曹曉暢 韓立發(fā)

(東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808)

磁選是利用被分選物料的磁性 (磁導(dǎo)率和磁化率)的差異，在磁選機(jī)磁場(chǎng)中使礦物分離的一種選礦方法。廣泛用于金屬礦石的分選、非金屬礦石的提純、二次資源的回收和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。

高梯度磁選是20世紀(jì)60年代末在美國(guó)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)磁選新技術(shù)，為解決品位低、粒度細(xì)、磁性弱礦石的選礦，開辟了新的途徑。隨著高梯度磁選理論和設(shè)備不斷發(fā)展，它的應(yīng)用已突破了磁選的傳統(tǒng)對(duì)象，進(jìn)入醫(yī)學(xué)界和生物界等領(lǐng)域［1］。

計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)是以計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)，對(duì)流體流動(dòng)、傳熱以及相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行分析的一種研究方法。涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、流體力學(xué)、偏微分方程的數(shù)學(xué)理論、計(jì)算幾何和數(shù)值分析等學(xué)科。這些學(xué)科交叉融合，相互促進(jìn)和支持推動(dòng)著彼此間的深入發(fā)展。在CFD出現(xiàn)以前，流體研究主要有理論流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)兩種手段。CFD的出現(xiàn)不僅豐富了流體力學(xué)的研究手段，而且由于其強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算能力，可以解算用解析方程不能求解的方程，解決了某些理論流體力學(xué)無(wú)法解決的問(wèn)題。另外，CFD的應(yīng)用減少了實(shí)驗(yàn)測(cè)試次數(shù)，節(jié)省了大量的資金和時(shí)間，并能解決某些由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)所限難以解決的問(wèn)題。近年來(lái)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，它的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)應(yīng)用數(shù)值模擬軟件求解描述過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)程設(shè)計(jì)、優(yōu)化［2－3］。

本文的研究對(duì)象是高梯度磁選機(jī)的尾料箱和精料管，這些是料漿在機(jī)器內(nèi)運(yùn)行的主要部件，物料在磁選機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的流暢程度直接影響著磁選機(jī)的工作效率，所以對(duì)這兩個(gè)部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。靠常規(guī)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法并不能表示料漿在箱內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，在優(yōu)化過(guò)程中采用計(jì)算流體力學(xué) (CFD)的方法對(duì)箱內(nèi)的流體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，為尾料箱及精料管的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，從而改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，節(jié)省開發(fā)周期和一些不必要的試驗(yàn)成本。

1 物理模型及計(jì)算方法

高梯度磁選機(jī)設(shè)計(jì)的工作原理示意圖如圖1所示，激磁線圈通電后，在分選區(qū)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，使磁介質(zhì)產(chǎn)生非均勻磁場(chǎng)即高梯度磁場(chǎng);轉(zhuǎn)環(huán)作連續(xù)旋轉(zhuǎn)，磁介質(zhì)盒也隨轉(zhuǎn)環(huán)連續(xù)入出分選區(qū);礦漿從給料箱連續(xù)送入上磁軛縫隙并流經(jīng)轉(zhuǎn)環(huán)。礦漿中的磁性顆粒吸附在磁性介質(zhì)上，被轉(zhuǎn)環(huán)帶至頂部無(wú)磁場(chǎng)區(qū)，在沖洗水與壓縮空氣共同作用下將其沖入接料箱由精料管排出;非磁性顆粒在重力、脈動(dòng)流體的作用下穿過(guò)磁介質(zhì)堆，沿下磁軛縫隙流入尾料箱。

本文所研究的精料管如圖2所示，此圖為磁選機(jī)精料管原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，左右兩個(gè)管道為精料箱排出的精料輸送管，為此精料管的主入口，旁邊兩個(gè)小管為精料斗排出的精料，此處為軟管連接，所輸送的精料較少，為此精料管的輔入口;右下角為精料管的排漿出口，為了保證精料的順利排出，精料管底部采用圓弧過(guò)渡，并且給精料管的底部加了傾斜角處理。

圖1 磁選機(jī)工作原理示意圖

圖2 精料管結(jié)構(gòu)

在計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算中，計(jì)算區(qū)域?yàn)榱黧w經(jīng)過(guò)的區(qū)域，所以在計(jì)算過(guò)程中對(duì)無(wú)關(guān)計(jì)算結(jié)果的細(xì)節(jié)可以省去，可節(jié)省不必要的計(jì)算時(shí)間，并且不影響計(jì)算結(jié)果。在CFD的計(jì)算物理模型中只保留主入口部分，并對(duì)一些無(wú)關(guān)的零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖3所示。

同樣尾礦箱計(jì)算物理模型如圖4所示。建模過(guò)程中對(duì)一些不影響模擬結(jié)果的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去掉尾礦箱的脈動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)為了達(dá)到模擬的真實(shí)性，把上部分鐵軛縫隙也考慮到建模區(qū)域中。

