自吸气浮选机隔板叶轮研究.pdf

2 0 1 8 年第6 期有色金属 选矿部分 8 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 8 ．0 6 ．0 1 7 自吸气浮选机隔板叶轮研究 孟丽，陈飞飞 北京矿冶科技集团有限公司，北京1 0 0 1 6 0 摘要叶轮的结构型式和运行参数决定了浮选机的整体性能，结合理论分析及工程经验设计了一种功能分区 的隔板叶轮。利用C F D 仿真方法和试验方法对隔板叶轮的整体性能进行了测试，在仿真条件下分析了槽体内的流场 结构、气液分散、功耗、循环量和吸气量等，并采用试验方法进一步对隔板叶轮的性能进行了研究，结果过表明，隔板叶 轮循环量增加，吸气量略微减小，功耗略微增加，槽体下方搅拌能力增强，隔板叶轮整体性能较标准叶轮相当。 关键词C F D ；自吸气浮选机；叶轮 中图分类号T I M 5 6文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 8 0 6 - 0 0 8 7 - 0 5 S t u d yo nD i a p h r a g mI m p e l l e ro fS e l f - a e r a t e dF l o t a t i o nC e l l M E N GL i ，C H E NF e i f e i B G R I M MT e c h n o l o g yG r o u p ，B e r i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t r n l es t r u c t u r a lt y p ea n do p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft h ei m p e l l e rd e t e r m i n et h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo f t h ef l o t a t i o nm a c h i n e ．B a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e ，ap a r t i t i o ni m p e l l e rw i t hd i f f e r e n t f u n c t i o n si sd e s i g n e dw h i c hn a m e sd i a p h r a g mi m p e l l e r ．，n l eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ed i a p h r a g mi m p e l l e rw a s r e s e a r c h e db yC F Ds i m u l a t i o nm e t h o da n dt e s tm e t h o d ．T h ef l o wf i e l ds t r u c t u r e ，g a s l i q u i dd i s p e r s i o n ，p o w e r c o n s u m p t i o na n ds u c t i o na m o u n ti nt h et a n kw e r ea n a l y z e du n d e rt h es i m u l a t i o nc o n d i t i o n ．T h ep e r f o r m a n c eo ft h e d i a p h r a g mi m p e l l e rw a sf u r t h e rs t u d i e db yt e s tm e t h o d ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec i r c u l a t i o na m o u n to ft h e d i a p h r a g mi m p e H e ri n c r e a s e d ，t h ea i ri n s p i r a t i o nc a p a c i t yd e c r e a s e d ，p o w e rc o n s u m p t i o ns l i g h t l yi n c r e a s e d ，t h e i m p e l l e rs t i r r