盧東方, 王毓華, 黃 鵬, 胡岳華

自制鋁土礦脫硅水力分選設(shè)備的流場(chǎng)模擬及實(shí)驗(yàn)研究

盧東方, 王毓華, 黃 鵬, 胡岳華

(中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

采用Fluent6.3軟件對(duì)自制水力分選設(shè)備的流場(chǎng)進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明：設(shè)備錐體內(nèi)流體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使礦漿在徑向分散和分離，向上運(yùn)動(dòng)的流體能促使固相尤其是粒度較小和密度較低的含硅相向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鋁相和硅相在軸向上的分離；斜板能顯著提高鋁相在上升過(guò)程中的沉降效率。在自制設(shè)備上進(jìn)行的實(shí)際礦石脫硅試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)原礦鋁硅比(質(zhì)量比)為4.7時(shí)，在攪拌器轉(zhuǎn)速為150 r/min、斜板高度為16 cm、給礦量為100 mL/min及底流與溢流體積比為1∶3.5的條件下，經(jīng)設(shè)備一次脫硅處理，可得到Al2O3回收率為90.64%、鋁硅質(zhì)量比為6.34∶1的精礦。

鋁土礦；脫硅；水力分級(jí)；模擬

一水硬鋁石型鋁土礦主要采用洗礦篩分、浮選(正浮選和反浮選)和選擇性絮凝等工藝實(shí)現(xiàn)鋁土礦選礦脫硅[1]。對(duì)于選擇性絮凝脫硅工藝，除應(yīng)采用高效絮凝劑外，針對(duì)鋁土礦脫硅的特點(diǎn)，配套的水力分選設(shè)備的研制也是不容忽視的。而采用合理、有效的方法對(duì)設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究，則是研制具備良好分選性能設(shè)備的關(guān)鍵。

研究流場(chǎng)的方法一般分為試驗(yàn)流體力學(xué)(EFD)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)[2]兩種，通過(guò)試驗(yàn)流體力學(xué)可以得到非設(shè)備幾何參數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)設(shè)備工作效果，但不能表征流體狀態(tài)和設(shè)備工作過(guò)程，很難得到結(jié)構(gòu)復(fù)雜設(shè)備流場(chǎng)的詳細(xì)信息，且耗時(shí)、耗力，因此，必須借助計(jì)算流體力學(xué)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，描述流體狀態(tài)和預(yù)測(cè)設(shè)備工作效果。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，CFD技術(shù)在選礦及相關(guān)領(lǐng)域的研究中得到了極大發(fā)展。PINELLI等[3]采用拉氏方法并結(jié)合固體沉降速度模型和多相流模型，分別在標(biāo)準(zhǔn)攪拌槽和多層葉輪攪拌槽內(nèi)對(duì)固體顆粒的分布進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。ZHANG等[4]用低雷諾數(shù)(Re) k—ε二元方程模型和顆粒隨機(jī)軌道模型模擬了垂直管內(nèi)固、液兩相流運(yùn)動(dòng)對(duì)材料避免沖刷腐蝕過(guò)程的機(jī)理。結(jié)合單相流動(dòng)場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，MONTANTE等[5]對(duì)攪拌槽內(nèi)固、液兩相體系的固液濃度分布進(jìn)行了模擬。MICALE等[6]使用Euler模型對(duì)單層槳和多層槳的攪拌槽內(nèi)中、低濃度固體顆粒分布進(jìn)行了研究，其模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的固體顆粒的軸向濃度分布基本一致。OSHINOWO和BAKKER[7]使用 Euler 顆粒多相流模型(EGM)對(duì)攪拌槽內(nèi)固體懸浮物進(jìn)行研究，所研究顆粒的濃度范圍為 0.5%～50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。DEGLON和MEYER[8]采用旋轉(zhuǎn)葉輪多重參考系模型(MRF)和標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型模擬了攪拌槽中流體的運(yùn)動(dòng)。

本文作者采用商業(yè)軟件Fluent 6.3對(duì)自制鋁土礦脫硅水力分選設(shè)備的流場(chǎng)進(jìn)行模擬；采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型對(duì)流場(chǎng)的湍動(dòng)耗散率進(jìn)行分析；采用混合模型[9?15]預(yù)測(cè)設(shè)備內(nèi)部不同位置物相的體積分?jǐn)?shù)分布。通過(guò)實(shí)際礦石試驗(yàn)，對(duì)CFD模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，模擬結(jié)果及試驗(yàn)研究均表明，自制水力分選設(shè)備能夠高效地脫除鋁土礦中的硅質(zhì)礦泥。

