自吸氣浮選機設計參數(shù)對浮選流體動力學性能的影響

劉承帥 陳 東 陳飛飛 張 明

(1.北京市高效節(jié)能礦冶裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100160；2.礦物加工科學與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100160；3.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

國內(nèi)浮選機葉輪的研究主要集中在機械攪拌式浮選機方面[1-4]，而對自吸氣浮選機葉輪的研究則相對較少，并且這方面的研究還主要集中在工業(yè)應用方面[5-6]。葉輪作為自吸氣浮選機最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)之一，主要存在以下作用：①葉輪旋轉(zhuǎn)使礦漿充分懸浮，不至于沉槽；②葉輪旋轉(zhuǎn)在槽內(nèi)形成特定的流場，為浮選過程提供動力學條件；③葉輪旋轉(zhuǎn)在豎筒內(nèi)形成漩渦，利用空氣卷吸原理實現(xiàn)自吸空氣；④葉輪旋轉(zhuǎn)在循環(huán)筒內(nèi)形成負壓，進而實現(xiàn)礦漿的循環(huán)。對于特定的自吸氣浮選機，葉輪的運轉(zhuǎn)參數(shù)(葉輪的轉(zhuǎn)速、浸沒深度、插入深度、調(diào)節(jié)間隙等)不同對浮選機特征參數(shù)(吸氣量、循環(huán)量、功耗)的影響呈現(xiàn)出不同的趨勢。為此，根據(jù)浮選機放大原理，設計了0.2 m3實驗室型自吸氣浮選機。利用實驗流體力學方法研究了自吸氣浮選機葉輪的葉輪轉(zhuǎn)速、浸沒深度、插入深度對自吸氣浮選機流場、功耗、吸氣量、氣體分散效果等的影響。

1 試驗設備

為了便于試驗觀察，整個實驗室型浮選機槽體用有機玻璃制作，試驗平臺及裝置如圖1所示，圖2為試驗系統(tǒng)的實物圖。

圖1 試驗用浮選機二維圖Fig.1 Two-dimensional flotation machine for experiment

圖2 試驗用浮選機Fig.2 Flotation machine for experiment

本研究浮選機葉輪采用的是徑向葉片葉輪，在給定功率條件下，葉輪縱橫比(長徑比)將影響葉輪的吸氣能力和礦漿循環(huán)能力。如果縱橫比太小，空氣吸入量將超過循環(huán)量，而縱橫比太大，則相反。當葉輪的縱橫比約為1.0時，吸入量和循環(huán)量均最佳[7]。自吸氣浮選機葉輪如圖3所示，共10個葉片，直徑140 mm，高155 mm，縱橫比為0.9。

圖3 自吸氣浮選機葉輪Fig.3 Rotor of self-aerated flotation machine

2 試驗方法

本文主要研究葉輪轉(zhuǎn)速、浸沒深度、插入深度在清水條件下對浮選機吸氣量和功耗的影響。試驗設計了11個轉(zhuǎn)速、3個不同的浸沒深度及3個不同插入深度。吸氣量通過排水取氣法進行測量，葉輪轉(zhuǎn)速和功率消耗通過扭矩傳感器來測量。

吸氣量的測量采用排水集氣法進行測量，測試工具如圖4所示。

圖4 吸氣量測試管Fig.4 Inflatable measurement test tube

吸氣量測量取樣的有效長度為200 mm，吸氣量的計算公式為

(1)

式中,Q為測量點吸氣量，m3/(m2·min)；V為從測量工具中排開清水的體積，m3；T為測量時間，min；S為測量工具的橫截面積，m2；L為有效測量段的長度，m；t為測量時間，s。

計算可知，此吸氣量測量管12 s對應的吸氣量為1 m3/(m2·min)。

浮選機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)示意如圖5所示。浸沒深度為葉輪上端面距液面的高度，插入深度為葉輪插入循環(huán)筒內(nèi)的深度，調(diào)節(jié)間隙為葉輪外延與循環(huán)筒徑向方向的距離，本研究設置調(diào)節(jié)間隙為5 mm。

圖5 浮選機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)示意Fig.5 Crucial structural parameters of flotation machine

吸氣量測試方法：試驗過程中，由于浮選機具有對稱性，為此選取半個圓面作為測試范圍，為使測試的吸氣量有充分的代表性，在浮選機內(nèi)2個周向方向共布置12個測點，測點布置如圖6所示。每個測點至少測試2次，保證氣量大致相同為止，綜合12個點的測試數(shù)據(jù)求平均值，算出每個轉(zhuǎn)速下的吸氣量，并記錄對應的扭矩傳感器的扭矩和功率值。

圖6 吸氣量測點分布Fig.6 Measuring point distribution

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 葉輪轉(zhuǎn)速的影響

選取葉輪的浸沒深度為70 mm、插入深度為10 mm，測試浮選機葉輪轉(zhuǎn)速對吸氣量和功耗的影響，結(jié)果見表1。

由表1可知：葉輪轉(zhuǎn)速小于784 r/min時，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加，吸氣量逐漸提高，提高幅度逐漸變小；葉輪轉(zhuǎn)速大于784 r/min時，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加，吸氣量變化不明顯；浮選機功耗隨葉輪轉(zhuǎn)速的增加逐漸提高。

表1 葉輪轉(zhuǎn)速影響試驗結(jié)果Table 1 Test results on influence of impeller rotating speed

