浮选机浮选金矿过程的流场分析.pdf

2 0 1 4 年第3 期有色金属 选矿部分6 7 d o i l O ．3 9 6 9 ，j ．i s s l l ．1 6 7 l 9 4 9 2 ．2 0 1 4 ．0 3 ．0 1 7 浮选机浮选金矿过程的流场分析 李剑锋，刘青，杨腾，袁玮，王亚涛 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要在黄金选冶过程中，针对浮选机内部流场比较复杂的情况，利用计算流体力学软件c F x 对K Y F 型机械搅拌式 浮选机内流场进行数值模拟，分析K Y F 型浮选机内部流场的特点，得到浮选机流场的速度、湍动能、湍流耗散率的分布规 律，讨论前倾叶轮与后倾叶轮在不同转速下循环量与功率之间的关系。结果表明，相同转速下，后倾叶轮在较低功率下得到 较大叶轮循环量，后倾叶轮更符合浮选要求。 关键词浮选机；数值模拟；流场；循环量 中图分类号T D 4 5 6文献标志码A文章编号1 6 7 l - 9 4 9 2 2 0 1 4 0 3 枷6 7 埘 n o wn e l d 山嗡l y s i so fn o t a t i o nC 枷o fG 砌网o t a t i t mP r o c e 骚 Ⅱ垅咖，删Q i 叼，姗咖，H 鹚ⅣW 反，砌ⅣG №t n o s c ，l o o ZD 厂讹t 础n 聊蒯口砌跏蛔删E 删加州叼，U n z I ，删细D 厂＆据n c e 吼d 弛西n D 蛔可 B e 扰叼，B 喇叼I o D 0 8 3 ，册i 砌 A b s t r a c t I nt h e9 0 l de x t r a c t i o np r o c e s s ，a i m e da tt l l ec o m p a r a t i v e l vc o m p l i c a t e dc 嬲eo fn o wi n n o a t a t i o nc e U ， t h ef l o wf i e l di nt l l eK Y Fm e c h 锄i c a ln o t a t i o nc e Ui ss i m u l a t e db vc o m p u t a t i o n a ln u i d d y n a I I l i c ss o f 附a r eC 隧．T h ed i s t r i b u t i o np a t t e m so fv e l o c i t y ， t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y ，t u r b u l e n td i s s i p a t i o n r a t ei nt h ef l o a t a t i o nc e Uw e r eo b t a i n e db va n a l v z i r 喂t h ei m l e rf l o wi nm ef 1 0 a t a t i o nc e U ．T h er e l a t i o n s l l i p o fd i f k r e n ti m p e U e r sb e m e e nv 撕o u sr o t a t i o ns p e e da n dp o w e ri sd i s c u s ∞d ．T h er e s u l t ss h o wt l l a tt h e b a c k w a r di n l p e U e rw a sl o w e ri np o w e rc o n s u m p t i o na n do b t a i n e dl a r g e rc i r c u l a t i o nv o l u m et h a nt h ef b l w a r d i m p e U e ra tt l l es 釉er o t a t i o ns p e e d ．B a c k w a r di m p e U e rw 船m o r ei nl i n e 访t } In o t a t i o nr e q u i r e m e n t s ． K e yw O r 司l s n o t a t i o nc e U ；肌m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l o wf i e l d ；c i r c l l l a t i o nv o l u 脱 黄金选冶技术的进步对黄金工业的发展发挥着 重大影响⋯。