顆粒粒徑對浮選機固—液兩相流場分布特征影響研究

牛福生，王學濤，張晉霞

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省安全技術及開采重點實驗室，河北 唐山 063009)

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顆粒粒徑對浮選機固—液兩相流場分布特征影響研究

牛福生1，2，王學濤1，張晉霞1，2

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省安全技術及開采重點實驗室，河北 唐山 063009)

針對充氣機械攪拌式浮選機，運用CFD流體模擬軟件進行了顆粒粒徑對浮選機固—液兩相流場分布特征的影響研究。通過模擬分析可知：離散相礦物顆粒與連續液相兩相之間相互作用較小，流場分布特征基本保持一致，微細粒礦物顆粒粒徑對浮選機內部固—液兩相流場特性影響較小。轉子及定子表面壓力分布值與顆粒粒徑有較大的關系，且在此處區域附近湍流動能較大，保證了礦物顆粒在該區域的較好分散性。

顆粒粒徑；浮選機；固液兩相；流場特征

礦物浮選是在固-液-氣三相混合流體中進行的，其內部流動特性非常復雜，且不易觀察和監測，因此給浮選過程中的流體特征研究工作帶來很大的難度[1-2]。而浮選機的性能指標很大程度上取決于浮選機內部多相流場的特性，不合理的流場分布特征將會導致分選指標差，甚至無法實現浮選工藝的要求[3]。

當前對浮選過程中內部流場特征的研究大多數是基于單一液相介質，同時采用實驗測定的方法進行研究，受浮選機內部流體單一液相介質的限制，目前對實際浮選過程中的固-液-氣三相混合流體無法進行精確檢測。浮選機內部的多相流動過程是礦物浮選分離的基本物理、化學過程，浮選過程中復雜的多相流體運動特性決定了浮選機的主要浮選動力學性能、浮選分離指標和浮選分離效率[4-5]。

隨著計算流體力學的不斷進步，針對浮選機內部復雜流場特征研究有了新的研究與發展方向[6]。由于礦物在實際浮選過程中內受三相混合流體作用以及流體壓力、流量、濃度、礦物體顆粒大小、形狀、浮選機工作參數等眾多因素的影響，目前對礦物浮選過程的流體運動特征尚無統一且完整的描述方法[7-8]。因此，本論文利用CFD方法研究0.1m3的KYF充氣攪拌式浮選機的流場分布，探討了礦物粒徑對選機固—液兩相流場分布特征影響，研究結果對于進一步改進浮選機流場特性，改善浮選機的分選效果具有一定的指導意義。

1　計算模型及邊界條件

1.1計算模型

0.1m3KYF型充氣機械攪拌式浮選機基于Solidworks建模結構見圖1，槽體設計為溢流收縮式柱形槽體，該浮選機的主要特點是同時具有浮選柱和機械攪拌式浮選機的特點，既可使粗礦物顆粒懸浮，同時又可獲得較高精礦品位。浮選機主要部件幾何參數見表1。

圖1　0.1m3KYF型充氣機械攪拌式浮選機

表1　浮選機主要部件幾何參數

轉子直徑/mm定子直徑/mm葉片傾角/°槽底直徑/mm槽頂直徑/mm槽體高/mm12018030360300360

同時，為了最大限度減少浮選機整體模型交接面的數量，并根據浮選機槽體內部流動特征的不同，將槽體內部分為氣體域、旋轉域和槽內區域，應用ICEM網格劃分平臺，對浮選機內部流場計算域進行了四面體網格劃分，浮選機計算域網格質量參數平均值為0.83，其中質量參數超過0.6的網格占總計算網格的96%以上，滿足CFX對網格計算的要求。

1.2邊界條件

針對數值模擬的流體相數確定模型壁面邊界條件，在液相數值模擬中，由于液相黏度的影響采用應用最為廣泛的無滑移邊界條件，即No Slip模型。

由于浮選機內部存在旋轉域的劃分，故存在多域之間的交界面，而動-靜流體域、流體域-固體域之間的交界面設置較為關鍵，直接影響數值模擬的精度和準確性。旋轉域設置為旋轉(Rotating)，根據轉子臨界轉速計算公式，初步計算設計轉子轉速為450rpm，即450轉/min。

礦物浮選過程是濃度很稀的礦漿在浮選機內運動，因此選擇適合濃度較低的離散相在連續相中的湍流模型—標準k-ε模型，離散相固體礦物顆粒湍流模型為離散相零方程模型。

1.3礦物顆粒物性參數和浮選機工藝參數的設定

礦物顆粒介質選定CFX自帶的球形固體顆粒，分別對不同粒徑、不同密度、不同黏度的礦物顆粒進行模擬，其中顆粒平均直徑包括50μm 、74μm、120μm三個水平，礦物密度為5.0×103kg/m3，礦物動力黏度3.0×10-2Pa·s，礦物顆粒體積分數均為5%。

