概论流体力学在选矿中的应用

【摘要】：选矿中的流体力学问题无处不在, 深入地研究流体力学与选矿的结合, 对选矿的发展很有好处。本文介绍了一些选矿设备中的流体运动，进而分析了流体力学和选矿设备的发展。

【关键词】：选矿，流体力学，应用。

中图分类号：O741+.2 文献标识码：A 文章编号：

一、一些选矿设备中的流体运动

1.1浮选机

浮选首先要求在矿浆中产生大量的且充分弥散的气泡，同时利用叫做捕收剂的药物作用于矿粒表面, 增强矿粒表面的疏水性, 有利于矿粒被捕收于气泡而上浮到矿浆表面, 实现浮选。矿粒在矿浆中受到浮力和重力的作用, 疏水矿物与气泡结合后浮力大而上浮, 亲水矿物不与气泡结合重力大而下沉。产生气泡的方法有机械搅拌、气泡自溶液中析出(压力低时)、气体通过微孔介质及水的电解等方法。下图是机械搅拌式浮选机示意图。中间转轴带动底部叶轮旋转, 转轴上带有进气通道, 当叶轮旋转时其叶轮上侧形成负压而吸入空气, 空气与矿浆充分混合, 被叶轮搅拌分割成细小气泡分散在矿浆中。浮选槽中的流动分为搅拌区, 分离区, 泡沫区三个区段, 泡沫经槽的上端刮出。

1.2浮选柱

浮选柱是浮选机的一种, 自20 世纪60年代中期兴起，发展时断时续, 主要问题是浮选机的气泡发生器始终不能很好地工作阁。下图为浮选柱示意图, 它是一个柱体, 其下部为气泡发生器, 上部设有给矿器, 泡沫槽。矿粒同样受到重力和浮力的作用实现分离。矿浆自上部给入, 靠自重在介质中下降, 与气泡发生器产生的上升气泡群碰撞和接触, 实现气泡的矿化。浮选柱的关键是气泡发生器, 它的结构性能对浮选柱的浮选有直接影响。

浮选柱内有上升的矿化气泡(与矿粒结合的气泡) , 有下降的液流, 浮选柱要有一定的高度, 使矿粒与气泡有较长距离的对流运动, 增加矿化机会。

1.3旋流器

旋流器根据用途不同可分为水力旋流器及重介质旋流器(选矿介质不是水而是配制的重介质悬浮液, 其密度与水不同)。水力旋流器可用于分级(按粒度大小分为若干级别)、还可用于脱泥、脱水及脱除浮选药剂等, 重介质旋流器可用于分选。

旋流器上端成圆筒形, 下端呈圆锥形, 矿浆快速切向给入旋流器, 在旋流器内产生旋转运动。旋流器内的颗粒主要受离心力的作用, 同时还受到与离心力相比可以忽略的重力和浮力的作用。在离心力作用下, 较粗的矿粒被抛向器壁，以螺旋线的轨迹向下运动, 由底流口排出, 较细的颗粒及大部分的水分则由溢流管排出, 如下图所示。对于颗粒尤其是小颗粒的物料, 在离心力场中分选比在重力场中分选有效得多。

旋流器内流体的运动是复杂的湍流运动 , 其平均流动是三维空间的运动, 旋流器内任一点的平均速度可分为切向速度ut, 径向速度ur及轴向速度uz，如下图所示。

二、流体力学与选矿设备的发展

2.1气泡发生器

（1）传统气泡发生器

浮选需要在分选设备中产生小而均匀的大量气泡, 产生气泡的装置称为气泡发生器。气泡发生器分为内部气泡发生器和外部气泡发生器两类。内部气泡发生器是使压缩空气通过由不同材质制成的微孔介质, 如, 帆布管、扎孔橡胶管、尼龙管、微孔陶瓷管等产生气泡。内部气泡发生器易产生结垢、堵塞问题, 常导致浮选工作不能正常进行, 现很少采用。外部气泡发生器有喷射旋流型、气水喷射型等。气水喷射型气泡发生器是将由喷嘴进入的压缩空气与水混合, 然后经扩散器, 通过带孔的分配头分散成大量小气泡, 如图。

