魏昌杰 程宏志 石 煥 宋云霞 李志斌

（天地 （唐山）礦業(yè)科技股份有限公司，河北省唐山市，063000）

XJM-S型浮選機(jī)浮選槽內(nèi)流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究＊

魏昌杰 程宏志 石 煥 宋云霞 李志斌

（天地 （唐山）礦業(yè)科技股份有限公司，河北省唐山市，063000）

浮選槽中內(nèi)部流場(chǎng)的合理性是保證浮選過(guò)程有效進(jìn)行的前提，本文采用PIV粒子成像測(cè)速技術(shù)對(duì)XJM-S型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，從截面流線(xiàn)和截面速度矢量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了分析，并討論了內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)浮選過(guò)程的影響。結(jié)果表明，浮選槽內(nèi)流體的多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以和浮選過(guò)程合理匹配，促進(jìn)了浮選過(guò)程的有效進(jìn)行。

PIV系統(tǒng) XJM-S浮選機(jī) 流場(chǎng)測(cè)試 浮選過(guò)程

1 引言

浮選是煤泥分選的主要方法，機(jī)械攪拌式浮選機(jī)是最主要的煤泥分選設(shè)備，目前機(jī)械攪拌式浮選機(jī)主要以XJM-S型浮選機(jī)為代表，現(xiàn)有的XJM-S型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)已形成4 m3、6 m3、8 m3、12 m3、14 m3、16 m3、20 m3、24 m3、28 m3和45 m3這10種規(guī)格，約占全國(guó)煤泥浮選設(shè)備總量的70%。雖然專(zhuān)家在研究XJM-S型浮選機(jī)流場(chǎng)這方面做了很多的工作，但是浮選槽內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一直停留在宏觀(guān)認(rèn)識(shí)階段，尚未形成理論基礎(chǔ)。自PIV粒子成像測(cè)速系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展以來(lái)，借助這一手段對(duì)攪拌器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究效果顯著，為探索浮選槽內(nèi)流場(chǎng)提供了方向，為完善浮選理論提供了依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由PIV粒子成像測(cè)速系統(tǒng)，通過(guò)相似放大原理制作的XJM-S8L型浮選機(jī)，由槽體、葉輪、定子和假底組成。槽體外型尺寸為200 mm×200 mm×200 mm，葉輪直徑為54 mm，葉輪形狀為傘狀葉輪。

PIV的測(cè)試原理是將脈沖激光器產(chǎn)生的光束經(jīng)透鏡散射后形成的片光源入射到流場(chǎng)待測(cè)區(qū)域，CCD攝像機(jī)以垂直片光源的方向?qū)?zhǔn)該區(qū)域。利用示蹤粒子對(duì)光的散射作用，記錄下相鄰兩次脈沖激光曝光時(shí)粒子的圖像，形成兩幅PIV底片 （即相同測(cè)量區(qū)域相鄰時(shí)刻的圖片），底片上記錄的是整個(gè)待測(cè)區(qū)域的粒子圖像，對(duì)底片進(jìn)行后處理，可以將粒子圖像以速度矢量云圖的形式顯示出來(lái)，利用Tecplot軟件對(duì)速度矢量云圖進(jìn)一步處理，可得到流體運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

2.2 測(cè)試方法

圖1為PIV測(cè)試系統(tǒng)圖，在測(cè)試的過(guò)程中，打開(kāi)激光器發(fā)射器，其發(fā)出的激光照亮浮選機(jī)槽體，在槽體上形成一個(gè)照亮的截面，調(diào)整CCD相機(jī)，相機(jī)垂直于激光照亮區(qū)域。通過(guò)同步控制器控制激光器發(fā)射器和CCD相機(jī)，相機(jī)所拍攝激到的光照亮截面上粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，將拍攝到的數(shù)據(jù)以照片的形式傳輸?shù)诫娔X主機(jī)上。通過(guò)PIV系統(tǒng)軟件對(duì)拍攝的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，得到流體的矢量云圖、流線(xiàn)圖和速度矢量圖等。通過(guò)使用后處理軟件Tecplot對(duì)矢量云圖進(jìn)行處理，得出流體運(yùn)動(dòng)的相關(guān)參數(shù)。

