葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)特性的影響

唐 軍 滕瑜崇 劉 輝 于明明 匡敬忠 符東成

(1.江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江西 贛州 341000;2.贛南科技學(xué)院,江西 贛州 341000;3.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

自吸式浮選機(jī)的循環(huán)量與葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)存在耦合關(guān)系[1],循環(huán)量過(guò)大,會(huì)使分離液面不穩(wěn)定,影響礦化泡沫的收集,循環(huán)量過(guò)小,礦物難以充分懸浮,會(huì)降低礦化泡沫的產(chǎn)量。因此,通過(guò)優(yōu)化浮選機(jī)的葉輪結(jié)構(gòu),在合理范圍內(nèi)提高循環(huán)量,有助于提高礦物回收率。CFD作為一種有效的研究方法和技術(shù)手段,廣泛應(yīng)用于浮選機(jī)研究領(lǐng)域[2-3]。周原彬等[4]通過(guò)CFD分析了單相流下葉片傾角對(duì)流場(chǎng)特征和浮選機(jī)循環(huán)量的影響,發(fā)現(xiàn)葉片傾角對(duì)液相的軸向速度、湍動(dòng)能和壓力差有較大影響,葉輪傾角為徑向(0°)時(shí)有助于提高浮選機(jī)循環(huán)量。LIU Baoqing等[5]采用CFD研究了礦物入料位置、入料離散數(shù)等對(duì)礦物懸浮性的影響,并在相同工況下,分析了新式雙葉片葉輪較傳統(tǒng)葉輪在提高礦物懸浮均勻性方面的優(yōu)勢(shì)。GUNWANTM[6]利用CFD模擬了攪拌桶內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)特征,根據(jù)模擬結(jié)果,提出了循環(huán)體積的計(jì)算方法,同時(shí)分析了葉輪傾角對(duì)攪拌桶功耗的影響,發(fā)現(xiàn)后傾葉輪可以降低攪拌桶的功耗。AMEUR H[7]借助CFD探究了葉輪個(gè)數(shù)、輪盤(pán)間隙對(duì)流體粒子分布特征的影響,以提高流體粒子的懸浮性為目標(biāo),確定了最佳葉輪個(gè)數(shù)和輪盤(pán)間隙。孟麗等[8]設(shè)計(jì)了一種隔板葉輪,采用CFD研究了氣-液兩相流下,隔板葉輪對(duì)浮選機(jī)性能的影響,并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,得出隔板葉輪與原有葉輪性能相當(dāng)。

上述研究主要模擬了浮選機(jī)內(nèi)部的流體動(dòng)力學(xué)特性,其成果對(duì)浮選機(jī)的優(yōu)化具有借鑒意義,但對(duì)葉輪的優(yōu)化研究大部分僅停留在傾角等基本參數(shù)上,導(dǎo)致自吸式浮選機(jī)葉輪形式單一,性能提升不明顯。因此,本文以提高自吸式浮選機(jī)循環(huán)量、礦物懸浮均勻性為目標(biāo),將循環(huán)量更強(qiáng)的雙倒錐臺(tái)式結(jié)構(gòu)與星型徑向葉輪進(jìn)行了結(jié)合。借助CFD方法及試驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)比分析了優(yōu)化前后葉輪對(duì)浮選動(dòng)力學(xué)特性的影響。

1 結(jié)構(gòu)模型與仿真方法

1.1 結(jié)構(gòu)模型建立與網(wǎng)格劃分

JJF-0.2 m3試驗(yàn)樣機(jī)主要由豎筒、分散罩、定子、葉輪、循環(huán)筒、假底、罐體等結(jié)構(gòu)組成,結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1,采用SolidWorks對(duì)其建立的物理模型見(jiàn)圖2。葉輪作為自吸式浮選機(jī)最主要的結(jié)構(gòu)兼具吸氣和循環(huán)礦漿的作用[9],試驗(yàn)樣機(jī)原用星型徑向葉輪見(jiàn)圖3,結(jié)合理論研究及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)原有葉輪進(jìn)行優(yōu)化后形成的改進(jìn)葉輪見(jiàn)圖4。