随着易处理金矿的日益减少，品位 低、杂质含量高的金矿石越来越多[ z I ，选冶技术的 研发显得更为紧迫。浮选在选矿过程用的非常广 泛，浮选过程中要处理大量的矿物，因此提高回收 率很重要[ 川。2 0 世纪初以来，浮选设备向着多样 化、自动化、大型化的方向发展，目前已广泛应 用于冶金、农业、食品、造纸、医药、微生物等行 业∞] 。浮选机作为黄金选冶的关键设备，在矿物 加工中的作用日益突出，国内外各研究机构纷纷加 强了研究。影响浮选机的浮选效果因素主要有转 子、定子、槽体的设计以及操作条件，如转子转速 和充气速率∞] 。浮选机的设计用的是在小型浮选 机上放大得到的经验，理论研究不足，没有统一的 放大方法[ n 1 4 】。浮选是一个非常复杂的过程[ 1 5 】， 本文借助计算流体动力学 C F D 软件对机械搅拌 式浮选机进行数值模拟，以期对浮选机内的流动过 程进行更加深入的理解。 本文利用C F x 软件对国内某金矿所用的K Y F 型容积为2 4m 3 的机械搅拌式浮选机进行数值模 拟。通过计算，得出浮选机流场的速度、湍动能、 湍流耗散率、功率及叶轮循环量等信息，为分析影 响浮选效率的因素、浮选机改进和提高浮选机的回 收率提供了参考。 1I Y F 型浮选机结构及网格划分 国内某金矿所用的机械搅拌式浮选机为K Y F 型2 4m 3 ，矿浆颗粒体积分数约为3 2 ％，转子转速 基金项目“十二五”国家科技支撑计划项目 2 0 1 2 B A 肋8 8 0 0 收稿日期2 0 1 3 一l o _ 0 8修回日期2 0 1 4 0 3 2 5 作者简介李剑锋 1 9 8 8 一 ，男，湖南娄底人，硕士研究生，从事选冶过程数值模拟研究。 万方数据 6 8 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第3 期 n 1 6 6r ／m i n 。浮选机采用的是U 型槽，转子叶片 数共8 个，为后倾叶片，定子导叶数共2 4 个。 K Y F 型浮选机几何参数见表1 。 表1K Y F 型浮选机的几何参数 T a b l e1 S t n l c t u r a lp a r a m e t e r so fK Y Fn o a t a t i o nc e U 图1K Y F 浮选机结构化网格 F i g ．1 S t r u c t u r e dg r i do fK Y Fn o t a t i o nc e l l 对K Y F 型浮选机分区域进行六面体网格划分， 如图l 所示。转子区域进行加密处理。整体网格总节 点数为7 1 61 9 3 个，六面体单元总数为6 6 73 9 6 个。 2 数学模型 实际浮选机内流体流动是十分复杂的多相流 动，考虑到浮选机单机性能对整个选矿厂的指标都 有重要影响，所以提高浮选机的单机性能非常重 要。结合生产实际与国内外相关研究，本文采用以 下简化和假设。 2 ．1 模型假设 根据浮选机内部流体动力学状态，作如下假设 1 浮选机内流体为不可压缩牛顿流体； 2 不考虑药剂对流体流动的影响； 3 浮选过程不考虑热量传递。 2 ．2 求解方法和边界条件 浮选机中叶轮定子系统较为靠近，模拟叶片转 动较为复杂。处理叶片旋转问题，通常有两种处理 方法，即多参考系法 M R F 和滑移网格法。多参考 系法属于稳态计算，是把叶片旋转转化为坐标旋转 来处理。滑移网格法是瞬态计算，需要更多的计算 时间，有研究表明其与多参考系方法均有较好的符 合，本文采用多参考系法。 本文计算浮选机稳态流场，采用c F x 软件， 标准七一占湍流模型，液相水在2 5 ℃条件下 密度 9 9 7k ∥m 3 ，动力黏度8 ．9 1 0 。4k ∥ m s 。考虑到计 算稳定性及计算时间，采用六面体结构化网格。采 用高阶格式，收敛残差控制在1 0 。。 3 结果分析与讨论 根据上述数学模型，通过模拟结果与文献[ 1 6 ] 研究结果进行对比分析，验证模型的可靠性。然 后，研究流场速度对浮选机性能的影响及不同叶轮 设计对功率和叶轮循环量的影响。 