圖2為PIV測(cè)試浮選機(jī)槽體截面圖，分別對(duì)圖2所示的截面進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試方法見(jiàn)圖1。移動(dòng)激光發(fā)射器，激光在圖2所示的截面上形成片光，CCD相機(jī)垂直照射槽體照亮區(qū)域。測(cè)試從槽體外壁開(kāi)始，每隔20 mm為一個(gè)測(cè)試截面，分別為10-10、30-30、50-50、70-70、90-90、100-100，共6個(gè)截面。

調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速，當(dāng)葉輪線(xiàn)速度v=6.30 m／s時(shí)，開(kāi)啟PIV系統(tǒng)，對(duì)浮選槽各個(gè)截面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。對(duì)測(cè)試的結(jié)果運(yùn)用Tecplot后處理軟件進(jìn)行圖片處理，得到流體運(yùn)動(dòng)的流線(xiàn)圖和矢量圖。

3 結(jié)果與討論

本文取截面流線(xiàn)和速度矢量進(jìn)行理論分析，圖3和圖4中所示的L為槽體底面尺寸，H為槽體高度方向上的尺寸，單位為mm。

3.1 截面流線(xiàn)分析

圖3為槽體不同截面流線(xiàn)圖。由圖3可知，從（a）～ （f）為槽體不同截面上的流線(xiàn)圖，圖中顯示了不同截面上的流線(xiàn)趨勢(shì)。對(duì)流線(xiàn)的分析從兩個(gè)區(qū)域上展開(kāi)，一是假底上流線(xiàn)，圖中H=60～230 mm之間的流線(xiàn)；二是假底下流線(xiàn)，圖中H=30～55 mm之間的流線(xiàn)。

假底上部的流體是以上升流、旋轉(zhuǎn)流和循環(huán)流為主?？拷鼣嚢铏C(jī)葉輪定子區(qū)域的90-90和100-100截面，以循環(huán)流為主，此時(shí)產(chǎn)生循環(huán)流的主要原因是由于定子循環(huán)孔的抽吸作用，將定子附近的流體吸入循環(huán)孔，這就為被浮礦粒與氣泡提供了多次碰撞的機(jī)會(huì)，滿(mǎn)足循環(huán)浮選的過(guò)程要求。葉輪定子附近區(qū)域的50-50和70-70截面，以循環(huán)流和旋轉(zhuǎn)流為主，循環(huán)流產(chǎn)生的原因是由于葉輪定子區(qū)域?qū)α黧w的抽吸作用，旋轉(zhuǎn)流產(chǎn)生的原因是由于流體的跟隨性。在假底紊流板的導(dǎo)向作用下，使帶有一定速度的流體做繞軸上升運(yùn)動(dòng)，受到葉輪定子區(qū)對(duì)流體的抽吸作用的影響，流體改向循環(huán)孔方向運(yùn)動(dòng)，形成了繞軸旋轉(zhuǎn)的循環(huán)流。遠(yuǎn)離葉輪區(qū)域的流體做繞軸旋轉(zhuǎn)，受到從攪拌區(qū)上升流體的沖擊，導(dǎo)致流體在槽體上部的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜。遠(yuǎn)離葉輪定子區(qū)域 （靠近槽壁）10-10和30-30截面的流體主要做上升流和旋轉(zhuǎn)流。上升流是由于從定子葉片射出的具有一定速度的流體通過(guò)紊流板葉片，流體運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，此區(qū)域距離葉輪定子區(qū)域較遠(yuǎn)，葉輪抽吸力弱，這部分流體做上升運(yùn)動(dòng)，上升速度并非是垂直向上的，就形成了旋轉(zhuǎn)流。