i n gc a p a c i t yw a si n c r e a s e do nl o w e rp a r to ft r o u g ht a n k ，a n dt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fd i a p h r a g m i m p e l l e ri sc o m p a r a b l et ot h a to fs t a n d a r di m p e l l e r ． K e yw o r d s C F Ds i m u l a t i o n ；s e l f - a e r a t e df l o t a t i o nc e l l ；i m p e l l e r 叶轮是自吸气浮选机最关键的结构之一，叶轮 的旋转要在槽体内实现自吸空气、循环矿浆及形成 适宜矿物分选的流体动力学环境⋯。为此通常会 通过叶轮的循环量、功耗及吸气量来评价叶轮整体 性能的好坏旧J 。J J F 型自吸气浮选机叶轮在综合三 方面的性能后确定采用星形径向叶轮，由于惯性思 维，在后期的使用过程中没有过多的去思考为什么 使用该种型式的叶轮，导致到了几十年后的今天依 旧使用该型式的叶轮，并无过多的优化。循环量是 叶轮设计的关键参数之一，可以表征浮选机内矿浆 循环的强度及叶轮的抽吸的能力，合理的叶轮循环 量能够保证浮选机内矿物所需的浮选时间，提高矿 物颗粒进入叶轮区再碰撞矿化的概率，进而提高浮 选指标’3 引。根据理论分析及工程经验，自吸气浮 基金项目国家自然科学基金资助 5 1 5 0 4 0 2 5 收稿日期2 0 1 8 - 0 6 1 2修回日期2 0 1 8 - 0 9 - 2 9 作者简介盂丽 1 9 8 1 - ，女，天津人，双学士，工程师。 选机叶片存在功能分区的作用，叶轮上叶片实现空 气卷吸，下叶片实现循环矿浆，综合J J F 和K Y F 型 浮选机叶轮结构及功能的优势，提出具有双层叶片 的新型叶轮设计方案，上叶片仍然采用星型径向叶 片，保证吸气量，下叶片采用双锥台后倾高比转速叶 轮，旨在提高循环量，中间用隔板相连，形成了一种 新的隔板叶轮旧。1 。 传统的叶轮流场研究方法主要是理论研究和试 验研究，理论研究能给出流场的解析解，但其使用范 围有限，只适用于一些简单的流动模型，得到的结果 远远不能满足对流场细节的研究；试验研究借助各 种仪器设备能对流场的一些宏观参数进行测量，能 直接解决实际问题，能发现流动中的新现象，得到一 些有价值的结果，但不能直观地展示或揭示循环流 万方数据 8 8 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第6 期 的具体细节，如循环流的大小、强弱等等。为此，借 助计算流体力学仿真技术对隔板叶轮进行研究，并 通过少量试验进行验证，最终评价隔板叶轮的整体 性能‘8 ‘10 | 。 1 物理模型及参数 隔板叶轮结构如图1 所示，搭建的试验平台如 图2 所示。 口 上叶J 上 图1 隔板叶轮结构型式 F i g ．1D i a p h r a g mi m p e l l e r l 一吸气1 3 ；2 一竖筒；3 一叶轮；4 一定子； 5 一分散罩；6 一循环简；7 一槽体；8 一假底 图2 试验平台 F i g ．2T e s t i n gs y s t e m 参照试验平台建立了仿真模型，整体采用六面 体网格对模型进行划分，如图3 所示。经网格无关 性验证后，网格数量确定为1 6 0 万，网格质量大于 0 ．4 ，实现了高质量的网格划分。 实验室条件下测量附有导流筒类型浮选机的循 环量是通过在叶轮底部多点布置传感器来测量循环 图3J J F m ．2 浮选机网格划分 F i g ．3 T h eg r i do fJ J F - 0 ．2n o t a t i o nc e l l 筒内的轴向流速，得到循环筒截面的速度分布，进而 计算出叶轮循环量。然而，由于实验室J J F - 0 ．2 浮 选机的整体尺寸较小，尤其想要在循环筒内布置多 个速度传感器来得到界面的平均流速更加困难，测 试结果也不准确，为此，需寻求新的方法测量循环 量。通过分析竖直平面的速度矢量图可知，槽体下 方的循环流场是通过假底流入循环筒内的，这就给 我们提供了一种新的测试循环量的方法通过测试 假底边沿以下至槽体底部环形平面的流速来等效循 环筒内的流量。在假底的周向方向均布四个测试位 置，每个测试位置在竖直方向均布四个测试点，共 1 6 点，便携式流速测量仪 如图4 所示 测量1 6 个 点的径向速度，最终得到该环面的平均流速，求出循 环量。