2　顆粒粒徑對浮選機固-液兩相流場分布特征影響

2.1速度分布特征

對礦物浮選過程中粒徑分別為50μm、74μm、120μm的礦物顆粒的固-液兩相流體特征進行數值模擬，在CFX-Post中分別提取液相水、固相礦物顆粒速度特征分布，其液相速度跡線分布特征值模擬結果見圖2，固相速度跡線分布特征見圖3。

由圖2、圖3液相和固相速度跡線圖可知，礦物顆粒和連續性流體水在轉子攪拌作用下，與單一液相流場速度分布特征相似，在浮選機內部呈上下兩循環運動方式，三種粒徑的礦物顆粒對浮選機內部流體運動軌跡影響很小，且固相和液相運動軌跡基本保持一致，由此可知微細粒礦物粒徑對浮選機固—液兩相流場中的流體運動軌跡影響較小。

圖2　不同粒徑液相速度跡線三圖

由圖3、圖4可知，在下循環區域液相和固相具有較高的運動速度，隨著距離槽體底部距離的增加，流體速度逐漸減小，在保證了下循環區域足夠的攪拌強度，使礦物顆粒在轉子葉輪的攪拌作用下充分與下循環區域的氣泡接觸、碰撞的同時，上升區流體具有相對較低的運動速度，保證了礦化氣泡在上升區域穩定向上運動，泡沫穩定區域流體速度最小，保證了浮選過程中泡沫層的穩定，有利于提高礦物浮選回收率和精礦質量。

由圖5、圖6可知，粒徑分別為50μm、70μm、120μm的三種微細粒礦物顆粒在浮選機內部固—液兩相流場中，Z=100截面處流場速度大小分布基本一致，且固相礦物顆粒與液相流體水速度分布有較好的一致性，固-兩相流場中微細粒礦物顆粒粒度變化對流場速度分布影響較小，轉子區域流場速度大約是經定子徑向射流流體流速的2.5倍，且經過相鄰兩定子葉片的徑向射流存在流體相對速度較小的夾縫區，徑向射流分布特征與定子葉片數量有直接關系，針對細粒礦物顆粒可以適當增加定子葉片數量增加礦漿在浮選機底部的分流作用。

圖3　不同粒徑固相速度跡線圖

圖4　不同粒徑Y=0液相速度云圖

圖5　不同粒徑Z=100固相速度云圖

圖6　不同粒徑Z=100液相速度云圖

2.2壓力分布特征

由圖7可知，礦物顆粒粒徑對轉子受壓有一定影響，其壓力分布特征與單一液相分布特征較一致，轉子表面高壓區同樣位于轉子葉片迎風面外邊緣處，且存在葉片根部和葉片傾斜邊緣處兩個高壓分布點，葉片背風面形成相對負壓區。由圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)圖上壓力分布值可知，隨著礦物粒徑的增加，轉子表面受壓增加，因此粗礦物顆粒對轉子葉片磨損程度更大，在浮選細粒礦物顆粒時可以適當減小葉片厚度，浮選相對較粗礦物顆粒時可以適當增加轉子葉片厚度或對轉子葉片進行耐磨工藝處理，進而增加轉子葉片的耐磨度，減少實際浮選工藝中因轉子磨損而造成的攪拌強度低的問題，從而在一定程度上增加礦物浮選分離效率。

由圖8可知，礦物顆粒粒徑對定子受壓同樣有一定影響，其壓力分布特征基本與單一液相分布特征較一致，定子表面高壓區位于定子葉片迎風面外邊緣中心處，葉片背風面形成相對負壓區，與實踐浮選工藝中定子磨損情況較一致。由圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)圖上壓力分布值可知，隨著礦物顆粒粒徑的增加，定子高壓分布點的壓力分布值反而略有減小，所以浮選相對較粗礦物可時，可以考慮適當減少定子葉片厚度，增加礦漿在定子葉片間隙的流體流道。

2.3湍流動能分布特征

由圖9可知，礦物顆粒粒徑對液相湍流動能影響不大，在定子和轉子區域附近湍流動能較大，該處的強湍流保證了礦物顆粒在該區域的較好分散性，較大的湍流動能使礦物顆粒具有較強的動能，在轉子的高速攪拌作用下，礦物顆粒充分與礦漿中的氣泡接觸、碰撞，最終形成礦化氣泡，經上升區運輸至平穩的泡沫層，最終實現有用礦物和脈石礦物的分離。

圖7　轉子壓力云圖

圖8　定子壓力云圖

圖9　不同粒徑Y=0液相湍流動能云圖

3　結　論

1)離散相礦物顆粒與連續液相兩相之間相互作用較小，流場分布特征基本保持一致。微細粒礦物顆粒粒徑對浮選機內部固—液兩相流場特性影響較小。

2)隨著礦物粒徑的增加，轉子表面受壓增加，浮選相對較粗礦物顆粒時可以適當增加轉子葉片厚度或對轉子葉片進行耐磨工藝處理。

3)隨著礦物顆粒粒徑的增加，定子高壓分布點的壓力分布值略有減小，浮選粗礦物可以適當減少定子葉片厚度，增加礦漿在定子葉片間隙的流體流道。

4)礦物顆粒粒徑對液相湍流動能影響不大，在定子和轉子區域附近湍流動能較大，保證了礦物顆粒在該區域的較好分散性。

[1]沈政昌，陳建華.浮選機流場模擬及其應用[M].北京：科學出版社，2012.