對(duì)圖3中 （a）～ （f）的分析可知，將浮選機(jī)假底上流體分為3個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)間，即上升流區(qū)、循環(huán)流區(qū)和旋轉(zhuǎn)流區(qū)。這3個(gè)區(qū)域沒(méi)有明顯界限，并不是獨(dú)立存在的，都是具有相互關(guān)聯(lián)的。模糊劃分可以得到葉輪定子區(qū)域以循環(huán)流為主，葉輪定子區(qū)域附近以循環(huán)流和旋轉(zhuǎn)流為主，遠(yuǎn)離葉輪定子區(qū)域以上升流和旋轉(zhuǎn)流為主。

H=30～55 mm為假底下部區(qū)域，從 （a）～（d）流體都具有水平流線(xiàn)，（e）和 （f）流體向上運(yùn)動(dòng)，被葉輪吸入下層葉輪腔內(nèi)，可以得出，這一區(qū)域流體運(yùn)動(dòng)主要是旋轉(zhuǎn)流。

圖3 槽體不同截面流線(xiàn)圖

3.2 截面速度矢量分析

圖4為不同截面速度矢量圖。由圖4中的各圖可見(jiàn)，從 （g）～ （l）為槽體不同截面上的速度矢量分布和速度云圖。圖中箭頭大小表示該點(diǎn)的速度大小，箭頭的方向表示該點(diǎn)的速度指向，整個(gè)矢量箭頭與該點(diǎn)處流線(xiàn)相切，該點(diǎn)的速度是水平速度U和垂直速度V的合速度。從上圖速度矢量分布，可以對(duì)槽體在高度上進(jìn)行分區(qū)域分析。在槽體高度方向上，大致分成3個(gè)區(qū)域，H=30～55 mm為假底下部區(qū)域，H=60～160 mm為槽體中部區(qū)域，H=160～225 mm為槽體上部區(qū)域。

對(duì)流體流線(xiàn)分析可以得出，假底下H=30～55 mm區(qū)域主要是以旋轉(zhuǎn)流為主，從速度矢量（g）到 （j）可以看出，以水平速度U 為主，垂直速度v可以忽略，中心區(qū)域速度最大，兩側(cè)較小，說(shuō)明假底下礦漿在以槽體中心為圓心以不同半徑旋轉(zhuǎn)。從10-10到70-70截面可以看出，假底下速度區(qū)域越來(lái)越小，這一現(xiàn)象的原因是由于流體的旋轉(zhuǎn)，越靠近中心區(qū)，可視旋轉(zhuǎn)半徑越小，旋轉(zhuǎn)半徑以外的部分速度垂直于截面，在矢量圖上顯示為零。

H=60～160 mm為攪拌機(jī)構(gòu)所在的區(qū)域，該區(qū)域攪拌強(qiáng)度最強(qiáng)，循環(huán)吸漿能力最強(qiáng)，流體具有的速度最高，礦漿處于強(qiáng)烈的湍流狀態(tài)。由于葉輪的攪拌和循環(huán)抽吸作用，流體處于上升和循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)。上升流和循環(huán)流都有助于礦粒對(duì)氣泡的捕捉，強(qiáng)湍流有助于礦粒與氣泡的選擇吸附，為礦粒的懸浮提供能量。從 （k）和 （l）可以看出，強(qiáng)攪拌作用使得葉輪抽吸力較強(qiáng)，流體被吸入循環(huán)孔。

H=160～225 mm為遠(yuǎn)離攪拌機(jī)構(gòu)區(qū)域，受葉輪吸漿能力限制，少量流體進(jìn)入循環(huán)孔，流體主要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生是受中部上升流引起的。

3.3 內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)浮選過(guò)程的影響

槽體下部流體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能主要是由葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)礦漿的抽吸引起的，流體主要做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分布到整個(gè)底部槽體斷面，槽底不會(huì)出現(xiàn)沉槽現(xiàn)象。