（2）微泡发生器

传统气泡发生器的特点是: (l) 以吸气加搅拌方式产生气泡, 同时拌有微泡析出, (2)利用压缩空气并介入适当的结构产生气泡。上述方式结构复杂, 消耗动力大。

一种新型的气泡发生器, 自吸气、产生大量气泡、充分矿化同时完成。其原理如下图所示。该装置充分利用射流泵的原理, 矿浆由喷嘴射出, 射流卷吸走混合室内空气, 造成混合室负压, 空气不断地经吸入管进入混合室, 在喉管内强湍流作用下, 空气被破碎成微泡, 充分矿化阁.该装置有强烈的溶气析出, 含气率高, 矿化充分, 利于浮选。

从流体力学角度分析, 它充分利用射流原理在喉管内形成强烈的湍流场。喷嘴射出的流体先在喉管内变为分散相, 后在扩散段内变为连续相。在液气相对运动段吸入的气体先是在喉管内连续, 后在扩散段内由于压力的升高分散产生大量稳定存在的临界尺寸微气泡。同时由于喉管的约束使矿浆成为窄束流, 强化了微气泡与疏水矿物的结合。这种成泡方式具有革命性。

2.2徽泡浮选柱

微泡浮选柱如下图所示，它是在传统的浮选柱基础上，利用上图所示的微泡发生器改进而成, 其柱体结构上分为利用离心力的旋流段, 经气泡发生器进入柱体旋流段的矿浆由于压力降低会有气泡从矿浆中析出, 该段气泡迅速分离, 粗选段加稳流板, 抑制轴向混合, 提高有效浮选时间, 入料的分配盘使物料迅速沿断面均匀分布。该浮选柱是多相、多力场流动, 微泡及多力场均利于浮选, 经多年使用, 效果很好。它具有理想的湍流矿化, 静态分选的性质。

2.3切向给料喷射浮选机

该浮选机由德国研制, 在给矿方式和槽子结构上, 与其他浮选机有较大区别冈, 如下图所示。浮选槽上部为柱形，下部为锥形的容器, 分内外两个槽室, 内槽是作为精矿的泡沫层的收集槽, 在外槽柱段周围, 数个气泡发生器均匀布置在略低于矿浆面的位置, 矿浆沿近似切线的方向水平给入分选容器。进入容器的有压矿浆在容器内产生旋转运动, 矿化气泡(矿粒与气泡结合的气泡) 由于离心力小, 产生沿径向的向心运动的同时还有靠浮力的上升运动, 进入泡沫层, 由于矿浆的旋转使矿浆产生凹陷, 上部的泡沫层, 会自动地流入内槽排出; 未与气泡粘着的矿粒, 由于离心力大, 沿径向的向外运动的同时还有在重力作用下的向下运动, 形成沿螺旋轨迹向下的运动, 进入锥段底部的尾矿排出口。

浮选槽上部矿浆的给料速度为3 ~10 m /s , 矿浆面的平均旋转速度为1 ~2 m /s。该浮选机的空气弥散和矿粒与气泡的接触, 主要在气泡发生器中进行, 浆气混合物喷入槽体后，马上进入泡沫分离区, 两者是互相分开的, 这里仅对给矿矿浆充气, 而无需对槽中整体矿浆进行充气和搅拌, 因此由气泡发生器产生的大量微泡, 在微湍流作用下, 与矿粒更充分地相互作用, 形成矿化气泡, 浮入泡沫层。

实践表明, 该浮选机浮选速度快、能耗低, 对给矿波动不敏感，具有很好的发展前景。它是充分利用流动的多力场浮选。

三、结语

流体力学在选矿中的应用十分广泛，同时选矿中还面临着一些流体力学问题：

(l) 流场流动状态大多涉及湍流流动, 由于湍流自身机理的复杂性对选矿机械内部流动还不是完全清楚, 与湍流研究相结合加强对选矿机械内部流动机理研究, 不仅有利于选矿机械的发展, 也可以推动湍流研究的进步及其与工程实际的结合。

(2) 除湍流模式与实验相结合这一惟一可能依靠的方法外, 能否突破计算能力的限制, 将现有的湍流数值模拟方法如直接数值模拟方法用于解决选矿机械内部流场问题。

(3) 充分利用实验测量方法, 使用先进实验手段如LDV,，PIV等技术对选矿设备内部流场进行实验研究, 能够推动选矿机械研究的进展。

(4) 在选矿机械的研究中, 充分利用湍流研究的最新成果, 特别是湍流结构及其控制的最新研究成果, 可以推动选矿机械研究的技术进步。

参考文献：

[1] 柳吉祥. 旋转流分选的理论及应用. 北京: 煤炭工业出版社,1985

[2] 东北工学院选矿教研室. 选矿知识. 北京: 冶金工业出版社,1975