劉春艷

(1.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012；2．河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

單槽容積60 m3煤用大型圓筒形浮選機(jī)關(guān)鍵部件及區(qū)域流場分析

劉春艷1，2

(1.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012；2．河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

運(yùn)用CFD軟件模擬分析了XJM-S型機(jī)械攪拌式60 m3圓筒形浮選槽初始虛擬樣機(jī)關(guān)鍵部件及區(qū)域的流場特性。研究表明：浮選機(jī)葉輪的吸漿能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了高礦漿處理能力；葉輪腔內(nèi)流體壓力分布具有對稱性，但缺乏均衡性；定子葉片上邊緣1/3處的葉片內(nèi)側(cè)存在高壓磨損現(xiàn)象；初始設(shè)計(jì)時(shí)，穩(wěn)流板葉片高度偏小，葉片后部削切不合理，對礦漿的穩(wěn)流效果不理想；葉輪葉片、定子及穩(wěn)流板葉片數(shù)目不對應(yīng)，關(guān)鍵部件及區(qū)域的流場具有對稱性，但缺少均衡性。根據(jù)仿真結(jié)果分析，提出了定子及穩(wěn)流板葉片數(shù)目改為18片，對定子、穩(wěn)流板等關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議。

機(jī)械攪拌式浮選機(jī)；葉輪；定子；穩(wěn)流板；流場特性；優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著選礦廠和選煤廠廠型規(guī)模的日益擴(kuò)大，浮選設(shè)備正在向大型化、高效化發(fā)展。近年來，大型浮選機(jī)研制方面已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。其中，北京礦冶研究總院成功研制了KYF-600超大型選礦用浮選機(jī)[1]，并已開展了680 m3浮選機(jī)的研究設(shè)計(jì)工作[2]，天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司)也成功推出了應(yīng)用于千萬噸級(jí)特大型選煤廠的XJM-S90型的機(jī)械攪拌式浮選機(jī)。大型浮選機(jī)在增加選煤廠生產(chǎn)能力、減少基建投資和運(yùn)行成本等方面具有明顯優(yōu)勢，因此大型浮選機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用對提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益極為重要。大型浮選機(jī)的流場性質(zhì)對于浮選機(jī)性能的優(yōu)劣具有至關(guān)重要的影響。傳統(tǒng)流場測試方法，存在檢測儀器設(shè)備昂貴以及直接獲得浮選槽內(nèi)流場的運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)困難的問題。隨著計(jì)算流體力學(xué)軟件CFD迅速發(fā)展，用CFD軟件對大型浮選機(jī)流場進(jìn)行數(shù)值仿真已經(jīng)成為分析研究浮選槽內(nèi)礦漿運(yùn)動(dòng)特性、優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要手段和方法。在選礦、選煤領(lǐng)域，蘭州理工大學(xué)[3-4]、北京礦冶研究總院[5-8]、太原理工大學(xué)[9-10]等機(jī)構(gòu)都運(yùn)用CFD軟件對相關(guān)選礦機(jī)械課題進(jìn)行了數(shù)值模擬，取得了一定的成果。

XJM-S型機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的葉輪、定子、定子蓋板、假底穩(wěn)流板等部分是決定浮選槽內(nèi)礦漿流動(dòng)狀態(tài)和煤泥浮選效果的關(guān)鍵部件，研究浮選機(jī)關(guān)鍵部件的流體特性，對于了解浮選槽內(nèi)整體流場特性，進(jìn)而優(yōu)化浮選槽部件結(jié)構(gòu)是十分必要的。本文運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法對XJM-S型機(jī)械攪拌式60 m3圓筒形浮選槽初始虛擬樣機(jī)(以下簡稱XJM-S60型浮選機(jī))進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了該型浮選機(jī)槽內(nèi)流場特征，通過分析關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場特性的影響，提出了該浮選機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，并為以后大型浮選機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供參考。

1 XJM-S60型浮選機(jī)關(guān)鍵部件的模型建立及仿真策略

以XJM-S型機(jī)械攪拌式60 m3圓筒形浮選槽初始虛擬樣機(jī)作為仿真計(jì)算的模型，該浮選機(jī)是根據(jù)相似放大原理及公式[11]設(shè)計(jì)而成的大型浮選機(jī)樣機(jī)模型，其葉輪、定子等關(guān)鍵部件均由傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)完成，因此關(guān)鍵部件形成的流場特性能夠準(zhǔn)確反映出XJM-S型浮選機(jī)的流場特性。圖1分別是葉輪、定子、定子蓋板、特殊螺母、假底穩(wěn)流板的結(jié)構(gòu)示意圖。

