丁明輝
(中國(guó)黃金集團(tuán)建設(shè)有限公司,北京 100012)
浮選現(xiàn)已成為世界上礦物選別的最主要方法之一,浮選技術(shù)不僅應(yīng)用于金屬礦物和非金屬礦物的分選,還廣泛用于冶金、造紙、農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、微生物、環(huán)保等行業(yè)的回收、分離、提純等環(huán)節(jié)。浮選機(jī)是礦物加工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)浮選分離最重要的選別設(shè)備之一[1]。因此,浮選機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā),對(duì)于國(guó)內(nèi)重工業(yè)、輕工業(yè)的發(fā)展都是非常有必要且非常有意義的。目前,浮選機(jī)主要包括機(jī)械攪拌式浮選機(jī)和射流浮選機(jī)[2]。目前規(guī)模化應(yīng)用的浮選機(jī)以機(jī)械攪拌式浮選機(jī)為主,其又分為充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)和自吸氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)[3]。由于其穩(wěn)定、可靠的工作性能,在礦冶行業(yè)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的地位[4-5]。而在礦山選別流程中,傳統(tǒng)的人工手動(dòng)調(diào)節(jié)方式難以保證穩(wěn)定性和精確性[6],現(xiàn)代浮選自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)浮選過(guò)程的穩(wěn)定控制,并且實(shí)現(xiàn)降本增效。因此,隨著礦山選廠規(guī)模的日益擴(kuò)大和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇,實(shí)現(xiàn)大型化、高效化、節(jié)能化、自動(dòng)控制化成為未來(lái)浮選機(jī)的發(fā)展方向[7-8]。
浮選機(jī)內(nèi)氣泡特征參數(shù)和流動(dòng)規(guī)律的研究是浮選機(jī)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[9-10]。當(dāng)前對(duì)浮選過(guò)程中內(nèi)部流場(chǎng)特征的研究大多數(shù)是基于單一液相介質(zhì),而在實(shí)際浮選過(guò)程中受礦物三相混合流體作用以及流體壓力、流量、濃度,以及礦物體顆粒大小、形狀、浮選機(jī)工作參數(shù)等因素的影響[11],目前對(duì)礦物浮選過(guò)程的流體運(yùn)動(dòng)特征尚無(wú)統(tǒng)一且完整的描述方法[12-13]。
計(jì)算流體力學(xué)軟件CFD作為一種現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)運(yùn)用到浮選機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性的研究領(lǐng)域已經(jīng)有近30年的歷史。通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外運(yùn)用CFD技術(shù)模擬浮選機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的研究文獻(xiàn)可知,CFD數(shù)值仿真計(jì)算可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)浮選機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)特性[14],為浮選槽內(nèi)浮選動(dòng)力學(xué)環(huán)境的改善提供參考依據(jù)[15]。目前,在選礦及選煤行業(yè),北京礦冶研究總院[16-18]、太原理工大學(xué)[19-20]、蘭州理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)都運(yùn)用CFD軟件對(duì)相關(guān)選礦機(jī)械進(jìn)行數(shù)值模擬分析,并且取得了一定的成果。
雖然CFD作為虛擬化的設(shè)計(jì)手段在設(shè)計(jì)周期、經(jīng)濟(jì)成本等方面有諸多優(yōu)勢(shì),但預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性仍存在疑問(wèn)。因此,結(jié)合CFD仿真分析和實(shí)驗(yàn)室浮選實(shí)驗(yàn)以及工業(yè)化試驗(yàn)進(jìn)行浮選機(jī)流場(chǎng)研究十分必要。
