颗粒粒径对浮选机固—液两相流场分布特征影响研究

牛福生，王学涛，张晋霞

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省安全技术及开采重点实验室，河北 唐山 063009)



颗粒粒径对浮选机固—液两相流场分布特征影响研究

牛福生1，2，王学涛1，张晋霞1，2

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省安全技术及开采重点实验室，河北 唐山 063009)

针对充气机械搅拌式浮选机，运用CFD流体模拟软件进行了颗粒粒径对浮选机固—液两相流场分布特征的影响研究。通过模拟分析可知：离散相矿物颗粒与连续液相两相之间相互作用较小，流场分布特征基本保持一致，微细粒矿物颗粒粒径对浮选机内部固—液两相流场特性影响较小。转子及定子表面压力分布值与颗粒粒径有较大的关系，且在此处区域附近湍流动能较大，保证了矿物颗粒在该区域的较好分散性。

颗粒粒径；浮选机；固液两相；流场特征

矿物浮选是在固-液-气三相混合流体中进行的，其内部流动特性非常复杂，且不易观察和监测，因此给浮选过程中的流体特征研究工作带来很大的难度[1-2]。而浮选机的性能指标很大程度上取决于浮选机内部多相流场的特性，不合理的流场分布特征将会导致分选指标差，甚至无法实现浮选工艺的要求[3]。

当前对浮选过程中内部流场特征的研究大多数是基于单一液相介质，同时采用实验测定的方法进行研究，受浮选机内部流体单一液相介质的限制，目前对实际浮选过程中的固-液-气三相混合流体无法进行精确检测。浮选机内部的多相流动过程是矿物浮选分离的基本物理、化学过程，浮选过程中复杂的多相流体运动特性决定了浮选机的主要浮选动力学性能、浮选分离指标和浮选分离效率[4-5]。

随着计算流体力学的不断进步，针对浮选机内部复杂流场特征研究有了新的研究与发展方向[6]。由于矿物在实际浮选过程中内受三相混合流体作用以及流体压力、流量、浓度、矿物体颗粒大小、形状、浮选机工作参数等众多因素的影响，目前对矿物浮选过程的流体运动特征尚无统一且完整的描述方法[7-8]。因此，本论文利用CFD方法研究0.1m3的KYF充气搅拌式浮选机的流场分布，探讨了矿物粒径对选机固—液两相流场分布特征影响，研究结果对于进一步改进浮选机流场特性，改善浮选机的分选效果具有一定的指导意义。

1　计算模型及边界条件

1.1计算模型

0.1m3KYF型充气机械搅拌式浮选机基于Solidworks建模结构见图1，槽体设计为溢流收缩式柱形槽体，该浮选机的主要特点是同时具有浮选柱和机械搅拌式浮选机的特点，既可使粗矿物颗粒悬浮，同时又可获得较高精矿品位。浮选机主要部件几何参数见表1。

图1　0.1m3KYF型充气机械搅拌式浮选机

表1　浮选机主要部件几何参数

转子直径/mm定子直径/mm叶片倾角/°槽底直径/mm槽顶直径/mm槽体高/mm12018030360300360

同时，为了最大限度减少浮选机整体模型交接面的数量，并根据浮选机槽体内部流动特征的不同，将槽体内部分为气体域、旋转域和槽内区域，应用ICEM网格划分平台，对浮选机内部流场计算域进行了四面体网格划分，浮选机计算域网格质量参数平均值为0.83，其中质量参数超过0.6的网格占总计算网格的96%以上，满足CFX对网格计算的要求。

1.2边界条件

针对数值模拟的流体相数确定模型壁面边界条件，在液相数值模拟中，由于液相黏度的影响采用应用最为广泛的无滑移边界条件，即No Slip模型。

由于浮选机内部存在旋转域的划分，故存在多域之间的交界面，而动-静流体域、流体域-固体域之间的交界面设置较为关键，直接影响数值模拟的精度和准确性。旋转域设置为旋转(Rotating)，根据转子临界转速计算公式，初步计算设计转子转速为450rpm，即450转/min。

矿物浮选过程是浓度很稀的矿浆在浮选机内运动，因此选择适合浓度较低的离散相在连续相中的湍流模型—标准k-ε模型，离散相固体矿物颗粒湍流模型为离散相零方程模型。

1.3矿物颗粒物性参数和浮选机工艺参数的设定

矿物颗粒介质选定CFX自带的球形固体颗粒，分别对不同粒径、不同密度、不同黏度的矿物颗粒进行模拟，其中颗粒平均直径包括50μm 、74μm、120μm三个水平，矿物密度为5.0×103kg/m3，矿物动力黏度3.0×10-2Pa·s，矿物颗粒体积分数均为5%。

2　颗粒粒径对浮选机固-液两相流场分布特征影响

2.1速度分布特征

对矿物浮选过程中粒径分别为50μm、74μm、120μm的矿物颗粒的固-液两相流体特征进行数值模拟，在CFX-Post中分别提取液相水、固相矿物颗粒速度特征分布，其液相速度迹线分布特征值模拟结果见图2，固相速度迹线分布特征见图3。

