劉振強，盧東方，曾繁森，王毓華，鄭霞裕

（中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙410083）

銻作為一種與其他金屬特性不同且不可再生的稀有金屬，是一種寶貴的戰(zhàn)略資源，被國家列為實行保護性開采和冶煉的特定礦種［1］。我國銻的儲量居世界首位［2］，據(jù)統(tǒng)計，氧化銻礦約占我國已探明銻總儲量的15%［3］。

搖床重選仍是分選氧化銻的主要技術途徑。在生產(chǎn)過程中，由于搖床分選的技術限制，氧化銻的回收率僅約為20%［4］。重力選礦廣泛用于處理密度差異較大的物料［5］，近年來，對重力選礦設備的研究日益加強，重選設備也在向大型化、適應性強和復合多力場等多方面發(fā)展［6］。由澳大利亞Newcastle大學Galvin教授團隊開發(fā)的逆流分選柱充分綜合了液固流化床分選理論與斜面沉降的boycott效應，具有出色的分選精度和相對較大的處理能力［7－8］，可用于細粒級礦物的分選與處理。

根據(jù)重選設備發(fā)展現(xiàn)狀以及被分選物料中顆粒密度性質差異，本文使用逆流分選柱在搖床分選前對物料進行富集以提高總的分選指標與效率。CFD算法通常用于模擬連續(xù)流體相的流場［9］，可以模擬不同操作參數(shù)引起的分選狀態(tài)變化，進而得到試驗時無法探測的數(shù)據(jù)，對分選設備的運行狀況進行分析［10－12］。本文采用FLUENT 16.0進行數(shù)值流場模擬試驗，通過計算流體力學對該設備的分選狀態(tài)進行研究，從而對流體狀態(tài)和設備工作過程進行表征，得到該設備工作時流場的相關信息，以此來預測和說明設備的工作狀態(tài)與效果，并且可以通過流場模擬獲得一些實驗時無法直接測量與計算的數(shù)據(jù)，如顆粒的平均速度分布、密度分布、Sb體積分數(shù)分布，進而說明設備在最佳操作參數(shù)下可取得最佳分選效果的原因。

1 自制逆流分選柱結構

用于試驗的自制逆流分選柱主要由上部斜板區(qū)、中部分選柱體、底部上升水布水腔3部分構成。中部分選柱體為50 mm×50 mm×500 mm的正四棱柱體；斜板區(qū)與分選柱體底部相連，高度250 mm，與水平面成70°傾角。其裝置示意圖及模擬計算坐標劃分如圖1所示。

圖1 自制逆流分選柱

在流化床中，液體的流動可近似為從下至上的單向流動，其中，顆粒在流化床中的速度公式［13］為：

式中ρs，ρf分別為顆粒和介質流體的密度；vs，vf分別為顆粒和介質流的流動速度；μf為介質流黏性系數(shù)；jf0為介質流相對于顆粒的流率；ε為空隙度；d為顆粒當量直徑；z為坐標。計算結果的正負表示顆粒運動方向，并非所求值。由式（1）可知，當vf＝0時，該式為自由干擾沉降速度公式。

2 數(shù)值模擬

試驗原料取自湖南錫礦山北選廠浮選車間尾礦槽，粒度范圍－0.074＋0.023 mm，礦樣Sb品位0.82%，礦石中所含銻礦物為黃銻礦，主要脈石礦物為石英。

利用Gambit對逆流分選柱進行幾何建模、網(wǎng)格劃分，最后整個逆流分選柱計算區(qū)域劃分得網(wǎng)格節(jié)點數(shù)470 482個，網(wǎng)格單元數(shù)397 215個。網(wǎng)格劃分示意見圖2。

