CK高效矿浆搅拌槽性能研究与工业应用.pdf

2 5 0 有色金属 选矿部分 2 0 1 7 年增刊 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 7 ．z 1 ．0 5 7 C K 高效矿浆搅拌槽性能研究与工业应用 朱凯 长沙矿冶研究院有限责任公司，长沙4 1 0 0 1 2 摘要对C K q ，2m 2m 高效矿浆搅拌槽进行了人工配矿条件正交试验。考查了叶片倾角、叶轮安装高度、叶轮转速及 矿浆浓度等因素对搅拌强度和搅拌均匀度的影响。结果表明，叶片倾角4 5 。，叶轮安装高度6 0i n m ，叶轮转速2 1 8r ／m i n 为该 搅拌槽的最佳工艺参数组合。在此条件下，使用计算流体力学 C F D 软件F l u e n t 6 ．3 对该搅拌槽固液流场进行了数值模拟，为 c K 高效搅拌槽的大型化设计和优化提供决策依据。 关键词高效搅拌槽；工艺参数；正交试验；计算流体力学；流场 中图分类号T I M 6 3文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 S 0 - 0 2 5 0 - 0 4 P e r f o r m a n c eS t u d yo nC KH i g hE f f i c i e n c yP u l pA g i t a t i n gT a n k sa n dI t sA p p l i c a t i o n Z H UK a t C h a n g s h aR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g yC o ．，L t d ．，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，C h i n a A b s t r a c t O r t h o g o n a le x p e r i m e n tw i t ha a i f i c i a lo r ep u l po nC K 税m 2mh i g he f f i c i e n c yp u l pa g i t a t i n gt a n k w a sc a r r i e do u t ．F a c t o r sa f f e c t i n ga g i t a t i n gi n t e n s i t ya n dm i x i n ge v e n n e s s ，s u c ha sb l a d ea n g l e ，i m p e l l e rm o u n t i n g h e i g h t ，i m p e l l e rs p e e da n dp u l pd e n s i t y ，w e r es t u d i e d ．M e a n w h i l e ，b ya d o p t i n go p t i m u mt e c h n i c a lp a r a m e t e r ss u c ha s b l a d ea n g l eo f4 5 。，i m p e l l e rm o u n t i n gh e i g h to f6 0m m ，i m p e l l e rs p e e do f218r ／m i n ，t h ef l o wf i e l d s o fs o l i da n d l i q u i do nC Kh i g he f f i c i e n c yp u l pa g i t a t i n gt a n kw e r es i m u l a t e db yu s i n gF L U E N T6 ．3 ．