沈祥兵， 高述楷， 高 超

(湖北省地質(zhì)勘查裝備中心，湖北 武漢 430034)

在礦物浮選過(guò)程中，需向礦漿中加入捕收劑，以便提高礦物顆粒表面的疏水性，增大其與氣泡吸附的概率，達(dá)到提高精礦回收率的目的[1]。但有些捕收劑是油類捕收劑，這類捕收劑難溶于水，如直接加入到礦漿中，不能均勻分散，導(dǎo)致浮選效果差。針對(duì)這類難溶、難乳化、難分散的藥劑，為使其與礦漿更好接觸反應(yīng)，需對(duì)浮選設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)研究。如研究國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)選煤廠普遍采用煤油、輕質(zhì)柴油等非極性油類作為捕收劑，它們?cè)谒械姆稚⑿詷O差，導(dǎo)致浮選礦物回收率較低[2]。目前有部分專家提出將捕收劑霧化概念，使其液滴的粒徑變小，液滴粒徑越小，其數(shù)目就越多，分散性也越好，在礦漿中的分散也就越均勻。同時(shí)，液滴粒徑越小，比表面積也就越大，與礦粒接觸幾率也越大，故與礦粒粘附概率也越高，捕收劑的用量也越少，從而節(jié)省浮選藥劑用量，提高浮選速度，改善浮選效果。但霧化后的藥劑如何施加到礦漿中卻存在難點(diǎn)。

浮選方式很多，其中機(jī)械攪拌式浮選應(yīng)用最為廣泛，本文將結(jié)合機(jī)械攪拌式浮選機(jī)浮選時(shí)礦漿流場(chǎng)的特點(diǎn)(以XJM-S浮選機(jī)的礦漿流場(chǎng)為例)，探討一種新的霧化藥劑(捕收劑)施加到礦漿中的方式。

1 機(jī)械攪拌式浮選機(jī)內(nèi)流場(chǎng)分析

1.1 XJM-S浮選機(jī)簡(jiǎn)介

XJM-S浮選機(jī)主要由槽體、攪拌系統(tǒng)、刮板系統(tǒng)、假底輔助、放礦結(jié)構(gòu)、液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成。其中攪拌系統(tǒng)(如圖1)主要由大皮帶輪、軸承座、吸氣管、套筒、攪拌軸、上調(diào)節(jié)環(huán)、定子蓋板、定子體、葉輪、鎖緊螺母和鐘形罩等組成。攪拌機(jī)構(gòu)的核心部件是葉輪定子組，本系列浮選機(jī)采用分體式葉輪定子結(jié)構(gòu)。其工作原理(如圖2)[3]：礦漿和藥劑混合后，由給礦系統(tǒng)給到浮選機(jī)第一室假底下，葉輪的旋轉(zhuǎn)使輪腔形成負(fù)壓，假底下及槽中的礦漿由葉輪下吸口和上吸口分別進(jìn)入混合區(qū)，同時(shí)外部空氣沿導(dǎo)氣套筒被吸入混合區(qū)，礦漿、藥劑和空氣在這里混合。在葉輪離心力作用下，經(jīng)充分混合后的礦漿進(jìn)入礦化區(qū)，空氣被葉輪粉碎形成氣泡并與礦粒充分接觸，而形成礦化氣泡，同時(shí)在定子和紊流板的共同作用下，均勻分布在槽體截面，并向上浮升進(jìn)入分離區(qū)，富集形成精煤泡沫，再由刮泡系統(tǒng)排出。在假底上部部分未被礦化的礦粒通過(guò)其循環(huán)孔及上吸口再次吸入葉輪，并再次混合、礦化和分離。同時(shí)槽內(nèi)部分未及時(shí)礦化礦漿，經(jīng)設(shè)在浮選機(jī)間的中礦箱進(jìn)入第二浮選機(jī)的假底下，完成同第一室的全部過(guò)程后，再進(jìn)入第三室，周而復(fù)始，礦漿最后通過(guò)最后一級(jí)的浮選室選別后，進(jìn)入尾礦箱排出并最終形成尾礦[4]。

1.2 浮選機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

筆者以清水為介質(zhì)，采用Ansys Workbench fluid Flow(FLUNET)軟件對(duì)礦漿在浮選機(jī)中的流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。