圖2 自制逆流分選柱模型網(wǎng)格劃分局部示意

分選柱中流態(tài)屬于湍流流態(tài)，利用Standardk?ε模型通過求解湍流動能（k）方程和湍流耗散率（ε）方程，得到k和ε的解，然后再計算湍流黏度，最終通過Boussinesq假設得到雷諾應力解。標準k?ε模型是個半經(jīng)驗公式，主要基于湍流動能和擴散率。k方程為精確方程，ε方程是由經(jīng)驗公式導出的方程。在該模型中ε的定義為：

式中μ為流體湍動黏度；u為流體湍動速度；ρ為流體密度；x為尺度量。

式中Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍動能項；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動能項；YM為在可壓縮流動中湍流脈動膨脹到全局流程中對耗散率的貢獻項；C1，C2，C3均為常量；σk，σε分別為k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)；Sk和Sε為用戶定義的湍動能項和湍流耗散源項。設備中的流體為低速不可壓流動，則：Gb＝0，YM＝0；不考慮源項，即：Sk＝0，Sε＝0。

給礦口、上升水口采用速度入口，湍流定義方式為湍流強度與水力直徑。溢流口、底流口均采用壓力出口。內(nèi)部界面如逆流腔小孔、給礦管下部界面等采用interior。其余邊界類型由系統(tǒng)自動生成，固壁邊界按無滑移邊界條件處理。

逆流分選柱體內(nèi)流場模擬計算物系為水相-Sb相-Si相，其中水相為主相。Sb相（ρ＝5 600 kg／m3）和Si相（ρ＝2 650 kg／m3）為用戶自定義材料，研究粒度范圍－0.074＋0.023 mm顆粒的分選行為時，取顆粒平均直徑為0.06 mm，并在計算中通過改變底流管徑來控制底流流量。給礦質量濃度與顆粒相體積分數(shù)對應關系見表1。

表1 給礦濃度與給礦固相體積分數(shù)對應關系

3 實際礦石試驗結果

在底流流量50 mL／min、上升水流量32 L／h時，進行了給礦濃度試驗，結果見表2。結果表明，增大給礦濃度會使底流與溢流品位同時升高，也會提高尾礦產(chǎn)率，從而導致精礦回收率降低。給礦濃度30%時可取得較高的分選效率。

表2 給礦濃度試驗結果

在給礦濃度30%、上升水流量32 L／h時，進行了底流流量試驗，結果見表3。結果表明，增大底流流量會使精礦品位及回收率同時降低，但精礦產(chǎn)率會有所提高。底流流量50 mL／min時可取得較高的分選效率。

表3 底流流量試驗結果

給礦濃度30%、底流50 mL／min時，進行了上升水流量試驗，結果如表4所示。當前試驗條件下，增大上升水流量會使底流Sb品位、回收率降低。上升水流量8 L／h時可取得較高的分選效率。

表4 上升水流量試驗結果

4 CFD模擬試驗結果

4.1 給礦濃度的影響

上升水流量8 L／h、底流管徑1.2 mm時，進行了給礦濃度模擬計算，結果如圖3所示。隨著給礦濃度增大，分選柱體內(nèi)礦漿濃密度隨之增大，空隙度減小。依照公式（1），這將導致下沉顆粒運動速度減小，上升顆粒運動速度增大。模擬結果與理論分析相符。

由圖3可知，當顆粒群進入斜面分選區(qū)后，礦漿密度與Sb相體積分數(shù)隨著坐標增高逐漸減小，可見斜面分選區(qū)對于降低溢流品位有積極作用?？梢娸^高的給礦濃度下可取得較高的精礦品位，但高濃度不利于密度差異顆粒的快速分離，從而使溢流品位過高，溢流中的精礦品位過高會導致回收率大幅降低，從而導致分選效率較低。但由圖3（b）可得，降低給礦濃度會導致礦漿密度降低，依照公式（1）并參見圖3（a），這會導致Si相顆粒即上升顆粒運動速度降低，從而出現(xiàn)更多的Si相由底流口排出，導致精礦產(chǎn)品品位較低，所以在較低給礦濃度下也無法取得較好的分選效果，這解釋了試驗時出現(xiàn)該結果的原因。給礦濃度30%時可取得較高的分選效率。