[2]宋濤.浮選機內氣液兩相流的數值模擬研究[D].北京：礦冶研究總院，2010.

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紫金礦業銅板塊“井噴式”崛起 我國銅供給又添生力軍：

“紫金山日處理4.5萬t銅礦項目”建成投產

未來幾年內，我國又將崛起一個重量級產銅企業。紫金礦業明確，10月7日，福建"紫金山日處理4.5萬噸銅礦項目"建成投產，紫金礦業礦產銅產量將在今年突破15萬t，以此為起點，隨著一批新項目的如期投產，未來2～3年，紫金礦業銅板塊將"井噴式"崛起，逐步進入全國領先、全球前列。

中國是全球最大銅消費國和進口國，銅進口量約占全球的40%以上，對外依存度十分高。作為我國重要的黃金和有色金屬生產企業，紫金礦業在礦產黃金實現國內領先的基礎上，在礦產銅方面亦是壯志酬籌。

據紫金礦業介紹，除本次建成投產的項目以外，公司正在建設將陸續釋放的銅礦產能包括多寶山銅業技改項目、剛果金科盧韋齊銅礦建設項目，這些項目將在2～3年內陸續建成投產，將使紫金礦業整體礦產銅產量突破30萬t，而國內最大的銅礦生產企業2015年的產量在20萬t左右。

去年，公司通過并購最終享有卡莫阿控股公司54.4%的權益后，一躍成為中國擁有海內外銅資源儲量最大的企業。剛果(金)卡莫阿銅礦擁有銅資源儲量2500萬t，平均品位為2.3%～2.6%，是世界級超大未開發高品位銅礦，加上今年1月在該礦卡庫拉勘探區發現新的超高品位銅礦，項目資源儲量將突破3000萬t高品位銅，相當于中國現今銅資源量的1/3。

“這些項目可以使公司未來礦產銅產量進軍全球前列。”紫金礦業陳景河董事長表示。

更重要的意義還在于，該項目將成為中國低品位資源利用新的典范。資料顯示，中國銅礦平均品位為0.87%，而紫金山銅礦平均品位約為0.4%左右，遠遠低于我國的平均值。項目的建成投產將提高我國低品位資源利用率，進一步改善和提升礦山采選經濟技術指標。

該項目總投資約8億元，由紫金礦業自行設計、自行建設和施工，僅用16個月就圓滿完成了建設任務，項目設計起點高，工藝先進，裝備一流，項目配備的半自磨機和球磨機為亞洲最大的磨機，浮選機、旋流器、渣漿泵等關鍵設備均達到國際最大或一流標準，項目2.5萬t為浮選工藝，2萬t為堆浸生物冶金工藝，年產銅金屬量將達到3萬t，伴生金780kg，伴生銀20t，副產硫精礦35萬t，年銷售收入可以達到11億項目2.5萬t為浮選工藝，2萬t為堆浸生物冶金工藝，年產銅金屬量將達到4.3萬t，伴生金780kg，伴生銀20t，副產硫精礦35萬t，產值可達16億元。

在環保工藝方面，項目結合低品位金銅伴生資源的特點，以浮選工藝為主，具有選礦回收率高、可以綜合回收金銀硫等伴生元素的優點。既提高了資源綜合利用水平，延長礦山服務年限，又減輕了環保壓力，還降低了生產成本，將創造較好的社會效益和經濟效益。它的建成達產，將使紫金山成為中國重要的銅礦產地之一。

Influence of particle size on the flow field characteristics for solid liquid two phase flow in flotation machine

NIU Fu-sheng1，2，WANG Xue-tao1，ZHANG Jin-xia1，2

(1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China； 2.Key Laboratory of Mineral Development and Security Technology of Hebei Province，Tangshan 063009，China)

Effect of particle size on flow field distribution characteristics of solid liquid two phase flow in flotation machine is studied by using CFD fluid simulation software.Through the simulation analysis shows that discrete phase between the mineral particles and continuous liquid phase interaction is smaller，flow field distribution characteristics are basically consistent，fine particle mineral particle size on the flotation machine internal solid liquid two-phase flow characteristics has little effect.The surface pressure distribution of rotor and stator is related to the particle size，and the turbulent kinetic energy is larger in the vicinity of the region，which ensures the better dispersion of mineral particles in the region.

particle size；flotation machine；solid liquid two phase；flow field characteristic

2016-07-09

國家自然科學基金項目資助(編號：51474087)；河北省百名優秀創新人才支持計劃項目資助(編號：BR2-214)

牛福生(1974-)，男，教授，博士，主要從事復雜難選礦理論與工藝研究。

TD91

A

1004-4051(2016)10-0137-05