自吸气浮选机设计参数对浮选流体动力学性能的影响

刘承帅 陈 东 陈飞飞 张 明

(1.北京市高效节能矿冶装备工程技术研究中心，北京 100160；2.矿物加工科学与技术国家重点实验室，北京 100160；3.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

国内浮选机叶轮的研究主要集中在机械搅拌式浮选机方面[1-4]，而对自吸气浮选机叶轮的研究则相对较少，并且这方面的研究还主要集中在工业应用方面[5-6]。叶轮作为自吸气浮选机最关键的结构之一，主要存在以下作用：①叶轮旋转使矿浆充分悬浮，不至于沉槽；②叶轮旋转在槽内形成特定的流场，为浮选过程提供动力学条件；③叶轮旋转在竖筒内形成漩涡，利用空气卷吸原理实现自吸空气；④叶轮旋转在循环筒内形成负压，进而实现矿浆的循环。对于特定的自吸气浮选机，叶轮的运转参数(叶轮的转速、浸没深度、插入深度、调节间隙等)不同对浮选机特征参数(吸气量、循环量、功耗)的影响呈现出不同的趋势。为此，根据浮选机放大原理，设计了0.2 m3实验室型自吸气浮选机。利用实验流体力学方法研究了自吸气浮选机叶轮的叶轮转速、浸没深度、插入深度对自吸气浮选机流场、功耗、吸气量、气体分散效果等的影响。

1 试验设备

为了便于试验观察，整个实验室型浮选机槽体用有机玻璃制作，试验平台及装置如图1所示，图2为试验系统的实物图。

图1 试验用浮选机二维图Fig.1 Two-dimensional flotation machine for experiment

图2 试验用浮选机Fig.2 Flotation machine for experiment

本研究浮选机叶轮采用的是径向叶片叶轮，在给定功率条件下，叶轮纵横比(长径比)将影响叶轮的吸气能力和矿浆循环能力。如果纵横比太小，空气吸入量将超过循环量，而纵横比太大，则相反。当叶轮的纵横比约为1.0时，吸入量和循环量均最佳[7]。自吸气浮选机叶轮如图3所示，共10个叶片，直径140 mm，高155 mm，纵横比为0.9。

图3 自吸气浮选机叶轮Fig.3 Rotor of self-aerated flotation machine

2 试验方法

本文主要研究叶轮转速、浸没深度、插入深度在清水条件下对浮选机吸气量和功耗的影响。试验设计了11个转速、3个不同的浸没深度及3个不同插入深度。吸气量通过排水取气法进行测量，叶轮转速和功率消耗通过扭矩传感器来测量。

吸气量的测量采用排水集气法进行测量，测试工具如图4所示。

图4 吸气量测试管Fig.4 Inflatable measurement test tube

吸气量测量取样的有效长度为200 mm，吸气量的计算公式为

(1)

式中,Q为测量点吸气量，m3/(m2·min)；V为从测量工具中排开清水的体积，m3；T为测量时间，min；S为测量工具的横截面积，m2；L为有效测量段的长度，m；t为测量时间，s。

计算可知，此吸气量测量管12 s对应的吸气量为1 m3/(m2·min)。

浮选机关键结构参数示意如图5所示。浸没深度为叶轮上端面距液面的高度，插入深度为叶轮插入循环筒内的深度，调节间隙为叶轮外延与循环筒径向方向的距离，本研究设置调节间隙为5 mm。

图5 浮选机关键结构参数示意Fig.5 Crucial structural parameters of flotation machine

吸气量测试方法：试验过程中，由于浮选机具有对称性，为此选取半个圆面作为测试范围，为使测试的吸气量有充分的代表性，在浮选机内2个周向方向共布置12个测点，测点布置如图6所示。每个测点至少测试2次，保证气量大致相同为止，综合12个点的测试数据求平均值，算出每个转速下的吸气量，并记录对应的扭矩传感器的扭矩和功率值。

图6 吸气量测点分布Fig.6 Measuring point distribution

3 试验结果及讨论

3.1 叶轮转速的影响

选取叶轮的浸没深度为70 mm、插入深度为10 mm，测试浮选机叶轮转速对吸气量和功耗的影响，结果见表1。

由表1可知：叶轮转速小于784 r/min时，随着叶轮转速的增加，吸气量逐渐提高，提高幅度逐渐变小；叶轮转速大于784 r/min时，随着叶轮转速的增加，吸气量变化不明显；浮选机功耗随叶轮转速的增加逐渐提高。