C F D 模拟预测循环量的方法比较方便，选取 循环筒内距离叶轮下端面0 ．2m 的平面作为计算截 面，所得界面为循环筒的大小，半径为0 ．0 7 4m 界面 由C F D 模拟结果提取出截面处的轴向速度分布，对 其进行积分计算出叶轮循环量，将叶轮循环量量化， 如图5 所示。 图4 便携式测算仪 F i g ．4 P o r t a b l ev i b r a t i o nm e t e r q 州 万方数据 2 0 1 8 年第6 期 孟丽等自吸气浮选机隔板叶轮研究 8 9 图5 循环量计算平面 F i g ．5 T h ec a l c u l a t ep l a n eo fc i r c u l a t i o nq u a n t i t y 实验室条件下一般通过扭矩传感器测试轴的扭 矩进而计算出轴的搅拌功耗，这是浮选机的主轴功 耗，它不考虑轴转动的能量损耗。本试验采用扭矩 传感器对自吸气浮选机的轴功耗进行计算，扭矩传 感器如图6 所示。C F D 中可将液相对叶轮的扭力与 作用半径的乘积进行积分得到液相对叶轮的作用扭 矩，进而根据公式可计算出浮选机的功耗。C F D 预 测得出的功耗，仅考虑叶轮消耗的功率，不考虑主轴 的阻力损失。 图6 扭矩测试系统 F i g ．6T o r q u et e s t i n gs y s t e m 叶轮的转速为9 9 7r ／m i n ，单相流采用k _ ￡湍流 模型，进出口采用壁面边界条件。两相流采用S S T 湍流模型，曳力系数模型采用固定的曳力系数4 ，进 出口采用o p e n i n g 边界条件，初始液位为 5 4 0m m [ 1 1 ‘14 | 一 2 结果分析 2 ．1 单相流结果分析 图7 和图8 给出了新型叶轮的速度矢量图和速 度云图的仿真结果。 分析图7 和图8 可知，在叶轮的边沿速度达到 图7 隔板轮速度云图 F i g ．7V e l o c i t yc o n t o u ro fd i a p h r a g m i m p e l l e V V c L c l “t o 。l i f ∑1 1 1 、 n F la n l c 图8 隔板叶轮速度矢量图 F i g ．8V e l o c i t yc o n t o u ro fd i a p h r a g mi m p e l l e r 了最大值，中间隔板对下部的上升流体的流动方向 强制发生了改变。上叶片在竖筒内也形成了一个流 速较大的区域，同时定子对叶轮产生的周向流速产 生了很好的导向作用，形成了很好的径向流速。槽 体中下部形成了一块流速较大的区域，尤其在疏通 内部区域流速较大，表明隔板叶轮有较大的循环量， 仔细观察发现，在定子及叶轮的间隙间也存在一个 较大的流速区，需进一步分析其存在的原因。分析 竖直平面内的速度矢量图可知，叶轮旋转，下部叶片 循环的矿浆在隔板的作用下向槽体分散，流体通过 定子及分散罩的孔道后径直的射向槽体边壁，随后 流体分成了两股，一股流向槽体上部形成运输及分 离矿物的上部循环，一股流向槽体中下部，形成颗粒 悬浮及循环的下部循环流场。分析槽体中部区域发 现，在定子与叶轮间隙问存在一个向下的流体，流向 槽体底部，一部分进入假底下方参与循环，一部分流 经假底上方再返回到叶轮区参与循环，这与相关报 道的自吸气浮选机槽体内流场的结构存在一些偏 差。原因可能是循环量增大，定子孔道不足以排出 足够的循环量，进而只能从定子及叶轮的间隙间排 一 十 十 一 “●虻 埘垮” 虻佗 肘忙雌虻虻 时Ⅲ帅w三耋三晕惦坦㈧“㈨㈨一 小三一o n 5 S 4 3 2 2●7．s №‰几㈠㈠㈠㈧㈠㈠川黼㈧斟_I．_I m 卧 卧 卧 卧 卧 蛳 吼 薹 蝌 ㈣ 万方数据 9 0 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第6 期 出，具体原因有待进一步分析。 图9 是叶轮区的速度矢量图，分析可知，下部叶 片流动较为强烈而上部叶片则比较弱，同时由于隔 板的存在，下部循环的流体与上部的流体在隔板处 被分离，两股流体没能很好的接触混合。在叶轮与 定子的间隙间、定子与分散罩的间隙间存在一个局 部的湍流场，有利于矿物颗粒的碰撞矿化。 图9 叶轮区速度矢量图 F i g ．9V e l o c i t yv e c t o ro nr o t o rd o m a i n 表1 给出了C F D 预测的主要性能数据。由于 真实状态不存在单相流的情况，为此不能对单相流 的仿真数据进行试验验证，但可以为气．