水力旋流器給料壓力對(duì)多組分鐵礦分配行為的影響

張彩娥 ，陸帥帥 ，于福順 ，丁明星

（1.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東淄博 255000；2.煤炭加工與高效潔凈利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221000）

0 引言

水力旋流器作為利用離心力與重力的典型復(fù)合力場(chǎng)分級(jí)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于鐵礦濕式細(xì)磨產(chǎn)品的細(xì)粒分級(jí)作業(yè)中［1-4］，磨礦產(chǎn)品是一種多密度多粒度的多組分體系［5］，多組分體系給入分級(jí)水力旋流器后，受顆粒密度效應(yīng)影響，致使部分已單體解離的細(xì)粒重金屬礦物在磨礦回路中循環(huán)，造成有用礦物的過磨，極大地增加了磨機(jī)能耗，影響后續(xù)選別指標(biāo)［6-9］。深入研究不同粒度組分不同密度組分在水力旋流器內(nèi)的運(yùn)移行為，是實(shí)現(xiàn)多組分給料在水力旋流器中高效分級(jí)的重要途徑。

不同組分顆粒在旋流復(fù)合力場(chǎng)中的受力狀態(tài)，直接影響顆粒的運(yùn)移行為和空間分布，進(jìn)而決定顆粒的分離特性［10-12］。近年來，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的數(shù)值試驗(yàn)方法以其省時(shí)、省力、高效等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于水力旋流器的研究［13-15］。利用拉格朗日方法（DPM）與CFD耦合計(jì)算，不僅可以表征顆粒的空間分布，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的追蹤［16-20］，可用于不同密度組分顆粒和不同粒度組分顆粒在旋流復(fù)合力場(chǎng)中運(yùn)移行為的研究。

本文聯(lián)合采用物理試驗(yàn)方法和數(shù)值試驗(yàn)方法，以具有一定粒度組成的磁鐵礦-石英混合給料體系為研究對(duì)象，考察了給料壓力變化對(duì)石英組分、磁鐵礦組分及人工混合礦的沉砂分配率和分離粒度影響；計(jì)算了石英組分和磁鐵礦組分的交互影響系數(shù)，分析了各組分的交互影響規(guī)律；從顆?？臻g分布和顆粒運(yùn)移軌跡出發(fā)，揭示了石英組分和磁鐵礦組分的分配行為差異。

1 試驗(yàn)方法

1.1 物理分級(jí)試驗(yàn)

圖1示出分級(jí)試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)用水力旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)料壓力或流量通過變頻器調(diào)節(jié)給料泵的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)調(diào)節(jié)壓力范圍為0.08～0.18 MPa。

石英和磁鐵礦粒度特性如圖2所示，石英和磁鐵礦按照1：1比例混合得到混合礦。

1.2 數(shù)值模擬試驗(yàn)

本文分2步驟開展數(shù)值試驗(yàn)，具體模擬策略如圖3所示。第1步，采用雷諾應(yīng)力湍流模型（RSM）描述湍流運(yùn)動(dòng)，以及混合物模型（Mixture）描述空氣相和顆粒相運(yùn)動(dòng)［11］；第2步，在穩(wěn)定的氣-液-固多相流場(chǎng)結(jié)果基礎(chǔ)上，引入離散相顆粒，利用DPM模型追蹤不同性質(zhì)離散相顆粒的運(yùn)移軌跡［19］。

圖3 模擬策略Fig.3 Simulation strategy

根據(jù)物理試驗(yàn)水力旋流器結(jié)構(gòu)特性及石英、磁鐵礦給料特性，確定了數(shù)值試驗(yàn)的計(jì)算域和邊界條件，利用本文所選用的數(shù)值試驗(yàn)方法所得到的數(shù)值模擬結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)吻合很好，如圖4所示。

圖4 沉砂分配率數(shù)值模擬結(jié)果與物理測(cè)試結(jié)果比較Fig.4 Comparison between experimental and simulated results of recovery to underflow