1.2.1模擬模型的確定

采用SolidWorks建立物理幾何模型，導(dǎo)入Ansys后，采用多面體混合網(wǎng)格(即結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合)對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格生成，用有限體積法作離散化方法，使用SIMPLEC算法耦合壓力—速度，用二階迎風(fēng)格式離散方程，參照多重參考系法(MRF)進(jìn)行流動(dòng)場(chǎng)計(jì)算，湍流區(qū)域采用k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行計(jì)算。

圖1 XJM-S浮選機(jī)攪拌機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of mixing mechanism of XJM-S flotation machine

圖2 XJM-S浮選機(jī)工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of XJM-S flotation machine

1.2.2邊界條件

(1) 進(jìn)口條件：假定進(jìn)口速度在沿進(jìn)水口截面均勻分布，入口截面速度為0.24 m/s。

(2) 出口條件：壓力出口，壓力值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

(3) 壁面條件：標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，對(duì)近壁面采用湍流流動(dòng)進(jìn)行處理。

(4) 葉輪速度：按線速度8.9 m/s(根據(jù)文獻(xiàn)[1],流場(chǎng)湍流強(qiáng)度與線速度成正比，湍流動(dòng)能與速度的平方成正比，故速度值對(duì)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)模擬呈放大相似準(zhǔn)則，不影響流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì))，葉輪轉(zhuǎn)速取240 rpm。

(5) 重力條件：在浮選過(guò)程中重力場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)是有明顯影響的，故加入重力條件，取重力加速度為-9.8 m/s2。

1.2.3流場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

葉輪是機(jī)械攪拌式浮選機(jī)最關(guān)鍵部位，葉輪的旋轉(zhuǎn)使得礦漿在浮選槽中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并空氣吸入，使礦漿與空氣及藥物充分混合、發(fā)泡，以達(dá)到浮選的目的。故對(duì)葉輪流場(chǎng)進(jìn)行FLUNET分析，分析結(jié)果如下：

在浮選槽Z=0.4 m的水平剖面，葉輪內(nèi)部區(qū)域的流線分布流譜如圖3所示。所謂的流線，是指在某一時(shí)刻流場(chǎng)中這條線上所有質(zhì)點(diǎn)的速度矢量與之相切。

圖3 葉輪內(nèi)部流線圖Fig.3 Steamline diagram of impeller interior

圖4 葉輪與定子區(qū)域動(dòng)壓力分布圖Fig.4 Distribution of dynamic pressure in impeller and stator area

圖5 葉輪與定子區(qū)域靜壓力分布圖Fig.5 Distribution of static pressure in impeller and stator area

圖6 葉輪與定子區(qū)域全壓力分布圖Fig.6 Distribution of full pressure in impeller and stator area

圖7 葉片流道內(nèi)動(dòng)壓分布Fig.7 Distribution of dynamic pressure in blade flow

圖8 葉片流道內(nèi)靜壓分布Fig.8 Distribution of static pressure in blade flow

圖3-圖8中顏色按藍(lán)→綠→黃→橙→紅的變化，依次表示壓力的升高。

從圖4-圖6看，流場(chǎng)壓力分布規(guī)律非常明顯：葉輪根部流場(chǎng)靜壓最?。回?fù)壓區(qū)集中在葉片根部，約占葉片長(zhǎng)度的1/3。正因?yàn)樨?fù)壓的存在，才使得浮選機(jī)吸入空氣成為可能。同時(shí)，從圖6可以看出，葉片定子流道中的全壓力小于定子外部浮選槽中的全壓力，說(shuō)明葉片定子間存在渦流。從圖7、圖8看，在1.2.1邊界條件下，葉片流道中動(dòng)壓、靜壓、全壓最大值分別為35.7 kPa、26.8 kPa、58.9 kPa；最小值分別為2.9 kPa、-36.2 kPa、-33.4 kPa。從圖8看，葉片流道內(nèi)靜壓沿徑向方向，隨著半徑的增大，靜壓逐漸增加，由負(fù)變?yōu)檎?，最后在葉片邊緣達(dá)到最大值[5]。

2 探索機(jī)械攪拌式浮選機(jī)藥劑霧化后改進(jìn)措施

2.1 目前藥劑霧化后浮選過(guò)程中存在的問(wèn)題

通過(guò)藥劑霧化及浮選探索試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)藥劑霧化后，適用于浮選機(jī)時(shí)存在一定的問(wèn)題。