T h er e s u l t sp r o v i d ea d e c i s i o nb a s i sf o rt h el a r g e - s c a l i n gd e s i g na n dt h eo p t i m u mf o rC Kh i g he f f i c i e n c yp u l pa g i t a t i n gt a n k ． K e yw o r d s e f f i c i e n ts t i r r i n gt a n k ；t e c h n i c a lp a r a m e t e r s ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o d ；c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ；f l o wf i e l d 搅拌槽是选矿工艺中重要的辅助设备之一，浮 选厂中，浮选前对矿浆的搅拌调和，是浮选过程中的 一个重要作业圳。对矿浆的合理调节，可强化矿化 效果，缩短浮选所需时间。破坏矿物间的磁电团聚， 改善油药作用条件，降低浮选药剂消耗，对提高浮选 指标有重大影响口j 。 搅拌调浆所需的强度和时间由药剂在矿浆中分 散、溶解的难易程度以及浮选药剂与矿粒相互作用 的速度决定‘4J 。目前广泛使用的是螺旋桨式叶轮搅 拌槽，由于对搅拌调浆性能的研究较少，未能有明确 的评价标准来衡量调浆作业的质量及效率，因而该 种型式的搅拌槽在搅拌大比重、高浓度、高团聚、强 磁性的矿浆时，由于搅拌强度不够，矿泥罩盖层难以 脱落，容易产生沉槽，甚至压死的现象，而且叶轮寿 命短，更换频繁，严重影响选别作业“ J 。 为实现新型高效调浆机制，研究调浆搅拌槽内 流场特性具有重要意义。而计算流体力学 C F D 理 论的发展和计算技术的进步使得采用C F D 方法对搅 拌设备进行设计、放大和优化成为可能M j 。数值计 算可获得搅拌槽内宏观流动和微观湍流特性的详细 信息，并预测不同构型和不同操作条件下槽内的流 体动力学特性，具有更好的通用性o7 。。 为解决上述问题，长沙矿冶研究院进行了高效 搅拌槽的开发研制‘8 引。本文通过对C K q 2m 2m 高效矿浆搅拌槽工艺参数的正交试验研究，以确定 C K 高效搅拌槽工艺参数的最优匹配，并利用 F l u e n t 6 ．3 ．2 6 对槽内两相流的流场分布、浓度分布等 特性进行数值模拟，为实现新型高效调浆机制的研 发提供理论基础。 1 试验设备与方法 1 ．1 设备结构与原理 收稿日期2 0 1 7 - 0 7 1 6 作者简介朱凯 1 9 8 6 一 ，男，汉族，山西山阴人．硕士，工程师，研究方向为多相浆体搅拌调和技术与装备。 万方数据 兰盟7 年增刊朱凯C K 高效矿浆搅拌槽性能研究与工业应用 2 5 1 高效矿浆搅拌槽槽体规格为观m 2m ，搅拌 轮采用自主设计的下掠式异形搅拌轮，其结构如图1 所示。 图1C K 2mX2m 高效矿浆搅拌槽结构示意 F i g ．1 S t r u c t u r ed i a g r a mf o rC K q 2mX2m h i g he f f i c i e n c yp u l pa g i t a t i n gt a n k l 一传动皮带及安全罩；2 一搅拌轴部件；3 一电机部件；4 一大梁； 5 一槽体；6 一导流整流装置；7 一玻璃管液位计；8 一电控系统 1 ．2 试验方法 本试验的目的是为了寻找搅拌槽的最佳工艺参 数组合，以最大程度提升搅拌效果 搅拌强度 。试 验中，搅拌强度用插入槽内的玻璃管水柱上升的高 度来表示，玻璃管内径为5m m ，插入液面的深度为 1 ．2m ，矿浆面距槽体上缘为0 ．2m 。 试验采用人工方法配制浓度为5 8 ％的矿浆，考 虑到生产中重而粗的矿粒易产生沉槽现象，选用比 重4 ．3g ／c m 3 、粒度为一7 4 m 粒级占7 0 ％的某铁精 矿作为配制矿浆的物料。当叶轮直径一定时，影响 搅拌强度的直接因素有叶轮安装高度、叶片倾角以 及叶轮转速，选择三因素三水平L 。 