樊盼盼，劉翼洲，董連平，連經(jīng)利，陳忠鈺，樊民強

(1.太原理工大學(xué)煤科學(xué)與技術(shù)教育部與山西省重點實驗室，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

隨著采煤機械化程度的提高，入選原煤中細(xì)粒級含量越來越多。細(xì)粒級分選，無論對于經(jīng)濟效益，還是分選工藝的完善，都是不可或缺的?，F(xiàn)有分選設(shè)備-煤泥重介質(zhì)旋流器理論上可有效銜接大直徑主洗旋流器分選下限及浮選分選上限[1]，但運行過程中受主洗重介旋流器工況影響較大，介質(zhì)粒度不易控制，加之為了滿足盡可能低的分選粒度下限所必需的入料壓力，造成旋流器及管道磨損嚴(yán)重，影響系統(tǒng)工藝水平正常發(fā)揮，實際運行效果并不明顯[2]。

為了提高煤泥重介旋流器分選效果，國內(nèi)外專家學(xué)者逐漸將磁場技術(shù)應(yīng)用于煤泥重介質(zhì)旋流器。太原理工大學(xué)樊民強教授課題組最早發(fā)表了選煤用重介旋流器外部設(shè)置磁場調(diào)節(jié)分選密度的研究成果[3]，并通過系統(tǒng)的試驗及深入研究，提出了煤泥重介旋流器分選密度雙向磁調(diào)控方法論[4-6]，同時對磁場方式作了進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)[7]。柴兆斌等[8]也就纏繞線圈電磁場對旋流器分選效果的影響進(jìn)行了研究。以上研究過程中均發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場強度超過一定值后旋流器分選效果開始變差。探討其原因，也只是籠統(tǒng)地概括為“破壞了流場”[9-10]。SVOBODA[11]從設(shè)備處理量、設(shè)備效率等方面綜合闡述了磁場強度對分選過程的復(fù)雜影響，認(rèn)為各種磁選設(shè)備都有一個合理的磁場調(diào)控范圍，磁場強度過大或過小均對設(shè)備的分選不利。

為了深入研究磁場強度對分選效果的影響關(guān)系，從理論上探索高磁場強度下旋流器分選效果變差的原因，本文采用提出假設(shè)、試驗驗證與理論計算相結(jié)合的方法，對磁場的影響作用量化研究，對于豐富復(fù)合力場分選理論，完善煤泥重介旋流器磁調(diào)控策略具有重要意義。

1 試驗方法與分選效果

1.1 材料性質(zhì)

試驗所用煤樣取自山西屯蘭選煤廠原煤3 mm分級篩篩下產(chǎn)品，篩分結(jié)果見表1。隨著原煤粒度的減小，各粒級灰分逐漸減小，-0.125 mm灰分26.74%，低于原煤灰分，矸石不易泥化；-3+1 mm粒級產(chǎn)率最高，為主導(dǎo)粒級。 試驗所用磁鐵礦粉由屯蘭選煤廠提供。 經(jīng)測定，磁鐵礦粉真密度4.4 g/cm3，磁性物含量>92%，粒度上-0.045 mm含量為85.85%。

表1 原煤篩分試驗結(jié)果Table 1 Sieve analysis results of the raw coal

1.2 試驗方法

采用前期磁力煤泥重介旋流器分選-3 mm粗煤泥試驗方法[12]，將一定質(zhì)量的-3 mm粗煤泥加入配備密度為1.3 g/cm3懸浮液中，煤泥質(zhì)量濃度為100 g/L。 調(diào)節(jié)變頻器，使礦漿以穩(wěn)定壓力0.1 MPa泵入煤泥重介旋流器。空心線圈與旋流器同軸放置于旋流器柱-錐交界面位置處，通過改變勵磁電流大小調(diào)節(jié)磁場強度，研究單因素下旋流器粗煤泥分選規(guī)律。旋流器底、溢流產(chǎn)品經(jīng)脫介、烘干、篩分、稱重后化驗灰分。