圖1 JJF-0.2m3試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 The schematic diagram of JJF-0.2m3 test prototype structure

圖2 JJF-0.2 m3試驗(yàn)樣機(jī)物理模型Fig.2 Physical model of JJF-0.2 m 3 test prototype

圖3 星型徑向葉輪Fig.3 Star radial impeller

圖4 改進(jìn)葉輪Fig.4 Improved impeller

在Ansys Fluent軟件中對(duì)JJF物理模型進(jìn)行流體域的填充,以及靜止域和旋轉(zhuǎn)域的拆分后,通過(guò)Mesh生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為提高仿真結(jié)果的可靠性,在定子、分散罩、假底等多孔位置進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理,網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的檢驗(yàn)選取單相流下循環(huán)筒內(nèi)某一點(diǎn)液相的流速變化趨勢(shì)作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)見(jiàn)表1。由表1可知,隨網(wǎng)格數(shù)量增加,液相流速趨于穩(wěn)定,在網(wǎng)格數(shù)量大于9.61×106后,液相流速的波動(dòng)范圍相較于前一套網(wǎng)格在6%以內(nèi),綜合考慮模擬結(jié)果的可靠性及計(jì)算成本,最終選取網(wǎng)格數(shù)量為9.61×106。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)Table 1 Grid independence test table

1.2 仿真模型選擇與條件設(shè)置

Standardk-εModel模型作為最常用的湍流模型[10],在浮選機(jī)的模擬研究中已被證實(shí)了具有良好的預(yù)測(cè)能力,因此單相流采用Standardk-εModel模型,其中湍動(dòng)能k和耗散率ε的輸運(yùn)方程為:

式中,Yk和Yε分別代表湍動(dòng)生成的k和ε;Sk和Sε為自定義源項(xiàng);Gk為平均速度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能,m2/s2;Gε為湍動(dòng)產(chǎn)生的湍流動(dòng)能,m2/s2;σk和σε分別為k和ε的湍動(dòng)普朗特?cái)?shù)。

不考慮氣相時(shí),利用歐拉-歐拉方法,對(duì)采用Standardk-εModel湍流模型的固-液兩相流進(jìn)行模擬計(jì)算。曳力模型采用Gidaspow,其中固相懸浮和運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?lái)源為液相對(duì)其的曳力,計(jì)算過(guò)程中忽略升力、附加質(zhì)量力等小量級(jí)力。浮選中固相顆粒被處理為與液相相互作用的連續(xù)介質(zhì)時(shí),固相間的固相應(yīng)力采用顆粒動(dòng)力學(xué)理論模型來(lái)描述。葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)固相顆粒不發(fā)生變形,每一相的運(yùn)動(dòng)由連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程控制[11],兩種方程分別為:

式中,Aq為第 q相的礦漿體積分?jǐn)?shù);ρq為密度,kg/m3;為速度,m/s;p為壓強(qiáng),Pa;為應(yīng)力張量,Pa;g為重力加速度,m/s2;Fq為相間作用力,N。

罐體內(nèi)壁設(shè)為光滑壁面,液相和固相分別設(shè)為No silp和Free slip邊界條件[12]。固相為黃銅礦,液相為清水,固相、液相的基本參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2,所有模擬案例的葉輪轉(zhuǎn)速均為997 r/min,并采用穩(wěn)態(tài)求解,數(shù)值計(jì)算終止基于平方根殘差為1×10-5的可靠性收斂準(zhǔn)則。

表2 固相、液相的基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of solid and liquid phases

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)特征的影響分析

單相流模擬下,兩種葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)浮選機(jī)罐體內(nèi)液相的速度矢量圖見(jiàn)圖5。