3 ．1 模型的验证 由于针对工业应用的K Y F 型浮选机研究方面 的文献报道较少，物理实验与现场测量均较困难， 为了验证模型的正确性，将本文模拟结果与文献中 的研究结果进行比较。文献和本文研究条件见表 2 。由于文献⋯] 中没有提供浮选机的具体转速， 本文计算中采用浮选机设计时的推荐转速。 为便于说明，选取浮选机的x 、y 、z 三个方 向的截面进行分析。三维建模时，以叶轮底盘中心 为坐标原点，沿浮选机高为z 轴，浮选机内的截面 都平行于x y 、y z 、x z 面，以坐标所在位置来 命名。 E 、 世 谴 匡 暴 量 ＼ 魁 坦 厘 撂 轴向速度， m ．s - 1 图2 文献[ 1 6 ] 实测速度与本文C F D 预测速度对比 F i g ．2C o m p a r i s o no fV e l o c i t yb e t w e e na c t u a l m e a s u r e m e n to fl i t e r a t u r e[ 16 ]a n dC F D p r e d i c t i o n 图2 所示为在纵截面竖直线处沿浮选槽高度方 向的径向速度分布。文献[ 1 6 3 中，艘 0 ．7 2 所在竖 万方数据 2 0 1 4 年第3 期李剑锋等浮选机浮选金矿过程的流场分析 6 9 表2 T a b l e2 文献[ 1 6 ] 与本文研究条件比较 c o n d i t i o n so fr e s e a r c hc o m p a r i s o nb e t w e e nl i t e r a t u r e[ 1 6 ]a n dt h i st h e s i sd o c u m e n t 直线正好穿过上、下循环漩涡的中心区，其中尺 为槽体半径，r 为半径；本文同理选取所在竖直线 位于y z 面 正好穿过上、下循环漩涡的中心区。 对比图2 中文献[ 1 6 ] P I V 测量值与图2 本文C F D 预 测值，可以看出在浮选槽高度方向上的径向速度与 轴向速度分布趋势相同。因而本文的流场计算方法 是可行的，计算结果较为准确、可靠。 3 ．2 流场速度对浮选性能的影响 通过C F x 计算结果可以发现，浮选机内的速 度分布相差很大，其中沿x 、y 、z 轴方向上的速 度分量都是在叶轮区域达到最大，而在叶轮区域以 外速度分量都较小，特别在叶轮区域之外的上部 最小。 从图3 可以看出，叶片旋转产生的离心力使得 流体被甩出，再经过定子导叶的稳流，流体在叶轮 两侧形成利于浮选的上下稳定的4 个循环区。 需鼹L ／’ 7．6 ． t 矽广＼o 、 b 径向速度， m s ‘1 图4 浮选机内沿X 0 截面轴向与径向的速度分布 F i g ．4 A x i a la n dr a d i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no f v e l o c i t yo nc m s ss e c t i o no fX Oi nn o a t a t i o nc e U 利进入泡沫槽。 3 ．3 浮选机内湍流特性的分析 在本文采用的I | } 一占湍流模型方程中，最重要的 两个参数分别是湍动能K 和湍流耗散率E 。 由图5 得出在叶轮区域的湍动能为0 ．4 1 ．0 m 2 ／s 2 ，此区域的湍动能较大，有利于气泡与矿粒的 碰撞和黏附。在浮选机底部的湍动能适中，在 2 ．0 6 1 0 。2 ～2 ．7 6 1 0 。2m 2 ／s 2 ，这有效地防止矿粒沉底， 不致浮选效率下降。运输区和分离区的湍动能在 6 ．1 2 1 0 。～2 ．0 5 1 0 之m 2 ／s 2 ，属于较为平稳的流动， 从运输区到分离区的湍动能逐步减小，在运输区利 于矿化气泡的上升，在分离区可以降低矿粒从气泡 中脱落的概率，分离区湍动能最小，这利于泡沫层 的稳定，提高浮选效率。 为了深入研究浮选机内不同区域的湍流特征， 燮 、。、卜舞一 ；，，⋯受 万方数据 7 0 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第3 期 图5 浮选机内沿x 卸截面流体湍动能分布 F i g ．