仿真計(jì)算采用浮選機(jī)全三維模型，網(wǎng)格策略采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，模擬的單相流體為清水。選用MRF模型處理葉輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，湍流區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型計(jì)算，選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁區(qū)湍流流動(dòng)。

圖1 XJM-S60型浮選機(jī)關(guān)鍵部件

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 葉輪的排液量及裝機(jī)功率

通過fluent軟件對各個(gè)截面通量的計(jì)算結(jié)果，得出葉輪的排液量為3 727 m3/h，其中葉輪下層葉片排液量為2 548.31 m3/h，上層葉片排液量為1 169.82 m3/h，下層葉片的排液量為上層葉片排液量的2.18倍。按照入料礦漿量為1 520 m3/h計(jì)算，葉輪的排液量為入料礦漿量的2.45倍。通過計(jì)算表明，該型浮選機(jī)葉輪吸漿及排漿能力強(qiáng)，能夠滿足浮選礦漿循環(huán)量的攪拌要求。

通過軟件對葉輪、特殊螺母轉(zhuǎn)矩的計(jì)算結(jié)果，可知浮選攪拌功率的計(jì)算值為82.85kW。由于該浮選機(jī)采用自吸空氣方式，攪拌功率將隨充氣量減小而升高，為滿足調(diào)整充氣量時(shí)功率的變化要求，按經(jīng)驗(yàn)選取電機(jī)功率備用系數(shù)為1.25，即選用的電機(jī)功率不低于103.56kW，故選用電機(jī)功率為110kW。攪拌功率計(jì)算值與該浮選機(jī)樣機(jī)的測試數(shù)值100.07 kW相近。

2.2 葉輪等關(guān)鍵部件的仿真分析

圖2-6所示分別為葉輪及特殊螺母、定子及定子蓋板周圍流體的靜壓分布圖，其中仿真結(jié)果圖中顏色按藍(lán)-綠-黃-橙(由暗-亮)的方式排布，顏色變化代表數(shù)值大小。

圖2 葉輪及特殊螺母靜壓分布圖

圖3 定子及蓋板內(nèi)側(cè)靜壓分布圖

由圖2及軟件計(jì)算結(jié)果可得，葉輪靜壓的最小值為-57.55 kPa，其分布在葉輪的下吸口處，葉輪大部分處于負(fù)壓狀態(tài)，迎液面靜壓值高于背液面靜壓值，下層葉片迎液面最外端為下層葉片靜壓最大值，上層葉片迎液面最外端上部為上層葉片靜壓最大值。葉輪的壓力分布具有一定的對稱性，但不具備均衡性。

圖2-3可得浮選機(jī)靜壓的最小值為-57.87 kPa，其分布在定子蓋板的入口處，浮選機(jī)靜壓最高值為33.85 kPa，分布在距定子葉片上邊緣1/3處的定子葉片內(nèi)側(cè)，但分布不均勻，根據(jù)圖3可知，距定子葉片上邊緣1/3處存在高壓磨損現(xiàn)象，通過對比現(xiàn)場定子磨損圖片可知定子葉片的磨損確實(shí)發(fā)生在葉片的上邊緣1/3處。

圖4 定子及蓋板外側(cè)靜壓分布圖Fig.4Distribution of static pressure outside stator and cover plate

圖5 定子出口截面速度矢量圖

圖6 穩(wěn)流板入口截面速度矢量圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，定子湍流耗散率的高值較高，為6 538.82 m2/s3，位于定子里側(cè)礦漿入口處，定子外側(cè)礦漿出口處湍流耗散率高值為312.34 m2/s3。礦漿通過定子時(shí)，湍流耗散率急劇降低，同時(shí)湍動(dòng)能及湍流強(qiáng)度也由9.37 m2/s2、2.48降低至4.17 m2/s2、1.67，這表明礦漿在定子區(qū)域與定子發(fā)生強(qiáng)烈碰撞，從而使礦漿的速度、動(dòng)能大幅降低。

圖7 定子及穩(wěn)流板之間截面速度矢量圖

圖5-7分別為定子出口截面、穩(wěn)流板入口截面、定子及穩(wěn)流板之間截面的速度矢量圖，從圖中分析可知，定子外側(cè)出口截面的速度高值主要存在于定子出口截面的上半部分，包括端面最上端；穩(wěn)流板入口截面的速度高值主要存在于穩(wěn)流板入口截面的上端，也包括端面的最上端，而定子及穩(wěn)流板之間截面的速度矢量圖顯示在這個(gè)截面的礦漿是從定子出口截面上端射向外圍，速度最高值達(dá)7.98 m/s。浮選機(jī)樣機(jī)模型穩(wěn)流板葉片高度低于定子葉片高度，通過仿真結(jié)果可以看出，樣機(jī)的穩(wěn)流板葉片初始高度偏低，建議增加穩(wěn)流板葉片的初始高度，確保穩(wěn)流板葉片高度高于定子葉片高度。