由图2、图3液相和固相速度迹线图可知，矿物颗粒和连续性流体水在转子搅拌作用下，与单一液相流场速度分布特征相似，在浮选机内部呈上下两循环运动方式，三种粒径的矿物颗粒对浮选机内部流体运动轨迹影响很小，且固相和液相运动轨迹基本保持一致，由此可知微细粒矿物粒径对浮选机固—液两相流场中的流体运动轨迹影响较小。

图2　不同粒径液相速度迹线三图

由图3、图4可知，在下循环区域液相和固相具有较高的运动速度，随着距离槽体底部距离的增加，流体速度逐渐减小，在保证了下循环区域足够的搅拌强度，使矿物颗粒在转子叶轮的搅拌作用下充分与下循环区域的气泡接触、碰撞的同时，上升区流体具有相对较低的运动速度，保证了矿化气泡在上升区域稳定向上运动，泡沫稳定区域流体速度最小，保证了浮选过程中泡沫层的稳定，有利于提高矿物浮选回收率和精矿质量。

由图5、图6可知，粒径分别为50μm、70μm、120μm的三种微细粒矿物颗粒在浮选机内部固—液两相流场中，Z=100截面处流场速度大小分布基本一致，且固相矿物颗粒与液相流体水速度分布有较好的一致性，固-两相流场中微细粒矿物颗粒粒度变化对流场速度分布影响较小，转子区域流场速度大约是经定子径向射流流体流速的2.5倍，且经过相邻两定子叶片的径向射流存在流体相对速度较小的夹缝区，径向射流分布特征与定子叶片数量有直接关系，针对细粒矿物颗粒可以适当增加定子叶片数量增加矿浆在浮选机底部的分流作用。

图3　不同粒径固相速度迹线图

图4　不同粒径Y=0液相速度云图

图5　不同粒径Z=100固相速度云图

图6　不同粒径Z=100液相速度云图

2.2压力分布特征

由图7可知，矿物颗粒粒径对转子受压有一定影响，其压力分布特征与单一液相分布特征较一致，转子表面高压区同样位于转子叶片迎风面外边缘处，且存在叶片根部和叶片倾斜边缘处两个高压分布点，叶片背风面形成相对负压区。由图7(a)、图7(b)、图7(c)图上压力分布值可知，随着矿物粒径的增加，转子表面受压增加，因此粗矿物颗粒对转子叶片磨损程度更大，在浮选细粒矿物颗粒时可以适当减小叶片厚度，浮选相对较粗矿物颗粒时可以适当增加转子叶片厚度或对转子叶片进行耐磨工艺处理，进而增加转子叶片的耐磨度，减少实际浮选工艺中因转子磨损而造成的搅拌强度低的问题，从而在一定程度上增加矿物浮选分离效率。

由图8可知，矿物颗粒粒径对定子受压同样有一定影响，其压力分布特征基本与单一液相分布特征较一致，定子表面高压区位于定子叶片迎风面外边缘中心处，叶片背风面形成相对负压区，与实践浮选工艺中定子磨损情况较一致。由图8(a)、图8(b)、图8(c)图上压力分布值可知，随着矿物颗粒粒径的增加，定子高压分布点的压力分布值反而略有减小，所以浮选相对较粗矿物可时，可以考虑适当减少定子叶片厚度，增加矿浆在定子叶片间隙的流体流道。

2.3湍流动能分布特征

由图9可知，矿物颗粒粒径对液相湍流动能影响不大，在定子和转子区域附近湍流动能较大，该处的强湍流保证了矿物颗粒在该区域的较好分散性，较大的湍流动能使矿物颗粒具有较强的动能，在转子的高速搅拌作用下，矿物颗粒充分与矿浆中的气泡接触、碰撞，最终形成矿化气泡，经上升区运输至平稳的泡沫层，最终实现有用矿物和脉石矿物的分离。

图7　转子压力云图

图8　定子压力云图

图9　不同粒径Y=0液相湍流动能云图

3　结　论

1)离散相矿物颗粒与连续液相两相之间相互作用较小，流场分布特征基本保持一致。微细粒矿物颗粒粒径对浮选机内部固—液两相流场特性影响较小。

2)随着矿物粒径的增加，转子表面受压增加，浮选相对较粗矿物颗粒时可以适当增加转子叶片厚度或对转子叶片进行耐磨工艺处理。

3)随着矿物颗粒粒径的增加，定子高压分布点的压力分布值略有减小，浮选粗矿物可以适当减少定子叶片厚度，增加矿浆在定子叶片间隙的流体流道。

4)矿物颗粒粒径对液相湍流动能影响不大，在定子和转子区域附近湍流动能较大，保证了矿物颗粒在该区域的较好分散性。

[1]沈政昌，陈建华.浮选机流场模拟及其应用[M].北京：科学出版社，2012.

[2]宋涛.浮选机内气液两相流的数值模拟研究[D].北京：矿冶研究总院，2010.

[3]沈政昌，卢世杰，史帅星，等.基于CFD的KYF浮选机气—液两相流分析与探讨[J].有色金属，2013 (4)：59-62.