5 T h ed i s t r i b u t i o no ft u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y o nc r o s ss e c t i o no fX 0 分别沿x 轴、】，轴以O ．3m 为间隔做截面，并沿z 轴以0 ．1m 为间隔做截面，得到每个截面的湍动能 和湍流耗散率的面均值。将面均值数据分别绘制成 柱状图，由于湍动能比湍流耗散率小一个数量级， 绘图时将湍动能数值扩大1 0 倍。 由图6 、图7 分别为沿x 、y 轴湍流参数的变 化，可以看出湍动能和湍流耗散率在截面位置 x 0 和y 0 处基本对称，这个对称点位置也就叶轮 中心所在位置；在x 一0 ．3 7 5 ～0 ．3 7 5m ，l ， 一0 ．3 7 5 ～0 ．3 7 5m 的区域湍动能及湍流耗散率最大，叶轮 直径为0 ．7 5m ，说明湍动能和湍流耗散率最大区域 是叶轮区域；在X 一0 ．6 5 ～0 ．6 5m ，y 一O ．6 5 ～O ．6 5m 以外的区域，各个截面的湍动能较小且变化不大， 这部分区域属于定子以外区域，流动相对平稳。 螽 热 堪 延 一 l l ；厂L 几兀圜r 圉『l闹厂Lr L 八_ 一l4 一1 2 一l0 m 8 _ 0 6 m 4 _ 0 in 0 0 20 ．4 0 ．6O 盘1 ．0 1 2 1 4 截面位置／m 图6 沿x 轴湍流参数的变化 F i g ．6 T h ec h a n g e so ft u r b u l e n c e p a r a m e t e r sa l o n g t h eXa X i s 从图8 中看出，以z _ 0 ．2 5m 为界，浮选机在 Z _ 0 ．2 5m 之下区域的平均湍动能是在z _ 0 ．2 5m 之 上区域的平均湍动能的7 ．3 7 倍，平均湍流耗散率 是2 9 7 倍，在z 0 ．2 5m 之下区域流动较剧烈，能 够较好地避免矿粒沉底的发生，而在磊0 ．2 5m 之 上区域，可以较好的输送矿粒；在z 一0 ．5 5 ～0 ．2 5 辍 媳 媛 廷 ； Ii I 口K m 2 ，s 2 l O 圈E m 2 ／s q ；厂L 厂L 几r 圉『l 飘r 圉兀| 兀| 兀- 一i 4 一i2 一i0 m 8 m 6 - n 4 耻n 0 们n 40 6 0 8i 0i2i4 截面位置／m 图7 沿l ，轴湍流参数的变化 F i g ．7 T h ec h a n g e so f t u r b u l e n c ep a r a m e t e r sa l o n g t h el ，a 【i s m 的叶轮区域内湍动能最大，是浮选机内流动最为 剧烈的区域，空气被打散为细小气泡，很大程度上 增加了矿粒与气泡碰撞概率；随着定子导叶的稳流 作用与浮选机高度的增加，湍动能与湍流耗散率均 逐步下降，在磊0 ．4 5m 时，湍动能降为1 ．8 1 1 0 ≈ J ，k g ；从z O ．4 5 ～1 ．8 5m ，湍动能减小幅度较慢， 流动较为平稳。 螽 热 嫣 延 _ 6 一0 4 - 【 20 0 2 ㈦0 60 8l 【】I2l4l6l82U 截面位置／m 图8 沿Z 轴湍流参数的变化 F i g ．8 T h ec h a n g e so ft u r b u l e n c ep a r a m e t e r sa l o n g t h eZa x i s 3 ．4 不同叶轮及其转速对叶轮循环量与功率的影响 叶轮循环量是浮选机设计的关键参数之一[ 16 】。 浮选设备的循环量主要靠现场经验确定，没有可靠 的测定方法。现场的测定一方面是难度大有局限， 另一方面是成本高，用数值模拟的方法得出叶轮循 环量是较为经济简便的途径。 本文选取磊一0 ．2 6m 处，即定子底部圆盘处为 横截面，用数值模拟方法计算截面内的轴向速度， 根据横截面面积计算出叶轮循环量。 图9 为不同转速与叶轮循环量之间的关系。可 以看出无论是前倾叶轮还是后倾叶轮，随着转速的 增加，叶轮循环量均增大。前倾叶轮的循环量从 3 3 ．1m 3 ／m i n 增加到4 4 ．2m 3 ／m i n ，后倾叶轮的循环 量从3 1 ．1m 3 ／m i n 增加到4 2 ．6m 3 ／m i n 。 