圖8-9分別為穩(wěn)流板側(cè)出口及上出口截面的速度矢量圖。穩(wěn)流板側(cè)出口截面的速度最高值達(dá)2.69 m/s，穩(wěn)流板上出口截面速度最高值達(dá)7.85 m/s。由此可知穩(wěn)流板對礦漿的穩(wěn)流效果并不理想。通過觀察穩(wěn)流板上出口截面的速度矢量圖發(fā)現(xiàn)，礦漿速度高值貫穿了穩(wěn)流板部分流道上表面的迎液面，由此可知穩(wěn)流板葉片后部的削切存在不合理的現(xiàn)象。

圖8 穩(wěn)流板側(cè)出口截面速度矢量圖

圖9 穩(wěn)流板上出口截面速度矢量圖

2.3 葉輪流道及葉輪-定子區(qū)域流場特征分析

葉輪是機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的最關(guān)鍵部件，正是由于葉輪的旋轉(zhuǎn)作用，才產(chǎn)生了浮選槽內(nèi)礦漿的運(yùn)動(dòng)和外部空氣的吸入，因此重點(diǎn)對葉輪內(nèi)部及葉輪附近區(qū)域的流場特性進(jìn)行分析。以浮選槽Z=0.95 m水平剖面截取葉輪流道及葉輪-定子區(qū)域截面。圖10-13所示分別為葉輪流道靜壓、動(dòng)壓、流線、速度矢量圖。

圖10 葉輪流道靜壓圖

圖11 葉輪流道動(dòng)壓圖

圖12 葉輪流道流線圖

由圖11可知，動(dòng)壓沿葉輪徑向遞增，在葉輪出口端達(dá)到最高值，而在葉片根部形成的環(huán)形區(qū)域內(nèi)最低；在相同半徑處，對同一葉片的動(dòng)壓而言，背液面高于迎液面，即背液面流速高于迎液面。由圖12-13可知，礦漿從葉輪下吸口吸入后，隨著葉輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在流道出口處以順時(shí)針方向甩出，速度最高值為葉輪葉片根部的背液面處。

圖13 葉輪流道速度矢量圖

圖14-17所示為葉輪-定子區(qū)域靜壓、動(dòng)壓、流線、速度矢量圖。通過分析可知，靜壓最高值位于葉輪對稱的兩個(gè)葉片最外端的迎液面，與之成逆時(shí)針60°的葉片根部的背液面為靜壓最低值，葉片背液面葉根部形成了環(huán)形低壓區(qū)域。

圖14 葉輪-定子區(qū)域靜壓圖

圖15 葉輪-定子區(qū)域動(dòng)壓圖

由圖14可知，某幾個(gè)定子葉片可達(dá)到靜壓高值。由圖15可知，由于葉輪葉片與定子葉片的相對關(guān)系，造成某幾個(gè)定子流道形成了動(dòng)壓高值。由圖16-17可知，葉輪甩出的礦漿在定子大部分流道內(nèi)高速甩出，但由于葉輪葉片與定子葉片的相對關(guān)系，引起了葉輪6個(gè)流道及定子20個(gè)流道礦漿流量不均衡的現(xiàn)象，造成了礦漿在定子的12個(gè)流道以較高速度甩出，8個(gè)流道出現(xiàn)回流，且流入相鄰的流道中高速流出的現(xiàn)象，其中存在回流的流道速度及流量相對較小。

圖16 葉輪-定子區(qū)域流線圖

由葉輪流道及葉輪-定子區(qū)域的壓力、流線及速度矢量圖可知，流場具有對稱性，缺乏均衡性，通過分析可知，葉輪葉片數(shù)目為6片，定子及穩(wěn)流板的葉片數(shù)目為20片，葉輪葉片數(shù)目與定子及穩(wěn)流板葉片數(shù)目不對應(yīng)，定子及穩(wěn)流板等結(jié)構(gòu)影響整個(gè)流場。為了進(jìn)一步分析流場不均衡性的成因，再次進(jìn)行了仿真計(jì)算，即將槽體內(nèi)除葉輪外的部件全部去掉，單獨(dú)保留葉輪及槽體兩部分，結(jié)果表明，葉輪的壓力分布為均衡分布，六個(gè)葉片及六個(gè)流道流場也為均衡分布，由此可知定子及穩(wěn)流板的結(jié)構(gòu)對整個(gè)流場的均衡性產(chǎn)生了影響。結(jié)合兩次仿真數(shù)據(jù)，建議將定子及穩(wěn)流板的葉片數(shù)目改為與葉輪葉片數(shù)目成整數(shù)倍數(shù)關(guān)系的18片。