液两相流的 仿真做一些参考，比如功耗、循环量应该小于单相流 的仿真值。 表1隔板叶轮与标准叶轮参数对比 T a b l e1 C o m p a r i s o no fp r e d i c t e dd a t af r o md i f f e r e n t i m p e U e ra n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s 标准叶轮 10 7 4 ．01 ．2 50 ．7 2 隔板叶轮 10 1 5 ．01 ．3 10 ．6 5 整体来说，隔板叶轮的循环能力更强，隔板叶轮 所形成流场结构与国外相关文献报道的单相流场基 本相似，槽体下方的搅拌能力更强，满足工业应用上 需要较大的搅拌悬浮能力。为此，单相流的仿真结 果初步认为隔板叶轮设计合理。 2 ．2 两相流及试验结果分析 竖直平面内的气含率云图和液相速度矢量图如 图1 0 和图1 1 所示。 分析图1 0 可知，槽体内整体的气含率有所降 低，气体能在槽体内均匀分散。分析图1 1 可知，下 部叶片及循环筒内的流动较为剧烈，表明下部叶片 采用双锥台后倾高比转速叶轮确实有利于提高循环 量。槽体内也形成了上下两个循环流场，上部循环 图1 0 气含率云图 F i g ．1 0 A i rv o l u m ef r a c t i o nc o n t o u r 图1 1 液相速度矢量图 F i g ．11L i q u i dv e l o c i t yv e c t o r 流场较为规则，但竖筒内的流动较弱，不利于空气的 卷吸，不利于形成较低的真空度，这也是吸气能力降 低的一个原因。下部循环流场较为强烈，循环量增 大，有利于矿物颗粒的悬浮及碰撞矿化。 模拟预测循环量、功耗、吸气速率及气含率与试 验条件下的对比如表2 所示。 表2C F D 预测参数与试验参数对比 T a b l e2 C o m p a r i s o no fp r e d i c t e dd a t aa n de x p e r i m e n t a l r e s u i t s 参数 功耗／W 循环量／ m 3 r a i n 一1 茎墅篁 堡壅堕笙鎏堕笪 6 0 6 ．05 7 0 ．0 0 ．6 8O ．4 5 分析表2 可知，模拟能在一定误差范围内很好 的预测出隔板叶轮的整体参数模拟功耗比试验值 大8 ％，模拟循环量比试验值大1 0 ％，模拟吸气速率 惹 值一 筹哪 堡 万方数据 2 0 1 8 年第6 期孟丽等自吸气浮选机隔板叶轮研究 9 1 与试验值相当，这表明建立起来的自吸气浮选机模 拟仿真策略相对比较正确，对浮选机运行过程中的 一些参数的预测能保证在一定误差范围内。隔板叶 轮与标准叶轮试验值的对比分析可知隔板叶轮功 耗大6 ％，循环量大5 1 ％，吸气速率小1 4 ％，这表明 隔板叶轮循环量显著增加，吸气速率有所降低，功耗 略微增加，满足工业要求。叶轮区的平均气含率为 0 ．3 5 ，与标准叶轮 0 ．8 0 相比小5 5 ％，这表明叶轮 区的气含率很低，这也就导致叶轮的搅拌功率较标 准叶轮大；下部叶轮采用后倾角度的叶轮型式，从理 论上计算后倾叶轮较前倾叶轮过流面积提高了 2 0 ％左右，因此，在相同阻力的情况下，则可以加大 矿浆流量，从而强化了浮选机内的矿浆循环性能，进 而也提高了功耗；空气卷吸过程是上部叶轮卷吸的 空气与下部叶轮循环的液体在叶轮的中间位置接触 混合，并最终将气- 液混合物从叶轮的中间甩出，分 散到槽体内实现，最终实现空气卷吸过程。隔板叶 轮吸气量较标准叶轮小的原因在于叶轮的隔板阻 碍了上部气体与下部液体有效的混合，进而影响了 吸气过程。 3 结论 1 隔板叶轮循环量显著增加，吸气量有所减 小，功耗略微增加，槽体下部搅拌能力强有利于颗粒 的悬浮，叶轮设计效果达到了预期的效果。 2 仿真结果与试验值的对比进一步验证了模 拟策略的准确性，建立起来的仿真策略可以用于新 型叶轮的优化设计。 参考文献 [ 1 ] 沈政昌，卢世杰，陈东，等．J J F 一1 3 0 大型机械搅拌式浮 选机研究与设计[ J ] ．矿冶，2 0 0 8 ，1 7 4 8 1 - 9 4 ． [ 2 ] 陈飞飞，陈东，樊学赛，等．自吸气浮选机叶轮倾角的 试验研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 7 增刊1 1 2 3 一1 2 6 1 4 3 ． [ 3 ] 陈东．J J F 一1 3 0 m 3 机械搅拌式浮选机动力学研究[ J ] ． 有色金属 选矿部分 ，2 0 0 8 6 4 9 5 1 ． [ 4 ] 高喜潮，郑智学．