圖3 給礦濃度模擬結果

4.2 底流流量的影響

在給礦質量濃度30%、上升水流量8 L／h時，進行了底流管徑模擬計算，結果如圖4所示。由圖4可知，底流管徑變化較大時床層礦漿密度變化較大，并且增大底流流量，會同時導致整體礦漿密度和介質流流速的降低，依照公式（1），二者的降低會導致下沉顆粒運動速度增大、上浮顆粒運動速度降低。模擬結果與理論分析相符。底流管徑1.5 mm時，床層中的礦漿密度相對較小，上升介質流流速降低，導致下降顆粒速度增大，上升顆粒速度降低，參照圖4（a），可見Si顆粒平均上浮接近0，導致分選床層精礦品位較低（圖4（c）），從而使得精礦產(chǎn)品品位較低，不利于分選。而底流管徑1.0 mm時，Sb相沉降速度減小，斜板部分顆粒速度接近0，無法實現(xiàn)重顆粒的下沉，導致溢流即尾礦產(chǎn)品中Sb相含量較高、尾礦產(chǎn)品品位較高、精礦產(chǎn)品回收率低，無法取得較好的分選效果，解釋了在試驗時出現(xiàn)底流流量過低或者過高時，分選效率較低的原因。底流流量50 mL／min，即底流管徑1.2 mm時可取得較高的分選效率。

圖4 底流流量模擬結果

4.3 上升水流量的影響

在給礦質量濃度30%、底流管徑1.2 mm時，進行了上升水流模擬計算，結果如圖5所示。增大上升水流量會直接導致介質流速增大，同時，也會使分選床層內(nèi)礦漿濃度降低，使床層內(nèi)部空隙度增大，礦漿密度也隨之降低。參見公式（1），這些因素的變化會導致下沉顆粒速度減小與上升顆粒速度增大。模擬結果與理論分析相照應。

圖5 上升水流量模擬結果

上升水流量4 L／h時，Sb相體積分數(shù)可取得一個較大的值，并且Sb相沉降速度較大，但Si相平均上浮速度較低，即會使Sb顆粒與Si顆粒分離困難，有較多的Si顆粒進入底流，從而使分選效率降低；上升水流量16 L／h時，床層內(nèi)Sb相體積分數(shù)較低，床層密度也有所下降，并且由圖5（a）可得，在坐標為0時，Sb顆粒平均速度趨近于正值，這說明有相對較多的顆粒進入斜板層，并且由溢流排出，導致回收率較低，所以在較高的上升水流量下也無法取得較高的分選效率，這也就說明了試驗時上升水較高或者過低時的分選效率都不高，只在8 L／h時可取得較高的分選效率。

5 結 論

通過實際試驗對給礦濃度、底流流量（底流管徑）、上升水流量3個操作條件下的分選效果進行了評測，并使用CFD對氧化銻體系下逆流分選柱的最佳試驗條件點進行了模擬，結果表明：

1）增大給礦濃度、減小底流流量、增大上升水流量會導致下沉顆粒運動速度減小、上升顆粒運動速度增加，參照公式（1），模擬條件的變化導致顆粒運動速度的變化規(guī)律與理論公式下同條件變化所產(chǎn)生結果的規(guī)律相符。

2）給礦濃度較大、上升水流量較大、底流流量較小將導致Sb相顆粒過多地由溢流口排出；而礦濃度較小、上升水流量較小、底流流量較大時將導致Sb相顆粒過多地由底流口排出，前者會導致回收率降低，后者會導致精礦品位降低，所以都無法取得較優(yōu)的分選效果。

3）模擬結果解釋了粒度范圍－0.074＋0.023 mm、Sb品位0.82%的黃銻礦原料，在給礦濃度30%、底流流量50 mL／min、上升水流量8 L／h條件下可取得相對較高分選效率（41.46%）的原因。