3 4 正交表，试验 设计见表1 ，依照正交表设计的试验方案进行搅拌 试验。 表1 L 9 3 4 正交试验设计 T a b l e1 O r t h o g o n a lt e s td e s i g no fb 3 4 2 试验结果与分析 依照正交表设计的试验方案进行正交搅拌试 验，试验结果见表2 。 表2 搅拌强度k 3 4 正交试验及极差计算结果 T a b l e2R e s u l t so f o r t h o g o n a l t e s to fL q 3 4 f o r m i x i n gi n t e n s i t ya n dt h er a n g ea n a l y s i s 搅拌强度 水柱高／m m 优水平 从极差的计算结果可以看出，叶片安装倾角是 影响高效搅拌槽搅拌强度的最显著因素，其次是叶 轮转速，而叶轮安装高度影响相对不显著，最佳水平 为A B c ，，即叶轮安装高度6 0m m 、叶片安装倾角 4 5 。和叶轮转速2 1 8r ／m i n 。 3数值模拟 计算流体力学C F D 技术的发展为搅拌槽内流体 的复杂流动的研究提供了有效的解决方法0 ’⋯。利 用F l u e n t 6 ．3 ．2 6 对C K 高效矿浆搅拌槽内部流场进 行了数值模拟，通过对槽内整体流场特性的研究对 搅拌性能进行进一步解析。 3 ．1 计算模型 搅拌槽计算模型选用最佳水平条件，叶轮安装 高度6 0m m 、叶片安装倾角4 5 。和叶轮转速2 1 8 r ／m i n 。搅拌槽稳定运行时内部流场为定常流动，进 口为盐与料浆混合物，固相质量浓度为取6 0 ％，不考 虑相间传热，选取M i x t u r e 多相流模型，采用稳定、不 可压缩流工况下的标准K 一￡双方程为湍流模型。 计算时采用多重参考坐标系 M R F 模型模拟叶轮旋 转，选取整个流场区域为计算域，计算域网格采用四 面体非结构网格，网格单元总数为10 2 71 4 2 万。 3 ．2 边界条件 本模型边界条件设定如下进口为速度进口，根 据进口流量及通流面积计算得进口流速为0 ．1 5 m ／s ，出口为自然出流；动区域 叶轮区 内流体和轮 弘加∞∞盼乾钙跖弘 c一。，，。o。一曼|{呈猫钳铝鹋抖q口一。，。，。，一Ⅲ拢Ⅲ∞“钾卯吃 A一。。。，o o一㈣mⅢ弱如钙H赴 盟。，4，。，。， “蛔锄b 砀b R 万方数据 2 5 2 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 毂及叶片以相同转速旋转，旋转方向为y 轴负方向， 轴表面设置为旋转壁面；槽内壁与导流装置壁面均 定义为无滑移固壁边界，在近壁面区域采用标准壁 面函数法进行处理。 图2 槽体纵向剖面混合相速度矢量 F i g ．2V e l o c i t yv e c t o ro fm i x e dp h a s e 0 1 1t u bl o n g i t u d i n a lp r o f i l e 图3 槽体纵向流迹图 F i g ．3 F l u i dt r a c eo nt u bl o n g i t u d i n a lp r o f i l e 3 ．3 数值模拟结果 图2 和图3 分别为槽体纵向剖面混合相流场速 度矢量图和槽体纵向流迹图。由图2 和图3 可知， 高效搅拌槽内流场主要呈现轴向流，流体由叶轮上 部吸人，在叶轮区和导流装置内被加速后，经整流装 置分流，沿槽底平滑流出，将轴向流动分量转为径 向，而后沿槽壁向上流动，最后在槽体上部沿轴向返 回到叶轮区，呈“w ”型迹线大循环流动。同时，流体 在槽内又形成槽体上下两个区域循环，其中槽体下 部的循环区，流速高，搅拌混合强度大；槽体中上部 的循环区搅拌混合强度稍小，但循环区域较大。叶 轮区和导流装置内的循环区，由于较强的循环搅拌 效果，使固体颗粒能有效地参与槽体内的流动循环， 减小槽体内部死区出现，槽体上部的大循环区域保 证了矿浆和油药在槽体内有较长的混合停留时间。 