郭天宇， 姚 心， 李 鵬， 周鳳娟， 張 穎， 劉 誠

(1.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038； 2.中國科學院過程工程研究所， 北京 100190)

0 引言

19世紀末，泡沫浮選正式成為一種工業(yè)選礦方法而得到應用[1]，經(jīng)過100多年的發(fā)展，浮選技術和浮選設備得到了快速發(fā)展而日趨完善[2]。但是隨著近年來礦產(chǎn)資源的日趨匱乏和惡化，不斷對浮選機的設計和性能提出了新的要求[3-6]。

浮選機大型化過程中通過浮選機的設計原則、放大方法、設備結構參數(shù)等研究可以設計出大型浮選機，但是必須要通過試驗來驗證，這個過程周期長、費用大。為了縮短開發(fā)周期，降低研究費用，減少工業(yè)試驗工作量，需借助計算流體力學技術，建立浮選機流體動力學仿真模型，對大型浮選機的結構及不同操作條件下的流體動力學特性進行模擬計算[7-9]。本文利用CFD技術針對優(yōu)化設計后的浮選機在設計工況下的運行性能進行驗證，通過礦漿流態(tài)、吸附壓力分布、結構設計以及功耗計算等一系列關鍵數(shù)據(jù)對浮選機內(nèi)結構及運行參數(shù)進行優(yōu)化和驗證。

1 計算模型

1.1 幾何模型

某項目浮選機由電機、傳動裝置、葉輪、定子、主軸、槽體、支架和電動推桿等組成。從CFD計算角度，浮選機可分為攪拌混合區(qū)和泡沫區(qū)2個區(qū)域。本文所有針對浮選機內(nèi)流場數(shù)值模擬研究都是對2個區(qū)域范圍內(nèi)的氣- 液兩相流場的考察。本文浮選機幾何模型在ANSYS Workbench中建立，選用ANSYS軟件中ICEM- MESHING模塊軟件進行網(wǎng)格劃分。

圖1 浮選機結構圖

圖2 浮選機模型

為了最大限度地減小浮選機整體模型的交互面的數(shù)量，并根據(jù)槽體內(nèi)流體流動特征不同，將槽體內(nèi)部分為空氣域、旋轉(zhuǎn)域和槽內(nèi)區(qū)域，并分別進行網(wǎng)格劃分，同時進行數(shù)值模擬。浮選機主體結構分為旋轉(zhuǎn)區(qū)和固定區(qū)，其中葉輪- 定子旋轉(zhuǎn)區(qū)采用四面體非結構網(wǎng)格，其余部分劃分為混合型網(wǎng)格。

1.2 數(shù)學模型

浮選機模擬計算的質(zhì)量守恒方程的表達式為：

(1)

對應的動量守恒方程為：

(2)

在Standardk-εModel模型中，關于k-ε的輸送方程如下：

(3)

(4)

上式中，Yk和Yw分別代表湍動生成的k和w，Sk和Sw為自定義源項。Gk代表的是由于平均速度產(chǎn)生湍流動能；計算如一般k-ε方程湍動生成一樣。Gb是由湍動形成的湍流動能。σk與σε分別是k和ε的湍動普朗特數(shù)。

2 邊界條件

對于浮選機模擬而言，邊界條件的正確設置也是仿真計算準確的關鍵。本文模擬計算的浮選機仿真邊界條件設置如表1所示。

表1 仿真邊界條件設置

3 結果與討論

3.1 浮選機全流體運行軌跡驗證

圖3所示為浮選機內(nèi)全流體運行軌跡模擬結果，包括浮選機內(nèi)礦漿粒子的運動情況，以及不同位置處的速度大小和分布。模擬結果可以直觀反映設備結構、尺寸和渦輪設計對礦粒在浮選機內(nèi)運動的影響。礦漿被吸入浮選機后，隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度達到最大值，隨后甩出而成徑向射流最后發(fā)展直至槽壁。礦漿粒子運行軌跡遍布整個浮選機槽體，這驗證了浮選機結構設計的合理性。

3.2 浮選機內(nèi)速度場驗證

圖4所示為浮選機內(nèi)中心剖面的液相速度云圖，作為浮選機槽內(nèi)流體流動的主體，混合區(qū)內(nèi)較強的液相速度有利于礦漿和氣泡的混合，而運輸區(qū)內(nèi)液相速度較弱可使礦化氣泡穩(wěn)定上升而不致因擾動過大而脫落。液相離開定子葉片后成為徑向射流，發(fā)展直至槽壁。圖4右側所示為葉輪- 定子區(qū)內(nèi)橫截面速度云圖，葉輪葉片的旋轉(zhuǎn)帶動流體流動，故葉片迎風面均產(chǎn)生了很高的流體速度，定子葉片處流速有所降低，說明定子的穩(wěn)流和導流設計有效。整體流場分布有一定的對稱性。