1 數(shù)值模擬模型

自制鋁土礦脫硅水力分選設(shè)備剖面圖如圖 1所示。設(shè)備由錐體、柱體、斜板和攪拌器4部分組成，錐體高10.4 cm，錐角69°，柱體高26.8 cm，兩層斜板高度分別為5和4 cm，呈60°夾角放置。為了避免斜板與柱體相交處出現(xiàn)死角，斜板與柱體之間留有 0.5 cm的縫隙。給礦速度為720 mL/min，攪拌器轉(zhuǎn)速為150 r/min。

1.1 網(wǎng)格生成

為便于采用 MRF方法進(jìn)行模擬，將設(shè)備內(nèi)部劃分成兩個(gè)區(qū)域：攪拌器及靠近攪拌器的區(qū)間為內(nèi)區(qū)，內(nèi)部的其他區(qū)間為外區(qū)。用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分設(shè)備內(nèi)部區(qū)域，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)約1.2×106個(gè)，網(wǎng)格的劃分如圖2所示。

圖1 鋁土礦脫硅水力分選設(shè)備剖面圖Fig.1 Profile of hydraulic classification equipment for bauxite desiliconization

圖2 設(shè)備的網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh of equipment

1.2 湍流模型控制方程

由于擬研制的水力分選設(shè)備內(nèi)流體的湍流強(qiáng)度遠(yuǎn)小于旋流器內(nèi)流體的湍流強(qiáng)度，而其下部裝有低速轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪與攪拌槽相似，因此，采用用于攪拌槽模擬的標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行模擬比較合適。

標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型是在關(guān)于湍動(dòng)能k的方程基礎(chǔ)上，再引入一個(gè)關(guān)于湍動(dòng)耗散率ε的方程。在該模型中，湍動(dòng)耗散率ε的定義為

式中：μ為流體湍動(dòng)黏度；u為流體湍動(dòng)速度；ρ為流體密度；x為尺度量。

在標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型中，k和ε是兩個(gè)基本未知量，與之對(duì)應(yīng)的運(yùn)輸方程為

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gh是由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；δk和 δε分別是與耗散動(dòng)能 k和耗散率 ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk和Sε為自定義源項(xiàng)。

對(duì)于不可壓流體，Gh=0，YM=0，在不考慮源項(xiàng)，即Sk=0、Sε=0時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型方程為

計(jì)算物系為水—一水硬鋁石(鋁相)—含硅礦物(硅相)的三相體系。一水硬鋁石顆粒的平均直徑為38 μm，密度為3 200 kg/m3，體積分?jǐn)?shù)為1.8%；含硅礦物顆粒的平均直徑為10 μm，密度為2 700 kg/m3，體積分?jǐn)?shù)為3.6%；水相為主相。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 近攪拌器區(qū)域徑向截面的模擬結(jié)果與分析

圖3所示為設(shè)備內(nèi)徑向截面流體的湍動(dòng)耗散率分布。從圖3可以看出，湍動(dòng)耗散率較高的區(qū)域主要分布在攪拌器周?chē)?，最高耗散率?.1 m2/s2，攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)使周?chē)黧w產(chǎn)生強(qiáng)烈湍動(dòng)，湍動(dòng)通過(guò)對(duì)流和擴(kuò)散的方式傳輸?shù)狡渌恢?，使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。近攪拌器區(qū)流體的離心速度最快，礦漿進(jìn)入設(shè)備后，固相隨流體一起進(jìn)行離心運(yùn)動(dòng)，密度高、粒度大的鋁相在離心力作用下，向器壁運(yùn)動(dòng)的速度較快，導(dǎo)致近壁區(qū)鋁相的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)壁區(qū)的，而截面上硅相的體積分?jǐn)?shù)變化不大，其結(jié)果如圖4和5所示，從而實(shí)現(xiàn)鋁相和硅相在徑向截面的分離。

圖3 徑向截面流體的湍動(dòng)耗散率分布Fig.3 Turbulent dissipation rate distribution of fluid in radial section

圖4 徑向截面鋁相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.4 Volume fraction distribution of alumina phase in radial section

圖5 徑向截面硅相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.5 Volume fraction distribution of silicon phase in radial section

2.2 軸向(X=0)截面模擬結(jié)果和分析

圖6所示為軸向截面鋁相的體積分?jǐn)?shù)分布。由圖6可知，給礦時(shí)鋁相體積分?jǐn)?shù)為1.8%，進(jìn)入設(shè)備錐體后，隨著靠近底流口距離的減小，鋁相體積分?jǐn)?shù)迅速增大，底流出口處鋁相的體積分?jǐn)?shù)為2.9%，鋁相主要分布在斜板部位和錐體部位，靠近上端溢流區(qū)的鋁相體積分?jǐn)?shù)最小。圖7所示為軸向截面硅相的體積分?jǐn)?shù)分布。從圖7可以看出，給礦時(shí)硅相體積分?jǐn)?shù)為3.6%，進(jìn)入設(shè)備錐體后，隨著靠近底流口距離的減小，混合相中的硅相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，在底流出口處硅相體積分?jǐn)?shù)為 3.45%。這說(shuō)明設(shè)備中流體的湍動(dòng)不利于硅相的沉降，有利于鋁相和硅相在軸向的分離。對(duì)兩相在斜板上的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較可知，鋁相經(jīng)過(guò)斜板層時(shí)實(shí)現(xiàn)了更好的沉降，最高體積分?jǐn)?shù)為3.5%，這是由鋁相與硅相密度和粒度差異所致。

