論流體力學(xué)在選礦中的應(yīng)用

摘要：

所謂的流體力學(xué)，是一門(mén)專(zhuān)門(mén)研究像液體、氣體等流體運(yùn)動(dòng)形態(tài)以及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和應(yīng)用的學(xué)科。流體在力的作用下，其本身的物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生一定的變化，比如流體的固體壁面，流體和固體之間的相互作用，流體的壓強(qiáng)、溫度，還有流體的密度等等變量，都會(huì)發(fā)生變化。在選礦的過(guò)程中，有許多地方都會(huì)用到流體力學(xué)的知識(shí)，比如一些設(shè)備的設(shè)計(jì)，就是按照流體力學(xué)的原理來(lái)設(shè)計(jì)的，所以流體力學(xué)在選礦中起著極其重要的作用。本文就流體力學(xué)的特點(diǎn)做了詳細(xì)的闡述，以及對(duì)流體力學(xué)在選礦中所存在的問(wèn)題進(jìn)行了深入的探討。

前言

流體力學(xué)的發(fā)展起源于阿基米德，他是一位古希臘人，建立了液體平衡理論，在這個(gè)基礎(chǔ)上，流體力學(xué)的運(yùn)用才得以發(fā)展。而如今流體力學(xué)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，在空氣動(dòng)力學(xué)、電磁計(jì)算流體學(xué)、氣液相流體學(xué)等方面都有十分重大的突破。

冶金和煤礦的生產(chǎn)都需要進(jìn)行選礦，在工業(yè)生產(chǎn)上，選礦起著非常重要的作用。所謂選礦，就是通過(guò)化學(xué)或者是物理等方法把有用的礦物和無(wú)用的礦物分開(kāi)，最終獲取能夠被生產(chǎn)中得以利用的礦物的過(guò)程。選擇有用物料的方式分為兩種情況。

一種是針對(duì)單體解離狀態(tài)的，可以采用不同的選礦方法，把我們所需要的有用的礦物篩選出來(lái)；

另一種是針對(duì)不能達(dá)到單體解離狀態(tài)的，這就需要將物料用機(jī)械破碎和磨碎的方法來(lái)取得當(dāng)中的有用礦物。回看整個(gè)世界的選礦發(fā)展史，不難看出，流體力學(xué)在整個(gè)選礦發(fā)展過(guò)程中起到了不可替代的作用。眾所周知，在工業(yè)生產(chǎn)上選礦的方法有很多，比如利用重力來(lái)進(jìn)行篩除選礦，還有利用浮力來(lái)選礦等等。隨著科技的發(fā)展，應(yīng)用流體力學(xué)的原理來(lái)進(jìn)行選礦，已經(jīng)越來(lái)越普及，現(xiàn)在許多大型選礦機(jī)器都有流體力學(xué)的應(yīng)用。也就是說(shuō)，要進(jìn)行高質(zhì)量、高效率的選礦，流體力學(xué)的運(yùn)用是必不可少的環(huán)節(jié)。

1.選礦中所用的設(shè)備

1.1旋流器

所謂的旋流器，在液體的分級(jí)分離中經(jīng)常用到它。它的工作原理是利用離心的方法，使得不同質(zhì)量不同密度的物質(zhì)分離沉降。旋流器整體是一個(gè)圓錐形，采出來(lái)的礦漿通過(guò)管道進(jìn)入旋流器內(nèi)部，進(jìn)入的礦漿在旋流器強(qiáng)大的離心力作用下，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。礦漿中含有不同質(zhì)量和大小的礦物質(zhì)顆粒，在旋流器離心力的作用下，大的礦物質(zhì)顆粒和密度高的顆粒就被拋向旋流器內(nèi)壁，在重力的作用下，這些顆粒靠著內(nèi)壁逐漸的下沉，最后在旋流器的底部流出。而那些比較細(xì)小的顆粒和液體則經(jīng)過(guò)溢流管口流出來(lái)。所以，礦漿經(jīng)過(guò)旋流器，就把大的礦物顆粒和細(xì)小的礦物顆粒分離開(kāi)來(lái)，離心力的篩選是很有效的，相比于重力場(chǎng)，它具有快速、高效、穩(wěn)定分離的特點(diǎn)。目前的選礦旋流器主要有兩種，

一是用水作為介質(zhì)的水力旋流器，第二種就是專(zhuān)門(mén)配制的重介質(zhì)液體，密度比水更高，以此作為介質(zhì)的重介質(zhì)旋流器。這兩種旋流器的作用各不相同，

第一種是專(zhuān)門(mén)用于脫泥以及脫浮選藥劑的水力旋流器，第二種是專(zhuān)門(mén)用于最后分選冶煉。旋流器的原理簡(jiǎn)單，但是液體在其內(nèi)部的流動(dòng)卻是十分復(fù)雜的，這要涉及到流體力學(xué)中的湍流運(yùn)動(dòng)。所謂的湍流運(yùn)動(dòng)就是將流體的流動(dòng)看作是一個(gè)三維空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)三維空間內(nèi)，任何一點(diǎn)的速度都可以分解成橫向速度、縱向速度和切向速度。就是這樣的運(yùn)動(dòng)特征和旋流器內(nèi)復(fù)雜的邊界，使得內(nèi)部的流體力學(xué)并沒(méi)有一定的規(guī)律可循，自然就沒(méi)有具體的方法來(lái)研究，只能通過(guò)實(shí)際的測(cè)量來(lái)估算和分析。通過(guò)實(shí)際測(cè)量，旋流器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)實(shí)際是一個(gè)組合運(yùn)動(dòng)，它是通過(guò)自由渦和強(qiáng)制渦組合在一起共同形成的。在旋流器工作的時(shí)候，由于切向速度最大，導(dǎo)致了旋流器內(nèi)壁的壓力小于其中問(wèn)的壓力而形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，空氣從底部進(jìn)入，旋流器中間區(qū)域就成了真空的空氣柱。那些比較重的礦物質(zhì)直接由旋流器內(nèi)壁被分離了下來(lái)，從底部排出，那些輕的礦物質(zhì)就由上面的口排出。