1.3 試驗結(jié)果分析

不同磁場強度下旋流器分選效果如圖1所示。由圖1可知，隨著電流強度增加，旋流器各粒級精煤灰分、尾煤灰分逐步提高，當(dāng)電流強度超過2.5 A時，精煤灰分漲幅變緩，電流繼續(xù)增加時漲幅不大；尾煤灰分在2.5 A時達(dá)到最大值，隨著電流繼續(xù)增加，尾煤合計灰分由最大值65.47%下降到試驗條件下最大電流時的33.17%。試驗過程中，精煤灰分基本不變，尾煤灰分明顯降低，說明隨著磁場強度增加，分選效果變差。試驗所得磁場強度對旋流器精煤、尾煤灰分的影響規(guī)律與前期試驗結(jié)論一致。

2 假設(shè)提出與驗證

根據(jù)磁場理論，磁場力的存在對磁鐵礦粉有吸引作用。本文假設(shè)，隨著磁場強度的增大，當(dāng)磁場的吸引作用超過旋流器流場的剪切作用時，磁鐵礦粉會在旋流器內(nèi)壁磁場作用區(qū)徑向吸附，進(jìn)而形成具有一定厚度和強度的磁鐵礦粉“堆積層”。旋流器內(nèi)已形成的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)流場在磁鐵礦粉“堆積層”附近產(chǎn)生紊亂，導(dǎo)致分選效果變差。為驗證以上假設(shè)是否成立，按照磁鐵礦粉在器壁吸附后的理想堆積形態(tài)加工制作了兩個不同厚度的空心圓環(huán)放置于磁場作用處，定性表征磁鐵礦粉在不同磁場強度下形成的“堆積層”，借以試驗的方法驗證此裝置的放置是否產(chǎn)生同樣規(guī)律的試驗結(jié)果?？招膱A環(huán)放置于旋流器柱錐交界面，依靠錐體角度固定支撐，圓環(huán)厚度分別設(shè)計為5 mm和10 mm(圖2)。

基于以上假設(shè)，不同厚度圓環(huán)錐臺作用下旋流器分選效果見圖3。由圖3可知，圓環(huán)錐臺安裝后，隨著圓環(huán)厚度的增加，精煤灰分逐漸降低，尾煤灰分變化幅度不大。圓環(huán)的凸起作用使物料在此處產(chǎn)生了一定程度的松散，錯配物得到重新分配，提高了分選精度。試驗結(jié)果與假設(shè)不符，前期假設(shè)不成立，說明高磁場強度下旋流器分選效果變差并不是磁鐵礦粉徑向堆積擾亂流場造成的。流體高速剪切作用下旋流器內(nèi)部并未形成穩(wěn)定厚度的磁鐵礦粉堆積層。

圖1 電流強度對分選效果的影響Fig.1 Effect of current intensity on separation effect

圖2 圓環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸及安裝圖Fig.2 Ring structure and the installation diagram

圖3 圓環(huán)厚度對分選效果的影響Fig.3 Effect of ring thickness on separation effect

磁場作用下旋流器內(nèi)顆粒運移規(guī)律應(yīng)從受力分析結(jié)合磁場-多相流場耦合模擬做進(jìn)一步研究。

3 磁場強度對磁鐵礦粉團(tuán)聚粒度的影響

磁鐵礦粉粒度是影響重介質(zhì)分選效果的重要因素[13]。不同重介質(zhì)分選機對磁鐵礦粉粒度要求不同，一般情況下，物料粒度越細(xì)，要求磁鐵礦粉-0.045 mm含量也應(yīng)越高。磁鐵礦粉粒度主要影響懸浮液穩(wěn)定性和流變性。在磁力煤泥重介旋流器磁場及磁鐵礦粉剩磁作用下磁鐵礦粉會形成磁團(tuán)聚體，造成介質(zhì)表觀粒度變大，進(jìn)而影響旋流器分選效果。磁選設(shè)備中，磁團(tuán)聚體受力主要分為兩大類：形成磁團(tuán)聚的力和破壞磁團(tuán)聚的力。

3.1 形成磁團(tuán)聚的力

磁性顆粒相互作用力是產(chǎn)生磁團(tuán)聚的主要作用力，可由庫侖定律決定[14]，但公式中各參數(shù)不易直接測定，EYYSA等[15]從能量變化的觀點出發(fā)，在假定強磁性礦物懸浮液中強磁性顆粒為直徑dp的球體時，顆粒間的磁相互作用力可用式(1)計算，同時指出，在研究常規(guī)粒度的強磁性礦物的磁團(tuán)聚時，可以忽略表面力和其他力的作用。