圖6 軸向截面鋁相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.6 Volume fraction of alumina phase on axial section

圖7 軸向截面硅相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.7 Volume fraction of silicon phase on axial section

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)礦樣和藥劑

表1 匯源礦樣的多元素分析結(jié)果Table 1 Multi-element analysis results of ore samples in Huiyuan(mass fraction,%)

表2 匯源礦樣礦物組成Table 2 Mineral composition of ore samples in Huiyuan(mass fraction,%)

使用工業(yè)0.05%聚丙烯酸鈉為絮凝劑、0.5%碳酸鈉為分散劑。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

水力分選設(shè)備由錐體、柱體、斜板和攪拌器4部分組成(見(jiàn)圖8)。其中，攪拌器的攪拌速度可調(diào)，柱體部分由多個(gè)柱體單元通過(guò)法蘭連接而成，斜板部分則由多層斜板單元交錯(cuò)疊加而成，柱體高度和斜板層數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求調(diào)整。

鋁土礦脫硅實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程見(jiàn)圖 9。礦樣經(jīng)磨礦作業(yè)后加入給料桶中，添加分散劑和絮凝劑，在給料桶中攪拌均勻后通過(guò)閥門(mén)進(jìn)入蠕動(dòng)泵，采用蠕動(dòng)泵控制進(jìn)入設(shè)備的礦漿流量，通過(guò)蠕動(dòng)泵8控制底流流量，礦漿通過(guò)設(shè)備中心套桶進(jìn)入主體設(shè)備，由于鋁相礦物和硅相礦物的密度、粒度差別，在設(shè)備產(chǎn)生的復(fù)合力場(chǎng)中進(jìn)行分離，密度高、粒度粗的鋁相礦物沉降至設(shè)備底部，通過(guò)蠕動(dòng)泵抽吸從底流口排出，而粒度細(xì)、密度低的硅相礦物隨上升水流向上運(yùn)動(dòng)，由溢流口流出。

圖8 新型鋁土礦脫硅設(shè)備及主要部件Fig.8 New classification equipment in laboratory for bauxite desiliconization and its major components: 1—Classification equipment; 2—Tilting plate; 3—Stirrer

圖9 鋁土礦脫硅實(shí)驗(yàn)裝置及流程示意圖Fig.9 Schematic diagram of testing equipment and chart flow of process for bauxite desiliconization: 1—Feed barrel; 2, 4, 6,7—Valve; 3, 8—Peristaltic pump; 5—Main equipment

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

改變給料量和底流與溢流的體積比，考察設(shè)備的脫硅能力。試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)備斜板高度為16 cm，攪拌器轉(zhuǎn)速為150 r/min，磨礦細(xì)度為?0.074 mm的比例為90%，用Na2CO3作分散劑，用量為2 500 g/t，聚丙烯酸鈉作絮凝劑，用量為10 g/t，給礦濃度為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，對(duì)精礦(底流)和尾礦(溢流)分別取樣，經(jīng)過(guò)濾、烘干和制樣后送分析化驗(yàn)，并計(jì)算回收率和鋁硅質(zhì)量比。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

（3）在次梁桁架的上弦桿與下弦桿之間設(shè)置直腹桿（采用￠48鋼管），將直腹桿的上下接口打磨成與上弦桿與下弦桿外表面相吻合的弧形凹槽，與上弦桿與下弦桿焊接牢固。直腹桿的高度1200mm，間距1800mm，單根次梁桁架完成。

3.4.1 給礦量實(shí)驗(yàn)

當(dāng)?shù)琢髋c溢流的體積流量比為1∶3.5時(shí)，給礦量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。當(dāng)給礦量從100 mL/min增加到300 mL/min時(shí)，精礦鋁硅比略有升高, Al2O3回收率則大幅度下降，當(dāng)給礦量增至500 mL/min時(shí)，鋁硅比開(kāi)始下降，而 Al2O3回收率上升，再增大給礦量到 700 mL/min，精礦鋁硅比和回收率都下降。由給礦量實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)給礦量為100 mL/min時(shí)，精礦的Al2O3回收率最高，為90.64%；當(dāng)給礦量為300 mL/min時(shí)，精礦鋁硅比最高，為6.47∶1。綜合來(lái)看，給礦量為100 mL/min時(shí)，指標(biāo)最好，原礦鋁硅比為4.7時(shí)，可得到Al2O3回收率為90.64%、鋁硅比為6.34的精礦，對(duì)鋁土礦脫硅，設(shè)備具備良好的分選性。這也說(shuō)明了對(duì)于試驗(yàn)設(shè)備來(lái)說(shuō)，100 mL/min的給礦量比較合適，處理量過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備分選性能下降。

