動態(tài)變化規(guī)律以及入料顆粒的粒度分布對篩分效率的影響[24]。

將計算流體力學(xué)與離散元法相結(jié)合也是研究流體中顆粒運動的一個常用方法，如張強強用此方法研究顆粒(粒徑范圍15～25 mm)在水中的沉降[25]，分析了單個顆粒在水流中沉降過程的拋石落距，結(jié)果表明大部分顆粒模型的拋石落距與試驗結(jié)果比較接近，并且標定顆粒模型的運動趨勢與試驗結(jié)果是一致的，雖然仿真值與試驗值有一定的誤差，但顆粒沉降過程中拋石落距的變化趨勢相同。Basavarajappa和Miskovic則是用此方法模擬浮選機中的液固兩相流[26]，重點考查了顆粒尺寸(1 mm和0.5 mm)和固體質(zhì)量濃度對流動特性的影響，發(fā)現(xiàn)了葉輪尺寸及離底間隙對顆粒懸浮特性的顯著作用，研究結(jié)果非常有助于對分選動力學(xué)過程的理解與調(diào)控，同時表明此數(shù)值方法能很好地適應(yīng)分選物料尺度。

3 相關(guān)測試技術(shù)應(yīng)用及研究進展

數(shù)值模擬屬于虛擬現(xiàn)實的范疇，因此對數(shù)值試驗結(jié)果的驗證是一個不容忽視的問題。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，借助于先進的流場測試手段以及實際物料分離試驗結(jié)果，對模擬所得的流場及分離指標進行驗證，無疑是適宜的。當前最常用的流場測試方法主要是粒子圖像測速法和激光多普勒測速法。

粒子圖像測速法(Particle Image Velocimetry，簡稱PIV)，是通過測量示蹤粒子在已知很短時間間隔內(nèi)的位移來間接地測量流場的瞬態(tài)速度分布。PIV技術(shù)的主要優(yōu)點是突破了激光多普勒測速儀等空間單點測量技術(shù)的局限性，能獲得平面流場的整體結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)圖像，可在同一時刻記錄下整個流場的有關(guān)信息，并且可分別給出平均速度、脈動速度及應(yīng)變率等。PIV與激光測速儀同樣是一種非接觸式的測量方法，不足是其測量精度比不上單點測量技術(shù)。無論何種形式的PIV，其速度測量都依賴于散布在流場中的示蹤粒子。若示蹤粒子有足夠高的流動跟隨性，其運動就能夠真實地反映流場的運動狀態(tài)，因此選擇高質(zhì)量的示蹤粒子對于PIV測得準確數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

PIV應(yīng)用非常廣泛，如黃亞飛[27]采用PIV技術(shù)探討了在流量為0.93 m3/h的上升水流作用下、沙礫厚度為20 mm中的顆粒充分流態(tài)化時的運動狀態(tài)；王勤輝等[28]則利用PIV技術(shù)測量了一個截面為200 mm×200 mm、高為4 m的冷態(tài)循環(huán)流化床內(nèi)的高濃度粒子的運動速度；阮曉東等[29]同樣采用PIV對氣固兩相流動工況進行測試，并考查了不同粒徑的固體顆粒、不同氣體流量以及不同入口位置對流場的影響；作者研究團隊也利用PIV對φ50 mm水力旋流器內(nèi)水流速度分布進行測定[30]，捕捉到了精確的渦流區(qū)域，為水力旋流器流場模擬提供了可靠判據(jù)。

激光多普勒測速儀(Laser Doppler Anemometry/Velocimetry，簡稱LDA或LDV)作為非接觸測量的代表，由于采用激光測量，對于流場沒有干擾，測速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是線性關(guān)系，和該點的溫度和壓力也沒有關(guān)系，因此是目前世界上速度測量精度最高的儀器，成為研究流場特性的主要方法。它已在航空、航天、機械、化工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如用于螺旋槳尾流場的霧場特性研究、因溫度過高不適合接觸測量的火焰速度分布研究、激光多普勒測速儀車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)、水下潛器的深海導(dǎo)航等[31-36]。

綜合國內(nèi)外研究動態(tài)，LDA(或LDV)測試數(shù)據(jù)的用途主要體現(xiàn)在兩方面，一是對數(shù)值模擬結(jié)果進行驗證，再就是為模擬計算提供準確的邊界條件。該測試技術(shù)使得從更微觀的角度研究物料分離過程成為可能，為流體動力學(xué)研究及分選過程調(diào)控提供了非常有效的途徑。

4 螺旋溜槽結(jié)構(gòu)與操作參數(shù)研究動態(tài)

螺旋溜槽的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括直徑、螺距、斷面形狀、圈數(shù)和長度等[37-45]。

螺旋溜槽的直徑是設(shè)備的規(guī)格標志，直接影響其處理能力和粒度回收下限，同時也是決定其它結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)。研究與生產(chǎn)結(jié)果表明，大直徑的螺旋溜槽(φ1000 mm或φ1200 mm以上)對粗粒級物料的處理最為有效；而處理細粒物料時則宜采用較小的螺旋直徑。

螺距是決定螺旋溜槽縱向傾角大小的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它直接影響礦漿在螺旋溜槽內(nèi)的縱向流速和流層厚度，因此螺距必須選取適當。選礦生產(chǎn)中使用的溜槽的距徑比(螺距與螺旋直徑之比)以0.4～0.8居多，但也有超出此參數(shù)范圍的結(jié)構(gòu)設(shè)計及相應(yīng)工業(yè)試驗對比，比較典型的代表是張一敏等研制的超極限距徑比螺旋溜槽，即將距徑比降低到0.4以下，使溜槽坡度變緩，顯著提高了小密度差分選物料的分選效率。他們將距徑比為0.36的螺旋溜槽用于釩頁巖的預(yù)富集處理和細粒級磷灰石的重選作業(yè)中，取得了良好的經(jīng)濟技術(shù)指標。