2 結(jié)果與討論

2.1 壓力對(duì)各組分分配特性的影響

試驗(yàn)在入料濃度為10%的情況下，研究了不同壓力條件下石英、磁鐵礦各組分的分配特性及混合礦的分配特性，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖中可看出，在任一壓力條件下，混合礦中磁鐵礦組分的分離粒度小于混合礦的整體分離粒度，而石英組分的分離粒度大于混合礦的整體分離粒度，說明固體顆粒在水力旋流器分級(jí)過程中同時(shí)發(fā)生了基于顆粒密度的分選行為。從圖中還可以看出，隨著給料壓力增加，石英和磁鐵礦的組分分配曲線偏離總分配曲線的程度逐漸減小，表明在分級(jí)過程中石英組分和磁鐵礦組分存在交互影響，組分間交互影響程度隨給料壓力變化而變化。

圖5 不同壓力條件下石英組分、磁鐵礦組分和混合礦的沉砂分配率Fig.5 Recovery to underflow of quartz component, magnetite component and mixture ore under different feed pressures

2.2 混合給礦的分配特性

為了進(jìn)一步明晰給料壓力變化對(duì)混合礦沉砂分配率的影響規(guī)律，繪制了不同壓力條件下的沉砂分配曲線，并利用公式（d75-d25）/2計(jì)算了不同給料壓力條件下的分級(jí)精度，如圖6所示。

圖6 石英-磁鐵礦混合礦沉砂分配率和分級(jí)精度Fig.6 Recovery to underflow and classification sharpness of quartz-magnetite mixture ore

從圖中可以看出，隨著給料壓力增加，顆粒在沉砂中的分配率先逐漸增加后逐漸趨于平穩(wěn)，對(duì)應(yīng)分級(jí)精度先快速降低后趨于穩(wěn)定。從圖中還可以看出，在任一給料壓力條件下，微細(xì)顆粒均存在“魚鉤”效應(yīng)，即隨著微細(xì)顆粒粒度減小，顆粒在沉砂中的分配率逐漸增加。

2.3 壓力對(duì)各組分分離粒度的影響

給料壓力變化對(duì)混合礦分離粒度d50T及混合礦中石英和磁鐵礦各組分分離粒度d50C的影響如圖7（a）所示。從圖中可以看出，隨著給料壓力逐漸增大，顆粒所受離心力增加，混合礦整體分離粒度及各組分分離粒度均逐漸減小。為了定量表征給料壓力對(duì)組分間交互作用影響，引入了交互影響系數(shù)（IC），其定義為各組分分離粒度d50c與混合礦分離粒度d50T差值的絕對(duì)值除以d50T。

從圖7（b）中可以看出，隨著壓力變化，磁鐵礦組分交互影響系數(shù)變化幅度比石英組分交互影響系數(shù)變化幅度大，這主要是由于磁鐵礦組分密度大，更易受離心力變化影響。交互影響系數(shù)越小表征固體顆粒分級(jí)過程中顆粒密度效應(yīng)的不利影響越小，固體顆粒主要發(fā)生基于顆粒粒度的分級(jí)作用。從圖7中可以看出，當(dāng)給料壓力位于0.14～0.16 MPa區(qū)間時(shí)，石英組分和磁鐵礦組分的交互影響系數(shù)均較小，此時(shí)水力旋流器分級(jí)精度較高，如圖5所示。

圖7 不同壓力條件下石英組分、磁鐵礦組分的分離粒度與交互系數(shù)Fig.7 Cut size and interaction coefficient of quartz component and magnetite component under different feed pressures

2.4 各組分空間分布特性

固體顆粒在分級(jí)過程中的空間分布可以用不同性質(zhì)顆粒的平衡回轉(zhuǎn)半徑來表征，顆粒平衡回轉(zhuǎn)半徑即為顆粒最大體積分?jǐn)?shù)所在的半徑，如圖8所示。

圖8 石英組分和磁鐵礦組分的空間分布Fig.8 Spatial distribution of quartz component and magnetite component