圖5 液相速度矢量圖Fig.5 Liquid phase velocity vector diagram

從圖5可以看出,兩種葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)罐體內(nèi)部均形成上下兩個(gè)大的對(duì)稱循環(huán)渦流,其中上部流場(chǎng)主要為礦物顆粒和氣泡的碰撞以及運(yùn)輸?shù)V化泡沫創(chuàng)造適宜的流場(chǎng)條件;下部流場(chǎng)旨在為未參與循環(huán)的礦物顆粒提供循環(huán)機(jī)會(huì)。在浮選過(guò)程中,葉輪甩出的礦漿無(wú)法完全由定子孔排出,部分未排出的礦漿在葉輪攪拌下沿豎筒內(nèi)壁運(yùn)動(dòng),形成一個(gè)有利于浮選機(jī)卷吸空氣[13]的局部循環(huán)渦流。相較于傳統(tǒng)星型徑向葉輪,改進(jìn)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠在罐體底部形成兩個(gè)較小的循環(huán)渦流,同時(shí)提高循環(huán)筒內(nèi)液相的軸向流速。其中,罐體底部小渦流的存在可以提高礦物顆粒的懸浮性,循環(huán)筒內(nèi)較高的軸向流速能夠提高浮選機(jī)循環(huán)量。

2.2 葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)湍流特性的影響分析

流場(chǎng)分析只能定性地對(duì)液相流動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行描述,無(wú)法詳細(xì)說(shuō)明流場(chǎng)的紊亂特征,而湍流動(dòng)能是速度脈沖值的體現(xiàn),可以定量描述流場(chǎng)的湍流特性[4]。單相流模擬下,兩種葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)浮選機(jī)罐體內(nèi)的湍流動(dòng)能分布見(jiàn)圖6。

由圖6可知,兩種葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)均在豎筒和循環(huán)筒內(nèi)形成了湍流,并且湍動(dòng)能最大值都出現(xiàn)在葉輪處,相較于星型徑向葉輪,改進(jìn)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)在豎筒和循環(huán)筒內(nèi)形成的湍動(dòng)能分布范圍更廣、強(qiáng)度更高,有助于提高浮選機(jī)的吸氣量和循環(huán)量。

圖6 湍流動(dòng)能分布Fig.6 Turbulent kinetic energy distribution map

2.3 葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)模擬循環(huán)量和功耗的影響分析

為研究葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)模擬循環(huán)量和功耗的影響,分別提取兩種葉輪在單相流下和固相粒度為50μm的兩相流下的模擬性能參數(shù)。因循環(huán)量是根據(jù)循環(huán)筒內(nèi)液相的軸向流速進(jìn)行計(jì)算的[6],故通過(guò)CFD-POST后處理軟件,提取距離罐體底部0.08 m處循環(huán)筒截面上液相的平均軸向流速,采用速度-面積法計(jì)算得出模擬循環(huán)量。扭矩利用葉輪所受液相的扭力與作用半徑的積分計(jì)算后,帶入公式獲得模擬功耗。兩種葉輪的模擬性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 2種葉輪的模擬性能參數(shù)Table 3 Simulation performance parameters of two impellers

從表3可以看出,兩種葉輪在單相流下的循環(huán)量模擬值均大于固-液兩相流下的模擬值。結(jié)果表明,固相的參與降低了循環(huán)量、增大了功耗,符合實(shí)際情況,也從側(cè)面驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。

通過(guò)對(duì)比兩種葉輪的模擬性能參數(shù),發(fā)現(xiàn)改進(jìn)葉輪對(duì)浮選機(jī)循環(huán)量提升顯著,相較于星型徑向葉輪,改進(jìn)葉輪的循環(huán)量在單相流模擬下提高了49%,兩相流模擬下提高了46%;功耗在單相流模擬下增大了9%,兩相流模擬下增大了8%。