在生產(chǎn)中，螺旋溜槽的斷面形狀與處理物料的粒度密切相關(guān)，尤其是螺旋溜槽橫截面的橫向傾角具有更重要的作用，因為它在很大程度上影響了礦流在槽面上的分布特性。研究與生產(chǎn)實踐表明，選別粒度不同的物料必須選取與之相應(yīng)的橫截面。選別粒度小于2 mm的物料，須選取有較大橫向傾角的橫截面，例如長軸、短軸之比為21～41的橢圓形截面；對于粒度小于0.3 mm的細粒礦物或礦泥的選別，則應(yīng)該選取較小橫向傾角的橫截面，如立方拋物線和直線截面，這樣的槽底形狀比較平緩，分選分帶較寬，有利于細粒級物料的分選。

螺旋溜槽的長度和圈數(shù)對物料運行距離的影響顯著。經(jīng)驗表明，使用不同長度的螺旋溜槽對處理不同粒度的煤顆粒是有益的。圈數(shù)則應(yīng)據(jù)物料性質(zhì)而異，例如，處理易選礦石時僅需3～4圈即可，然而對難選礦石或微細粒級物料而言，圈數(shù)則需增加到5～6圈甚至更多。

為了適應(yīng)物料性質(zhì)、提高設(shè)備的處理能力和分選精度，螺旋溜槽不斷涌現(xiàn)出新的結(jié)構(gòu)和形式[46-54]，如復(fù)合曲線溜槽、旋轉(zhuǎn)溜槽、刻槽溜槽、格條溜槽、多段螺旋溜槽、磁力螺旋溜槽等，這些有針對性的結(jié)構(gòu)改進使螺旋溜槽的分離性能顯著提高，為進一步研究結(jié)構(gòu)參數(shù)與分離性能的相關(guān)性提供了非常有價值的參考。研究者們也嘗試分析了結(jié)構(gòu)變化對分選槽中流體流動特性以及顆粒分選行為的影響，但由于檢測手段的限制和流場特性定量描述的缺乏，使得機理層面的分析有待于進一步深入。

對于螺旋溜槽操作參數(shù)的研究，包括給礦濃度、給礦流量和給料性質(zhì)三個方面[38,55-58]。在物料分選過程中，三者密切相關(guān)。

研究與生產(chǎn)情況表明，處理粒度為2～0.2 mm的物料時，適宜的給礦濃度范圍為10%～35%(固體質(zhì)量分數(shù)，下同)；處理-0.2 mm粒級的物料時，粗選作業(yè)的適宜給礦濃度為30%～40%，精選作業(yè)的適宜給礦濃度為40%～60%。當給礦濃度適宜時，給礦流量在較寬的范圍內(nèi)波動對選別指標影響不大。

此外，針對不同密度的入選物料，適宜的給礦濃度范圍具有一定差異。對于鎢礦選別，由于入選濃度太大，紊動擴散作用減弱，不利于礦泥分散，而當入選濃度太低時又擴散急劇，阻礙細粒重礦物沉降使其進入螺旋外緣，降低回收率，故入選濃度的適宜范圍為20%～35%；對于錫礦，給礦質(zhì)量濃度在20%～35%范圍內(nèi)變化對選別指標影響不大，相似的還有鐵尾礦，其適宜的給礦濃度為10%～20%，在此濃度范圍內(nèi)分選指標也較為穩(wěn)定。

作者曾圍繞給礦濃度和給礦流量對螺旋溜槽分離性能的影響開展系統(tǒng)的試驗研究[14]，考查了赤鐵礦和石英顆粒的分離指標，發(fā)現(xiàn)給礦濃度和給礦流量對不同性質(zhì)顆粒具有明顯的交互作用，但內(nèi)在的調(diào)控機制現(xiàn)階段還不明確，需要借助于有效途徑進一步深化研究工作。

5 研究展望

通過以上文獻追蹤與分析，基于螺旋溜槽流場及其分離性能取得了大量成果，然而由于受多種因素的影響，截至目前所開展的研究工作及形成的認識還遠未達到指導(dǎo)分選過程調(diào)控的水平，今后需要在以下幾個方面加強研究工作：

(1)在眾多影響螺旋溜槽分離性能的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)中，斷面幾何對螺旋溜槽流場特性具有決定作用，但相關(guān)研究還基本停留在“黑箱”模式，亟需深入到流體介質(zhì)行為層面，建立螺旋溜槽斷面形狀與其分離性能的相關(guān)性，為螺旋溜槽分離過程調(diào)控提供可靠依據(jù)。

(2)鑒于分選過程數(shù)值模擬的優(yōu)越性—受干擾小、過程參量全面，今后應(yīng)進一步融合數(shù)值試驗與實際試驗方法，基于明渠流動原理，確立高精度的螺旋溜槽流場與分離過程數(shù)值計算模型，為揭示結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)的作用規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

(3)在查明螺旋溜槽中流層鋪展及流態(tài)分布狀態(tài)的基礎(chǔ)上，需進一步廓清內(nèi)緣薄膜流、二次環(huán)流等特征流的分選作用，并據(jù)此設(shè)計針對特定給料與分離目標的螺旋溜槽結(jié)構(gòu)參數(shù)，進而驗證流場特性與顆粒分離結(jié)果的相關(guān)性。