從圖中可以看出，隨著顆粒粒度增加，石英組分和磁鐵礦組分的顆粒平衡回轉(zhuǎn)半徑均沿徑向向器壁移動(dòng)，對(duì)應(yīng)的顆粒沉砂分配率增加。不同粒度石英組分的顆粒平衡回轉(zhuǎn)半徑均略小于磁鐵礦組分的顆粒平衡回轉(zhuǎn)半徑，因而對(duì)應(yīng)粒度石英組分在沉砂中的分配率均略小于磁鐵礦組分在沉砂中的分配率。d=20 μm石英組分的顆粒平衡回轉(zhuǎn)半徑小于LZVV所處的半徑，而d=20 μm磁鐵礦組分的顆粒平衡回轉(zhuǎn)半徑大于LZVV所處的半徑，這是造成20 μm不同密度顆粒在沉砂中分配率差異較大的原因。

2.5 各組分運(yùn)移軌跡特性

圖9示出不同粒度顆粒的運(yùn)移軌跡，其中每組左側(cè)為石英組分，右側(cè)為磁鐵礦組分。從圖中可以看出，10 μm細(xì)粒石英組分和磁鐵礦組分進(jìn)入水力旋流器后，在隨著外旋流螺旋式向下運(yùn)動(dòng)過程中，受到錐段壁面阻力作用，進(jìn)入內(nèi)旋流并改變運(yùn)動(dòng)方向，最終從溢流口排出，值得注意的是，為了使運(yùn)移軌跡描述清晰，僅展示了5條軌跡線，故而-10 μm顆粒在沉砂中的回收率雖達(dá)到10%左右但未能表示出來；大部分20 μm中等粒度石英組分跟隨內(nèi)旋流從溢流口排出，而該粒度磁鐵礦組分因受到較大的沿徑向向外的力作用，大部分跟隨外旋流從沉砂口排出；75 μm粗粒石英組分和磁鐵礦組分一直在外旋流中螺旋式向下運(yùn)動(dòng)，最終從沉砂口排出。

圖9 石英組分和磁鐵礦組分的運(yùn)移軌跡Fig.9 Migration trajectories of quartz component and magnetite component

3 結(jié)論

（1）在水力旋流器分級(jí)過程中，微細(xì)顆粒存在“魚鉤”效應(yīng)，隨著給料壓力增加，顆粒分離粒度逐漸減小；在任一壓力條件下，磁鐵礦組分的沉砂分配率大于石英組分的沉砂分配率，磁鐵礦組分的分離粒度小于石英組分的分離粒度，在分級(jí)過程中發(fā)生了基于顆粒密度的分選行為。

（2）隨著給料壓力增大，分離粒度逐漸減??；石英組分和磁鐵礦組分間存在交互作用，交互影響系數(shù)可定量表征組分間交互影響程度，磁鐵礦組分因密度大，交互影響系數(shù)變化幅度大，當(dāng)壓力位于0.14～0.16 MPa區(qū)間時(shí)，交互影響系數(shù)為20%，數(shù)值較小，對(duì)應(yīng)水力旋流器分級(jí)精度較高。

（3）隨著顆粒粒度和密度的增加，顆粒平衡回轉(zhuǎn)半徑沿徑向逐漸向器壁移動(dòng)；對(duì)于20 μm中間粒度顆粒，不同密度石英組分和磁鐵礦組分的顆粒平衡回轉(zhuǎn)半徑所在徑向位置差異較大，分別位于LZVV兩側(cè)，造成不同密度該粒度顆粒的沉砂分配率差異較大。

（4）顆粒在水力旋流器內(nèi)的停留時(shí)間隨顆粒密度和顆粒粒度的減小而逐漸增加；顆粒進(jìn)入水力旋流器后先隨外旋流向外向下運(yùn)動(dòng)，受到錐段器壁阻力作用，部分粒度小密度輕的顆粒進(jìn)入內(nèi)旋流，并隨內(nèi)旋流向內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)，最終從溢流口排出。