2.4 葉輪性能參數(shù)的試驗(yàn)研究

在給料粒度為45～55μm(平均粒度50μm)、體積濃度為10%的黃銅礦礦漿中,對(duì)兩種葉輪的整體性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究。由于試驗(yàn)樣機(jī)體積小,測(cè)量循環(huán)筒內(nèi)礦漿軸向流速不現(xiàn)實(shí),故采用在假底底面邊沿r=0.52 m的圓周上布置10個(gè)速度測(cè)量點(diǎn),通過(guò)獲取速度測(cè)量點(diǎn)徑向流速的平均值,來(lái)等效循環(huán)筒內(nèi)礦漿的平均軸向流速,進(jìn)而計(jì)算出礦漿循環(huán)量。礦漿流速的測(cè)量采用便攜式測(cè)算儀(圖7),功耗的測(cè)量采用扭矩傳感器(圖8),吸氣量采用排水集氣法進(jìn)行測(cè)量得出。為降低偶然因素對(duì)葉輪性能參數(shù)測(cè)量的影響,分別對(duì)轉(zhuǎn)速為997 r/min時(shí)的礦漿流速、功耗、吸氣量進(jìn)行3次測(cè)量,最終通過(guò)取平均值的方法計(jì)算出葉輪的各性能參數(shù)。兩種葉輪的試驗(yàn)性能參數(shù)見(jiàn)表4。

圖7 便攜式測(cè)算儀Fig.7 Portable vibration meter

圖8 扭矩傳感器Fig.8 Torque transducer

表4 2種葉輪的試驗(yàn)性能參數(shù)Table 4 Test performance parameters of two impellers

從表4可以看出,在轉(zhuǎn)速為997 r/min時(shí),改進(jìn)葉輪相較于星型徑向葉輪礦漿循環(huán)量提高了45%,功耗增大了5%,吸氣量提高了3%。研究發(fā)現(xiàn),浮選機(jī)循環(huán)量與其容積比的范圍在3～5之間時(shí)浮選效果最佳[14],在該比值范圍內(nèi),提高循環(huán)量可以降低發(fā)生礦漿短路的概率,提高礦化泡沫的產(chǎn)量。改進(jìn)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)浮選機(jī)循環(huán)量與其容積比為3.05,能夠保證礦物顆粒的懸浮時(shí)間,進(jìn)而提高礦物顆粒進(jìn)入葉輪區(qū)與氣泡發(fā)生再碰撞的概率。

將兩種葉輪在固-液兩相流下的模擬性能參數(shù)與試驗(yàn)性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn),循環(huán)量和功耗的模擬值與試驗(yàn)值的相差程度均在10%以內(nèi),造成誤差的部分原因?yàn)楹雎詺庀嘤绊懰?。試?yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性以及改進(jìn)葉輪優(yōu)化的合理性。

2.5 粒度和葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)礦物懸浮均勻性的影響分析

粒度是影響礦物懸浮均勻性的關(guān)鍵因素之一[15],為深入研究粒度對(duì)礦物懸浮均勻性的影響,分別以給料粒度為50μm、74μm和120μm的黃銅礦作為模擬研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行固-液兩相流模擬,得到的礦物濃度等值線圖見(jiàn)圖9。

圖9 礦漿濃度等值線分布Fig.9 Isoline distribution of mineral concentration

從圖9可以看出,粒度為50μm的礦物顆粒在液相的分散程度更高,假底和罐體底部無(wú)明顯礦物堆積現(xiàn)象;粒度為74μm的礦物顆粒在罐體底部開(kāi)始出現(xiàn)礦物堆積現(xiàn)象,分散程度適中;粒度為120μm的礦物顆粒分散程度最差,在靠近分離液面很長(zhǎng)一段距離無(wú)礦物顆粒分布,大量礦物堆積在假底和罐體底部。

因罐體內(nèi)礦物的分布特征具有對(duì)稱性,故選取距離葉輪軸線中心r=0.26 m,長(zhǎng)度為0.62 m的取樣范圍,并在該范圍內(nèi)均勻選取30個(gè)樣本點(diǎn),用該范圍內(nèi)礦物的懸浮均勻性來(lái)反映整個(gè)罐體內(nèi)部的礦物懸浮均勻性。取樣范圍示意見(jiàn)圖10。

圖10 取樣范圍示意Fig.10 Sample point diagram

礦物懸浮均勻性的兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為礦物懸浮性α和懸浮均勻度ζ,對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式分別為[16]:

式中,Ch與Cavg分別表示取樣范圍內(nèi)各樣本點(diǎn)的濃度值和平均濃度值,n表示樣本點(diǎn)個(gè)數(shù)。α和ζ與1越接近表明礦物顆粒的懸浮均勻性越好。

根據(jù)懸浮性α的計(jì)算公式,計(jì)算給料粒度分別為50μm、74μm和120μm的黃銅礦在取樣范圍內(nèi)的α值,得出的給料粒度對(duì)礦物懸浮性的影響曲線見(jiàn)圖11。

圖11 粒度對(duì)礦物懸浮性的影響Fig.11 Influence of particle size on mineral suspension

從圖11可以看出,粒度越大礦物顆粒越不易懸浮,罐體底部礦物濃度明顯增大,導(dǎo)致該點(diǎn)α值與1的間距變大。粒度為50μm的礦物懸浮性曲線近似于直線與1最貼近,在靠近分離液面時(shí)曲線急劇下滑;粒度為120μm的礦物懸浮性曲線波動(dòng)最大且在更低位置出現(xiàn)曲線急劇下滑現(xiàn)象;粒度為74μm的礦物懸浮性曲線介于50μm和120μm的礦物懸浮性曲線之間,分布較為平緩。粒度為50μm、74μm和120μm的礦物ζ值分別為0.95、0.81和0.68,綜合礦物懸浮均勻性的兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)可以得出,隨粒度增大礦物懸浮均勻性變差。

為研究葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)礦物懸浮均勻性的影響,在選取粒度為120μm的黃銅礦作為模擬對(duì)象,固-液兩相流模擬下,兩種葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)罐體內(nèi)的礦物濃度等值線圖見(jiàn)圖12。從圖中可以看出,星型徑向葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)礦物在液相的分散程度較弱,礦物在罐體底部和假底上方堆積嚴(yán)重。由于改進(jìn)葉輪抽吸效果顯著,罐體底部礦物濃度較小,礦物的整體分散程度較高,但假底和循環(huán)筒的夾角處仍有少量礦物堆積。

圖12 礦漿濃度等值線分布Fig.12 Isoline distribution of mineral concentration

葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)礦物懸浮性的影響曲線見(jiàn)圖13。

圖13 葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)礦物懸浮性的影響Fig.13 Influence of impeller structure on mineral suspension

由圖13可知,相較于星型徑向葉輪,改進(jìn)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)礦物懸浮性曲線更加平緩且α值與1更貼近,曲線急劇下滑現(xiàn)象出現(xiàn)在相對(duì)較高位置。星型徑向葉輪和改進(jìn)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)粒度為120μm的礦物ζ值分別為0.68和0.75。綜合礦物懸浮均勻性的兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)可以得出,改進(jìn)葉輪在提高礦物懸浮均勻性方面效果顯著。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)結(jié)合理論研究及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)JJF試驗(yàn)樣機(jī)原有葉輪進(jìn)行優(yōu)化后形成了一種能提高浮選機(jī)循環(huán)量及礦物懸浮均勻性的改進(jìn)葉輪,通過(guò)CFD模擬和試驗(yàn)研究,驗(yàn)證了改進(jìn)葉輪優(yōu)化的合理性。

(2)研究表明,相較于星型徑向葉輪,改進(jìn)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)在豎筒和循環(huán)筒內(nèi)形成了更強(qiáng)的湍動(dòng)能,浮選機(jī)循環(huán)量顯著提升,功耗略微增大,吸氣量無(wú)明顯變化。粒度對(duì)礦物懸浮均勻性有較大影響,隨粒度增大,礦物在液相的懸浮均勻性變差,改進(jìn)葉輪在提高礦物懸浮均勻性和解決礦物沉槽問(wèn)題方面效果顯著。

(3)改進(jìn)葉輪提高了罐體內(nèi)礦物的懸浮均勻性,但假底和循環(huán)筒的夾角處仍有少量礦物堆積,除控制礦物粒度和優(yōu)化葉輪結(jié)構(gòu)外,對(duì)夾角處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化也是提高礦物懸浮均勻性的一種方法。