為解決上述問(wèn)題,本研究結(jié)合浮選理論分析、三維建模及數(shù)值模擬分析、礦漿浮選實(shí)驗(yàn)等,利用Pro-E、CFD數(shù)值分析等軟件,對(duì)浮選機(jī)內(nèi)部多相流動(dòng)浮選動(dòng)力學(xué)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析浮選槽內(nèi)的循環(huán)結(jié)構(gòu)、速度分布、懸浮情況、氣泡分布、湍流強(qiáng)度分布等流動(dòng)信息。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行礦物顆粒礦化過(guò)程的研究,并結(jié)合浮選試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)浮選機(jī)攪拌結(jié)構(gòu)的形式和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,改變傳統(tǒng)浮選設(shè)備礦化形式單一,且礦化效率低的浮選現(xiàn)狀,研發(fā)出具有針對(duì)性的、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CGF-Y型高效節(jié)能浮選機(jī)。該種新型浮選機(jī)能夠有效提高目的礦物的選別能力。
本課題通過(guò)多相流體動(dòng)力學(xué)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)等相關(guān)理論以及數(shù)值模擬的方法,對(duì)機(jī)械攪拌式充氣浮選機(jī)浮選過(guò)程中的多相流動(dòng)進(jìn)行研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室礦漿實(shí)驗(yàn)、工業(yè)化測(cè)試等對(duì)比分析及驗(yàn)證,獲得適用的浮選機(jī)三相流動(dòng)特性數(shù)學(xué)模型,提供中小型浮選機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,同時(shí)為未來(lái)大型浮選機(jī)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
首先利用三維造型Pro-E軟件進(jìn)行實(shí)體建模,建立正確的實(shí)體模型是計(jì)算網(wǎng)格生成的第一步;然后將實(shí)體模型導(dǎo)入目前流行的ICEM-CFD設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為通過(guò)Fluent軟件建立多相流動(dòng)數(shù)學(xué)模型作準(zhǔn)備。本研究對(duì)有效容積為4L、8m3、16m3的中、小型礦用浮選機(jī)的主軸結(jié)構(gòu)及槽體進(jìn)行三維建模及網(wǎng)格劃分,如圖1、圖2、圖3所示。
圖1 浮選機(jī)Pro-E 軟件 實(shí)體模型
圖2 浮選機(jī)定轉(zhuǎn)子ICEM-CFD 網(wǎng)格劃分
圖3 槽體網(wǎng)格劃分圖
本研究在總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外近些年已發(fā)表的有關(guān)三相湍流流動(dòng)模型基礎(chǔ)上,充分考慮分散相顆粒與氣相的相間作用,為確保較準(zhǔn)確模擬浮選機(jī)的內(nèi)流問(wèn)題,大膽摒棄了工程上常用的由Reynolds時(shí)均方程出發(fā)的模擬方法(“湍流模型”),采用統(tǒng)計(jì)方法較為嚴(yán)格的RNG k-ε模型對(duì)浮選機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬與求解。通過(guò)計(jì)算得到浮選機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的速度、各相的體積分?jǐn)?shù)、湍流強(qiáng)度等參數(shù),分析獲得影響浮選機(jī)分離效率的因素,為整機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。
根據(jù)圖4、圖5可以看出,在浮選機(jī)主軸攪拌系統(tǒng)的作用下,浮選機(jī)內(nèi)部明顯分成了上部穩(wěn)流區(qū)、下部湍流區(qū)兩個(gè)區(qū)域,而在湍流區(qū)又有明顯的大、小兩個(gè)循環(huán),氣體分散很均勻,說(shuō)明該浮選機(jī)攪拌系統(tǒng)攪拌能力強(qiáng)、湍流強(qiáng)度高、懸浮效果好,定轉(zhuǎn)子對(duì)氣體的剪切力較強(qiáng),可以使氣泡有效均勻分散于槽體內(nèi)部。
圖4 實(shí)驗(yàn)室4L浮選機(jī)速度矢量圖