8 4 O 6 2 8 4 O 2 2 2 l 1 0 O O 8 4 0 6 2 8 4 0 2 2 2 ●●O O O 万方数据 2 0 1 4 年第3 期李剑锋等浮选机浮选金矿过程的流场分析 。7 1 } 量 昌 f E ≤ 窿{ 鹾 姆 黎 占 1 3 01 4 01 5 01 6 01 7 01 8 01 9 0 叶轮转速， r m i n 。 图9 转速与叶轮循环量的关系 F i g ．9 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o t a t i o ns p e e da n d i m p e l l e rc i r c u l a t i o nV o l u m e 图1 0 为不同叶轮的转速同功率间的关系。可 以看出，随着叶轮转速的增加，浮选机的功率增 大。前倾叶轮的功率从1 8 ．4k w 增加到3 3 ．7k w ， 后倾叶轮的功率从1 0 ．6k W 增加到19 ．5k W 。 良 ≤ 褂 霞 1 3 01 4 01 5 01 6 01 7 01 8 1 9 0 转速／ r m i n - 1 图1 0 叶轮转速与功率的关系 F i g ．10 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o t a t i o n s p e e d a n dp o w e r 在相同转速下，叶轮循环量越大越有利于浮 选，由图9 与图1 0 可以看出，相同转速下，前倾 叶轮比后倾叶轮循环量约大3 ．5 6 ％，但是前倾叶轮 比后倾叶轮所需功率多出近6 9 ．9 2 ％。后倾叶轮的 设计能使浮选机在较低的功率下得到较大循环量， 后倾叶轮更符合浮选机使用要求。 4 结论 1 利用C F D 软件对K Y F 型机械搅拌式浮选 机内部流场进行数值模拟及比较分析，浮选机内矿 浆的流动方式为主循环和辅助循环。 2 浮选机内湍动能、湍流耗散率关于叶轮中心基 本对称分布，在叶轮区域湍动能和湍流耗散率最大。 3 浮选机的混合区域在z 0 ．2 5m 以下，在 在0 ．2 5m 以上部分是相对平稳的浮选运输区及分 离区域，混合区域的湍动能约为浮选运输区及分离 区域的7 ．3 7 倍。 4 对于前倾叶轮与后倾叶轮，均随着叶轮转 速的增加，叶轮的功率不断增加，叶轮循环量也不 断增加。相同转速下，后倾叶轮的设计能使浮选机 在较低的功率下得到较大循环量，更符合浮选机使 用要求。 参考文献 [ 1 ] 胡春融，杨凤，杨口春．黄金选冶技术现状及发展趋势 [ J ] ．黄金，2 0 0 6 ，2 7 7 2 9 3 5 ． [ 2 ] 李家毓，周兴龙，雷力．黄金选冶技术的发展[ n 现代 矿业，2 0 0 9 5 2 8 3 2 ． 1 3JK o hPTL ，S n l i t hLK ．T h ee f f b c l o fs t i H j n gs p e e da n d i n d u c t i o nI i m eo nn o t a t i o nl J j ． M i n e r a l s E n g i n e e d n g ， 2 0 1 1 ，2 4 5 4 4 2 4 4 8 ． 14jP e a s e aJD ，C u r r y aDC ，Y o u n g bMF ．D e s i g n i n gn o t a t i o n c i r c u i t sf o rh i g hn n e sr e c o V e r y l Jj ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ，1 9 6 8 8 3 1 8 4 0 ． [ 5 ] 赵昱东．浮选设备的新进展[ J l 矿山机械，2 0 l O ，3 8 1 6 1 5 ． [ 6 ] 卢世杰，李晓峰．浮选设备发展趋势[ J ] ．铜业1 程，2 0 0 8 2 l 一5 ． [ 7 ] 赵昱东．金属矿用浮选设备的进展[ J ] ．矿业快报，2 0 0 7 1 1 6 1 0 ． 18J S c h u h e r tH ． 0 nf h eo p t i m i z a “o no fh y d m d y n a m i c si n 6 n e p a n i c l e n o t a “o nl JJ ．