3.2 葉輪浸沒深度的影響

隨著自吸氣浮選機的大型化，槽體容積不斷加大，槽體深度也不斷加深，葉輪處的靜壓力增加，自吸空氣就受到了限制。而通過提高葉輪轉(zhuǎn)速以產(chǎn)生較大的真空度，這樣雖然能吸入一定量的空氣，但易造成槽內(nèi)礦漿運動過于激烈，礦漿液面容易產(chǎn)生翻花現(xiàn)象，葉輪與定子磨損加重，功耗增加。而將葉輪安裝在浮選槽的中上部，同時為防止槽內(nèi)沉砂，使礦漿得到充分攪拌，在槽下部設置供礦漿循環(huán)用的假底和導流管裝置，這樣既能夠自吸足夠的空氣，又具有良好的流體動力學特性，浮選機功耗也較低。為此，在插入深度為10 mm條件下考察葉輪浸沒深度對功耗和吸氣量的影響，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：隨著葉輪浸沒深度的增加，吸氣量在各個轉(zhuǎn)速條件下整體都逐漸減小，高轉(zhuǎn)速條件下，浸沒深度為100 mm較浸沒深度為40 mm時的吸氣量提高了22%～28%；隨著浸沒深度的降低，浮選機的功耗呈下降趨勢，葉輪浸沒深度100 mm較浸沒深度為40 mm時的功耗低18%左右。這說明，浸沒深度降低，吸氣量增加，浮選機功耗降低。

3.3 插入深度的影響

通常認為，浮選機的功耗在一定程度上表征循環(huán)量的大小。自吸氣浮選機的葉片按功能可分為上葉片區(qū)和下葉片區(qū)：上葉片主要作用在于卷吸空氣，下葉片主要功能在于循環(huán)礦漿，因此，葉輪插入循環(huán)筒內(nèi)的深度對循環(huán)量有較大影響。在葉輪浸沒深度為70 mm條件下，探究插入深度對吸氣量和功耗的影響，試驗結(jié)果如圖8所示。

圖7 浸沒深度影響試驗結(jié)果Fig.7 Test results on influence of submergence depth◆—40 mm;●—70 mm;▲—100 mm

圖8 插入深度影響試驗結(jié)果Fig.8 Test results on influence of insertion depth◆—10 mm;●—20 mm;▲—30 mm

從圖8可以看出：插入深度對吸氣量的影響不大，未呈現(xiàn)明確的規(guī)律；在低轉(zhuǎn)速條件下，隨著插入深度的增加功耗無明顯差異，轉(zhuǎn)速達到556 r/min后，隨著插入深度的增加功耗小幅降低。

4 結(jié) 論

自吸氣浮選機吸氣量隨葉輪轉(zhuǎn)速的增加而增加，增加幅度逐漸變小，功耗隨葉輪轉(zhuǎn)速的增加逐漸增加；隨著葉輪浸沒深度的增加，吸氣量減小，功耗增加；插入深度對吸氣量的影響不大，低轉(zhuǎn)速條件下，隨著插入深度的增加，功耗變化不明顯，轉(zhuǎn)速達到556 r/min后，隨著插入深度的增加，功耗小幅降低。

[1] 沈政昌,史帥星,盧世杰,等.浮選設備的發(fā)展概況[J].有色設備，2004(S):21-26.

Shen Zhengchang,Shi Shuaixing,Lu Shijie,et al.Overview of the flotation's development[J].Nonferrous Equipment,2004(S):21-26.

[2] 沈政昌,楊麗君,陳 東,等.吸氣機械攪拌式浮選機放大方法的研究[J].有色金屬:選礦部分,2007(3):32-37.

Shen Zhengchang,Yang Lijun,Chen Dong,et al.Study on amplification method of aerated mechanical flotation machine[J].Nonferrous Metals:Mineral Processing Section,2007(3):32-37.

[3] 沈政昌.160 m3浮選機動力學研究[J].有色金屬:選礦部分,2005(5):33-35.

Shen Zhengchang.Research of 160 m3flotation machine flotation dynamics[J].Nonferrous Metals:Mineral Processing Section,2005(5):33-35.

[4] 沈政昌,陳 東.吸氣式浮選機動力學模型研究[J].有色金屬：選礦部分,2006,22(1):23-24.

Shen Zhengchang,Chen Dong.Research of pneumo type flotation machine flotation dynamic model[J].Nonferrous Metals:Mineral Processing Section,2006,22(1):23-24.

[5] 陳 東.JJF-130 m3機械攪拌式浮選機動力學研究[J].有色金屬:選礦部分,2008(11)：49-51.

Chen Dong.Research of JJF-130 m3fotation machine flotation dynamics[J].Nonferrous Metals:Mineral Processing Section,2008(11):49-51.

[6] 吳鵬云.自吸攪拌式浮選機的吸氣量研究[J].機械研究與應用,2010(5):56-61.

Wu Pengyun.Study on inspiration capacity for the self-absorption air and agitation flotation machine[J].Mechanical Research and Application,2010(5):56-61.

[7] 沈政昌,盧世杰,陳 東,等.JJF-130 m3大型機械攪拌式浮選機研究與設計[J].礦冶,2008(4):81-84 .

Shen Zhengchang,Lu Shijie,Chen Dong,et al.Research and design of JJF-130 m3flotation machine[J].Mining and Metallurgy,2008(4):81-84.