霧化后的藥劑不能很好地通入到攪拌槽內(nèi)：直接采用霧化加藥方式時(shí)，藥劑霧化后呈氣體狀上升，難以下落至攪拌槽內(nèi)礦漿中。

噴淋管漏氣：在藥劑霧化時(shí)，雖然噴淋管對(duì)捕收劑霧化效果良好，但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，霧化后藥劑呈氣體狀飄浮，難以下落，只有少量藥劑進(jìn)入到礦漿中，影響浮選效果；如將霧化管插入至攪拌槽礦漿中，則霧化氣體會(huì)從噴淋管加藥端外泄，造成藥劑損失[6]。

2.2 機(jī)械攪拌式浮選機(jī)藥劑霧化后的改進(jìn)方案

通過(guò)第1章的分析，發(fā)現(xiàn)在機(jī)械攪拌式浮選機(jī)工作時(shí)，葉輪與定子形成的腔體中存在負(fù)壓，負(fù)壓最大值達(dá)-36.2 kPa，同時(shí)該區(qū)域也是渦流最強(qiáng)的區(qū)域。該處存在的負(fù)壓和渦流為藥劑(霧)混勻入礦漿提供了量身定制的條件：負(fù)壓可以將藥劑(霧)吸入至葉輪與定子的腔體，而較強(qiáng)的渦流為藥劑(霧)與礦漿及空氣的三相混勻體提供了動(dòng)力源。

假定霧化后的藥劑(霧)壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力(101 kPa)，根據(jù)伯努利方程：

式中:p為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)；v為流體該點(diǎn)的流速；ρ為流體密度；g為重力加速度；h為該點(diǎn)所在高度(因藥?kù)F的密度較小，這里忽略ρgh)。

取V1=0

ρ≈空氣密度=1.205 kg/m3

則

P1-P2=36.2 kPa

V2=173 m/s

當(dāng)然以上是按伯努利方程的理想狀態(tài)推算，忽略管道的阻尼以及雷諾系數(shù)的變化，并且將藥劑(霧)視為不可壓縮的流體。實(shí)際情況可能會(huì)有差別。同時(shí)此處負(fù)壓的形成是由礦漿的流動(dòng)形成的。藥劑(霧)在此處的流速受到礦漿運(yùn)動(dòng)的限制。如果將藥劑(霧)假定為不可壓縮的流體(實(shí)際是可壓縮)，則藥劑(霧)的流速由礦漿的運(yùn)動(dòng)確定，故可以確定此處負(fù)壓產(chǎn)生的藥劑(霧)流的最大流速在7.75～173 m/s之間。藥劑(霧)流是可以滿足浮選機(jī)捕收劑添加(量)的要求。故利用浮選機(jī)葉輪與定子間腔體存在的負(fù)壓來(lái)自動(dòng)施加藥劑(霧)的技術(shù)方案是可行的。并可完全解決前述中提到的“目前藥劑霧化后浮選過(guò)程中存在的問(wèn)題”。

2.3 機(jī)械攪拌式浮選機(jī)藥劑霧化后的改進(jìn)措施

根據(jù)文中2.2的分析，可以將霧化后的藥劑直聯(lián)至浮選機(jī)的定子與葉輪的腔體之間，利用葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓進(jìn)行藥劑(霧)施加。具體方案如圖9所示：將霧化后的藥劑通過(guò)直聯(lián)管道，直接通入葉輪和定子形成的腔體，利用葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的負(fù)壓及渦流均勻地添加到礦漿中。

3 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)效果

利用武漢探礦機(jī)械廠制造的XFD-Ⅳ型1.5 L單槽浮選機(jī)，在pH值為7、石英粒級(jí)為-0.074 mm、轉(zhuǎn)速為1 680 r/min的條件下，捕收劑FX-6、ZL用量對(duì)霧化和滴加捕收劑浮選回收率的影響如圖10所示。

圖9 浮選機(jī)藥劑霧化方案圖Fig.9 Scheme of drug atomization for flotation machine1.浮選機(jī)槽體；2.葉輪；3.定子；4.中心筒；5.藥劑(霧)管。

圖10 浮選回收效果圖Fig.10 Effect drawing of flotation recovery

從圖10可以看出，藥劑霧化后施加相對(duì)于直接滴加在礦漿表面，對(duì)于pH值為7、粒度為-0.074 mm的石英礦，效果明顯，浮選回收率最高可提升20%左右。