槽體中部區(qū)域是攪拌機(jī)所在區(qū)域，礦漿在該區(qū)域受到葉輪的強(qiáng)烈攪拌，做強(qiáng)湍流運(yùn)動(dòng)，形成足夠多、足夠穩(wěn)定的氣泡。氣、液、固三項(xiàng)在此段得到充分地混合，礦粒具有足夠的能量，礦粒和氣泡也有足夠的碰撞接觸機(jī)會(huì)形成礦化氣泡。受到上升流的影響，礦化氣泡被及時(shí)送到泡沫層，作為精礦排出，沒(méi)有礦化的氣泡受到循環(huán)流的作用，進(jìn)入上層葉輪腔，提供二次礦化機(jī)會(huì)。

槽體上部礦漿運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，為泡沫的富集提供場(chǎng)所。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可使泡沫層向槽壁運(yùn)動(dòng)，被刮泡器刮出，也可以使得高灰細(xì)泥物料脫離氣泡的吸附，具有精選的作用。

圖4 槽體不同截面上的速度矢量分布和速度云圖

4 結(jié)論

對(duì)截面流線(xiàn)分析可知，將槽體內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)分為4個(gè)區(qū)間，葉輪定子區(qū)域，以循環(huán)流為主；葉輪定子區(qū)域附近以循環(huán)流和旋轉(zhuǎn)流為主；遠(yuǎn)離葉輪定子區(qū)域，以上升流和旋轉(zhuǎn)流為主。

速度矢量分析結(jié)果為在槽體高度上，流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)大致分為3段，即槽體上部為旋轉(zhuǎn)流段、槽體中部為上升流和循環(huán)流段、槽體下部為旋流段。

浮選槽中流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)符合浮選工作過(guò)程，同浮選機(jī)提出的在浮選槽下部需要產(chǎn)生劇烈攪拌和強(qiáng)湍流運(yùn)動(dòng)，以保持礦粒懸浮，將空氣彌散為細(xì)小氣泡，為礦粒和氣泡提供充分的碰撞機(jī)會(huì)和碰撞動(dòng)能。在浮選槽上部，又要建立一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的分離區(qū)和平穩(wěn)的泡沫層，減小礦粒的脫落機(jī)會(huì)，從而提高浮選速度是一致的。

［1］程宏志，張孝鈞，石煥等 .我國(guó)選煤用機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的新進(jìn)展 ［J］.選煤技術(shù)，2006（5）

［2］李彪，謝廣元，張秀峰等 .旋流微泡浮選柱提高精煤回收率的試驗(yàn)研究 ［J］.中國(guó)煤炭，2011（10）

［3］謝冬梅，崇立芹 .煤用浮選機(jī)的使用現(xiàn)狀及技改措施探討 ［J］.煤炭加工與綜合利用，2006（3）

［4］程宏志，路邁西，石煥等 .振蕩法提高浮選選擇性的作用機(jī)理 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007（5）

［5］程宏志 .機(jī)械攪拌式浮選機(jī)相似轉(zhuǎn)換原理 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2000（12）

An experimental study on flow Field of XJM-S flotation machine cells

Wei Changjie，Cheng Hongzhi，Shi Huan，Song Yunxia，Li Zhibin
（TianDi（Tangshan）Mining Science＆Technology Co.，Ltd，HeBei，TangShan 063000，China）

In process of flotation，reasonable internal flow field is the basic requirement，which will influence the flotation efficiency.In this paper，the inner flow field of XJM-S flotation machine was investigated through the analysis of vector of section streamline and section velocity by particle image velocimetry，and also discuss the affection of flotation process by internal flow field.The results showed that variety of motion state of fluid can reasonable collocate with flotation process，which will increase the efficiency of flotation.

PIV system，XJM-S flotation machine，flow field experiment，flotation process

TD943

A

天地 （唐山）礦業(yè)科技有限公司工藝技術(shù)創(chuàng)新基金 （KJ-JJ-2011-TSKY-02）

魏昌杰 （1984-），男，陜西旬陽(yáng)人，碩士，助理工程師，就職于天地 （唐山）礦業(yè)科技有限公司，主要從事煤泥浮選設(shè)備和工藝的研究。

（責(zé)任編輯 王雅琴）