图4 槽体纵向剖面固相浓度分布 F i g ．4 S o l i dc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n o nt u bl o n g i t u d i n a lp r o f i l e 图4 给出模拟所得槽体纵向剖面固相浓度分 布。由图可知，在转速为2 1 8r ／m i n 的下，槽内固相 浓度分布趋于均匀，但在整流装置外侧与槽体之间 固相浓度相对较高，为6 2 ％左右；在表层和槽底固相 浓度较低，分别为5 6 ％和5 3 ％左右，矿浆固相浓度 沿槽高方向始终存在一定的浓度差，固相颗粒均离 底悬浮，没有发生槽底堆积现象。 4 C K 高效搅拌槽在金川硫化铜镍矿 浮选中的应用 金川硫化铜镍矿的主要脉石矿物是蛇纹石。蛇 纹石硬度低，在碎磨过程易泥化，在硫化铜镍矿浮选 常用的弱碱性p H 区间，蛇纹石表面荷正电，金属硫 化矿物表面荷负电，蛇纹石矿泥通过静电吸引作用 在金属硫化矿物表面形成矿泥罩盖层，阻碍了矿物 表面吸附黄药和向气泡黏着，影响了金属硫化矿物 的浮选‘12 | 。 为提高金川硫化铜镍矿的浮选指标，金川公司 选用了长沙矿冶研究院研制的6 台C K 0 2m 2m 高效矿浆搅拌槽。试验发现，对矿浆进行强搅拌调 浆能够显著提高细粒铜镍矿和铜矿的浮选回收率及 品位，镍的浮选回收率从8 1 ％增加到8 7 ％，节能明 显，能耗较老式搅拌槽可降低2 0 ％～4 0 ％，油药用量 可减少2 0 ％左右，因系统停车检修，导致槽内矿浆沉 积，C K 高效搅拌槽无需卸矿即可直接启动正常工 作。为此，2 0 1 4 年和2 0 1 5 年金川集团在二选车间扩 万方数据 2 0 1 7 年增刊朱凯C K 高效矿浆搅拌槽性能研究与工业应用2 5 3 ． 能降耗技术改造中，陆续选用了4 台C K 函2 ．5mx 2 ．5m 高效搅拌槽、6 台C K q 4mx4m 高效矿浆搅 拌槽和4 台C K q 6mx 6m 高效强力搅拌槽，单台容 积达到2 5 0m 3 ，经济效益显著。 此外，C K 高效搅拌槽还在金堆城钼业公司、中 金岭南凡口铅锌矿、中国黄金集团内蒙古乌格吐努 山矿、酒钢集团粉矿悬浮磁化焙烧选矿改造工程等 领域中，均取得了良好指标。2 0 1 5 年为福能环保新 材年产6 0 万m 3 脱硫剂项目设计了2 台C K 少1 1m 1 2m 高效搅拌槽，单槽有效容积达l0 0 0m 3 ，目前为 国内应用最大的高效调浆搅拌槽。 5结语 1 影响C K 高效搅拌槽搅拌强度和功耗的主要 因素是叶片的安装倾角，其次是叶轮转速，而叶轮的 安装高度对其影响较小，且叶片安装倾角和叶轮安 装高度的最佳值分别是4 5 0 、6 0m m ，最佳搅拌转速 为2 1 8r ／m i n 。 2 采用C F D 对C K 高效搅拌槽的流场进行数值 模拟。结果表明，在搅拌转速为2 1 8r ／m i n 时，搅拌 器对浆液产生了足够的强烈剪切扰动，槽内流场主 要呈现轴向流，呈“w ”型迹线大循环流动，搅拌相对 均匀，矿浆中的固体颗粒均离开槽底悬浮在槽内，不 发生沉槽现象。槽内固相浓度分相对均匀，但沿槽 高确实存在一定的浓度差，中部存在一个高浓度区 3 C K 高效搅拌槽搅拌强烈均匀，能耗低固相不 离析、不沉槽，矿化效果好；油药弥散均匀、用量少； 操作简便，系统停车检修无需卸矿即可直接启动，可 大大减轻工人劳动强度。其大型化的发展成为浮选 调浆的关键设备，在浮选前的调浆搅拌为提高浮选 指标发挥着关键特殊作用。 参考文献 [ 1 ] 王凯，冯连芳．混合设备设计[ M ] ．北京机械工业出版 社，2 0 0 0 ，3 5 8 8 ． [ 2 ] 陈允中，汪霞倩．搅拌设备的设计与计算[ J ] ．石油化工设 备技术，1 9 9 7 ，1 8 6 1 3 - 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