圖5 實(shí)驗(yàn)室4L浮選機(jī) 轉(zhuǎn)速210 rpm氣體體積分?jǐn)?shù)圖
結(jié)合系列清水試驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的結(jié)果,對(duì)上述浮選機(jī)攪拌系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,葉輪設(shè)計(jì)中主要考慮了下列問(wèn)題:攪拌力要適中,不應(yīng)在槽內(nèi)造成較大的動(dòng)壓頭。這是因?yàn)閯?dòng)壓頭大會(huì)造成分選區(qū)不穩(wěn)定、液面翻花,影響氣泡礦化,降低有用礦物的回收,同時(shí)增加了不必要的功率消耗。優(yōu)化后的攪拌結(jié)構(gòu)形式如下圖6所示。
圖6 CGF-Y型浮選機(jī)主軸攪拌系統(tǒng)
研發(fā)的浮選機(jī)攪拌系統(tǒng),包括:葉輪、定子和主軸,葉輪固定在主軸下部,定子固定在葉輪外側(cè),葉輪包括骨架圓盤(pán)和葉輪葉片,骨架圓盤(pán)固定在主軸上,葉輪葉片固定連接在骨架圓盤(pán)上,葉輪葉片的外邊緣為翼形曲面。該攪拌系統(tǒng)使浮選機(jī)具有更高的攪拌效率和湍流強(qiáng)度,增大了礦物顆粒的礦化概率,同時(shí)防止液面產(chǎn)生翻花現(xiàn)象,可有效提升浮選效果,同時(shí)可降低浮選機(jī)運(yùn)行功耗,節(jié)約成本。
為論證結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的CGF-Y 4L浮選機(jī)攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相較于實(shí)驗(yàn)室XFD-3L型浮選機(jī)的優(yōu)越性,本實(shí)驗(yàn)以銅鉬礦作為選別對(duì)象,以銅、鉬的品位及回收率作為浮選機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo),實(shí)驗(yàn)流程如圖7所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。
圖7 實(shí)驗(yàn)室礦漿實(shí)驗(yàn)
表1 CGF-Y 4L浮選機(jī)礦漿試驗(yàn) %
表2 XFD-3L浮選機(jī)礦漿試驗(yàn) %
通過(guò)兩種浮選機(jī)的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析,可以看出:CGF-Y4L浮選機(jī)對(duì)銅、鉬有更好的浮選回收效果。其中,鉬的回收率提高5%。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)小型浮選機(jī)的實(shí)驗(yàn)效果,結(jié)合計(jì)算機(jī)建模仿真技術(shù),研制了CGF-Y8型浮選機(jī),為驗(yàn)證該浮選機(jī)的浮選效果,故在甲瑪?shù)V區(qū)進(jìn)行工業(yè)化實(shí)驗(yàn)。
將8m3新型浮選機(jī)連接至甲瑪小選廠浮選系統(tǒng)中,自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)啟,控制恒定液位高度。調(diào)整至待測(cè)轉(zhuǎn)速,加藥制度與原系統(tǒng)一致。
取樣時(shí)間要求:在9個(gè)班組內(nèi)(共計(jì)72h)連續(xù)進(jìn)行。期間,每隔1h取樣一次,將每班組(8h)內(nèi)取得的8次樣作為一個(gè)班組內(nèi)的樣品。取樣位置要求:對(duì)原礦(給礦槽處)、精礦(溢流堰處)及尾礦(濃密池處),采用3個(gè)取樣器分別進(jìn)行采樣。對(duì)收集到的樣品進(jìn)行銅、鉬品位檢測(cè),并計(jì)算回收率。如其中有樣品損失等情況,需從頭開(kāi)始。礦漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。
圖8 甲瑪工業(yè)化實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果
CGF-Y8型浮選機(jī)在3d9個(gè)班次連續(xù)試驗(yàn)期間,設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn),未出現(xiàn)任何故障;液位自動(dòng)控制系統(tǒng)工作正常,控制精度滿(mǎn)足工藝要求;浮選機(jī)攪拌力強(qiáng),泡沫層穩(wěn)定,沒(méi)有翻花的現(xiàn)象。
根據(jù)甲瑪小選廠的工業(yè)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)日處 理量為600t/d、原礦為0.108%、精礦品位為4.9%、尾礦品位為0.069%、產(chǎn)率為0.9%時(shí),可產(chǎn)精礦5.4t/d。根據(jù)目前銅精礦的價(jià)格(按銅5%價(jià)格1750元計(jì)算),估計(jì)每年可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益345萬(wàn)元。