圖10 給礦量對(duì)精礦氧化鋁回收率和鋁硅比的影響Fig10 Effect of inflow speed on Al2O3 recovery and mass ratio of Al to Si of concentrate

3.4.2 底流與溢流體積流量比試驗(yàn)

當(dāng)給礦量為100 mL/min時(shí)，底流與溢流體積流量比試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。當(dāng)?shù)琢髋c溢流體積流量比由1∶2變?yōu)?∶3.5時(shí)，精礦Al2O3回收率略有降低而鋁硅比明顯增大。當(dāng)?shù)琢髋c溢流體積流量比增至 1∶5時(shí)，精礦 Al2O3回收率明顯降低，而鋁硅比變化不大。據(jù)底流與溢流體積流量比試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)其比值為1∶2時(shí)，精礦回收率最高，為90.79%；當(dāng)其比值為1∶5時(shí)，精礦鋁硅比最高，為 6.37∶1。綜合來(lái)看，當(dāng)?shù)琢髋c溢流體積流量比為1∶3.5時(shí)，精礦指標(biāo)最好。這說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，增大溢流量、減小底流量能夠提高精礦鋁硅比，此時(shí)精礦中 Al2O3的回收率略有下降；但當(dāng)溢流量過(guò)大、底流量過(guò)小時(shí)，不但不能明顯提高精礦鋁硅比，反而會(huì)使精礦 Al2O3回收率大幅度降低。這是由于溢流量增大，導(dǎo)致上升水流速度增大，使含硅脈石礦物隨溢流排出，有利于提高精礦鋁硅比，但溢流量過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致上升水流速度過(guò)快，使部分一水硬鋁石礦物來(lái)不及沉降即隨溢流排出，反而不利于精礦Al2O3回收率和鋁硅比的提高。

圖11 底流與溢流體積流量比對(duì)精礦氧化鋁回收率和鋁硅比的影響Fig.11 Effect of volume ratio of underflow to overflow on Al2O3 recovery and mass ratio of Al to Si of concentrate

4 結(jié)論

1) 攪拌使錐體內(nèi)的流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生離心力場(chǎng)，有利于礦漿的分散、鋁相和硅相在徑向的分離，攪拌作用使錐體中顆粒在分散狀態(tài)下沉降，減小了硅相的沉降速度，大大減緩了鋁相在沉降過(guò)程中對(duì)硅相的夾雜。Z型斜板層的添加不僅有利于混合相中固相尤其是密度、粒度大鋁相的沉降，而且有利于大幅度增加設(shè)備的沉降面積，提高設(shè)備的分選效率。

2) 試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室小型設(shè)備而言，當(dāng)給礦量為100 mL/min，底流與溢流體積流量比為1∶3.5時(shí)，設(shè)備脫硅綜合指標(biāo)最好。當(dāng)原礦鋁硅比為4.7時(shí)，經(jīng)1次脫硅處理可得到Al2O3回收率為90.64%、鋁硅比為6.34的精礦。

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Flow field simulation and experimental study of self-made hydraulic classification equipment for bauxite desiliconization

LU Dong-fang, WANG Yu-hua, HUANG Peng, HU Yue-hua
(School of Resources Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The flow field in the self-made hydraulic classification equipment was simulated by Fluent 6.3 software. The simulation results show that the slight turbulent in the cone zone makes the mineral particles disperse and separate in the radial direction. The upwelling makes the solid phase move up, especially for silicates with the small particle size and low density, leading to the separation of alumina phase and silicon phase in the radial direction. The sloping plates improve the sedimentation efficiency of aluminum solid phase greatly in the upward process. Furthermore, the experimental results on the real bauxite ores show that a concentrate with Al2O3recovery of 90.64% and mass ratio of Al to Si of 6.34∶1 can be obtained from the feed with the mass ratio of Al to Si of 4.7 based on one stage desiliconization separation. At this time, the speed of the impeller is 150 r/min, the height of sloping plates is 16 cm, the speed of the feed is 100 mL/min and the volume ratio of overflow to underflow is 1:3.5.

bauxite; desiliconization; hydraulic classification; simulation

TD952

A

1004-0609(2011)07-1713-06

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2005CB623701)

2010-08-25；

2010-11-22

王毓華，教授，博士；電話(huà)：0731-88830545；E-mail: wangyh@mail.csu.edu.cn

(編輯 陳衛(wèi)萍)