3 結(jié)論及建議

運(yùn)用CFD軟件仿真模擬XJM-S型機(jī)械攪拌式60 m3圓筒形浮選槽初始虛擬樣機(jī)的流場特性。通過分析關(guān)鍵部件及區(qū)域的流場特性，得出以下結(jié)論：該浮選機(jī)葉輪的吸漿能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高礦漿量的處理過程；葉輪的壓力分布具有對稱性，但不具備均衡性；浮選機(jī)靜壓的最大值分布在距定子葉片上邊緣1/3處內(nèi)側(cè)，且為不均勻分布，存在高壓磨損；穩(wěn)流板葉片初始高度偏小，對礦漿的穩(wěn)流效果不理想；穩(wěn)流板葉片后部的削切不合理；在相同半徑處，同一葉片的葉輪的動(dòng)壓背液面高于迎液面；葉輪葉片數(shù)目與定子及穩(wěn)流板葉片數(shù)目不對應(yīng)，則關(guān)鍵部件及區(qū)域的流場特征不具有均衡性，但存在對稱性。根據(jù)仿真結(jié)果及流場特征，因此建議該型浮選機(jī)關(guān)鍵部件做出如下優(yōu)化改進(jìn)：

(1)根據(jù)定子的高壓磨損效應(yīng)，對定子葉片的易磨損區(qū)域做耐磨處理。

(2)葉輪葉片數(shù)目與定子及穩(wěn)流板葉片數(shù)目不相對應(yīng)，對整個(gè)流場產(chǎn)生一定影響，建議將定子及穩(wěn)流板的葉片數(shù)目改為與葉輪葉片數(shù)目成整數(shù)倍數(shù)關(guān)系的18片。

(3)穩(wěn)流板對礦漿的穩(wěn)流效果不理想，應(yīng)提高穩(wěn)流板的葉片高度，并去除穩(wěn)流板葉片后部的削切。

本次仿真模擬對大型浮選機(jī)關(guān)鍵部件提出了優(yōu)化改進(jìn)的建議，接下來的工作是建立新的浮選機(jī)模型和數(shù)值模擬分析，得到合理的流場特征，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和工業(yè)性試驗(yàn)，對大型浮選機(jī)的生產(chǎn)性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，盡早實(shí)現(xiàn)大型浮選機(jī)的推廣和應(yīng)用。

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Analysis of the flow fields produced by and in the regions around the key components of a large-sized cylindrical coal flotation machine with a cell volume of 60 m3

LIU Chun-yan1,2

(1. Tiandi (Tangshan) Mining Technology Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063012, China; 2. Hebei Province Coal Preparation Engineering & Technology Research center, Tangshan, Hebei 063012, China)

Simulation analysis is made in the paper of the characteristic of the flow fields produced by and in the regions around the key components of the virtual prototype XIM-S mechanically-agitated cylindrical coal flotation machine using CFD software. Analysis shows that: the impeller works with a high pulp throughput for its high pulp suction capacity; the distribution of fluid pressure in impeller cavity is in a symmetrical but not totally balanced state; the inner side of each stator blade is found to be subjected to abrasive wear under the effect of high pressure at the point about 1/3 from the blade's top edge; the blades of the stabilizer preliminary designed are insufficiently large in height and the cutting at the back of the blades is not made in a mechanically rational manner, resulting in, therefore, an unsatisfactory flow stabilizing result; the blades of the impeller, stator and stabilizer are not corresponding with each other in number; and the flow fields of key components and in the region around then are symmetrical yet unbalanced. According to the simulation result, it is proposed to change number of the blades of stator and stabilizer all to 18 and make corresponding optimum design of these key components.

subaeration flotation machine; impeller; stator; stabilizer; characteristic of flow field; optimum design

1001-3571(2016)06-0004-06

TD943

A

2016-10-12

10.16447/j.cnki.cpt.2016.06.002

河北省重大科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)項(xiàng)目(16044104Z)

劉春艷(1982—)，女，河北省唐山市人，助理研究員，碩士，從事浮選工藝及設(shè)備的研發(fā)工作。

E-mail：liuchunyan19820424@163.com Tel：0315-7759642

劉春艷. 單槽容積60 m3煤用大型圓筒形浮選機(jī)關(guān)鍵部件及區(qū)域流場分析[J]. 選煤技術(shù)，2016(6):4-9.