M i n e r a l s E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， 2 l 1 2 一1 4 9 3 0 9 3 6 ． [ 9 ] 周为民．几种常用浮选机的结构性能及使用综述[ J ] ．矿 山机械，2 叭0 ，3 8 8 4 8 ． 1 0K o hP T L ， M a n i r k a m M ， S c h w a r zMP ．C F D s i m u l a t i o no f b u b b l e D a r t i c l ec o U i s i o n s i n m i n e r a l n o t a t i o nc e l l s [ J ] ．M i n e m l sE n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 ，1 3 1 4 一1 5 1 4 5 5 一1 4 6 3 ． 11 1J K o n d m t ’e vSA ．L a v r i n e n k oAA ． D e s i g no ft h e f l o t a t i o nm a c h i n e sa n de m c i e n c yo ft h e i ru s e [ J ] ． J o u m a lo fM i n i n gS c i e n c e ，2 0 0 8 ，4 4 3 2 8 9 2 9 7 ． 11 2 jY i a n a t o sJ ， C o n t r e m sF ，M o r a l e s bP ，e ta 1 ． An o v e l s c a l e u pa p p m a c hf o rm e c h a n i c a lf l o t a t i o nc e l l s [ J ] ． M i n e r a l sE n } ；i n e e r i n g ，2 0 1 0 ，2 3 11 1 3 8 7 7 8 8 4 ． 11 3J K o s t o g l o uM ，K a r a p a n t s i o s TD ，M a t i sK A ．C F D m o d e lf o rt h ed e s i 霹1o f l a r g e s c a I en o t a t i o nt a n k sf o r w a t e ra n dw a s t e w a t e r u ．e a t Ⅱ1 e n t [ J ] ． I n d u s t d a la n d E n n e e r i n gC h e m i s t r y R e s e a r c h ，2 0 0 7 ，46 2 0 6 5 9 0 6 5 9 9 ． 11 4j Y i a n a t o sJB ．F l u i df l o wa n dk i n e t i cm o d e U i n gi n n o t a t i o nr e l a t e d p m c e s s e sl J j ． C h e m i c a l E n 百n e e r i n g R e s e a r c ha n dD e s i g l l ，2 0 0 7 ，8 5 1 2 1 5 9 1 1 6 0 3 ． 1 1 5 jC h a iT i a n y o u ， G e n gZ 朗野i a n ， Y u eh e n g ，e ta 1 ．A h y b di n t e U i g e n to p t i m a lr o n t m lm e t h o df o rc o m p l e x n o t a t i o n p r ∽e s sl Jj ． I n t e m a t i o n a IJ o u m a lo fS y s 忙m s S c i e n c e ，2 0 0 9 ，4 0 9 9 4 5 9 6 0 ． [ 1 6 ] 沈政昌，卢世杰，史帅星，等．基于c F D 和P I v 方法 的单相K Y F 浮选机流场分析研究[ J ] ．有色金属 选矿 部分 ，2 0 1 3 2 4 7 5 1 ． 万方数据