數(shù)學(xué)模型:采用以雷諾時(shí)均方程為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型。流體屬性:因?yàn)榈V漿濃度在10%左右，且礦的粒度較細(xì)，所以流體可以近似采用常溫下的水，密度:1000 Kg/m3，操作條件:為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，受到重力條件為9.8 m/s，邊界條件:入口條件為速度入口2 m/s，出口條件為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，壁面條件為無(wú)滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面，模擬策略:采用穩(wěn)定算法，收斂標(biāo)準(zhǔn)為10－3。

圖3 精料管物理模型

圖4 尾礦箱物理模型

2 結(jié)果與討論

2.1 精料管的優(yōu)化設(shè)計(jì)

精料管原始設(shè)計(jì)的速度分布圖和內(nèi)部流體的跡線分布圖如圖5所示;由圖可以看出，在近出口端的排料管所排出來(lái)的料漿都可以順利地排出，而遠(yuǎn)出口端排料管由于在進(jìn)入精料管后對(duì)管壁的沖擊作用，削弱了流體的湍流動(dòng)能，使料漿在進(jìn)入管內(nèi)后流速迅速降低，一方面降低了此排料管的排放效率，另一方面加重了在精料管的積料情況。

圖5 精料管最初設(shè)計(jì)CFD模擬圖

圖6 精料管改進(jìn)設(shè)計(jì)CFD模擬圖

根據(jù)對(duì)精料管的CFD模擬所存在的問(wèn)題，現(xiàn)做出以下改進(jìn):

1)增大精料管的傾斜角度，由原來(lái)的2度提高到10度，以防止底部積料情況的發(fā)生。

2)增大精料管出口的尺寸，以方便兩個(gè)出口的排料。

3)在遠(yuǎn)出口端的排料管處加個(gè)直角彎頭，以防止底部積料和增加排料的暢通性。

圖6為精料管改進(jìn)后的CFD模擬圖，由圖可以看出，在排料管的下端加入彎頭的作用明顯，不僅增加了料漿運(yùn)動(dòng)的暢通性，還能有效沖走精料管底部的積料;增大底部的傾斜角和加大出口的尺寸也使精料管底部整體的流動(dòng)性很好，就算有一些積料也會(huì)因?yàn)橹亓ψ饔昧鞒鋈ァ?/p>

改進(jìn)后的精料管設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

圖7 精料管改進(jìn)設(shè)計(jì)圖

2.2 精料管的優(yōu)化設(shè)計(jì)

精料管最初的設(shè)計(jì)模擬圖如圖8所示，由圖可以看到尾料箱的底部有一片流體速度值較小，這部分的波動(dòng)將會(huì)很小，在運(yùn)行過(guò)程會(huì)形成死區(qū)，最終將導(dǎo)致積料情況，由圖8(b)也可以說(shuō)明這一情況，大多數(shù)的漿料在料箱的靠出口處流動(dòng)，遠(yuǎn)出口處的流動(dòng)性很差。

圖8 尾礦箱的最初設(shè)計(jì)

圖9為尾料箱的的改進(jìn)方案一，對(duì)料箱的底部進(jìn)行優(yōu)化處理，增加底部的傾斜角度，其他地方保持不變，由圖9(a)和圖9(b)可以看出料箱的底部積料情況得到了有效改善，但是同時(shí)發(fā)現(xiàn)在料箱的中心部分又形成一片低流速區(qū)，由9(b)可以看出還有大片漩流產(chǎn)生，可能是在改善箱內(nèi)邊緣處的流動(dòng)性之后，形成了此消彼漲的情況，流體總是會(huì)沿著最容易流動(dòng)的軌跡來(lái)走，這次改進(jìn)的效果不大明顯。

圖9 尾礦箱的改進(jìn)方案水沖洗

圖10為第二次的改進(jìn)方案，將料箱底部減到整體結(jié)構(gòu)能承受的最小值，并加大側(cè)面的傾斜角度，由圖可以看出箱內(nèi)的流體速度分布較為均勻，箱內(nèi)每處的流動(dòng)性較為理想，沒有死區(qū)產(chǎn)生，所以最終采用這個(gè)設(shè)計(jì)方案。

圖10 尾礦箱的改進(jìn)方案二

3 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)的方法可準(zhǔn)確地對(duì)磁選機(jī)的內(nèi)部三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，從不同的流場(chǎng)圖可以很清楚地看出初始設(shè)計(jì)的弊端，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷改進(jìn)和優(yōu)化，并準(zhǔn)確地得到優(yōu)化方案，說(shuō)明在實(shí)際工程中，用CFD數(shù)值模擬的方法可以提供必要的理論指導(dǎo)，達(dá)到縮短開發(fā)周期節(jié)約開發(fā)成本的作用。

［1］馬華麟，孫放，趙福剛，等.現(xiàn)代鐵礦石選礦［M］.合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.

［2］昌澤舟，羅皓，郭麗娜，等.CFD軟件在通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2009(2):60－65.

［3］吳啟明，支海東.CFD技術(shù)在工業(yè)爐設(shè)計(jì)研究中的應(yīng)用［J］.中國(guó)科技財(cái)富，2009(2):32－33.