表1 叶轮转速影响试验结果Table 1 Test results on influence of impeller rotating speed

3.2 叶轮浸没深度的影响

随着自吸气浮选机的大型化，槽体容积不断加大，槽体深度也不断加深，叶轮处的静压力增加，自吸空气就受到了限制。而通过提高叶轮转速以产生较大的真空度，这样虽然能吸入一定量的空气，但易造成槽内矿浆运动过于激烈，矿浆液面容易产生翻花现象，叶轮与定子磨损加重，功耗增加。而将叶轮安装在浮选槽的中上部，同时为防止槽内沉砂，使矿浆得到充分搅拌，在槽下部设置供矿浆循环用的假底和导流管装置，这样既能够自吸足够的空气，又具有良好的流体动力学特性，浮选机功耗也较低。为此，在插入深度为10 mm条件下考察叶轮浸没深度对功耗和吸气量的影响，结果如图7所示。

由图7可知：随着叶轮浸没深度的增加，吸气量在各个转速条件下整体都逐渐减小，高转速条件下，浸没深度为100 mm较浸没深度为40 mm时的吸气量提高了22%～28%；随着浸没深度的降低，浮选机的功耗呈下降趋势，叶轮浸没深度100 mm较浸没深度为40 mm时的功耗低18%左右。这说明，浸没深度降低，吸气量增加，浮选机功耗降低。

3.3 插入深度的影响

通常认为，浮选机的功耗在一定程度上表征循环量的大小。自吸气浮选机的叶片按功能可分为上叶片区和下叶片区：上叶片主要作用在于卷吸空气，下叶片主要功能在于循环矿浆，因此，叶轮插入循环筒内的深度对循环量有较大影响。在叶轮浸没深度为70 mm条件下，探究插入深度对吸气量和功耗的影响，试验结果如图8所示。

图7 浸没深度影响试验结果Fig.7 Test results on influence of submergence depth◆—40 mm;●—70 mm;▲—100 mm

图8 插入深度影响试验结果Fig.8 Test results on influence of insertion depth◆—10 mm;●—20 mm;▲—30 mm

从图8可以看出：插入深度对吸气量的影响不大，未呈现明确的规律；在低转速条件下，随着插入深度的增加功耗无明显差异，转速达到556 r/min后，随着插入深度的增加功耗小幅降低。

4 结 论

自吸气浮选机吸气量随叶轮转速的增加而增加，增加幅度逐渐变小，功耗随叶轮转速的增加逐渐增加；随着叶轮浸没深度的增加，吸气量减小，功耗增加；插入深度对吸气量的影响不大，低转速条件下，随着插入深度的增加，功耗变化不明显，转速达到556 r/min后，随着插入深度的增加，功耗小幅降低。

[1] 沈政昌,史帅星,卢世杰,等.浮选设备的发展概况[J].有色设备，2004(S):21-26.

Shen Zhengchang,Shi Shuaixing,Lu Shijie,et al.Overview of the flotation's development[J].Nonferrous Equipment,2004(S):21-26.

[2] 沈政昌,杨丽君,陈 东,等.吸气机械搅拌式浮选机放大方法的研究[J].有色金属:选矿部分,2007(3):32-37.

Shen Zhengchang,Yang Lijun,Chen Dong,et al.Study on amplification method of aerated mechanical flotation machine[J].Nonferrous Metals:Mineral Processing Section,2007(3):32-37.

[3] 沈政昌.160 m3浮选机动力学研究[J].有色金属:选矿部分,2005(5):33-35.

Shen Zhengchang.Research of 160 m3flotation machine flotation dynamics[J].Nonferrous Metals:Mineral Processing Section,2005(5):33-35.

[4] 沈政昌,陈 东.吸气式浮选机动力学模型研究[J].有色金属：选矿部分,2006,22(1):23-24.

Shen Zhengchang,Chen Dong.Research of pneumo type flotation machine flotation dynamic model[J].Nonferrous Metals:Mineral Processing Section,2006,22(1):23-24.

[5] 陈 东.JJF-130 m3机械搅拌式浮选机动力学研究[J].有色金属:选矿部分,2008(11)：49-51.

Chen Dong.Research of JJF-130 m3fotation machine flotation dynamics[J].Nonferrous Metals:Mineral Processing Section,2008(11):49-51.

[6] 吴鹏云.自吸搅拌式浮选机的吸气量研究[J].机械研究与应用,2010(5):56-61.

Wu Pengyun.Study on inspiration capacity for the self-absorption air and agitation flotation machine[J].Mechanical Research and Application,2010(5):56-61.

[7] 沈政昌,卢世杰,陈 东,等.JJF-130 m3大型机械搅拌式浮选机研究与设计[J].矿冶,2008(4):81-84 .

Shen Zhengchang,Lu Shijie,Chen Dong,et al.Research and design of JJF-130 m3flotation machine[J].Mining and Metallurgy,2008(4):81-84.