本次試驗(yàn)采用的兩臺(tái)CGF-Y80型充氣機(jī)械攪拌式浮選機(jī)及輔助設(shè)備,安裝在陜西太白黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司選礦廠。試驗(yàn)流程為:用2臺(tái)中國(guó)黃金集團(tuán)建設(shè)有限公司設(shè)計(jì)、制造安裝的CGF-Y80型浮選機(jī)選別浮選系列的尾礦(作為掃選三),給礦自流給入,泡沫產(chǎn)品采用泵輸送返回掃選二,尾礦自流至總尾礦箱。礦漿試驗(yàn)生產(chǎn)階段在生產(chǎn)穩(wěn)定后進(jìn)行72h連續(xù)試驗(yàn),分別對(duì)掃選三的原礦、精礦、尾礦進(jìn)行采樣和化驗(yàn)。
取樣時(shí)間要求:每小時(shí)取1次,連續(xù)72h ,每班送樣化驗(yàn)1次。
圖9 CGF-Y 80型浮選機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝效果圖
圖10 CGF-Y 80型浮選機(jī)定轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)安裝效果圖
通過(guò)對(duì)太白礦業(yè)80m3浮選機(jī)的連續(xù)72h的工業(yè)化實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,兩臺(tái)CGF-Y80型浮選機(jī)在陜西太白金礦運(yùn)行穩(wěn)定可靠,浮選機(jī)攪拌力較強(qiáng),空氣分散均勻,泡沫層穩(wěn)定,指標(biāo)良好,沒(méi)有翻花現(xiàn)象,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。新型攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)氣泡在礦漿中的均勻分散,能夠保證礦漿有效;懸浮及礦化氣泡快速浮出,可提供滿(mǎn)足粗、細(xì)粒級(jí)礦物的浮選環(huán)境,達(dá)到提高浮選回收率的目的。同時(shí),該浮選機(jī)控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便,液位控制精度高,而且可實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP遠(yuǎn)程操作功能。最終,太白礦業(yè)決定將兩臺(tái)設(shè)備正式并入太白金礦選廠的浮選流程,并作為太白礦業(yè)5200t/d選廠的掃三流程使用。目前,兩臺(tái)設(shè)備已在太白礦業(yè)運(yùn)行數(shù)月,金的總回收率由原來(lái)的85.10%提高到89.03%,平均提高3.93%。
表3 太白工業(yè)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果
機(jī)械攪拌式浮選機(jī)是目前最重要的浮選設(shè)備,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛。由于礦石越來(lái)越傾向于“貧、細(xì)、雜”,選礦行業(yè)對(duì)浮選設(shè)備的要求越來(lái)越高,常規(guī)的浮選機(jī)難以滿(mǎn)足現(xiàn)有的浮選流程。本文介紹的CGF-Y型高效節(jié)能浮選機(jī)具有如下特點(diǎn):
(1)獨(dú)特的浮選機(jī)攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更有利于浮選能力的提升;
(2)建立了浮選機(jī)相似放大準(zhǔn)則,可用于今后浮選機(jī)的系列化設(shè)計(jì);
(3)基于互聯(lián)網(wǎng)的浮選機(jī)自動(dòng)控制專(zhuān)家系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和故障診斷,利用手機(jī)App軟件可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線操作功能;
(4)建立穩(wěn)定的分離區(qū)和泡沫層,有效實(shí)現(xiàn)粗重、細(xì)粒礦物的浮選,減小礦粒脫落概率。
目前,CGF-Y型高效節(jié)能浮選機(jī)已在金牛、甲瑪兩家礦山企業(yè)完成工業(yè)化測(cè)試,并在太白金礦成功應(yīng)用。該浮選機(jī)運(yùn)行情況較好,節(jié)能降耗效果明顯,提高了資源的回收利用率,提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性和可靠性。