3.3 浮選機負壓形成及分布驗證

浮選機由電動機三角代傳動帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心作用形成負壓，礦漿從而被吸入浮選機內(nèi)。圖5所示為浮選機設備的壓力分布云圖，仿真結果顯示浮選機中心筒內(nèi)和葉輪葉片上存在明顯的負壓，這對于浮選設備內(nèi)上、下循環(huán)的產(chǎn)生、吸氣、吸漿作用等都是有益的。通過對浮選機內(nèi)負壓的形成和分布的仿真模擬，從而對浮選機在設計工況下的運行性能進行了驗證。

圖4 浮選機內(nèi)速度流場分布

圖5 浮選機內(nèi)負壓形成及分布

模擬結果中紅色向藍色的變化表示壓力由高到低的變化過程。圖6中在葉輪的迎風面處存在高壓分布區(qū)，分別位于葉輪葉片轉(zhuǎn)角的前緣和上下部接近葉輪頂端的部位，這與工業(yè)現(xiàn)場葉輪磨損情況相吻合。同樣的，在定子表面的高壓區(qū)域是與葉輪高壓區(qū)相對的位于定子上部的迎風區(qū)域，這里承受的流場壓力要比其他區(qū)域大，磨損也更多，與實際中測試的情況也一致。

3.4 浮選機內(nèi)氣泡分布及氣泡形成驗證

浮選機內(nèi)氣、液兩相的分布情況對礦物浮選是十分重要的，也是評價設備性能和浮選操作優(yōu)劣的重要指標。圖7為浮選機內(nèi)液相和氣相的兩相分布情況。隨著葉輪的轉(zhuǎn)動，浮選機旋轉(zhuǎn)區(qū)形成的負壓不斷吸取空氣，進入旋轉(zhuǎn)區(qū)的空氣又不斷被旋轉(zhuǎn)葉片打碎分散。仿真內(nèi)氣液兩相分布結果表明，氣泡能夠比較均勻的存在于整個浮選機設備內(nèi)，并在液相中不斷渦旋上升，這說明礦漿與氣泡混合比較充分，有助于礦粒與氣泡的接觸、碰撞和黏附，有利于氣泡的礦化。通過分析計算浮選氣泡的產(chǎn)生過程和氣泡分布，從而對浮選機設計工況下的浮選性能進行了驗證。

圖6 浮選機轉(zhuǎn)子的受壓圖

圖7 浮選機內(nèi)氣泡分布

3.5 浮選機擋板優(yōu)化驗證

設計人員對浮選機內(nèi)部結構及擋板進行了優(yōu)化，通過仿真模擬對比了有無擋板兩種浮選機設計的氣液兩相分布及速度場分布。圖8a氣液兩相分布仿真結果表明，優(yōu)化擋板后，浮選機吸氣能力和破碎生成氣泡量都明顯增加，從而有助于對礦粒的吸附和收集。圖8b速度場仿真對比結果表明，優(yōu)化擋板后浮選機內(nèi)速度分布更均勻，有利于混合區(qū)流場循環(huán)的穩(wěn)定。通過對浮選機內(nèi)部結構及擋板設計的優(yōu)化、驗證，最大化提高了浮選機對礦漿的吸附和收集。

圖8 浮選機有無擋板模擬結果對比

3.6 浮選機渦輪理論功率驗證

通過浮選機模擬過程中，對渦輪剪切力、軸向受力等的數(shù)值監(jiān)控和分析，進一步計算得浮選機在不同工況下的理論能耗值。圖9計算了礦漿工況下浮選機渦輪在轉(zhuǎn)動、吸液、吸氣液三種運行狀態(tài)下的理論能耗值，仿真結果表明浮選機運行初始時渦輪功率達到最大值，吸漿、吸氣運行平穩(wěn)后渦輪功率值依次降低。渦輪能耗仿真結果與經(jīng)驗設計值非常接近。同時我們對比了不同轉(zhuǎn)速下浮選機的渦輪理論能耗。圖9仿真結果表明，渦輪轉(zhuǎn)速越快能耗值越高。通過對浮選機渦輪的理論能耗計算，最終得到不同工況下浮選機的最優(yōu)運行功率和能耗。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下的理論功率值

4 結論

本文通過模擬計算浮選機內(nèi)全流體運行軌跡，直觀驗證設備結構、尺寸和渦輪設計對礦粒在浮選機內(nèi)運動軌跡的影響；通過浮選機工作過程中的氣液兩相流動、氣泡產(chǎn)生和均布、吸附壓力分布分析對浮選機在設計工況下的運行性能進行驗證；對浮選機內(nèi)部結構及擋板進行了優(yōu)化，提升對礦粒的吸附和收集；模擬計算浮選機在鎳礦礦漿中運行時的理論功率值，從而獲得浮選機不同工況下的最優(yōu)運行功率和能耗。