1.2浮選機(jī)

浮選礦物質(zhì)實(shí)際就是利用浮力，將礦物質(zhì)浮到水面來(lái)進(jìn)行篩選。這就要求礦漿中必須要充滿(mǎn)大量的氣泡，必要時(shí)，還要在礦漿中添加一種捕收劑，這種藥劑會(huì)作用在礦物質(zhì)顆粒表面，使得礦粒的疏水性增加，利于捕收。有些礦粒是疏水性，而有些是親水性的，疏水性的礦粒和產(chǎn)生的氣泡相結(jié)合，由于浮力原因而浮出水面，那些清水性的礦粒則不會(huì)與氣泡結(jié)合而下沉。產(chǎn)生氣泡的方法有很多，一般采用機(jī)械攪拌和電解水來(lái)產(chǎn)生氣泡。

1.3浮選柱

浮選柱也是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)選擇礦物質(zhì)的設(shè)備。浮選柱早在上世紀(jì)六十年代就開(kāi)始應(yīng)用，只不過(guò)由于氣泡發(fā)生器設(shè)計(jì)的并不好，始終無(wú)法很好的產(chǎn)生氣泡，就使得浮選柱并沒(méi)有廣泛的運(yùn)用。浮選柱的氣泡產(chǎn)生器位于柱體下端，礦物由上部倒入。其原理和上面介紹的浮選機(jī)差不多，也是通過(guò)重力和浮力的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)礦粒的分離。所以氣泡發(fā)生器才是浮選柱工作的關(guān)鍵所在，如果氣泡發(fā)生器無(wú)法正常工作產(chǎn)生氣泡，浮選柱也就無(wú)法分離礦物質(zhì)。

2.流體力學(xué)在選礦設(shè)備中的應(yīng)用

浮選機(jī)的工作原理是利用氣泡產(chǎn)生的浮力和礦物質(zhì)本身的重力實(shí)現(xiàn)礦粒分離，分離的過(guò)程中就需要大量的氣泡，氣泡發(fā)生器正是大量產(chǎn)生氣泡的設(shè)備。通常我們都把氣泡發(fā)生器分為兩類(lèi)，即外部發(fā)生器和內(nèi)部發(fā)生器這兩類(lèi)。

外部氣泡發(fā)生器也有兩種，通常用的是氣水噴射型。它是把壓縮空氣和水一起混合，通過(guò)噴頭直接噴入浮選機(jī)內(nèi)，再通過(guò)分流孔將水流分開(kāi)，從而產(chǎn)生氣泡。

顧名思義，內(nèi)部氣泡發(fā)生器是將有孔介質(zhì)固定在浮選機(jī)內(nèi)部，然后沖入空氣，通過(guò)介質(zhì)的孔向外噴出氣泡。內(nèi)部氣泡發(fā)生器常常出現(xiàn)問(wèn)題，原因在于有孔介質(zhì)放在浮選機(jī)內(nèi)部，很容易被礦粒堵塞和結(jié)垢，使浮選機(jī)無(wú)法正常工作，現(xiàn)在已經(jīng)很少采用這種方法了。

上述兩種氣泡發(fā)生器都是以往一直被使用的。但畢竟它的結(jié)構(gòu)太過(guò)復(fù)雜容易出現(xiàn)問(wèn)題，而且能量消耗也不小。目前被廣泛采用的是另一種更加先進(jìn)的設(shè)備——微泡發(fā)生器。這種氣泡發(fā)生器利用了流體力學(xué)的原理，首先流體在其內(nèi)部分散開(kāi)來(lái)，在后半段又重新成為連續(xù)相。微泡發(fā)生器動(dòng)力消耗小，產(chǎn)生氣泡效率高，礦化充分，而且使用壽命長(zhǎng)，大大節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。

目前較為先進(jìn)的浮選機(jī)是德國(guó)制造的切向噴射浮選機(jī)，其也是利用流體力學(xué)的原理進(jìn)行選料。它有兩個(gè)槽室，一個(gè)收集精礦，一個(gè)用作分離室。礦漿沿著切線方向射入容器，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，和氣泡結(jié)合的礦物質(zhì)浮力大，向上運(yùn)動(dòng)。沒(méi)有結(jié)合水的礦粒則向下沉降，最后通過(guò)底部排出。

3.分析

流體力學(xué)在選礦中起著極其重要的作用。隨著采礦業(yè)的發(fā)展，流體力學(xué)也被廣泛應(yīng)用在選礦設(shè)備中，對(duì)礦的開(kāi)采、選礦的發(fā)展起著至關(guān)重要的推動(dòng)作用。像浮選機(jī)中的氣泡發(fā)生器、旋流器這些設(shè)備，都是流體力學(xué)應(yīng)用的典型。但是選礦中的流體力學(xué)應(yīng)用還是比較局限的，仍然存在著諸多問(wèn)題，像旋流器中的湍流運(yùn)動(dòng)，就是一個(gè)十分復(fù)雜的三維立體運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律還沒(méi)有辦法完全弄清楚。如果可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)，將湍流運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算，用數(shù)值模擬來(lái)解決旋流器內(nèi)部礦漿流動(dòng)問(wèn)題，就能大大推動(dòng)湍流運(yùn)動(dòng)在選礦上的應(yīng)用。