J J F 型浮选机在金川集团公司选矿厂的 应用[ J ] ．矿业工程，2 0 0 6 ，4 6 4 0 _ 4 1 ． [ 5 ] 张鹏．4 5 m 3 机械搅拌式浮选机的设计与应用[ J ] ．洁净 煤技术，2 0 1 4 ，2 0 4 1 1 - 2 4 ． [ 6 ] 樊学赛，史帅星，张明，等．基于C F D 方法的K Y F 型浮 选机叶轮后倾角度的影响研究[ J ] ．有色金属 选矿部 分 ，2 0 1 6 3 7 2 - 7 6 ． [ 7 ] S H IS ，Y uY ，Y A N Gw ，e ta 1 ．H o wf i e l dt e s ta n da n a l y s i so f K Y Ff l o t a t i o nc e l l b yP I V [ c ] ．2 0 1 3I n t e m a t i o n a l C o n f e r e n c eo nP r o c e s s E q u i p m e n t ， M e c h a t r o n i e s E n g i n e e r i n gA n dM a t e r i a lS c i e n c e ，W u h a n ，C h i n a ，2 0 1 3 2 0 0 _ 2 1 1 ． [ 8 ] 刘春艳．浮选机流场数值模拟与相似特征参数的研 究[ D ] ．北京煤炭科学研究总院，2 0 0 9 ． [ 9 ] 王刚，费之奎，丁光耀．基于F L U E N T 的浮选机搅拌叶 轮的选型[ J ] ．矿山机械，2 0 1 3 ，4 1 4 9 5 - 9 9 ． [ 1 0 ] R I E L L YCD ，E V A N SGM ，D A V I D S O NJF ，e ta 1 ． E f f e c to fv e s s e ls c a l e u po nt h eh y d r o d y n a m i c so fas e l f - a e r a t i n gc o n c a v eb l a d ei m p e l l e r [ J ] ．C h e m i c a lE n g i n e e r i n g S c i e n c e ，1 9 9 2 4 7 3 3 9 5 - 4 0 2 ． [ 11 ] H A S S A NF A Y E D ，S A A DR A G A B ．C F DA n a l y s i so ft w o ． p h a s ef l o w i nW E M C O 3 0 0 m 3s u p e r c e l l [ J ] ．S M E ／C M A A n n u a lM e e t i n g E x h i b i tF e b r u a r y ，2 0 1 3 2 5 6 7 2 ． [ 1 2 ] A C H O U R IR ，M O K N II ，M H I R IH ，e ta 1 ．A3 DC F D s i m u l a t i o no fas e l f i n d u c i n gp i t c h e d b l a d et u r b i n e d o w n f l o w [ J ] ．E n e r g yC o n v e r s i o na n dM a n a g e m e n t ， 2 0 1 2 “ 6 3 3 - 6 4 1 ． [ 1 3 ] 吼K O N ，MPS C H W A R Z ．C F Dm o d e lo fas e l f - a e r a t i n g f l o t a t i o nc e l l 『J ] ．F i f t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nC F Di n t h eP r o c e s sI n d u s t r i e sC S I R O ，2 0 0 6 11 1 3 - 1 5 ． f1 4 ] H A S S A NF A Y E D ，S A A DR A G A B ．C F DA n a l y s i so ft w o ． p h a s ef l o w i nas e l f - a e r a t e df l o t m i o nm a c h i n e [ C ] ．S M E A n n u mM e e t i n g ＆E x h i b i t ，2 0 1 2 2 1 9 - 2 2 ． 万方数据