(1)

式中：Fc為顆粒間的磁相互作用力；C1為空穴和粒子的退磁系數(shù)，對于球形粒子，C1=0.75π；M為顆粒的磁化強度；dp為強磁性粒子直徑；ε為懸浮液的孔隙度，ε=1-c，c為磁性顆粒體積濃度。

3.2 破壞磁團(tuán)聚的力

破壞磁團(tuán)聚的力主要有以下幾種[16-17]。

1) 湍流脈動剪切力。湍流脈動剪切力是非葉輪攪拌作用區(qū)破壞磁團(tuán)聚體的主要作用力。葉輪的強烈攪拌使其中的磁團(tuán)聚體受到湍流脈動剪切作用，計算見式(2)。

(2)

式中：C2為系數(shù)；ω為攪拌機的角速度；T為輸入扭矩；dF為團(tuán)聚體粒度。

2) 自重力引起的剪切作用力。計算見式(3)。

τ2=mg/S

(3)

式中：m為粒子質(zhì)量；S為粒子截面積。

3) 黏性力引起的剪切作用力。假定磁團(tuán)聚體與介質(zhì)黏性力服從斯托克斯公式，則得式(4)。

τ3=6πηdF?0/S

(4)

式中，?0為水流上升速度。

4) 碰撞剪切力。碰撞剪切力主要發(fā)生在葉輪區(qū)。高速旋轉(zhuǎn)的葉輪與磁團(tuán)聚體直接發(fā)生碰撞產(chǎn)生沖擊力，與葉輪形狀、輸入能量、葉輪切向速度、團(tuán)聚體粒度、流體黏度、顆粒與葉輪的相對速度等都有關(guān)系，其定量描述很困難。

以上破壞磁團(tuán)聚體的合力稱為磁團(tuán)聚體的抗剪切強度τB，計算見式(5)。

τB=τ1+τ2+τ3

(5)

葉輪攪拌區(qū)攪拌作用很強，湍流脈動剪切力和碰撞剪切力同時存在，由自重引起的剪切力和黏性力引起的剪切力可以忽略[18]，而穩(wěn)定的磁團(tuán)聚體存在于非葉輪區(qū)，此時τB的計算見式(6)。

τB=τ1=C3Fndp

(6)

(7)

由式(7)可知，磁團(tuán)聚體粒度與磁場強度的3次方成正比，與磁鐵礦粉體積濃度2次方成正比。參照試驗過程中所加載勵磁電流條件，固定懸浮液密度條件下，不同粒度磁鐵礦粉團(tuán)聚粒度與磁化強度關(guān)系計算結(jié)果見表2。

以勵磁電流為2.5 A時為例，不同懸浮液密度下磁團(tuán)聚體粒度見表3。

表2 磁團(tuán)聚體粒度與磁化強度的關(guān)系Table 2 The relationship between particle size an agnetic field intensity

表3 磁團(tuán)聚體粒度與懸浮液密度的關(guān)系Table 3 The relationship between particle siz nd suspension density

由表1和表2可知，隨著磁場強度的增加，磁團(tuán)聚體表觀粒度顯著增大，導(dǎo)致介質(zhì)懸浮液穩(wěn)定性和流變性變差，進(jìn)而對旋流器分選效果帶來不利影響。這就不難解釋前期試驗中，當(dāng)磁場強度超過一定值，或懸浮液密度增大到一定程度后分選效果開始變差的現(xiàn)象[19]。

4 結(jié) 論

1) 旋流器流場的高速剪切作用下，磁場作用區(qū)內(nèi)并未形成致密穩(wěn)定的磁鐵礦粉堆積層。旋流器柱段設(shè)置一定厚度的空心圓環(huán)錐臺，可提高旋流器分選精度。

2) 磁力煤泥重介旋流器磁場的施加，一定程度上可提升旋流器分選密度，所加載磁場強度與工藝條件及操作條件均相關(guān)；當(dāng)磁場強度超過合理范圍后，磁團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致流場穩(wěn)定性與介質(zhì)流變性變差，旋流器分選效果變差。