[4]沈政昌.浮选机理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2012.

[5]Han W，Li R，Yang R.Redesign of mechanically agitated flotation machine based on interior flow fields simulation[J].Minerals Engineering，2011，45(12)：84-88

[6]魏昌杰，程宏志，石焕，等.XJM-S型浮选机流场的试验研究[J].选煤技术，2010(2)：11-14.

[7]杨应江，陈建华，沈政昌，等.充气搅拌式浮选机流场特性模拟研究[J].矿产保护与利用，2015(2)：22-26.

[8]胡明振，陈锦全，吴伯增，等.大型贫锡硫化矿浮选机内流场特性的数值模拟[J].矿业研究与开发，2014，34，(7)：71-74.

紫金矿业铜板块“井喷式”崛起 我国铜供给又添生力军：

“紫金山日处理4.5万t铜矿项目”建成投产

未来几年内，我国又将崛起一个重量级产铜企业。紫金矿业明确，10月7日，福建"紫金山日处理4.5万吨铜矿项目"建成投产，紫金矿业矿产铜产量将在今年突破15万t，以此为起点，随着一批新项目的如期投产，未来2～3年，紫金矿业铜板块将"井喷式"崛起，逐步进入全国领先、全球前列。

中国是全球最大铜消费国和进口国，铜进口量约占全球的40%以上，对外依存度十分高。作为我国重要的黄金和有色金属生产企业，紫金矿业在矿产黄金实现国内领先的基础上，在矿产铜方面亦是壮志酬筹。

据紫金矿业介绍，除本次建成投产的项目以外，公司正在建设将陆续释放的铜矿产能包括多宝山铜业技改项目、刚果金科卢韦齐铜矿建设项目，这些项目将在2～3年内陆续建成投产，将使紫金矿业整体矿产铜产量突破30万t，而国内最大的铜矿生产企业2015年的产量在20万t左右。

去年，公司通过并购最终享有卡莫阿控股公司54.4%的权益后，一跃成为中国拥有海内外铜资源储量最大的企业。刚果(金)卡莫阿铜矿拥有铜资源储量2500万t，平均品位为2.3%～2.6%，是世界级超大未开发高品位铜矿，加上今年1月在该矿卡库拉勘探区发现新的超高品位铜矿，项目资源储量将突破3000万t高品位铜，相当于中国现今铜资源量的1/3。

“这些项目可以使公司未来矿产铜产量进军全球前列。”紫金矿业陈景河董事长表示。

更重要的意义还在于，该项目将成为中国低品位资源利用新的典范。资料显示，中国铜矿平均品位为0.87%，而紫金山铜矿平均品位约为0.4%左右，远远低于我国的平均值。项目的建成投产将提高我国低品位资源利用率，进一步改善和提升矿山采选经济技术指标。

该项目总投资约8亿元，由紫金矿业自行设计、自行建设和施工，仅用16个月就圆满完成了建设任务，项目设计起点高，工艺先进，装备一流，项目配备的半自磨机和球磨机为亚洲最大的磨机，浮选机、旋流器、渣浆泵等关键设备均达到国际最大或一流标准，项目2.5万t为浮选工艺，2万t为堆浸生物冶金工艺，年产铜金属量将达到3万t，伴生金780kg，伴生银20t，副产硫精矿35万t，年销售收入可以达到11亿项目2.5万t为浮选工艺，2万t为堆浸生物冶金工艺，年产铜金属量将达到4.3万t，伴生金780kg，伴生银20t，副产硫精矿35万t，产值可达16亿元。

在环保工艺方面，项目结合低品位金铜伴生资源的特点，以浮选工艺为主，具有选矿回收率高、可以综合回收金银硫等伴生元素的优点。既提高了资源综合利用水平，延长矿山服务年限，又减轻了环保压力，还降低了生产成本，将创造较好的社会效益和经济效益。它的建成达产，将使紫金山成为中国重要的铜矿产地之一。

Influence of particle size on the flow field characteristics for solid liquid two phase flow in flotation machine

NIU Fu-sheng1，2，WANG Xue-tao1，ZHANG Jin-xia1，2

(1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China； 2.Key Laboratory of Mineral Development and Security Technology of Hebei Province，Tangshan 063009，China)

Effect of particle size on flow field distribution characteristics of solid liquid two phase flow in flotation machine is studied by using CFD fluid simulation software.Through the simulation analysis shows that discrete phase between the mineral particles and continuous liquid phase interaction is smaller，flow field distribution characteristics are basically consistent，fine particle mineral particle size on the flotation machine internal solid liquid two-phase flow characteristics has little effect.The surface pressure distribution of rotor and stator is related to the particle size，and the turbulent kinetic energy is larger in the vicinity of the region，which ensures the better dispersion of mineral particles in the region.

particle size；flotation machine；solid liquid two phase；flow field characteristic

2016-07-09

国家自然科学基金项目资助(编号：51474087)；河北省百名优秀创新人才支持计划项目资助(编号：BR2-214)

牛福生(1974-)，男，教授，博士，主要从事复杂难选矿理论与工艺研究。

TD91

A

1004-4051(2016)10-0137-05